CRISTALLO DI QUARZO, IL MATERIALE CRONOMETRANTE

CRISTALLO DI QUARZO, IL MATERIALE CRONOMETRANTE

1. Introduzione

Il quarzo è un materiale piezoelettrico. Un wafer sottile di quarzo, con gli elettrodi allegati alle superfici avversarie, vibra meccanicamente quando la tensione si applica ai due elettrodi. La frequenza della vibrazione è soprattutto una funzione delle dimensioni del wafer. I wafer, hanno chiamato i risuonatori a cristallo una volta montati adeguatamente con gli elettrodi allegati, lungamente sono stati usati per il controllo della frequenza delle radiotrasmittenti ed è stato una componente essenziale in attrezzature di comunicazione dalla telecomunicazione in cui le sue proprietà piezoelettriche sono utilizzate in filtri, in oscillatori ed in altri dispositivi. Ora tempo dei cristalli di quarzo e coordinare i segnali per i microprocessori, i computer, i regolatori programmabili, gli orologi e l'altro Digital Equipment quale vario DSP.

Il quarzo è una forma cristallina di diossido di silicio (SiO₂). È un duro, fragile, il materiale trasparente con una densità di 2649 kg/m3 e un punto di fusione del° 1750 C. Quartz è insolubile in acidi ordinari, ma in sostanza solubile in acido fluoridrico ed in alcali caldi. Quando il quarzo è riscaldato a 573° C, i suoi cambiamenti cristallini della forma. La forma stabile sopra questa temperatura di transizione è conosciuta come alto-quarzo o beta-quarzo, mentre la forma stabile inferiore a 573° C è conosciuta come basso quarzo o alfa-quarzo. Per le applicazioni del risuonatore, soltanto il alfa-quarzo è di interesse e salvo diversa indicazione il quarzo di termine nel seguito si riferisce sempre al alfa-quarzo. Il quarzo è un materiale naturale abbondante, ma il considerevole lavoro è richiesto per separare la buona qualità da quarzo naturale di cattiva qualità. Sebbene il silicio (pricipalmente sotto forma di diossido e generalmente come piccole cristalliti del quarzo) comprenda circa un terzo la crosta terrestre, il quarzo naturale della dimensione e la qualità adatta ad uso in dispositivi che impiegano le sue proprietà piezoelettriche, è stato trovato principalmente nel Brasile. Il quarzo naturale è inoltre costoso elaborare perché si presenta nelle forme e nelle dimensioni casuali. Inoltre, alcuni segmenti di quarzo di cattiva qualità sono scoperti solo dopo l'elaborazione parziale. E le impurità diffuse in quarzo naturale spesso rendono il taglio dei wafer piccoli poco pratico. Il primo punto principale nello sviluppo di quarzo coltivato era nel 1936 quando il corpo del segnale dell'esercito americano ha dato un contratto per spazzolare i laboratori sotto la direzione di DRS. Jaffe, sano e Sawyer. Ciò era fatto dovuto della la penuria in attesa di quarzo naturale con buona qualità piezoelettrica, acquistata abitualmente dal Brasile.

Oggi, il quarzo ora si sviluppa artificialmente alle dimensioni specificate. L'orientamento di cristallo è controllato e la purezza è uniformemente alta. Le dimensioni standard riducono il costo di taglio dei wafer e le impurità ampiamente sono disperse, facenti i piccoli risuonatori possibili che richiedono il potere di azionamento basso.

2. Il processo di base di coltura del quarzo coltivato

Il quarzo coltivato si sviluppa in un grande contenitore a pressione conosciuto come un'autoclave (vedi il seguente disegno schematico). L'autoclave è un cilindro del metallo, chiuso ad un'estremità, capace di resistenza delle pressioni fino a 30.000 libbre per pollice quadrato con la temperatura interna di 700 - 800° F. Sta solitamente i piedi d'altezza 12 - 20 piedi e 2 - 3 di diametro.

I piccoli chip di quarzo puro ma dalla faccia non (1 ad a 1,5 pollici nella dimensione), chiamati «lascas o sostanza nutriente», sono disposti in un canestro della rete metallica e sono abbassati nella metà inferiore della nave. Un piatto d'acciaio con i fori predisposti, chiamati «un deflettore», è messo sopra il canestro. Il deflettore è utilizzato per separare la regione della crescita (seme) e la regione nutriente e per contribuire a stabilire un differenziale della temperatura fra le due regioni. I piatti adeguatamente orientati di monocristallo (naturale o coltivato), chiamati «seme», sono montati su uno scaffale e sono sospesi sopra il deflettore nella metà superiore della nave. L'autoclave poi è riempita di soluzione alcalina acquosa (carbonato di sodio o idrossido di sodio) a circa 80% del suo volume libero per tenere conto espansione liquida futura ed è sigillata con una chiusura ad alta pressione. L'autoclave poi è portata alla temperatura di funzionamento da una serie di radiatori resistenti allegati alla circonferenza esteriore del cilindro. Mentre la temperatura aumenta, la pressione comincia a costruire all'interno dell'autoclave. Una temperatura di 700 - 800° F è raggiunta nella metà inferiore della nave mentre la metà superiore è mantenuta a 70 80al dispositivo di raffreddamento di° F che la metà inferiore.

A pressione di esercizio ed alla temperatura, i lascas si dissolve nella soluzione riscaldata nella metà inferiore della nave, che poi aumenta. Mentre raggiunge la temperatura più fresca della parte superiore della nave, la soluzione è sovrasaturata, inducendo il quarzo dissolto all'interno dei lascas a ricristallizzare sul seme. La soluzione spesa raffreddata poi ritorna alla metà inferiore della nave per ripetere il ciclo fino ai lascas è vuotata ed i calcoli coltivati del quarzo hanno raggiunto la dimensione desiderata. Ciò cosiddette «gamme di tempo di processo idrotermale» da 25 a 365 giorni, secondo la dimensione di pietra desiderata, le proprietà ed il tipo trattato – idrossido di sodio o carbonato di sodio.

3. Simmetria, gemellare e dimensione del cristallo di quarzo

il Alfa-quarzo appartiene alla classe cristallografica 32 ed è un prisma esagonale con sei fronti del cappuccio ad ogni estremità. I fronti del prisma sono designati m.-fronti ed i fronti del cappuccio sono designati R e r-fronti. I R-fronti spesso sono chiamati fronti importanti di rombo ed i r-fronti sono fronti secondari di rombo.  Sia i cristalli a mano sinistra che destri accadono naturalmente e possono essere distinti dalla posizione dei fronti di X e di S.

Secondo le indicazioni del disegno schematico di cui sopra, il cristallo del alfa-quarzo ha un singolo asse della simmetria tripla (asse trigonal) ed ha tre asce della simmetria duplice (digonal riduce) che è perpendicolare a quell'asse trigonal. Le asce di digonal sono 120° spaziati a parte e sono asce polari, cioè, un senso definito può essere assegnato loro. La presenza di asce polari implica la mancanza di simmetria concentrare ed è condizione necessaria per l'esistenza dell'effetto piezoelettrico. Le asce di digonal inoltre sono conosciute come le asce elettriche di quarzo (x, asse y). In cristallo con i fronti naturali a sviluppo completo, le due conclusioni di ogni asse polare possono essere differenziate dalla presenza o dall'assenza dei fronti di X e di S. Quando la pressione si applica in direzione dell'asse elettrico, una carica negativa è sviluppata a quella conclusione dell'asse modificato da questi fronti. L'asse trigonal, anche conosciuto come l'asse ottico (asse di z), non è polare, poiché la presenza di normale delle asce di digonal a implica che i due scopi dell'asse trigonal siano equivalenti. Nessuna polarizzazione piezoelettrica può essere prodotta così lungo l'asse ottico.  Nei sistemi di coordinate rettangolari, l'z-asse è parallelo al prisma di m. affronta. Un piatto di quarzo tagliato con il suo perpendicolare di superficie principale all'ascissa è chiamato un piatto X tagliato. Girando il taglio 90 gradi circa l'z-asse ora dà un piatto Y tagliato con l'asse y perpendicolare alla superficie principale. Da un cristallo di quarzo ha sei fronti del prisma, tre scelte esistono per la x e l'asse y. La selezione è arbitraria; ciascuno si comporta identicamente.

Il quarzo è un materiale otticamente attivo. Quando un fascio di luce aereo-polarizzata è trasmesso lungo l'asse ottico, una rotazione del piano di polarizzazione accade e l'importo che la rotazione dipende dalla distanza ha attraversato nel materiale. Il senso della rotazione può essere usato per differenziarsi fra le due forme naturali di alfa-quarzo conosciute come quarzo sinistro e quarzo giusto. In quarzo sinistro il piano di polarizzazione gira in senso antiorario una volta visto da un osservatore che guarda verso la fonte luminosa ed in quarzo giusto gira in senso orario. La maggior parte del quarzo coltivato prodotto è quarzo giusto, mentre in quarzo di destra naturale e di sinistra si distribuiscono circa ugualmente. Qualsiasi forma può altrettanto bene essere utilizzata nella fabbricazione di risuonatori, ma il materiale in quale forme destre e sinistre sono mescolate, che è chiamato materiale otticamente gemellato, non può essere usato. D'altra parte, il materiale elettricamente gemellato è tutta stessa mano, ma contiene le regioni dove il senso dell'asse elettrico è invertito, così riducenti l'effetto piezoelettrico globale. Tale materiale non è inoltre adatto ad applicazione del risuonatore. La presenza di difetti di gemellaggio ed altri nell'a cristallo di quarzo naturale è la ragione principale per la scarsità di materiale naturale adatto e l'assenza di gemellaggio significativo in quarzo coltivato costituisce uno dei suoi vantaggi principali. Quando il alfa-quarzo è riscaldato superiore a 573° C, i cambiamenti cristallini della forma a quella di beta-quarzo, che ha esagonale piuttosto che la simmetria trigonal. Sul raffreddarsi con 573° C, il materiale ritorna aalfa-quarzo, ma in generale sarà trovato al gemellato a elettricamente. Nella stessa maniera, l'applicazione di grandi sforzi termici o meccanici può indurre il gemellaggio, in modo da è necessario in risuonatore che elabora per evitare qualsiasi scosse termiche o meccaniche.

Dopo l'eliminazione da un'autoclave in cui sono stati prodotti, gli a cristallo di quarzo coltivati sono convertiti, frantumando, nelle cosiddette barre tagliate legna. Queste sono barre lunghe e rettangolari, adatte per i wafer incidere successivi per i risuonatori. Le barre tagliate legna sono in genere 6 a lungo a 8 pollici, ma la lunghezza utilizzabile è circa 5 ad a 6 pollici perché il materiale vicino all'estremità è inutilizzabile. Le barre più lunghe possono svilupparsi, ma queste richiedono i semi più lunghi, il costo di cui aumenti rapidamente con la lunghezza. L'altezza delle barre tagliate legna è generalmente approssimativamente due volte la larghezza perché due wafer sono tagliati normalmente da ogni fetta. La numerosa barra tagliata legna di formato standard è disponibile ed il quarzo può anche svilupparsi e frantumato alle dimensioni specificate.

4. Impurità chimiche nel cristallo di quarzo

Sia quarzo coltivato che naturale per contenere le impurità chimiche che possono colpire la prestazione del risuonatore. Le impurità chimiche sono quelle che formano i legami chimici con silicio ed ossigeno in quarzo. L'alluminio, il ferro, l'idrogeno ed il fluoro sono impurità chimiche tipiche. Sono tenuti molto ad un livello più basso in quarzo coltivato che quello trovato spesso in quarzo naturale. Tuttavia, le impurità chimiche non si distribuiscono neppure in quarzo coltivato. I +x, il - x, le regioni di z e le cosiddette regioni di s che si formano occasionalmente, contengono i livelli differenti di impurità chimiche. Le due regioni di z contengono la meno quantità di impurità. La regione di +x contiene più impurità che la regione di z e la regione di - x ha eppure più impurità. La densità delle impurità nelle regioni di s, che sono generalmente piccole, è fra quella nelle regioni di z e quella nella regione di +x. Quando gli ampi semi sono usati per coltivare, le regioni di z di barra tagliata legna sono grandi e le regioni di - e di +x x sono piccole. Una volta stretti, i semi meno costosi sono usati, le regioni di z sono più piccole e le regioni di - e di +x x più grandi. In generale, le impurità chimiche possono risultato in degradarsi nella prestazione del risuonatore quale durezza di radiazione, suscettibilità alla stabilità a breve termine ed a lungo termine attorcigliare, dell'oscillatore e perdita del filtro.

5. Risuonatore Q e cristallo Q

Il valore di Q di un risuonatore a cristallo è il rapporto di energia immagazzinato ad energia ha perso durante il ciclo:

L'energia di º 2p di Q memorizzata durante un ciclo/energia ha perso durante il ciclo

Il valore è importante perché è una misura del potere richiesto per guidare il risuonatore. La Q è soprattutto una funzione dell'atmosfera in cui un risuonatore funziona, dell'imperfezione della superficie, dei collegamenti meccanici e di altri fattori derivando dall'elaborazione e dal montaggio dei risuonatori.

A quarzo ha tagliato legna le barre inoltre è assegnato un valore di Q, ma la Q per una barra del quarzo non è basata su una misura diretta di energia immagazzinata e l'energia ha perso. Invece, la Q di una barra del quarzo è una figura di merito basata sulle impurità nella barra. Le impurità chimiche in quarzo coltivato sono misurate dirigendo una luce infrarossa con le regioni di z in una fetta di sezione trasversale di barra tagliata legna. La differenza nella trasmissione a due lunghezze d'onda specifiche (3.500 nanometro e 3.800 nanometro) è misurata ed il valore di Q è calcolata da questi dati. Il quarzo che ha un'alta Q contiene meno impurità che quelle con Q bassa e «le misure di Q infrarossa», per norma 477-1 della VIA, sono usate ordinariamente dai coltivatori e dagli utenti del quarzo come indicatore di qualità del quarzo.

Il valore di Q per un risuonatore non è generalmente identico a quello per la barra del quarzo da cui il risuonatore è stato tagliato. Tuttavia, la Q di un risuonatore può essere colpita quando la Q della barra del quarzo è sotto un livello critico. Un valore di Q di 1,8 milioni o un più alto per quarzo coltivato è un'indicazione che le impurità chimiche non saranno un fattore nella Q finale di un risuonatore per la maggior parte delle applicazioni. Il quarzo che ha tali valori per Q generalmente è chiamato grado elettronico (grado C). Il quarzo premio del grado ha una Q di 2,2 milioni (grado B) ed il premio speciale ha una Q di 3,0 milioni (grado A). È importante essere informato di quello che il valore di Q per quarzo coltivato è basato sulle impurità nella regione di z soltanto. Di conseguenza, anche dove la Q di cristallo è adeguata per un'applicazione, il risuonatore Q e la frequenza contro comportamento della temperatura possono essere colpiti avversamente dove la parte attiva (fra gli elettrodi) di risuonatore comprende +x, il - x, o il materiale di regione di s.

I wafer di cristallo del quarzo che contengono soltanto il materiale di z-regione possono essere tagliati con successo soltanto dalle barre sviluppate dagli ampi semi, che sono relativamente costosi. Fortunatamente, gli elettrodi riguardano raramente l'intera area di un wafer del risuonatore e le impurità contenute in +x, in - x, o nella regione di s non colpisce avversamente l'operazione del risuonatore quando questo bugia materiale dell'impurità fuori della parte attiva. Quindi, i risuonatori per la maggior parte delle applicazioni possono usare il quarzo sviluppato da un seme stretto relativamente economico.

6. Riassunto

Il cristallo di quarzo piezoelettrico, scoperto nel 1880 dalle coppie famose di curie ed ottenuto una volta ad alto costo dal cristallo naturale sbozzato, ora si sviluppa artificialmente tramite un processo che produce i cristalli della dimensione e della purezza specificate. Questo quarzo coltivato ha abbassato il costo ed ha ridotto la dimensione dei risuonatori critici alla sincronizzazione di odierni circuiti digitali.