大多數(shù)人都知道我們現(xiàn)在使用的石英晶振,原材料是一種叫做石英的礦結(jié)晶體,18世紀的80年代首次被它具有特殊的壓電效應,當受到外力電壓影響時,晶體內(nèi)部會產(chǎn)生神奇的電極化現(xiàn)象,這就是石英晶體發(fā)生振蕩的因素.通過一百多年的研究和使用,人們已經(jīng)基本掌握了石英這種結(jié)晶體的特性和作用,并且利用這些特點促進了時代和社會的進步與發(fā)展.
Curie兄弟于1880年描述了壓電效應.這是開始新時代測量和頻率控制所需的基礎(chǔ)知識.直到20世紀60年代,天然石英被用作生產(chǎn)石英晶體的原料.但喬治·斯佩齊亞于1900年在意大利都靈大學發(fā)現(xiàn)了石英的熱液生長.他的高壓釜很小,燃氣加熱.他生產(chǎn)出第一批可用的合成石英石.不能從熔化的材料中生長石英.石英的反轉(zhuǎn)點為573°C,其結(jié)構(gòu)從低溫α石英(壓電)變?yōu)楦邷?beta;石英(不再是壓電).在從高溫到低溫的過程中,晶體返回到α石英結(jié)構(gòu).
但是來自阿爾法石英存在兩種晶體學版本,右手和左手晶體.這產(chǎn)生了雙胞胎,意味著水晶的一部分左手而另一部分是右手.這給出了最終產(chǎn)品完全不同的行為.這種晶體對晶體工業(yè)不再有用.為了開始生長新的晶體,需要種子非常好的材料.種子質(zhì)量決定了種植水晶的質(zhì)量.第一代種子主要由天然石英晶體制成.因此在這個過程中使用了少量的天然寶石.今天的高壓滅菌器具有更大的尺寸,最高可達到高度幾十米,直徑一米或多米.內(nèi)部條件保持不變超過100年,壓力為2000巴,溫度為370°C.電熱提供合適的溫度,生長時間從幾周到一年不等,具體取決于最終寶石的尺寸和質(zhì)量.電力消耗成為材料價格的主要部分.

合成石英晶體對天然寶石有很多好處.只生產(chǎn)一種類型的右手石英.在這種情況下,所有晶體取向和切割方向都是完全清楚的.夾雜物較少,沒有雙胞胎并且保證Q值.在天然水晶上,看起來像一個雞蛋,必須找到光學方法的主軸.接下來是搜索夾雜物,然后用X射線控制切割和切片.還必須通過蝕刻圖片來控制雙胞胎.這需要很多時間.產(chǎn)率不可再現(xiàn).
這對于合成晶振是不同的.產(chǎn)量不僅取決于材料,而僅取決于使用的工藝.今天的雙旋轉(zhuǎn)切割高精度晶體需要非常嚴格的公差.所有切割和研磨過程都需要高精度,并且也提高了對測量技術(shù)的需求.必須在批量生產(chǎn)過程中測量兩個旋轉(zhuǎn)方向上的0.002度范圍內(nèi)的角度公差和ppb范圍內(nèi)精度的頻率公差.這遠遠超過半導體行業(yè).對于空間應用,材料必須通過額外的過程,掃描.該過程是在高溫下的電擴散并從材料中除去不需要的離子.這需要幾周時間,這是一個非常困難的過程.該過程對于減少高水平輻射對晶體頻率的影響是必要的.

沒有振蕩器的石英晶體諧振器的首次使用是所謂的電致發(fā)光晶體.這種類型的晶體用于控制大型LC穩(wěn)定無線電臺的頻率.在諧振的情況下,充氣環(huán)境中的晶體通過電流.這允許它開始氣體放電并且氣體開始發(fā)光.晶體的真正使用始于20世紀20年代電子振蕩器的發(fā)展.從這一點開始,可以利用電場刺激機械振動.現(xiàn)在可以使用機械振動的穩(wěn)定性.第一個諧振器和今天使用的大多數(shù)諧振器都是體聲波諧振器(BAW).后來又使用了另一種效果,表面聲波諧振器(SAW).在SAW上,使用特殊波形的表面?zhèn)鞑泶骟w積振動.SAW主要用于過濾器應用.

加速晶體開發(fā)和生產(chǎn)進程的一個重要時期是第二次世界大戰(zhàn)和隨后的冷戰(zhàn).晶體用于通信系統(tǒng)和雷達.后來建立了全球定位系統(tǒng).所有這些都需要非常精確的時間保持.最初的大規(guī)模生產(chǎn)晶體之一是用于通信的所謂’通道晶體’.它具有標準尺寸,并且由不同工廠生產(chǎn)用于相同用途.具有時鐘晶體的電子表首先用于天文目的.一開始就填滿了一個房間.隨著集成電路的發(fā)展,手表水晶必須適合手表.微型調(diào)音叉的生產(chǎn)已經(jīng)開始.
今天的晶體尺寸是標準化的,尺寸低至2x2mm,高度低于1mm.這種非常小的晶體不能滿足與更大晶體相同的規(guī)格.應用確定了石英晶體的尺寸.BAW resonators涵蓋從低kHz(特別是時鐘晶體)到高達幾百MHz的范圍,并且可以超過1GHz.在現(xiàn)代世界中,石英晶體用于許多應用中.從腕表到手機,電腦,電視,洗衣機,汽車,飛機和衛(wèi)星,我們使用至少一種水晶應用程序.今天的高精度時鐘現(xiàn)在使用其他類型的基本振動.這些都不是更多的機械振動,而是在原子基礎(chǔ)上的電子躍遷,如銣鐘.這些OSCillator具有更好的長時間穩(wěn)定性.但它們沒有達到高精度石英振蕩器的短時穩(wěn)態(tài)(相位噪聲).

石英晶體或具有多個電極的晶體的組合用作具有高品質(zhì)因數(shù)的頻率濾波器.這主要用于電信系統(tǒng)中以分離頻率信道.另一個使用領(lǐng)域是傳感器應用.特殊的諧振器設(shè)計允許應用為溫度傳感器,質(zhì)量傳感器,壓力傳感器等.所有這些參數(shù)都可以輕松地與振動器的頻率變化相關(guān)聯(lián).一種非常常見的應用是真空蒸發(fā)系統(tǒng)中的薄膜厚度傳感器.通過應用質(zhì)量使用頻率變化的效果,可以進行非常簡單的膜厚度測量.根據(jù)晶體振動器的基頻,質(zhì)量靈敏度可以達到原子層數(shù)量級的值.
在今天的世界里,石英晶體無處不在,但我們沒有注意到它們.只有當其中一個失敗時,我們的手機,洗衣機,汽車才行不通.沒有石英晶體,世界上的所有通信都會停止.看看這個小元素,其機械精度低至原子層,并了解生產(chǎn)其中一種晶體需要多少工作,技術(shù)和精度.

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從天然石英到合成石英晶振的演變歷程

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