كوارتز كريستال ، مادة التوقيت

كوارتز كريستال ، مادة التوقيت

1 المقدمة

الكوارتز مادة كهرضغطية.تهتز رقاقة رقيقة من الكوارتز ، مع أقطاب كهربائية متصلة بأسطح متقابلة ، ميكانيكيًا عند تطبيق الجهد على القطبين.تردد الاهتزاز هو في الأساس دالة لأبعاد الرقاقة.تُستخدم الرقائق ، التي تسمى الرنانات البلورية عند تركيبها بشكل مناسب مع أقطاب كهربائية ، منذ فترة طويلة للتحكم في تردد أجهزة الإرسال اللاسلكية ، وكانت مكونًا أساسيًا في معدات الاتصالات السلكية واللاسلكية حيث تُستخدم خصائصها الكهرضغطية في المرشحات والمذبذبات والأجهزة الأخرى.الآن تعمل بلورات الكوارتز على الوقت وتنسيق الإشارات للمعالجات الدقيقة وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة التحكم القابلة للبرمجة والساعات والمعدات الرقمية الأخرى مثل DSP المختلفة.

الكوارتز شكل بلوري لثاني أكسيد السيليكون (SiO₂).وهي مادة صلبة وهشة وشفافة بكثافة 2649 كجم / م³ونقطة انصهار عام 1750°جيم- الكوارتز غير قابل للذوبان في الأحماض العادية ، ولكنه قابل للذوبان في حمض الهيدروفلوريك وفي القلويات الساخنة.عند تسخين الكوارتز إلى 573°ج ، يتغير شكله البلوري.يُعرف الشكل المستقر فوق درجة حرارة الانتقال هذه باسم الكوارتز العالي أو الكوارتز بيتا ، في حين أن الشكل المستقر أقل من 573°يُعرف C باسم الكوارتز المنخفض أو الكوارتز ألفا.بالنسبة لتطبيقات الرنان ، فإن alpha-quartz هي فقط ذات الأهمية وما لم يُنص على خلاف ذلك ، يشير مصطلح الكوارتز في التكملة دائمًا إلى alpha-quartz.الكوارتز مادة طبيعية وفيرة ، ولكن يتطلب الأمر عمالة كبيرة لفصل الجودة الجيدة عن الكوارتز الطبيعي رديء الجودة.على الرغم من أن السيليكون (بشكل أساسي على شكل ثاني أكسيد ، وبشكل عام على شكل بلورات كوارتز صغيرة) يشتمل على ما يقرب من ثلث قشرة الأرض ، إلا أن الكوارتز الطبيعي بالحجم والجودة المناسبين للاستخدام في الأجهزة التي تستخدم خواصه الكهروضغطية ، تم العثور عليه بشكل أساسي في البرازيل.يعتبر الكوارتز الطبيعي أيضًا مكلفًا للمعالجة لأنه يحدث في أشكال وأحجام عشوائية.علاوة على ذلك ، يتم اكتشاف بعض أجزاء الكوارتز رديء الجودة فقط بعد المعالجة الجزئية.وغالبًا ما تجعل الشوائب المنتشرة في الكوارتز الطبيعي قطع الرقائق الصغيرة أمرًا غير عملي.كانت الخطوة الرئيسية الأولى في تطوير الكوارتز المستزرع في عام 1936 عندما أعطى فيلق إشارة الجيش الأمريكي عقدًا لمختبرات الفرشاة تحت إشراف الدكاترة.جافي وهيل وسوير.تم ذلك بسبب الندرة المعلقة من الكوارتز الطبيعي بجودة كهرضغطية جيدة ، يتم شراؤها عادةً من البرازيل.

اليوم ، يُزرع الكوارتز الآن بشكل مصطنع إلى أبعاد محددة.يتم التحكم في اتجاه الكريستال ، والنقاء مرتفع بشكل موحد.تقلل الأحجام القياسية من تكلفة قطع الرقائق ، وتنتشر الشوائب على نطاق واسع ، مما يجعل من الممكن أن تتطلب الرنانات الصغيرة طاقة قيادة منخفضة.

2. العملية الأساسية لزراعة الكوارتز المستنبت

يُزرع الكوارتز المستنبت في وعاء ضغط كبير يُعرف باسم الأوتوكلاف (انظر الرسم التخطيطي التالي).الأوتوكلاف عبارة عن أسطوانة معدنية ، مغلقة من طرف واحد ، قادرة على تحمل ضغوط تصل إلى 30000 رطل لكل بوصة مربعة مع درجة حرارة داخلية من 700 إلى 800°F. يبلغ ارتفاعها عادة من 12 إلى 20 قدمًا وقطرها من 2 إلى 3 أقدام.

يتم وضع رقائق صغيرة من الكوارتز النقي غير المكشوف (بحجم 1 إلى 1.5 بوصة) ، تسمى "اللاسكاس أو المغذيات" ، في سلة شبكية سلكية ويتم إنزالها في النصف السفلي من الإناء.يتم وضع لوح فولاذي بفتحات مرتبة مسبقًا ، يسمى "حاجز" ، أعلى السلة.يستخدم الحاجز لفصل منطقة النمو (البذور) ومنطقة المغذيات ، وللمساعدة في إنشاء فرق درجة الحرارة بين المنطقتين.يتم تثبيت الألواح الكريستالية المفردة الموجهة بشكل مناسب (سواء كانت طبيعية أو مستنبتة) ، والتي تسمى "بذرة" ، على رف ومعلقة أعلى الحاجز في النصف العلوي من الإناء.يتم بعد ذلك تعبئة الأوتوكلاف بمحلول قلوي مائي (كربونات الصوديوم أو هيدروكسيد الصوديوم) لما يقرب من 80٪ من حجمه الحر للسماح بتمدد السائل في المستقبل ، ويتم غلقه بإغلاق عالي الضغط.يتم إحضار الأوتوكلاف بعد ذلك إلى درجة حرارة التشغيل من خلال سلسلة من السخانات المقاومة المتصلة بالمحيط الخارجي للأسطوانة.مع ارتفاع درجة الحرارة ، يبدأ الضغط في التزايد داخل الأوتوكلاف.درجة حرارة من 700 إلى 800°يتم الوصول إلى F في النصف السفلي من الوعاء بينما يتم الحفاظ على النصف العلوي عند 70 إلى 80°F أبرد من النصف السفلي.

عند ضغط التشغيل ودرجة الحرارة ، يذوب اللاسكاس في المحلول الساخن في النصف السفلي من الوعاء ، والذي يرتفع بعد ذلك.عندما يصل إلى درجة الحرارة الأكثر برودة للجزء العلوي من الوعاء ، يصبح المحلول مفرط التشبع ، مما يتسبب في إعادة تبلور الكوارتز المذاب داخل اللاسكاس على البذرة.ثم يعود المحلول المستهلك المبرد إلى النصف السفلي من الوعاء لتكرار الدورة حتى يتم استنفاد اللاسكاس ووصول أحجار الكوارتز المستزرعة إلى الحجم المطلوب.تتراوح مدة ما يسمى بـ "العملية الحرارية المائية" من 25 إلى 365 يومًا ، اعتمادًا على حجم الحجر المطلوب وخصائصه ونوع العملية - هيدروكسيد الصوديوم أو كربونات الصوديوم.

3. التناسق ، التوأمة وحجم كريستال الكوارتز

ينتمي Alpha-quartz إلى فئة علم البلورات 32 ، وهو منشور سداسي مع ستة أوجه غطاء في كل طرف.تم تعيين أوجه المنشور على شكل حرف m وتم تعيين أوجه الغطاء على شكل R و r.غالبًا ما يطلق على الوجوه R وجوه المعين الرئيسية والوجوه r هي وجوه معينية ثانوية.تحدث بلورات اليد اليمنى واليسرى بشكل طبيعي ويمكن تمييزها من خلال موضع الوجوه S و X.

كما هو موضح في الرسم التخطيطي أعلاه ، تحتوي بلورة ألفا-كوارتز على محور واحد من التناظر ثلاثي الطيات (المحور الثلاثي) ، ولها ثلاثة محاور للتناظر الثنائي (المحاور الرقمية) التي تكون متعامدة مع هذا المحور المثلثي.تتباعد المحاور الرقمية بمقدار 120 درجة وهي محاور قطبية ، أي أنه يمكن تخصيص إحساس محدد لها.يشير وجود المحاور القطبية إلى عدم وجود تناظر مركزي وهو شرط ضروري لوجود التأثير الكهروإجهادي.تُعرف المحاور الرقمية أيضًا باسم المحاور الكهربائية للكوارتز (المحور x ، y).في الكريستال ذي الوجوه الطبيعية المطورة بالكامل ، يمكن التمييز بين طرفي كل محور قطبي من خلال وجود أو عدم وجود الوجوه S و X.عندما يتم تطبيق الضغط في اتجاه المحور الكهربائي ، يتم تطوير شحنة سالبة في تلك النهاية من المحور المعدلة بواسطة هذه الوجوه.المحور المثلثي ، المعروف أيضًا باسم المحور البصري (المحور z) ، ليس قطبيًا ، نظرًا لأن وجود محاور رقمية طبيعية بالنسبة له يعني أن طرفي المحور المثلثي متكافئان.وبالتالي لا يمكن إنتاج استقطاب كهرضغطية على طول المحور البصري.في أنظمة الإحداثيات المستطيلة ، يكون المحور z موازيًا لوجوه المنشور m.تسمى صفيحة الكوارتز المقطوعة بسطحها الرئيسي المتعامد مع المحور السيني لوحة القطع X.يؤدي تدوير القطع بمقدار 90 درجة حول المحور z إلى إعطاء صفيحة مقطوعة بشكل Y بحيث يكون المحور y الآن متعامدًا على السطح الرئيسي.نظرًا لأن بلورة الكوارتز لها ستة أوجه موشورية ، توجد ثلاثة خيارات للمحور السيني والصادي.الاختيار تعسفي.يتصرف كل منهما بشكل متماثل.

الكوارتز مادة نشطة بصريا.عندما يتم إرسال شعاع من الضوء المستقطب على طول المحور البصري ، يحدث دوران لمستوى الاستقطاب ، ويعتمد مقدار الدوران على المسافة المقطوعة في المادة.يمكن استخدام الإحساس بالدوران للتمييز بين شكلين طبيعيين من الكوارتز ألفا والمعروفين باسم الكوارتز الأيسر والكوارتز الأيمن.في الكوارتز الأيسر ، يدور مستوى الاستقطاب عكس اتجاه عقارب الساعة عندما يراه مراقب ينظر نحو مصدر الضوء ، وفي الكوارتز الأيمن يدور في اتجاه عقارب الساعة.معظم الكوارتز المنتج المستزرع هو الكوارتز الأيمن ، بينما في الكوارتز الطبيعي الأيسر والأيمن يتم توزيعهما بالتساوي تقريبًا.يمكن استخدام أيٍّ من النموذجين بشكل جيد في تصنيع الرنانات ، ولكن لا يمكن استخدام المادة التي يتم فيها خلط الأشكال اليمنى واليسرى ، والتي تسمى المادة المزدوجة بصريًا.من ناحية أخرى ، فإن المواد المزدوجة كهربائيًا هي كلها من نفس اليد ، ولكنها تحتوي على مناطق ينعكس فيها الإحساس بالمحور الكهربائي ، مما يقلل من التأثير الكلي للكهرباء الانضغاطية.هذه المواد ليست مناسبة أيضًا لتطبيق الرنان.يعد وجود التوأمة والعيوب الأخرى في بلورات الكوارتز الطبيعية السبب الرئيسي لنقص المواد الطبيعية المناسبة ، ويشكل عدم وجود توأمة كبيرة في الكوارتز المستزرع إحدى مزاياها الرئيسية.عندما يتم تسخين alpha-quartz إلى أعلى من 573°C ، يتغير الشكل البلوري إلى شكل كوارتز بيتا ، الذي له تناظر سداسي بدلاً من تناظر ثلاثي الزوايا.عند التبريد من خلال 573°C ، تعود المادة إلى alpha-quartz ، ولكن بشكل عام سيتم العثور عليها في التوأم كهربائيًا.على نفس المنوال ، يمكن أن يؤدي تطبيق ضغوط حرارية أو ميكانيكية كبيرة إلى توأمة ، لذلك من الضروري في معالجة الرنان لتجنب أي صدمات حرارية أو ميكانيكية.

بعد إزالتها من الأوتوكلاف الذي تم إنتاجها فيه ، يتم تحويل بلورات الكوارتز المستزرعة ، عن طريق الطحن ، إلى ما يسمى بالقضبان الخشبية.هذه هي قضبان طويلة مستطيلة مناسبة للتقطيع اللاحق إلى رقائق للرنانات.يبلغ طول القضبان الخشبية عادةً من 6 إلى 8 بوصات ، لكن الطول القابل للاستخدام يتراوح من 5 إلى 6 بوصات لأن المواد القريبة من النهايات غير صالحة للاستعمال.يمكن زراعة قضبان أطول ، ولكنها تتطلب بذورًا أطول ، وتزداد تكلفتها بسرعة مع زيادة الطول.يبلغ ارتفاع القضبان الخشبية عمومًا ضعف العرض تقريبًا لأنه يتم قطع اثنين من الرقائق عادةً من كل شريحة.يتوفر العديد من القضبان الخشبية ذات الحجم القياسي ، ويمكن أيضًا زراعة الكوارتز وتطهيره إلى أبعاد محددة.

4. الشوائب الكيميائية في كريستال الكوارتز

يحتوي كل من الكوارتز المزروع والطبيعي على شوائب كيميائية يمكن أن تؤثر على أداء الرنان.الشوائب الكيميائية هي تلك التي تشكل روابط كيميائية مع السيليكون والأكسجين في الكوارتز.الألومنيوم والحديد والهيدروجين والفلور هي شوائب كيميائية نموذجية.يتم الاحتفاظ بها عند مستوى أقل بكثير في الكوارتز المستنبت من ذلك الموجود غالبًا في الكوارتز الطبيعي.ومع ذلك ، لا يتم توزيع الشوائب الكيميائية بالتساوي في الكوارتز المستنبت.+ x ،-تحتوي مناطق x و z وما يسمى بمناطق s التي تتكون أحيانًا على مستويات مختلفة من الشوائب الكيميائية.تحتوي منطقتا z على أقل كمية من الشوائب.تحتوي منطقة + x على شوائب أكثر من منطقة z ، و-x المنطقة لديها المزيد من الشوائب.كثافة الشوائب في مناطق s ، والتي تكون صغيرة بشكل عام ، تقع بين تلك الموجودة في مناطق z وتلك الموجودة في منطقة + x.عند استخدام بذور عريضة للزراعة ، تكون مناطق z من شريط مثقوب كبيرة و + x و-مناطق س صغيرة.عند استخدام بذور ضيقة وأقل تكلفة ، تكون مناطق z أصغر وتكون + x و-مناطق س أكبر.بشكل عام ، يمكن أن تؤدي الشوائب الكيميائية إلى تدهور أداء الرنان مثل صلابة الإشعاع ، وقابلية التوأمة ، واستقرار المذبذب على المدى القصير والطويل ، وفقدان المرشح.

5. مرنان س وكريستال

قيمة Q للرنان البلوري هي نسبة الطاقة المخزنة إلى الطاقة المفقودة أثناء الدورة:

سº2صالطاقة المخزنة أثناء الدورة / الطاقة المفقودة أثناء الدورة

القيمة مهمة لأنها مقياس للطاقة المطلوبة لقيادة الرنان.إن Q هو في الأساس وظيفة الغلاف الجوي الذي يعمل فيه الرنان ، وعيوب السطح ، والملحقات الميكانيكية وعوامل أخرى ناتجة عن معالجة الرنانات وتركيبها.

يتم أيضًا تعيين قيمة Q لشريط الكوارتز المرقط ، لكن Q لشريط الكوارتز لا يعتمد على القياس المباشر للطاقة المخزنة والطاقة المفقودة.بدلاً من ذلك ، فإن Q لشريط الكوارتز هو رقم الجدارة بناءً على الشوائب في الشريط.يتم قياس الشوائب الكيميائية في الكوارتز المستنبت عن طريق توجيه ضوء الأشعة تحت الحمراء عبر مناطق z في شريحة مقطع عرضي لقضيب مثقوب.يتم قياس الفرق في النفاذية عند طولين موجيين محددين (3500 نانومتر و 3800 نانومتر) ، ويتم حساب قيمة Q من هذه البيانات.يحتوي الكوارتز الذي يحتوي على Q عالٍ على شوائب أقل من تلك التي تحتوي على Q منخفضة ، ويتم استخدام قياسات "الأشعة تحت الحمراء Q" ، وفقًا لمعيار EIA 477-1 ، بشكل روتيني من قبل مزارعي الكوارتز والمستخدمين كمؤشر على جودة الكوارتز.

لا تتطابق قيمة Q للرنان عمومًا مع قيمة شريط الكوارتز الذي تم قطع الرنان منه.ومع ذلك ، يمكن أن يتأثر Q للرنان عندما يكون Q لشريط الكوارتز أقل من المستوى الحرج.قيمة AQ البالغة 1.8 مليون أو أعلى للكوارتز المستنبت هي إشارة إلى أن الشوائب الكيميائية لن تكون عاملاً في Q النهائي للرنان لمعظم التطبيقات.يسمى الكوارتز الذي يحتوي على مثل هذه القيم لـ Q بشكل عام الدرجة الإلكترونية (الدرجة C).الكوارتز من الدرجة الممتازة لديه 2.2 مليون Q (الدرجة B) ، والقسط الخاص لديه 3.0 مليون Q (الدرجة A).من المهم أن تدرك أن قيمة Q للكوارتز المستنبت تعتمد على الشوائب في منطقة z فقط.لذلك ، حتى عندما تكون البلورة Q مناسبة لتطبيق ما ، يمكن أن يتأثر الرنان Q والتردد مقابل سلوك درجة الحرارة سلبًا حيث يتضمن الجزء النشط (بين الأقطاب الكهربائية) من الرنان + x ،-x أو s مادة المنطقة.

يمكن قطع رقائق الكريستال الكوارتز التي تحتوي فقط على مادة z-region فقط من القضبان المزروعة من بذور واسعة ، وهي غالية الثمن نسبيًا.لحسن الحظ ، نادرًا ما تغطي الأقطاب الكهربائية مساحة السطح الكاملة لرقاقة الرنان ، والشوائب الموجودة في + x ،-لا تؤثر منطقة x أو s سلبًا على تشغيل الرنان عندما تقع مادة الشوائب هذه خارج الجزء النشط.وبالتالي ، يمكن أن تستخدم الرنانات في معظم التطبيقات الكوارتز المزروع من بذرة ضيقة رخيصة نسبيًا.

6. ملخص

بلورات الكوارتز الكهروإجهادية ، التي اكتشفها الزوجان كوريان المشهوران في عام 1880 والتي تم الحصول عليها بتكلفة عالية من الكريستال الطبيعي الخام ، تتم زراعتها الآن بشكل مصطنع من خلال عملية تنتج بلورات ذات حجم ونقاء محددين.لقد أدى هذا الكوارتز المستنبت إلى خفض التكلفة وتقليل حجم الرنانات الحاسمة لتوقيت الدوائر الرقمية الحالية.