КВАРЦ КРИСТЛ, ПРИУРОЧИВАЯ МАТЕРИАЛ

КВАРЦ КРИСТЛ, ПРИУРОЧИВАЯ МАТЕРИАЛ

1. Введение

Кварц пьезоэлектрический материал. Тонкая вафля кварца, с электродами прикрепленными в сопротивляясь поверхности, вибрирует механически когда напряжение тока приложено к 2 электродам. Частота вибрации главным образом функция размеров вафли. Вафли, вызвали кристаллические резонаторы когда подходяще установленный с прикрепленными электродами, длиной были использованы для контролировать частоту передатчиков радио, и необходимый компонент в оборудовании связи радиосвязи где свои пьезоэлектрические свойства использованы в фильтрах, генераторах и других приборах. Теперь время кристаллов кварца и координировать сигналы для микропроцессоров, компьютеров, programmable регуляторов, дозоров, и другого Digital Equipment как различное DSP.

Кварц кристаллическая форма двуокиси кремния (SiO₂). Трудно, хрупкий, прозрачный материал с плотностью 2649 kg/m3 и точкой плавления ° 1750 C. Кварца неразрешим в обычных кислотах, но soluble в плавиковой кислоте и в горячих алкалиах. Когда кварц нагрет до 573° c, свои изменения кристаллической формы. Стабилизированная форма над этой температурой перехода как высоко-кварц или бета-кварц, пока стабилизированная форма под 573° c как низко-кварц или альф-кварц. Для применений резонатора, только альф-кварц представит интерес и если не указано иное кварц термине в продолжении всегда ссылается на альф-кварц. Кварц обильный естественный материал, но необходима, что отделяет значительная работа хорошее качество от кварца низкого качества естественного. Хотя кремний (главным образом в форме двуокиси, и вообще как небольшие кристаллиты кварца) состоит из приблизительно 1/3 земной коры, естественного кварца размера и качества соответствующего для пользы в приборах используя свои пьезоэлектрические свойства, находит главным образом в Бразилии. Естественный кварц также дорог для обработки потому что он происходит в случайных формах и размерах. Кроме того, некоторые этапы кварца низкого качества открыты только после частично обработки. И широко распространенные примеси в естественном кварце часто делают резать из небольших вафель непрактичной. Первый крупный шаг в развитии выращиванного в питательной среде: кварца находился в 1936 когда корпус сигнала армии США дал контракт для того чтобы почистить лаборатории щеткой под руководством Drs. Jaffe, здоровый, и Сойер. Это было сделанные должными к ожидающей решения немногочисленности естественного кварца с хорошим пьезоэлектрическим качеством, привычно покупаемой от Бразилии.

Сегодня, кварц теперь растется искусственно к определенным размерам. Ориентировка кристаллов проконтролирована, и очищенность равномерно высока. Нормальные размеры уменьшают цену резать вафли, и примеси широко рассеиваны, делая возможные небольшие резонаторы требуя низкой мощности привода.

2. Основной процесс расти выращиванный в питательной среде: кварц

Выращиванный в питательной среде: кварц растется в большом сосуде под давлением известном как автоклав (см. следующий схематический чертеж). Автоклав цилиндр металла, закрытый на одном конце, способном на выдерживать давления до 30 000 фунтов на квадратный дюйм с внутренней температурой F.° 700 до 800. Он обычно стоит от высокие и 2 до 3 ноги в 12 до 20 фута в диаметре.

Небольшие вызванные обломоки чистого но ООН-лицего кварца (1 до 1,5 дюйма в размере), «lascas или питательным веществом», помещены в корзине ячеистой сети и понижены в нижнюю половину сосуда. Стальная пластина с prearranged вызванными отверстиями, «дефлектором», набор поверх корзины. Дефлектор использован для того чтобы отделить регион роста (семени) и регион питательного вещества, и помочь установить дифференциал температуры между 2 регионами. Подходяще ориентированные одиночные кристаллические вызванные плиты (или естественный или выращиванный в питательной среде:), «семенем», установлены на шкафе и приостанавливаны поверх дефлектора в верхнем - половина сосуда. Автоклав после этого заполнен с водным щелочным раствором (карбонат натрия или окисоводопод натрия) до приблизительно 80% из своего свободного объема для того чтобы учитывать будущее жидкостное расширение, и он загерметизирован с высоконапорным закрытием. Автоклав после этого принесен к рабочей температуре серией сопротивляющихся подогревателей прикрепленных во внешнюю окружность цилиндра. По мере того как температура увеличивает, давление начинает строить внутри автоклав. Температура 700 до 800° f достигана в низкой - половина сосуда пока верхняя половина поддержана на охладителе f° 70 до 80 чем нижняя половина.

На рабочем давении и температуре, lascas растворяют в нагретом решении в низкой - половина сосуда, который после этого поднимает. По мере того как он достигает более крутую температуру верхней части сосуда, решение будет supersaturated, причиняющ растворенный кварц в пределах lascas рекристаллизовать на семя. Охлаженное порожное решение после этого возвращает в низкую - не истощена половина сосуда для повторения цикла до lascas и выращиванные в питательной среде: камни кварца достигали пожеланный размер. Это так называемые «диапазоны времени гидротермического процесса» от 25 до 365 дней, в зависимости от пожеланного каменного размера, свойств, и отростчатого типа – окисоводопод натрия или карбонат натрия.

3. Симметрия, дублировать и размер кварца Кристл

Альф-кварц принадлежит кристаллографическому классу 32, и это шестиугольная призма с 6 вершинными гранями на каждом конце. Стороны призмы обозначены m-сторонами и вершинные грани обозначены r и r-стороны. R-стороны часто вызваны главными сторонами rhomb и r-стороны небольшие стороны rhomb.  И левые и правые кристаллы происходят естественно и могут быть различены положением s и x стороны.

Как показано в вышеуказанном схематическом чертеже, кристалл альф-кварца имеет одиночную ось троекратной симметрии (trigonal оси), и он имеет 3 оси двукратной симметрии (осей digonal) которая перпендикулярна к этой trigonal оси. Оси digonal размеченные 120° врозь и приполюсные оси, т.е., определенное чувство можно назначить им. Присутсвие приполюсных осей подразумевает недостаток разбивочной симметрии и необходимое условие для существования пьезоэлектрического влияния. Оси digonal также как электрические оси кварца (x, Y-osь). В кристалле с полностью развившийся естественными сторонами, 2 конца каждой приполюсной оси могут быть продифференцированы присутсвием или отсутствием s и x стороны. Когда давление приложено в направлении электрической оси, отрицательный заряд начат на этом конце оси доработанной этими сторонами. Trigonal ось, также известная как оптическая ось (ось z), не приполюсна, в виду того что присутсвие нормального осей digonal к нему подразумевает что 2 конца trigonal оси соответствующие. Таким образом никакую пьезоэлектрическую поляризацию можно произвести вдоль оптической оси.  В прямоугольных системах координат, z-ось параллельна к призме m смотрит на. Плита кварца отрезанная со своим главным поверхностным перпендикуляром к x-оси вызвана плитой X-отрезка. Поворачивающ отрезок 90 градусов о z-оси дают плиту Y-отрезка с Y-osью теперь перпендикулярной к главной поверхности. С кристалла кварца имеет 6 сторон призмы, 3 выбора существуют для x и Y-osи. Выбор произвольн; каждое поступает идентично.

Кварц оптически активное вещество. Когда луч самолет-поляризовыванного света передан вдоль оптической оси, вращение самолета поляризации происходит, и количество вращение зависит от расстояния траверсировало в материале. Чувство вращения можно использовать для того чтобы продифференцировать между 2 естественно - происходя формами альф-кварца известными как левый кварц и правый кварц. В левом кварце самолет поляризации поворачивает анти--по часовой стрелке увиденный наблюдателем смотря к источнику света, и в правом кварце он вращает по часовой стрелке. Большинств выращиванный в питательной среде: произведенный кварц правый кварц, тогда как в естественном кварце левой стороны и правых около поровну распределите. Любую форму можно с тем же успехом использовать в изготовлении резонаторов, но материал в которые левые и правые формы смешаны, которые вызвано оптически дублированным материалом, нельзя использовать. С другой стороны, электрически дублированный материал вся такая же рука, но содержит регионы куда обращено чувство электрической оси, таким образом уменьшая общее пьезоэлектрическое влияние. Такой материал также не соответствующий для применения резонатора. Присутсвие дублируя и другие дефектов в естественном кристалле кварца основная причина для недостатка соответствующего естественного материала, и отсутствие значительный дублировать в выращиванном в питательной среде: кварце образовывает одно из своих главных преимуществ. Когда альф-кварц нагрет до над 573° c, изменения кристаллической формы к этому из бета-кварца, который имеет шестиугольное а не trigonal симметрия. На охлаждать вниз до 573° c, материал отменяет изменения к альф-кварцу, но вообще будет найден к электрически дублированный. К тому же, применение больших термальных или механических стрессов может навести дублировать, поэтому необходимо в резонаторе обрабатывая для избежания любых термальных или механических ударов.

После извлечься из автоклава в котором они были произведены, выращиванные в питательной среде: кристаллы кварца преобразованы, путем молоть, в так называемые lumbered бары. Эти длинные, прямоугольные бары, соответствующие для последующего вырезывания в вафли для резонаторов. Lumbered бары типично 6 до 8 дюймов длиной, но годная к употреблению длина около 5 до 6 дюймов потому что материал около концов неиспользованн. Более длинные бары можно вырасти, но эти требуют более длинных семян, цены чего повышения быстро с длиной. Высота lumbered баров вообще составляет около дважды ширина потому что 2 вафли нормально отрезаны от каждого куска. Многочисленный размером со стандартн lumbered бар доступен, и кварц можно также вырасти и смолоть к определенным размерам.

4. Химические примеси в кварце Кристл

И выращиванный в питательной среде: и естественный кварц для содержания химических примесей которые могут повлиять на представление резонатора. Химические примеси те которые формируют химические соединения с кремнием и кислородом в кварце. Алюминий, утюг, водопод и фтор типичные химические примеси. Они держатся к очень lower level в выращиванном в питательной среде: кварце чем это часто находи в естественном кварце. Однако, химические примеси равномерно не распределены в выращиванном в питательной среде: кварце. +x, - x, регионы z, и так называемые регионы s которые изредка формируют, содержат различные уровни химических примесей. 2 региона z содержат наименьшее количество примесей. Регион +x содержит больше примесей что регион z, и регион - x имеют но больше примесей. Плотность примесей в регионах s, которые вообще небольшие, между этим в регионах z и этим в регионе +x. Когда широкие семена использованы для выращивать в питательной среде:, регионы z lumbered бара большие и регионы +x и - x небольшие. Когда узкий, более менее дорогие семена использованы, регионы z более небольшие и регион +x и - x более большие. Вообще, химические примеси могут результат в ухудшить в представлении резонатора как твердость радиации, подверженность к скручивать, генератор недолгосрочный и долгосрочная стабильность, и потеря фильтра.

5. Резонатор q и Кристл q

Значение q кристаллического резонатора хранят коэффициент энергии, который к энергии потеряло во время цикла:

Энергия º 2p q, который хранят во время цикла/энергии потеряла во время цикла

Значение важно потому что измерение силы необходимо, что управляло резонатором. Q главным образом функция атмосферы в которой резонатор работает, несовершенства поверхности, механических приложений и других факторов следующ из обработка и устанавливать резонаторов.

Кварцу lumbered бары также назначают значение q, но q для бара кварца не основан на сразу хранят измерении энергии, который и энергия потеряла. Вместо этого q бара кварца сравнительный показатель качества основанный на примесях в баре. Химические примеси в выращиванном в питательной среде: кварце измерены путем сразу инфракрасный свет через регионы z в куске поперечного сечения lumbered бара. Измерена, и значение разница в пропускаемости на 2 специфических длинах волны (3 500 nm и 3 800 nm) q высчитана от этих данных. Кварц имея высокий q содержит меньше примеси чем те с низким q, и «измерения ультракрасного q», согласно со стандарт 477-1 EIA, по заведенному порядку использованы садоводами и потребителями кварца как индикатор качества кварца.

Значение q для резонатора вообще не идентично к этому для бара кварца от которого резонатор был отрезан. Однако, q резонатора может быть затронут когда q бара кварца под критическим уровнем. Значение q 1,8 миллиона или высокая для выращиванного в питательной среде: кварца индикация что химические примеси не будут фактором в окончательном q резонатора для большинств применений. Кварц имея такие значения для q вообще вызван электронной рангом (рангом c). Наградной кварц ранга имеет q 2,2 миллиона (ранг b), и особенная награда имеет q 3,0 миллиона (ранг a). Важно к отдает себе отчет этого значение q для выращиванного в питательной среде: кварца основано на примесях в регионе z только. Поэтому, даже там, где кристаллический q адекватен для применения, резонатор q и частоту против поведения температуры можно неблагоприятно повлиять на где активная часть (между электродами) резонатора включает +x, - x, или материал региона s.

Вафли кварца кристаллические содержа только материал z-региона можно успешно отрезать только от баров, который выросли от широких семян, которые относительно дороги. К счастью, электроды редко покрывают всю поверхностную зону вафли резонатора, и примеси, который содержат в +x, - x, или регионе s неблагоприятно не влияют на деятельность резонатора когда этот ложь примеси материальная вне активной части. Таким образом, резонаторы для большинств применений могут использовать кварц, который выросли от относительно дешевого узкого семени.

6. Сводка

Пьезоэлектрический кристалл кварца, открытый в 1880 известными парами Кюри и раз полученный по высокой цене от груб-срубленного естественного кристалла, теперь растется искусственно процессом который производит кристаллы определенных размера и очищенности. Этот выращиванный в питательной среде: кварц понижал цену и уменьшил размер резонаторов критических к времени сегодняшних вычислительных цепей.