Mono-crystalline χαλαζίας

Ο χαλαζίας που χρησιμοποιείται στην κατασκευή των προϊόντων ελέγχου συχνότητας είναι μονο κρυστάλλινος μιας ασυμμετρικής εξαγωνικής μορφής. Χημικά, ο χαλαζίας είναι διοξείδιο πυριτίου, SiO2 που εμφανίζεται φυσικά ως πιό bundant μετάλλευμα στη γη, που αποτελεί περίπου 14% της γήινης επιφάνειας.

Η σημασία του μονο κρυστάλλινου χαλαζία στη σύγχρονη βιομηχανία ηλεκτρονικής είναι το αποτέλεσμα των συνδυασμένων ιδιοτήτων της πιεζοηλεκτρισμού, υψηλής μηχανικής και χημικής σταθερότητας, πολύ υψηλού Q στην αντήχηση και σύγχρονων μεθόδων χαμηλότερου κόστους εξαιρετικά τα υψηλά επίπεδα της καθαρότητας στο συνθετικό υλικό.

Ο χαλαζίας είναι τώρα αναπόφευκτος ως κύριο υλικό για τον έλεγχο της συχνότητας στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό και ξεπερνιέται μόνο για τη μακροπρόθεσμη ακρίβεια από τα αρχικά ατομικά πρότυπα όπως το καίσιο και το ρουβίδιο.

Εντούτοις η πρόσφατη ανάπτυξη των mems, των ηλεκτρο μηχανικών συστημάτων μικροϋπολογιστών, και nems, νανο-ηλεκτρο μηχανικά συστήματα, τίθεται ως στόχος να ξεσηκώσει την αγορά ελέγχου συχνότητας με την ένταξη των απλών ρολογιών στα υποστρώματα πυριτίου που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία ολοκληρωμένου κυκλώματος.

Αυτές οι μικροσκοπικές συσκευές μπορούν αναπόφευκτα να αντικαταστήσουν όλα τα απλά ρολόγια που παρέχουν την προστιθέμενη αξιοπιστία με χαμηλότερο κόστος και όπου η ελάχιστη ακρίβεια συγχρονισμού είναι μια απαίτηση.

Στο βασικό χημικό πυρίτιο μορφής του το διοξείδιο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο συχνότητας και πρέπει να είναι της μονο κρυστάλλινης δομής στην οποία εκθέτει τις χρησιμοποιήσιμες πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες λόγω της ασυμμετρικής μορφής της. Ο πιεζοηλεκτρισμός (ελληνικό Piezein “για να πιέσει”) στο μονο κρυστάλλινο χαλαζία ανακαλύφθηκε από τους αδελφούς κιουριού στο Sorbonne, Παρίσι 1880.

Εντούτοις δεν ήταν μέχρι το 1917 ότι αυτή η ιδιοκτησία χρησιμοποιήθηκε σε μια πρακτική εφαρμογή όταν καθηγητής Langevin στη Γαλλία και Π.Μ. Nicolson στους δυτικούς ηλεκτρικούς ανεξάρτητα σχεδιασμένους πομποδέκτες σόναρ για την ανίχνευση των υποβρυχίων εν πλω.

Το Nicolson πήγε αργότερα για να αρχειοθετήσει διάφορα διπλώματα ευρεσιτεχνίας για τις εφαρμογές χρησιμοποιώντας και το χαλαζία και το άλας της Rochelle. Αυτό το τελευταίο υλικό αποκρίθηκε έντονα στα υγιή κύματα και το ηλεκτρικό ερέθισμα και ενσωματώθηκε από Nicolson στα σχέδια για τα μικρόφωνα, τα μεγάφωνα και τις επαναλείψεις φωνογράφων. Ενώ Nicolson είχε προτείνει τη χρήση των piezo ηλεκτρικών υλικών για τον έλεγχο της συχνότητας ενός κενού ταλαντωτή σωλήνων ήταν ο Δρ Walter Caddy του μεθοδιστούς πανεπιστημίου που αρχειοθέτησε τα πρώτα διπλώματα ευρεσιτεχνίας για ελεγχόμενους τους κρύσταλλο ταλαντωτές το 1923.

Ο καθ. G.W. Pierce του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ εκτέλεσε την περαιτέρω εργασία για την ανάπτυξη ταλαντωτών κρυστάλλου σε περίπου αυτή τη φορά. Το κύριο επίτευγμα του Pierce ήταν το σχέδιο ενός ελεγχόμενου κρύσταλλο ταλαντωτή που χρησιμοποιούν μόνο έναν κενό σωλήνα και κανενός συντονισμένου κυκλώματος εκτός από το ίδιο το κρύσταλλο.

Κατά τη διάρκεια της πρόωρης δεκαετίας του '20 η ανάπτυξη ταλαντωτών κρυστάλλου και η ραδιο τεχνολογία προχώρησαν σταθερά δίπλα-δίπλα. Οι σημαντικότερες εφαρμογές για τους ταλαντωτές κρυστάλλου κατά τη διάρκεια αυτών των πρώτων μερών ήταν για τη χρήση ως χρονικά πρότυπα και ήταν μέχρι που κατά το 1926 οι ταλαντωτές εκείνου του κρυστάλλου χρησιμοποιήθηκαν για να ελέγξουν τη συχνότητα μιας ραδιο συσκευής αποστολής σημάτων. Αυτό έγινε στο ραδιοσταθμό WEAF στη Νέα Υόρκη που ήταν κύρια κοντά και Τ.

Τηλεφωνικά εργαστήρια κουδουνιών που ήταν μέρος της AT&T και μαζί με την επιχείρηση Marconi στο UK και S.E.L. Η Γερμανία επέτυχε πολλές σημαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία κρυστάλλου κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '30. Το 1934 οι κκ Lack και Willard στα εργαστήρια κουδουνιών ανακάλυψαν στην περικοπή και η BT έκοψε τα κρύσταλλα που έδωσαν τη βιομηχανίας επικοινωνιών βελτιωμένης απέραντα συχνότητα εναντίον των κρυστάλλων απόδοσης θερμοκρασίας.

Οι βελτιωμένες τεχνικές σφράγισης και παραγωγής μαζί με την ανακάλυψη μιας νέας οικογένειας αντισταθμισμένων των πίεση περικοπών είναι μεταξύ μερικών από τις προόδους που έχουν γίνει κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας μαζί με την πιό πρόσφατες διαδικασία mesa και τη μικρογράφηση των κρυστάλλων και των ταλαντωτών.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά εκθέτουν μια κατευθυντικά σχετική ηλεκτρική δαπάνη όταν υποβάλλεται στην πίεση και αντιθέτως η εφαρμογή μιας ηλεκτρικής δαπάνης αναγκάζει μια κατευθυντικά σχετική δύναμη για να παραχθεί μέσα στο υλικό. Η εφαρμογή ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρικού πεδίου θα αναγκάσει το υλικό για να δονηθεί και στη συνέχεια μηχανικά να αντηχήσει. Η συχνότητα οποιασδήποτε μηχανικής αντήχησης καθορίζεται από τις φυσικές διαστάσεις του υλικού, της “γωνίας περικοπών” όσον αφορά τον κρυστάλλινο άξονα του αρχικού μονο κρυστάλλινου κρυστάλλου, της περιβαλλοντικής θερμοκρασίας και οποιωνδήποτε τροποποιώντας αποτελεσμάτων των σχετικών μηχανικών ή ηλεκτρικών συστατικών.

Οι ιδιότητες του κρυσταλλωμένου χαλαζία περιλαμβάνουν την υψηλή χημική και μηχανική σταθερότητά της και έναν συντελεστή χαμηλής θερμοκρασίας, με συνέπεια μια μικρή αλλαγή στην ηχηρή συχνότητα για οποιαδήποτε αλλαγή στην περιβαλλοντική θερμοκρασία, μαζί με το πολύ υψηλό Q στην αντήχηση. Εμφανίζεται φυσικά και όλη η πρόωρη πειραματική εργασία εκτελέσθηκε χρησιμοποιώντας το φυσικό κρυσταλλωμένο χαλαζία.

Εντούτοις, ο φυσικός κρυσταλλωμένος χαλαζίας πάσχει από τους συνυπολογισμούς των ακαθαρσιών, των φυσαλίδων, των ρωγμών και του ζευγαρώματος, οι οποίοι μειώνουν την αξία του για τη χρήση στον έλεγχο συχνότητας δεδομένου ότι αυτοί μειώνουν τον παράγοντα του Q. Επομένως η παραγωγή του συνθετικού χαλαζία καθιερώθηκε προκειμένου να παραχθεί μια καθαρή μορφή κρυστάλλινου χαλαζία απαλλαγμένη από το ζευγάρωμα και τις ακαθαρσίες.

Ο συνθετικός χαλαζίας παράγεται σε μια χύτρα πιέσεως από μια διαποτισμένη λύση του Ο2 Si σε περίπου 400°C και σε μια πίεση 1000Kg/cm2 να παραχθεί μια έξοχη διαποτισμένη λύση.

Η διαδικασία το συνθετικό χαλαζία είναι γνωστή ως υδροθερμική μέθοδος στην οποία τα έτοιμα πιάτα σπόρου του προ-προσανατολισμένου μονο κρυστάλλινου χαλαζία αναστέλλονται στη διαποτισμένη λύση και με τη μείωση της θερμοκρασίας της λύσης που η αύξηση των μεγάλων κρυστάλλων λαμβάνεται κάτω από το εργαστήριο έλεγξε τους όρους που ελαχιστοποιούν έτσι τις ακαθαρσίες και που μεγιστοποιούν το χρήσιμο όγκο του υλικού.

Οι ρυθμοί ανάπτυξης του συνθετικού υλικού είναι της τάξεως 1mm ανά ημέρα ή λιγότερους να επιτευχθεί μια μέγιστη αγνότητα. Τα αντηχεία χαλαζία για τη χρήση στα ηλεκτρονικά κυκλώματα παράγονται με την κοπή του κρυστάλλινου χαλαζία στις γκοφρέτες (ή τα κενά), που καλύπτουν τα ηλεκτρόδια επάνω σε κάθε πλευρά της γκοφρέτας και που εσωκλείουν το αντηχείο σε έναν κατάλληλο κάτοχο. Οι διαστάσεις της γκοφρέτας χαλαζία καθορίζουν ουσιαστικά τη συχνότητα αντηχείων αν και αυτό επηρεάζεται επίσης από το μέγεθος και το πάχος των ηλεκτροδίων και των σχετικών ηλεκτρικών στοιχείων κυκλώματος.

Ο προσανατολισμός της γκοφρέτας “που κόβεται” στον κρυστάλλινο οπτικό άξονα είναι κρίσιμος προκειμένου να επιτευχθούν η ακρίβεια της ηχηρής συχνότητας και ένας απαραίτητος συντελεστής χαμηλής θερμοκρασίας της συχνότητας για την τελική μονάδα αντηχείων. Η “περικοπή” θα παραγάγει τα χαρακτηριστικά θερμοκρασίας συχνότητας που είναι είτε δεύτερη διαταγή (τετραγωνική) ή η τρίτη διαταγή (τριαδική) και επομένως τα χαρακτηριστικά θα εκθέσει ενιαίος ή διπλός αναποδογυρίζει τα σημεία.