Войти
 Миниатюрный кварцевый кристалл размером 16 МГц , заключенный в корпус HC-49 / S, герметик в качестве резонатора в генераторе. | |
| Тип | Электромеханический |
|---|---|
| Принцип работы | Пьезоэлектричество, Резонанс |
| Изобрел | Александр М. Николсон, Уолтер Гайтон Кэди |
| Первое производство | 1918 |
| Электронный символ | |
 | |
A кварцевый генератор представляет собой электронная схема генератора, которая использует механический резонанс вибрирующего кристалла из пьезоэлектрического материала для создания электрического сигнала с точной размером. Эта частота часто используется для установки времени, как в кварцевых наручных часах, для обеспечения стабильного тактового сигнала для цифровых интегральных схем, и для стабилизации частот для радиопередатчиков и приемников. Наиболее распространенным типом используемых пьезоэлектрических резонаторов является кварцевый кристалл , такие схемы генераторов, включающие, стали известны как кварцевые генераторы, но другие пьезоэлектрические материалы, включая поликристаллическую керамику, используются, используются, используются, используются в аналогичных схемах.
Кварцевый генератор, в частности, использующий кварцевый кристалл, работает, искаженная кристалл электрический полем, когда напряжение прикладывается к электроду рядом или на кристалле; свойство, известное как электрострикция или обратное пьезоэлектричество. Когда электрическое поле снимается, кварц, который колеблется с обычным полем, генерирует электрическое поле, возвращаясь к прежней форме, и это может генерировать напряжение. В результате кристалл кварца ведет себя как цепь RLC, но с большей высотой Q.
. Кристаллы кварца производятся для частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц. Ежегодно производится более двух миллиардов кристаллов. Большинство из них используются для потребительских устройств, таких как наручные часы, часы, радио, компьютеры и мобильные телефоны. Кристаллы кварца также находятся внутри испытательного и измерительного оборудования, такого как счетчики, генераторы сигналов и осциллографы.
Кварцевый кварцевый резонатор (слева) и кварцевый генератор (справа) Кварцевый генератор - это схема электронного генератора, в которой используется ap Иезоэлектрический резонатор, кристалл, как его частотно-определяющий элемент. Кристалл - это общий термин, используемый в электронике для определения частотного компонента, пластины из кристалла кварца или керамики с подключенными к ней электродами. Более точное название - пьезоэлектрический резонатор. Кристаллы также используются в других типах электронных устройств, таких как кварцевые фильтры.
Пьезоэлектрические резонаторы продаются как отдельные компоненты для использования в схемах кварцевых генераторов. Пример показан на картинке. Их также часто объединяют в один корпус со схемой кварцевого генератора, показанной справа.
кварцевые генераторы 100 кГц в Национальном бюро стандартов США, служили стандартом частоты для США в 1929 году 
Самые ранние кристаллы Bell Labs из коллекции Vectron International Collection Пьезоэлектричество открыт Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Поль Ланжевен первым исследовал кварцевые резонаторы для использования в гидролокаторах во время Первой мировой войны. Первый генератор с кварцевым управлением, использующий кристалл соли Рошель, был построен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном в Bell Telephone Laboratories, хотя его приоритет оспаривался Уолтером Гайтоном Кэди. Кэди построила первый кварцевый генератор в 1921 году. Среди других первых изобретателей кварцевых генераторов - Г. W. Pierce и Louis Essen.
Кварцевые кварцевые генераторы были разработаны для высокостабильных эталонных частот в течение 1920-х и 1930-х годов. До кристаллов радиостанции контролировали свою частоту с помощью настроенных схем, которые могли легко отклоняться от частот на 3–4 кГц. Обычной проблемой радиовещания станциям были присвоены частоты с интервалом всего 10 кГц помехи, обычной проблемой. В 1925 году Westinghouse установила кварцевый генератор на флагманской станции KDKA, а в 1926 году кварцевые кристаллы использовались для управления радиовещательными станциями и были популярны среди радиолюбителей. В 1928 году Уоррен Маррисон из Bell Telephone Laboratories разработал первые кварцево-кристаллические часы. Были разработаны с точностью до 1 секунды за 30 лет (30 мс / год или 0,95 нс / с) кварцевые часы заменили прецизионные маятниковые часы в качестве самых точных хронометров в до атомных часов в 1950-х годах. Используя раннюю работу Bell Labs, ATT в конце концов основала свое подразделение Frequency Control Products, позже выделившееся и известное сегодня как Vectron International.
В это время ряд фирм начали производить кристаллы кварца для электронного использования. Используя методы, которые сейчас считаются примитивными, в течение 1939 г. в своих Штатах было произведено около 100 000 кристаллов. Во время Второй мировой войны кристаллы изготавливались из природного кристаллаца, практически все из Бразилии. Нехватка кристаллов во время войны, вызванная точным контроле частоты и военных радиостанций и радаров стимулировала послевоенные исследования по выращиванию синтетического кварца, а к 1950 году гидротермальных процесс выращивания кристаллов кварца в промышленных масштабах улучшения в Bell Laboratories. К 1970-м годам практически все кристаллы, используемые в электронике, были синтетическими.
В 1968 году Юрген Штаудте изобрел фотолитографический процесс производства кварцевых генераторов, используемый в North American Aviation (ныне Rockwell ), который позволил их можно сделать достаточно маленькими для портативных изделий, таких как часы.
Хотя в кварцевых генераторах по-прежнему чаще всего используются кристаллы кварца, все чаще используются устройства, используемые материалы, такие как керамические резонаторы.
Режимы колебаний кристалла A кристалл - это твердое тело, в котором упаковываются составляющие атомы, молекулы или ионы в регулярно упорядоченном, повторяющемся узоре, распространяющемся во всех трех пространственных измеренийх.
Практически любой объект, сделанный из эластичного материала, может быть использован как кристалл с поставщиком преобразователями, поскольку все объекты имеют естественные резонансные частоты вибрации. Например, сталь очень эластична и имеет высокую скорость звука. Он часто использовался в механических фильтрах до кварца. Резонансная частота зависит от размера, формы, эластичности и скорости звука в материале. Высокочастотные кристаллы обычно имеют форму простого прямоугольника или круглого диска. Низкочастотные кристаллы, такие как те, используются в цифровых часах, обычно имеют форму камертона. Для приложений, не требующихся очень точной синхронизации, недорогой керамический резонатор часто используется вместо кристалла кварца.
Когда кристалл кварца правильно вырезан и установлен, его можно преобразовать в электрическом поле, подавая напряжение на электрод рядом или на кристалле. Это свойство известно как электрострикция или обратное пьезоэлектричество. Когда поле снимается, кварц генерирует электрическое поле, возвращаясь к своей прежней форме, и это может генерировать напряжение. В результате кристалл кварца ведет себя как цепь RLC, состоящая из катушки индуктивности, конденсатора и резистора, с точным резонансным частотом.
Кварц имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что его упругие постоянные и размер изменяются таким образом, что частотная зависимость от температуры может быть очень низкой. Конкретные характеристики зависят от режима вибрации и угла, под которым кварц разрезается (относительно его кристаллографических осей). Поэтому резонансная частота пластины, которая зависит от ее размера, не сильно меняется. Это означает, что кварцевые часы, фильтр или генератор остаются точными. Для критических применений кварцевый генератор устанавливается в контейнере с регулируемой температурой, называемым кристаллической системой, а также может быть установлен на амортизаторах для предотвращения возмущений от внешних механических колебаний.
Кристалл кварца можно моделировать как электрическую сеть с низким - импедансом (последовательно) и высоким - импеданс (параллельные) точки резонанса расположены близко друг к другу. Математически (с использованием преобразования Лапласа ) импеданс этой сети можно записать как:
Схематический символ и эквивалентная схема для кварцевого кристалла в генераторе 
или
![{\ displaystyle {\ begin {align} Z (s) = {\ frac {s ^ {2} + s {\ fra c {R_ {1}} {L_ {1}}} + {\ omega _ {\ mathrm {s}}} ^ {2}} {\ left (s \ cdot C_ {0} \ right) \ left [s ^ {2} + s {\ frac {R_ {1}} {L_ {1}}} + {\ omega _ {\ mathrm {p}}} ^ {2} \ right]}} \\ [2pt] \ Стрелка вправо \ omega _ {\ mathrm {s}} = {\ frac {1} {\ sqrt {L_ {1} \ cdot C_ {1}}}}, \ quad \ omega _ {\ mathrm {p}} = {\ sqrt {\ frac {C_ {1} + C_ {0}} {L_ {1} \ cdot C_ {1} \ cdot C_ {0}}}} = \ omega _ {s} {\ sqrt {1+ {\ frac {C_ {1}} {C_ {0}}}}} \ приблизительно \ omega _ {s} \ left (1 + {\ frac {C_ {1}} {2C_ {0}}} \ right) \ quad \ left (C_ {0} \ gg C_ {1} \ right) \ end {align}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/859be19fa175e5bf337d7eb8e3fc2df3ede7093f)
где 
Добавление емкости через кристалл приводит к уменьшению (параллельной) резонансной частоты. Добавление индуктивности к кристаллу приводит к увеличению (параллельной) резонансной частоты. Эти эффекты можно использовать для регулировки частоты колебаний кристалла. Производители кристаллов обычно режут ирезают свои кристаллы, чтобы получить определенную резонансную частоту с известной «нагрузочной» емкостью, добавленной к кристаллу. Например, кристалл, предназначенный для нагрузки 6 пФ, имеет заданную параллельную резонансную частоту, когда через него помещается конденсатор 6,0 пФ . Без нагрузки нагрузки резонансная частота выше.
Кристалл кварца последовательный, так и параллельный резонанс. Последовательный резонанс на несколько килогерц ниже параллельного. Кристаллы с настройкой ниже 30 МГц обычно работают между последовательным параллельным резонансами, что означает, что кристалл проявляет себя как индуктивное реактивное сопротивление при работе, эта индуктивность образует параллельный резонансный контур с подключенной извне параллельной емкостью. Любая небольшая дополнительная способность, подключенная кристаллу, снижает частоту. Более того, индуктивное сопротивление кристалла можно уменьшить, добавиватор с кристаллом. Этот последний метод может обеспечить полезный метод подстройки колебаний в узком диапазоне; в этом случае включения конденсатора последовательного с кристаллом роста частоту колебаний. Чтобы кристалл работал на большую частоту, электронная схема должна быть точно такой, как указано изготовителем кристалла. Обратите внимание, что эти подразумевают тонкость, касающуюся кварцевых генераторов в этом диапазоне частот: кристалл обычно не колеблется ни на одной из своих резонансных частот.
Кристаллы с включением выше 30 МГц (до>200 МГц) работают при последовательном резонансе, когда полное сопротивление оказывается минимальным и равным последовательным сопротивлением обычно. Для этих кристаллов указано последовательное сопротивление (<100 Ом) вместо параллельной емкости. Чтобы достичь более высоких частот, кристалл можно заставить работать в одной из мод обертона, которые работают почти в несколько раз больше основной резонансной частоты. Используются только обертоны с нечетными номерами. Такой кристалл называется кристаллом третьего, пятого или даже седьмого обертона. В эту схему генератора обычно входят дополнительные схемы LC для выбора желаемого обертона.
Частотная характеристика кристалла зависит от формы или «среза» кристалла. Кристалл камертона обычно разрезает так, чтобы его частотная зависимость от температуры была квадратичной с максимумом около 25 ° C. Это означает, что камертонный кварцевый генератор резонирует близко к его настройке при комнатной температуре, но замедляется при повышении или понижении температуры от комнатной. Обычный параболический коэффициент для камертона 32 кГц равен -0,04 ppm / ° C:
![{\ displaystyle f = f_ {0} \ left [1-0.04 ~ {\ text {ppm}} / ^ {\ circ} {\ text {C}} ^ {2} \ cdot (T-T_ {0}) ^ {2} \ right].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b78bc386b11338856466204170af80bee159f291)
В реальном времени, построенном с использованием обычного камертона 32 кГц, хорошо показывают при комнатной температуре, но теряют 2 минуты в год при температуре выше 10 ° C ниже комнатной температуры и теряет 8 минут в год при 20 ° C выше или ниже комнатной температуры из-за кристалла кварца.
Кристалл, использование в хобби радиоуправлении оборудование для выбора частоты. 
Внутри современного модуля кварцевого кварцевого генератора в корпусе DIP. Он включает в себя керамическое основание для печатной платы, генератор, микросхем делителя (/ 8), байпасный конденсатор и кристалл с разрезом AT. Схема кварцевого генератора поддерживает колебания, двойной сигнал напряжения от кварцевого , усиливая его и подавая обратно к резонатору. Скорость расширения и сжатия кварца - это резонансная частота , которая определяет огранкой и размером кристалла. Когда энергия генерируемых выходных частот совпадает с потерями в цепи, колебания могут поддерживаться.
Кристалл генератора из двух электропроводящих пластин, между зажатым кусок или камертон из кристалла кварца. Во время запуска схема управления помещает кристалл в нестабильное равновесие, и из-за положительной обратной связи в системе любой крошечной доли шум усиливается, нарастая колебания. Кристаллический резонатор также можно рассматривать как высокочастотно-избирательный фильтр в этой системе: он пропускает только очень узкую поддиапазон частот вокруг резонансной, ослабляя все остальное. В конце концов, активна только резонансная частота. Когда генератор усиливает сигналы, выходящие из кристалла, сигналы в полосе частот кристалла становятся сильнее, в конечном итоге доминируя на выходе генератора. Узкая резонансная полоса кристалла кварца отфильтровывает все нежелательные частоты.
Выходная частота кварцевого генератора может быть либо кратной основной резонанса, либо кратной этой резонансу, называемой частотой гармоники. Гармоники - это точное целое число, кратное первое число. Как и многие другие механические резонаторы, кристаллы демонстрируют несколько режимов колебаний, обычно с примерно нечетными целыми кратными частотами. Они называются «обертонными модами», и схемы генератора могут быть разработаны для их возбуждения. Обертонные моды на частотах, которые являются приблизительными, но не точными нечетными целыми кратными частотами основной моды, и поэтому частоты обертона не являются точными гармониками основной моды.
Высокочастотные кристаллы часто предназначены для работы на третьем, пятом или седьмом обертоне. Производители сталкиваются с трудностями при производстве кристаллов, достаточно тонких для обработки частот выше 30 МГц. Для получения более высоких частот производители демонстрируют кристаллы обертона, настроенные так, чтобы 3-й, 5-й или 7-й обертон были настроены на желаемую частоту, поэтому они легче изготовить и, следовательно, их легче изготовить, чем кристалл, будет воспроизводить ту же частоту, хотя и возбуждает желаемый обертон. частота требует немного более сложной схемы генератора. Схема кварцевого генератора на основной частоте и проще эффективнее, а также имеет большую тяговую способность, чем схема третьего обертона. В зависимости от производителя, максимальная доступная основная частота может составлять от 25 МГц до 66 МГц.
Внутреннее устройство кварцевого кристалла. Основная причина широкого использования кварцевых генераторов - их высокая добротность. Типичное значение добротности кварцевого генератора колеблется от 10 до 10, по сравнению, возможно, 10 для генератора LC. Максимальную добротность кварцевого генератора с высокой стабильностью можно оценить как Q = 1,6 × 10 / f, где f - резонансная частота в мегагерцах.
Одной из наиболее важных характеристик кварцевых генераторов является то, что они демонстрируют очень низкий уровень фазового шума. Во многих осцилляторах любая спектральная энергия на резонансной частоте усиливается осциллятором, что приводит к сбору тонов на разных фазах. В кварцевом генераторе кристалл в основном колеблется по одной оси, поэтому преобладает одна фаза. Это свойство низкого фазового шума делает их особенно полезными в телекоммуникационных системах, где необходимы стабильные сигналы, и в научном оборудовании, где требуются очень точные устройства времени.
Изменения температуры, окружающей среды, давления и вибрации в окружающей среде могут изменить резонансную частоту кристалла кварца, но есть несколько конструкций, которые уменьшают это воздействие на окружающую среду. К ним относятся TCXO, MCXO и OCXO, которые устойчивы ниже. Эти конструкции, особенно OCXO, часто производят устройства с превосходной кратковременной стабильностью. Ограничения кратковременной стабильности в основном связаны с шумом электронных компонентов в схемах генератора. Долговременная стабильность ограничивается старением кристалла.
Из-за старения и факторов окружающей среды трудно даже лучшие кварцевые генераторы в пределах одной десятой от их номинальной частоты без постоянной регулировки. По причине атомные генераторы используются для приложений, требующиеся лучшей долговременной стабильности и точности.
Кристалл 25 МГц, демонстрирующий паразитный отклик Для кристаллов, работающих в последовательном резонансе температуры или выведенных из основного режима за счет включения последовательной катушки, индуктивности или конденсатора, важно (и зависит от) возникать ложные ответы. Хотя большинство паразитных мод обычно на несколько десятков килогерц выше желаемого последовательного резонанса, их температурный коэффициент отличается от основного режима, и паразитный отклик может проходить через основной режим при определенных температурах. Даже если последовательное сопротивление на паразитных резонансах оказывается выше, чем сопротивление на желаемую последовательность, последовательное изменение последовательного сопротивления может происходить при температуре, когда две совпадающие совпадения совпадают. Следующим образом этими спадовами происходит то, что генератор может блокироваться на паразитной частоте при температуре. Это обычно сводится к минимуму, гарантирую, поддерживающая схема имеет недостаточное усиление для режима.
Паразитные частоты также возникают при вибрации кристалла. Это в небольшой степени модулирует резонансную частоту на частоту колебаний. Кристаллы SC-среза предназначены для минимизации частотного эффекта монтажного напряжения и, следовательно, менее чувствительны к вибрации. Эффекты ускорения, включая гравитацию, также уменьшаются с помощью кристаллов SC-среза, как и изменяются частоты со временем из-за длительного изменения монтажного напряжения. У кристаллов режима сдвига SC-среза есть недостатки, такие как необходимость в поддерживающем генераторе для одновременного использования других задействующих режимов и повышенное изменение частоты из-за температуры при воздействии на полный диапазон окружающей среды. Кристаллы SC-среза наиболее выгодны там, где возможен контроль температуры при их температуре с нулевым температурным коэффициентом (оборотом).
Кристаллы могут быть изготовлены для генерации в широком диапазоне частот, от нескольких килогерц до нескольких сотен мегагерц. Многие приложения требуют, чтобы частота кварцевого генератора была удобна с каким-либо другим желаемым типом, поэтому стандартные стандартные кварцевых частот производятся в больших количествах и хранятся у дистрибьюторов электроники. Например, кристаллы 3,579545 МГц, которые производятся в больших количествах для NTSC цветных телевизионных приемников, также популярны для многих нетелевизионных приложений. Использование делителей частоты, умножители частоты и фазовой автоподстройки частоты схемы, это практично, чтобы получить широкий диапазон частот от одной опорной частоты.
Обычные упаковки для изделий из кристаллов кварца 
Кластер кристаллов природного кварца 
Синтетический кристалл кварца, выращенный с помощью гидротермального синтеза длиной около 19 см и весом около 127 г 
Кристалл камертона, используемый в современных кварцевых часах 
Простой кристалл кварца 
Внутренняя конструкция современного высокопроизводительного корпуса HC-49 кристалл кварца 
кристаллы изгиба и сдвига по толщине Наиболее распространенным инструментом для кристаллов генератора кварц. В начале технологии используются кристаллы природного кварца, но теперь преобладает синтетический кристаллический кварц, выращенный с помощью гидротермального синтеза из-за более высокой чистоты, более низкой стоимости и более удобного обращения. Одно из немногих оставшихся применений природных кристаллов - это датчики давления в глубоких скважинах. Во время Второй мировой войны и некоторое время после этого природный кварц считался в США стратегическим материалом. Крупные кристаллы были импортированы из Бразилии. Сырой «ласкас», исходный кварц для гидротермального синтеза, импортируется в США или добывается на местном уровне компании Coleman Quartz. Средняя стоимость выращивания синтетического кварца в 1994 г. составляла 60 USD / кг.
Существуют два типа кристаллов кварца: левосторонние и правосторонние.. Они различаются по оптическому вращению, но идентичны по другим физическим свойствам. Как левый, так и правый кристаллы можно использовать для генераторов, если угол среза правильный. В производстве обычно используется правый кварц. Тетраэдры SiO 4 образуют параллельные спирали; закручивания спирали укажите левую или правую ориентацию. Спирали выровнены по оси z и объединены, разделяя атомы. Масса спиралей образует из малых и больших каналов, параллельных оси z. Чтобы обеспечить некоторую подвижность более мелких средних и молекул через кристалл.
Кварц существует в нескольких фазах. При 573 ° C при 1 атмосфере (и при более высоких температурах и более высоких давлениях) α-кварц претерпевает кварцевую инверсию, обратимо превращаясь в β-кварц. Однако обратный процесс не является полностью однородным, и происходит двойникование кристаллов. Во время производства и обработки необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать фазового превращения. Другие фазы, например более высокотемпературные фазы тридимита и кристобалита не имеют значения для осцилляторов. Все кристаллы кварцевого генератора к типу α-кварца.
Инфракрасная спектрофотометрия используется как один из методов измерения качества выращенных кристаллов. Обычно используются волновые числа 3585, 3500 и 3410 см. Измеренное значение основано на полосах поглощения радикала OH и рассчитано значение Q в инфракрасном диапазоне. Кристаллы электронного качества, класс C, добротность 1,8 миллиона или имеют выше; кристаллы премиального класса B имеют Q = 2,2 миллиона, а имеют кристаллы специального премиального класса A Q = 3,0 миллиона. Значение Q рассчитывается только для области z; кристаллы, другие области, могут быть повреждены. Другой показатель качества - плотность каналов травления; когда кристалл травлен, вдоль линейных дефектов образуются трубчатые каналы. Для обработки с травлением, например кристаллы камертона наручных часов, желательна низкая плотность травления. Плотность каналов травления для развернутого кварца составляет порядка 10–100, а для неочищенного кварца значительно больше. Наличие каналов травления и ямок травления снижает добротность резонатора и вносит нелинейности.
Кристаллы кварца можно выращивать для определенных целей.
Кристаллы для AT-cut самые распространенные в массовом производстве материалов для генераторов; форма и размеры оптимизированы для обеспечения высокого выхода требуемых пластин . Кристаллы кварца высокой чистоты выращивают с высоким содержанием алюминия, щелочного и других примесей и минимальными дефектами; малое количество щелочных металлов обеспечивает повышенную стойкость к ионизирующему излучению. Кристаллы для наручных часов, для резки кристаллов камертона 32768 Гц, выращены с очень низкой плотностью каналов травления.
Кристаллы для устройств SAW выращиваются как плоские, с большой затравкой X-размера с низкой плотностью каналов травления.
Специальные кристаллы с высокой скоростью для использования в высокостабильных генераторах выращиваются с низкой скоростью и имеют постоянное низкое поглощение инфракрасного излучения по всей оси Z. Кристаллы можно выращивать в виде Y-стержня, с затравочным кристаллом в форме стержня и вытянутым вдоль Y, или как Z-пластину, выращенную из затравки пластины длиной в направлении оси Y и осью X шириной. Область вокруг затравочного кристалла содержит большое количество кристаллических дефектов и не новелла для пластин
Кристаллы растут анизотропно ; рост по оси Z до 3 раз быстрее, чем по оси X. Направление и скорость роста имеет значение на скорость роста примесей. Кристаллы с Y-образной полосой или кристаллы с Z-образной пластиной с длинной осью Y области роста, обычно называемые + X, -X, Z и S. Распределение примесей во время роста неравномерное; разные зоны роста разные уровни загрязнения веществ. Области Z являются наиболее чистыми, небольшие, иногда присутствующие области S менее чистая, область + X еще менее чистая, а область -X имеет высокий уровень примесей. Примеси отрицательно влияет на радиационную стойкость, подверженность двойникованию, потери на фильтре, а также на долгосрочную и краткосрочную стабильность кристаллов. Семена с разным срезом в разной ориентации. Скорость -X низкая из-за эффекта адсорбции воды на поверхности кристалла; примеси алюминия подавляют рост в двух других направлениях. Содержание алюминия самое низкое в Z-области, больше - в + X, еще больше - в -X и самое высокое - в S; размер S-размер увеличивается также с объемного современного человека. Содержание водорода в области Z, выше в области + X, еще выше в области S и самое высокое в области -X. Включения алюминия превращаются в центры окраски под гамма-излучения, вызывая потемнение кристалла пропорционально и уровень примесей; наличие области с разной темнотой указывает на разные области роста.
Основным типом дефекта , вызывающим озабоченность в кристаллах кварца, является замещение атома Si (IV) на Al (III). в кристаллической решетке . Ион алюминия имеет связанный с ним компенсатор межузельного заряда, присутствующий поблизости может быть ион H (присоединенный к соседнему кислороду и образ гидроксильную группу, называемую дефектом Al-OH), ион Li, ион Na, ион K (реже) или электронная дырка, захваченная на ближайшей орбитали атома кислорода. Состав ростового соединения независимо от того, основан ли он на щелочных соединениях или натрия, определяет ионы, компенсирующие заряд дефектов алюминия. Ионные примеси мигают через кристалл, изменяя локальную упругость решетки и резонансную частоту кристалла. Другие распространенные примеси, вызывающие беспокойство, например, железо (III) (интерстициальный), фтор, бор (III), фосфор (V) (замещение), титан (IV) (замещение, повсеместно присутствует в магматическом кварце, реже в гидротермальном кварце) и германий (IV) (замещение). Ионы натрия и железа могут вызывать включение акнита и кристаллы. Включения воды присутствовать в быстрорастущих кристаллах; вблизи затравки кристалла в большом количестве присутствуют межузельные молекулы воды. Еще один важный дефект - это водородсодержащий дефект роста, когда структуры Si-O-Si образует пара групп Si-OH, HO-Si; по существу гидролизованная связь. Быстрорастущие кристаллы содержат больше водородных дефектов, чем медленно растущие. Эти дефекты роста растений организма для радиационно-индуцированных процессов и образуют дефекты Al-OH. Примеси германия стремятся улавливать электроны, образовавшиеся во время облучения; катионы щелочного отрицательного металла мигрируют к заряженному центру и образуют стабилизирующий комплекс. Также могут присутствовать дефекты матрицы; кислородные вакансии, кремниевые вакансии (обычно компенсируемые 4 атомами водорода или 3 атомами водорода и дыркой), пероксигруппы и т. д. Некоторые из дефектов локализованные уровни в запрещенной зоне, служащие ловушками заряда; Al (III) и B (III) обычно служат ловушками для дырок, а электронные вакансии, атомы титана, германия и фосфора служат ловушками для электронов. Захваченные носители заряда могут быть освобождены путем нагревания; их рекомбинация является причиной термолюминесценции.
Подвижность межузельных ионов сильно зависит от температуры. Ионы водорода подвижны до 10 К, но ионы щелочных металлов становятся подвижными только при температурах около и выше 200 К. Дефекты гидроксила могут быть измерены с помощью спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне. Захваченные дырки можно измерить с помощью электронного спинового резонанса. Дефекты Al-Na проявляются в виде пика акустических потерь из-за их движения под действием напряжения; дефекты Al-Li не образуют потенциальной ямы, поэтому не обнаруживаются таким образом. Некоторые из радиационно-индуцированных дефектов при их термическом отжиге вызывают термолюминесценцию ; можно выделить дефекты, относящиеся к алюминию, титану и германию.
Сглаженные кристаллы - это кристаллы, прошедшие процесс очистки электродиффузией в твердом состоянии. Подметание включает нагрев кристалла до температуры выше 500 ° C в безводородной атмосфере с градиентом напряжения не менее 1 кВ / см в течение нескольких часов (обычно более 12). Миграция примесей и постепенное замещение ионов щелочных металлов водородом (при перемещении в воздух) или электронными дырками (при перемещении в вакууме) вызывает слабый электрический ток через кристалл; спад этого тока до постоянного значения сигнализирует об окончании процесса. Затем кристаллу дают остыть, пока сохраняется электрическое поле. Примеси концентрируются в катодной области кристалла, которую затем отсекают и выбрасывают. Стреловидные кристаллы обладают повышенной устойчивостью к радиации, так как дозовые эффекты зависят от уровня примесей щелочных металлов; они подходят для использования в устройствах, подвергающихся воздействию ионизирующего излучения, например для ядерной и космической техники. Подметание в вакууме при более высоких температурах и более высокой напряженности поля дает еще более стойкие к радиации кристаллы. Уровень и характер примеси можно измерить с помощью инфракрасной спектроскопии. Кварц может перемещаться как в фазе α, так и в фазе β; развернуть в β-фазе происходит быстрее, но фазовый переход может вызвать двойникование. Двойникование можно преобразовать, подвергнув кристалл сжимающему напряжению в направлении X или электрическому полюсу или постоянного тока вдоль оси X, пока кристалл охлаждается в температурной фазового сигнала.
Для достижения кристалл примесь одного вида. Кристаллы лития, натрия и водорода используются, например, для изучения поведения кварца.
Очень маленькие кристаллы для высоких частот основной моды могут быть изготовлены с помощью фотолитографии.
Кристаллы можно настроить на точные частоты с помощью лазерной обрезки. Техника, используемая в мире любительского радио для небольшого уменьшения частоты кристалла, может быть достигнуто воздействие на кристаллы с серебряными электродами паров йода, что вызывает небольшое увеличение массы на кристалле. поверхность за счет образования тонкого слоя йодида серебра ; однако такие кристаллы имели проблематичную долговременную стабильность. Другим обычно используемым методом является электрохимическое увеличение или уменьшение толщины серебряного электрода путем погружения резонатора в лазурит, растворенный в воде, лимонной кислоте в воде или воде с солью, и использование резонатора в качестве одного электрода и маленький серебряный электрод как другой.
Выбирая направление тока, можно увеличивать или уменьшать массу электродов. Подробности опубликованы в журнале «Радио» (3/1978) на сайте UB5LEV.
Не рекомендуется повышать частоту, царапая части электродов, поскольку это может повредить кристалл и снизить его добротность. Подстроечные резисторы также можно использовать для регулировки частоты контура генератора.
Можно использовать некоторые другие пьезоэлектрические материалы, кроме кварца. К ним относятся монокристаллы из танталата лития, ниобата лития, бората лития, берлинита, арсенида галлия, тетрабората лития, фосфат алюминия, оксид висмута-германия, поликристаллическая керамика, высокоглиноземистая керамика, кремний - композит на основе оксида цинка или тартрат дикалия. Некоторые материалы могут быть более подходящими для конкретных приложений. Кристалл генератора также может быть изготовлен путем нанесения материала резонатора на поверхность кремниевого кристалла. Кристаллы фосфата галлия, лангасита и примерно в 10 раз более тянущиеся, чем соответствующие кристаллы кварца, и используются в некоторых генераторах VCXO.
Стабильность частоты определяется параметром Q кристалла. Он обратно зависит от частоты и от константы, зависит от конкретной среза. Другими факторами, влияющими на Q, используются используемые обертон, температура, уровень возбуждения кристалла, качество отделки поверхности, механические нагрузки, налагаемые на кристалл при соединении и установке, геометрия кристалла и прикрепленных электродов, чистота материала и дефекты кристалла, тип и давление газа в камере, мешающие моды, наличие и поглощенная доза ионизирующего и нейтронного излучения.
Температура влияет на рабочую частоту; Используются различные формы компенсации, от аналоговой компенсации (TCXO) и компенсации микроконтроллера (MCXO) до стабилизации температуры с помощью кристалловой печи (OCXO). Кристаллы показывают температурным гистерезисом ; частота при данной температуре, достигаемая за счет повышения температуры, не соответствует при данной температуре, достигаемой за счет снижения температуры. Температурная чувствительность зависит в первую очередь от разреза; резы с температурной компенсацией выбраны так, чтобы минимизировать частотно-температурную зависимость. Возможны специальные разрезы с линейными температурными характеристиками; срез LC используется в кварцевых термометрах. Другими влияющими факторами являются использованные обертон, монтаж и электроды, примеси в кристалле, механическая деформация, геометрия кристалла, скорость изменения температуры, термическая предыстория (из-за гистерезиса), ионизирующее излучение и уровень возбуждения.
Кристаллы, как правило, имеют аномалии в характеристиках частоты / температуры и сопротивления / температуры, известные как провалы активности. Это небольшие колебания сопротивления в сторону уменьшения или увеличения, локализованные при определенных температурах, причем их температурное положение зависит от величины конденсаторов нагрузки.
Механические напряжения также на частоту. Напряжения могут быть вызваны установкой, соединением и наложением электродов, дифференциальным тепловым расширением крепления, электродов и самого кристалла, дифференциальными термическимими, когда присутствует температурный градиент, расширением или сжатием соединения. материалов во время отверждения, давления воздуха, которое передается окружающей среде внутри кристалла, напряжения самой кристаллической решетки (неравномерный рост, примеси, дислокации), дефектами поверхности и повреждениями, вызванными во время производства, а также действием силы тяжести на массу кристалла; поэтому на частоту может влиять положение кристалла. Другими факторами, вызывающими динамическое напряжение, вызывают удары, вибрации и акустический шум. Некоторые порезы менее чувствительны к нагрузкам; разрез SC (с компенсацией напряжения) является примером. Изменения атмосферного давления также могут привести к деформации корпуса, на частоту за счет изменения паразитных емкостей.
Атмосферная влажность влияет на свойства теплопередачи воздуха и может электрическими свойствами, пластмасс за счет диффузии молекул воды в их состоянии, изменяя диэлектрические постоянные и электропроводность.
Другими факторами, влияющими на частоту, напряжение источника питания, сопротивление нагрузки, магнитные поля, электрические поля (в случае порезы SC), наличие поглощенной доза γ-частиц и ионизирующего излучения, и возраст кристалла.
Кристаллы претерпевают медленное измененное изменение частоты со временем, известное как старение. Здесь задействовано много механизмов. Крепление и контакты могут подвергаться снятию внутренних напряжений. Молекулы загрязнения либо из остаточной атмосферы, выделенные из кристалла, электродов или упаковочных материалов, либо внесенные во время герметизации корпуса, адсорбироваться на поверхности кристалла, изменяя его массу; этот эффект используется в микровесах на кристалле кварца. Состав кристалла может быть постепенно изменен за счет выделения газа, диффузии примесей или электродов, или решетки может быть повреждена радиация. Медленные химические реакции могут происходить на кристалле или внутри него, а также на внутренних поверхностях корпуса. Материал электрода, например хром или алюминий, могут реагировать с кристаллом, создавая слои оксида металла и кремния; эти интерфейс интерфейса могут изменяться со временем. Давление в корпусе может измениться из-за изменения атмосферного давления, температуры, утечек или выделения газа из материалов внутри. Факторы самого кристалла, например, старение схемы генератора (изменение вне камеры) и дрейф параметров кристаллической. Состав внешней атмосферы также может влиять на старение; водород может диффундировать через никелевый корпус. Гелий может вызывать аналогичные проблемы, когда он диффундирует через стеклянные кожухи стандартов рубидия.
Золото является предпочтительным электродным инструментом для малостареющих резонаторов; его адгезия к кварцу достаточно сильных деформаций, чтобы поддерживать контакт даже при сильных механических ударах, но достаточно, чтобы не выдерживать значительных градиентов деформации (в отличие от хрома, алюминия и алюминия и никеля). Золото также не образует оксидов; он адсорбирует органические загрязнения из воздуха, но их легко. Однако только золото может расслаиваться; поэтому иногда используется слой хрома для улучшения прочности связывания. Серебро и алюминий часто используются в качестве электродов; однако оба образуют оксидные слои со временем, которые увеличивают кристалла и понижают частоту. Серебро может быть пассивировано воздействием паров йода с образованием слоя йодида серебра. Алюминий окисляется легко, но медленно, пока не будет достигнута около 5 нм; повышенная температура при искусственном старении не увеличивает скорость образования оксида; толстый оксидный слой может быть сформирован во время производства посредством анодирования. Воздействие паров йода на посеребренный кристалл также можно использовать в любительских условиях для небольшого пони частоты кристалла; Q.
Смещение постоянного напряжения между электродами может ускорить начальное старение, вероятно, из-за индуцированного диффузия примесей через кристалл. частоту можно увеличить, соскребая части электродов. Размещение конденсатора последовательного с кристаллом и параллельного резистора в несколько мегаом может минимизировать такие напряжения.
Кристаллы чувствительны к ударам. Механическое напряжение вызывает кратковременное изменение частоты осциллятора из-за чувствительности кристалла к напряжению и может вызвать постоянное изменение частоты из-за вызванных ударом изменений монтажных и внутренних напряжений (если пределы упругости механических частей), десорбция загрязнения кристалла или изменения параметров схемы. Удары большие силы могут оторвать кристаллы от их опор (особенно в случае больших низкочастотных кристаллов, подвешенных на тонких проволоках) или вызвать растрескивание кристалла. Кристаллы без дефектов поверхности высокой высокой ударрочностью; химическая полировка может производить кристаллы, способные выдержать десятки тысяч g.
Кристаллы также страдают от незначительных кратковременных колебаний частоты. Основными причинами такого шума являются, например, тепловой шум (который ограничивает минимальный уровень шума), рассеяние фононов (под новыми дефектов решетки), адсорбция / десорбция молекул на поверхности кристалла, шум схем генератора, механические удары и вибрации, ускорение и изменение ориентации, колебания температуры и снятие механических напряжений. Кратковременная стабильность измеряется спектральной функцией спектральной функции: дисперсия Аллана (наиболее распространенный параметр, характеристики в технических характеристиках генераторов), фазовым шумом, фазовым шумом, плотностью фазовых отклонений и спектральной плотностью относительных отклонений частоты. Эффекты ускорения и вибрации тенденцию преобладать над другими источниками шума; Устройство с поверхностной акустической волной обычно более чувствительны, чем устройство с объемной акустической волной (BAW), а разрезы с компенсацией напряжений еще менее чувствительны. Относительная ориентация ускорения по отношению к кристаллу сексуальности. Для высокостабильных радикалов механические виброизоляционные опоры.
Фазовый шум играет важную роль в системе быстродействие частоты, использующие умножение частоты; умножение частоты на N увеличение мощности фазового шума на N. Умножение частоты в 10 раз увеличьте фазовой ошибки в 10 раз. Это может иметь катастрофические последствия для систем, использующих технологии PLL или FSK.
Кристаллы несколько чувствительны к радиационному повреждению. Природный кварц намного более чувствителен, чем искусственно выращенные кристаллы, и чувствительность можно снизить, увеличить кристалл - нагревая кристалл до не менее 400 ° C в атмосфере без водорода в электрическом поле не менее 500 В / см в течение 12 часов. Такие развернутые кристаллы очень слабо реагируют на устойчивое ионизирующее излучение. Некоторые атомы Si (IV) заменены на примеси Al (III), каждый из которых имеет рядом компенсирующий катион Li или Na. Ионизация производит электронно-дырочные пары; дырки захватываются решеткой около атома Al, образующиеся атомы Li и Na слабо захватываются вдоль оси Z; тогда решетки вблизи атома Al и упругой постоянной вызывает изменение частоты изменения. Подметание удаляет ионы Li и Na из решетки, уменьшая этот эффект. Сайт Al может также захватывать атомы водорода. Все кристаллы имеют кратковременный отрицательный сдвиг частоты после воздействияса рентгеновского излучения ; затем частота постепенно возвращается назад; естественный кварц достигает стабильной частоты через 10–1000 секунд, с отрицательным смещением частоты до облучения, искусственные кристаллы возвращаются к частоте немного ниже или выше, чем до облучения, развернутые кристаллы отжигаются практически до исходной частоты. Отжиг происходит быстрее при более высоких температурах. Подметание в вакууме при более высоких температурах и напряженности поля может еще больше вызвать реакцию кристалла на импульссы рентгеновского излучения. Последовательно увеличенное значение рентгеновского кристаллов. Последовательно увеличенное значение рентгеновского излучения. Последовательное сопротивление развернутых кристаллов не изменяется. Увеличение последовательного сопротивления снижает Q; слишком большое увеличение может остановить колебания. Нейтронное излучение вызывает изменения частоты, вводя дислокации в решетку, выбивая атомы, единственный быстрый нейтрон может вызвать множество дефектов; частота среза SC и AT возрастает примерно линейно с поглощенной дозой нейтронов, в то время как частота срезов BT уменьшается. Нейтроны также изменяют температурно-частотные характеристики. Изменение частоты при низких дозах ионизирующего излучения пропорционально выше, чем при более высоких дозах. Излучение высокой интенсивности может остановить генератор, вызывая фотопроводимость в кристалле и транзисторах; с развернутым кристаллом и правильно спроектированной схемой колебания можно возобновиться в течение 15 микросекунд после всплеска излучения. Кристаллы кварца с высоким содержанием примесей щелочных металлов теряют качество при облучении; На добротность развернутых искусственных кристаллов это не влияет. Облучение более высокими дозами (более 10 рад) снижает чувствительность к последующим дозам. Очень низкие дозы облучения (ниже 300 рад) имеют непропорционально больший эффект, но эта нелинейность насыщается при более высоких дозах. При очень высоких дозах радиационная реакция кристалла также насыщается из-за конечного числа примесных участков, которые могут быть полезуты.
Магнитные поля мало влияют на сам кристалл, так как кварц диамагнитный ; вихревые токи или напряжение переменного тока могут быть индуцированы в цепях, и это может повлиять на магнитные части крепления и корпуса.
После включения кристалла требуется от нескольких секунд до минут, чтобы «нагреться» и стабилизировать свою частоту. OCXO с термостатом обычно требуется 3–10 минут для системы до достижения теплового равновесия; генераторы без духовки стабилизируются в течение нескольких секунд, поскольку несколько милливатт, рассеиваемых в кристалле, вызывают небольшой, но заметный уровень внутреннего сообщения.
Кристаллы не имеют собственных механизмов отказа; некоторые работали в десятилетиях. Однако отказы могут быть вызваны дефектами соединения, негерметичными корпусами, коррозией, сдвигом частоты из-за старения, разрушением кристалла из-за слишком сильного механического удара или радиационным повреждением, когда используется не очищенный кварц. Кристаллы также могут быть повреждены из-за перегрузки.
Кристаллы должны приводиться в движение на соответствующем уровне привода. В то время как имеют тенденцию быть довольно щадящими, поскольку при перегрузке плохие электрические параметры, стабильность и характеристики старения, низкочастотные кристаллы, особенно кристаллы изгибного режима, разрушаются при слишком высоких уровнях возбуждения. Уровень возбуждения определяется как количество мощности рассеиваемой кристаллом. Подходящие возбуждения составляют около 5 мкВт для изгибных мод до 100 кГц, 1 мкВт для основных мод на 1–4 МГц, 0,5 мкВт для основных мод 4–20 МГц и 0,5 мкВт для обертонных мод на 20–200 МГц. Слишком низкий уровень возбуждения может вызвать проблемы с запуском генератора. Низкие возбуждения лучше для большей стабильности и меньшего энергопотребления генератора. Более высокие возбуждения, в свою очередь, уменьшают влияние шума за счет увеличения отношения сигнал / шум .
Стабильность кристаллов АТ-огранки снижается с настройками частоты. Для более точных высоких частот лучше использовать кристалл с более низкой основной качеством, работающий на обертоне.
Самые большие изменения после изготовления. Искусственное старение путем длительного хранения при температуре от 85 до 125 ° C может повысить его долговременную стабильность.
Плохо спроектированная схема генератора может внезапно начать колебаться на обертоне. В 1972 году поезд в Фремонте, Калифорния разбился из-за неисправного генератора. Несоответствующее значение емкости емкостного конденсатора привело к перегрузке кристалла на плате управления, скачку до обертона и к ускорению поезда вместо замедления.
Пластина резонатора может быть вырезанным из исходного кристалла разными способами. Ориентация среза влияет на характеристики старения кристалла, стабильность частоты, тепловые характеристики и другие параметры. Эти разрезы работают на объемной акустической волне (BAW); для более высоких частот используются устройства на поверхностных акустических волнах (SAW).
Изображение нескольких срезов кристалла
| Cut | Диапазон частот | Режим | Углы | Описание |
|---|---|---|---|---|
| AT | 0,5–300 МГц | сдвиг по толщине (c-режим, медленный квазисдвиг) | 35 ° 15 ', 0 ° (<25 МГц). 35 ° 18', 0 ° (>10 МГц) | Самая распространенная огранка, разработанная в 1934 году. Пластина содержит ось x кристалла и наклонена на 35 ° 15 'от оси z (оптическая). Кривая частота-температура представляет собой синусоидальную кривую с точкой перегиба при температуре около 25–35 ° C. Имеет постоянную частоту 1,661 МГц⋅мм. Большинство (по оценкам, более 90%) кристаллов относятся к этому варианту. Используется для генераторов, работающих в более широком диапазоне температур, от 0,5 до 200 МГц; также используется в генераторах с духовым управлением. Чувствителен к механическим нагрузкам, вызванным внешними силами или температурными градиентами. Кристаллы со сдвигом толщины обычно работают в основной моде на частотах 1–30 МГц, третьем обертоне на 30–90 МГц и пятом обертоне на частоте 90–150 МГц; согласно другому источнику, они могут быть сделаны для работы в основном режиме до 300 МГц, хотя этот режим обычно используется только до 100 МГц, и согласно еще одному источнику верхний предел основной частоты среза AT ограничен 40 МГц для небольших диаметр заготовок. Может быть изготовлен как в виде обычного круглого диска, так и в виде полосового резонатора; последний допускает гораздо меньший размер. Толщина кварцевой заготовки составляет около (1,661 мм) / (частота в МГц), при этом частота несколько смещается при дальнейшей обработке. Третий обертон примерно в 3 раза больше основной частоты; Обертоны превышают эквивалентную частоту основной частоты примерно на 25 кГц на обертон. Кристаллы, предназначенные для работы в режимах обертона, должны быть специально обработаны для обеспечения плоскопараллельности и чистоты поверхности для достижения наилучших характеристик при данной частоте обертона. |
| SC | 0,5–200 МГц | сдвиг по толщине | 35 ° 15 ', 21 ° 54' | Специальная резка (с компенсацией напряжения), разработанная в 1974 году, представляет собой резку с двойным вращением (35 ° 15 'и 21 ° 54') для стабилизированных термостатом осцилляторов с низким фазовый шум и хорошие характеристики старения. Менее чувствителен к механическим воздействиям. Имеет более высокую скорость разогрева, более высокую добротность, лучший фазовый шум вблизи, меньшую чувствительность к пространственной ориентации против вектора силы тяжести и меньшую чувствительность к вибрациям. Его частотная постоянная составляет 1,797 МГц⋅ мм. Связанные моды хуже, чем срез AT, сопротивление обычно выше; гораздо больше внимания требуется для преобразования между обертонами. Работает на тех же частотах, что и срез AT. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу третьего порядка с точкой перегиба при 95 ° C и гораздо более низкой температурной чувствительностью, чем разрез AT. Подходит для OCXO, например, в космические системы и системы GPS. Менее доступен, чем разрез AT, сложнее в производстве; улучшение параметров на порядок заменяется на порядок более жесткими допусками ориентации кристалла. Характеристики старения в 2–3 раза лучше, чем у срезов AT. Менее чувствителен к уровню движения. Гораздо меньше падений активности. Менее чувствителен к геометрии пластины. Требуется печь, плохо работает при температуре окружающей среды, так как частота быстро падает при более низких температурах. Имеет в несколько раз меньшую подвижную емкость, чем соответствующий разрез AT, что снижает возможность регулировки частоты кристалла подключенным конденсатором; это ограничивает использование в обычных устройствах TCXO и VCXO, а также в других приложениях, в которых частота кристалла должна регулироваться. Температурные коэффициенты для основной частоты отличаются от ее третьего обертона; когда кристалл работает на обеих частотах одновременно, результирующая частота биений может использоваться для измерения температуры, например, в кварцевые генераторы с компенсацией микрокомпьютера. Чувствителен к электрическим полям. Чувствителен к воздушному демпфированию, поэтому для получения оптимальной добротности его необходимо упаковывать в вакууме. Температурный коэффициент для b-режима составляет -25 ppm / ° C, для двойного режима от 80 до более 100 ppm / ° C. |
| BT | 0,5–200 МГц | сдвиг толщины (b-режим, быстрый квазисдвиг) | -49 ° 8 ', 0 ° | Специальный разрез, похожий на AT-разрез, за исключением того, что пластина разрезается под углом 49 ° от оси z. Работает в режиме сдвига по толщине, в режиме b (быстрый квазисдвиг). Он имеет хорошо известные и повторяемые характеристики. Имеет постоянную частоту 2,536 МГц⋅мм. Имеет худшие температурные характеристики, чем разрез АТ. Из-за более высокой постоянной частоты может использоваться для кристаллов с более высокими частотами, чем у АТ-среза, до более чем 50 МГц. |
| IT | сдвиг по толщине | Специальный разрез представляет собой разрез с двойным вращением с улучшенными характеристиками для печных- стабилизированные генераторы. Работает в режиме сдвига по толщине. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу третьего порядка с точкой перегиба при 78 ° C. Редко используемый. Имеет такие же характеристики и свойства, что и резка SC, больше подходит для более высоких температур. | ||
| FC | сдвиг по толщине | Специальная резка, резка с двойным вращением с улучшенными характеристиками для осцилляторов, стабилизированных печью. Работает в режиме сдвига по толщине. Кривая частота-температура представляет собой нисходящую параболу третьего порядка с точкой перегиба при 52 ° C. Редко используемый. Используется в генераторах с духовым управлением; печь можно настроить на более низкую температуру, чем для разрезов AT / IT / SC, до начала плоской части кривой температура-частота (которая также шире, чем для других разрезов); когда температура окружающей среды достигает этой области, печь выключается, и кристалл работает при температуре окружающей среды, сохраняя при этом разумную точность. Таким образом, этот рез сочетает в себе функцию энергосбережения, обеспечивающую относительно низкую температуру печи с приемлемой стабильностью при более высоких температурах окружающей среды. | ||
| AK | сдвиг по толщине | резка с двойным вращением с лучшими температурно-частотными характеристиками, чем разрезы AT и BT, и с более высокой устойчивостью к кристаллографическая ориентация, чем разрезы AT, BT и SC (в 50 раз по сравнению со стандартным разрезом AT, согласно расчетам). Работает в режиме сдвига по толщине. | ||
| CT | 300–900 кГц | сдвиг по поверхности | 38 °, 0 ° | График зависимости частоты от температуры представляет собой нисходящую параболу. |
| DT | 75–800 кГц | торцевой сдвиг | −52 °, 0 ° | Подобно резке CT. График частота-температура представляет собой нисходящую параболу. Температурный коэффициент ниже, чем у CT резки; там, где это позволяет частотный диапазон, DT предпочтительнее CT. |
| SL | сдвиг при торце | -57 °, 0 ° | ||
| GT | 0,1–3 МГц | растяжение по ширине | 51 ° 7 ' | Его температурный коэффициент между -25… + 75 ° C близок к нулю из-за эффекта компенсации между двумя режимами. |
| E, 5 ° X | 50–250 кГц | продольный | Имеет достаточно низкий температурный коэффициент, широко используется для низкочастотных кварцевых фильтров. | |
| MT | 40–200 кГц | продольный | ||
| ET | 66 ° 30 ' | |||
| FT | - 57 ° | |||
| NT | 8–130 кГц | прогиб (изгиб) длина-ширина | ||
| XY, камертон | 3–85 кГц | прогиб длина-ширина | Доминирующий низкий -частотный кристалл, так как он меньше других низкочастотных разрезов, менее дорогой, имеет низкий импеданс и низкое отношение Co / C1. Основное применение - кристалл RTC на 32,768 кГц. Его второй обертон примерно в шесть раз больше основной частоты. | |
| H | 8–130 кГц | изгиб длина-ширина | Широко используется для широкополосных фильтров. Температурный коэффициент линейный. | |
| J | 1–12 кГц | изгиб длина-толщина | J-образный разрез состоит из двух кварцевых пластин, соединенных вместе, выбранных для создания противофазного движения для данного электрического поля. | |
| RT | Резка с двойным вращением. | |||
| SBTC | Резка с двойным вращением. | |||
| TS | Резка с двойным вращением. | |||
| X 30 ° | Резка с двойным вращением. | |||
| LC | сдвиг по толщине | 11,17 ° / 9,39 ° | Резка с двойным вращением («линейный коэффициент») с линейной температурно-частотной характеристикой; может использоваться как датчик в кристаллических термометрах. Температурный коэффициент составляет 35,4 ppm / ° C. | |
| AC | 31 ° | Температурно-чувствительный, может использоваться в качестве датчика. Одномодовый с крутыми частотно-температурными характеристиками. Температурный коэффициент составляет 20 ppm / ° C. | ||
| BC | -60 ° | Чувствительный к температуре. | ||
| NLSC | Чувствительный к температуре. Температурный коэффициент составляет около 14 ppm / ° C. | |||
| Y | Температурно-чувствительный, может использоваться как датчик. Одномодовый с крутыми частотно-температурными характеристиками. Плоскость пластины перпендикулярна оси Y кристалла. Также называется параллельным или 30-градусным . Температурный коэффициент составляет около 90 ppm / ° C. | |||
| X | Используется в одном из первых кварцевых генераторов в 1921 году У. Г. Кэди и в качестве генератора 50 кГц в первых кварцевых часах Хортона и Маррисона в 1927 году. Плоскость пластины. перпендикулярна оси X кристалла. Также называется перпендикулярный, нормальный, Кюри, нулевой угол или ультразвуковой . |
Т в названии разреза обозначает пропил с температурной компенсацией, разрез, ориентированный таким образом, чтобы температурные коэффициенты решетки были минимальными; разрезы FC и SC также имеют температурную компенсацию.
Высокочастотные резаки крепятся за края, обычно на пружинах; жесткость пружины должна быть оптимальной, так как если она слишком жесткая, механические удары могут передаваться на кристалл и вызывать его разрушение, а слишком низкая жесткость может позволить кристаллу столкнуться с внутренней частью упаковки при воздействии механический удар и поломка. Полосовые резонаторы, обычно АТ-разрезы, меньше и поэтому менее чувствительны к механическим ударам. При той же частоте и обертоне полоса имеет меньшую тяговую способность, более высокое сопротивление и более высокий температурный коэффициент.
Низкочастотные срезы устанавливаются в узлах, где они практически неподвижны; в таких точках с каждой стороны между кристаллом и выводами прикреплены тонкие проволоки. Большая масса кристалла, подвешенного на тонких проволоках, делает сборку чувствительной к механическим ударам и вибрациям.
Кристаллы обычно помещаются в герметичные стеклянные или металлические корпуса, заполненные сухой и инертной атмосферой, обычно вакуумной., азот или гелий. Также можно использовать пластиковые корпуса, но они негерметичны, и вокруг кристалла необходимо создать еще одно вторичное уплотнение.
Возможны несколько конфигураций резонатора, в дополнение к классическому способу прямого присоединения выводов к кристаллу. Например. резонатор BVA (Boîtier à Vieillissement Amélioré, Корпус с улучшенным старением), разработанный в 1976 году; детали, влияющие на колебания, выточены из монокристалла (что снижает монтажное напряжение), а электроды нанесены не на сам резонатор, а на внутренние стороны двух конденсаторных дисков, сделанных из соседних пластин кварца из одного и того же стержня., образуя трехслойный сэндвич без напряжения между электродами и вибрирующим элементом. Зазор между электродами и резонатором действует как два небольших последовательных конденсатора, что делает кристалл менее чувствительным к влияниям цепи. Архитектура устраняет влияние поверхностных контактов между электродами, ограничений в монтажных соединениях и проблемы, связанные с миграцией ионов от электродов в решетку вибрирующего элемента. Полученная конфигурация является прочной, устойчивой к ударам и вибрации, устойчивой к ускорению и ионизирующему излучению и имеет улучшенные характеристики старения. Обычно используется разрез AT, хотя существуют и варианты разреза SC. Резонаторы BVA часто используются в космических аппаратах.
В 1930-1950-х годах люди довольно часто регулировали частоту кристаллов ручным шлифованием. Кристаллы измельчали с помощью мелкодисперсной абразивной суспензии или даже зубной пасты, чтобы увеличить их частоту. Небольшое уменьшение на 1–2 кГц, когда кристалл находился над землей, было возможно, если пометить лицевую сторону кристалла грифелем за счет пониженного Q.
Частота кристалла слегка регулируется ("тянущаяся" ") путем изменения присоединенных емкостей. варактор, диод с емкостью, зависящей от приложенного напряжения, часто используется в кварцевых генераторах, управляемых напряжением, VCXO. Кристаллические срезы обычно AT или редко SC и работают в основном режиме; величина доступного отклонения частоты обратно пропорциональна квадрату числа обертона, поэтому третий обертон имеет только одну девятую от тяги основной моды. Срезы SC, будучи более стабильными, имеют значительно меньшую тягу.
На принципиальных электрических схемах кристаллы обозначены буквой класса Y (Y1, Y2 и т. Д.). Генераторы, будь то кварцевые или другие генераторы, обозначаются буквой класса G (G1, G2 и т. Д.). Кристаллы также могут быть обозначены на с хеме X или XTAL или кварцевый генератор с XO.
Типы кварцевых генераторов и их сокращения:
 | НаВикискладе есть медиафайлы, связанные с Кварцевые генераторы. |
.
