Kuarsa Mono-kristal

Kuarsa yang digunakan dalam pembuatan produk kontrol frekuensi adalah kristal mono dengan bentuk heksagonal asimetris.Secara kimia, Quartz adalah Silicon Dioxide, SiO2 terjadi secara alami sebagai mineral paling utama di bumi, yang merupakan sekitar 14% dari permukaan bumi.

Pentingnya kuarsa kristal tunggal dalam industri elektronik modern adalah hasil dari sifat gabungan piezoelektrik, stabilitas mekanik dan kimia yang tinggi, Q yang sangat tinggi pada resonansi dan metode biaya rendah modern untuk menghasilkan tingkat kemurnian yang sangat tinggi dalam bahan sintetis.

Kuarsa sekarang sangat diperlukan sebagai bahan utama untuk mengendalikan frekuensi dalam peralatan elektronik dan hanya dilampaui untuk akurasi jangka panjang oleh standar atom primer seperti Cesium dan Rubidium.

Namun demikian, perkembangan terbaru dari mems, sistem mekanik elektro mikro, dan nem, sistem mekanik nano-elektro, diatur untuk merevolusi pasar kontrol frekuensi dengan integrasi jam sederhana ke dalam substrat silikon yang digunakan untuk fabrikasi IC.

Perangkat mini ini pasti dapat menggantikan semua jam sederhana yang memberikan keandalan tambahan dengan biaya lebih rendah dan di mana akurasi waktu minimum merupakan persyaratan.

Dalam bentuk kimia dasarnya, silikon dioksida tidak dapat digunakan untuk kontrol frekuensi dan harus dari struktur kristal mono yang menunjukkan kualitas piezoelektrik yang dapat digunakan karena bentuknya yang asimetris.Piezoelektrik (Yunani Piezein 'untuk menekan') dalam kuarsa kristal tunggal ditemukan oleh Curie bersaudara di Sorbonne, Paris 1880.

Namun baru pada tahun 1917 properti ini digunakan dalam aplikasi praktis ketika profesor Langevin di Prancis dan AM Nicolson di Western Electric secara independen merancang transceiver sonar untuk mendeteksi kapal selam di laut.

Nicolson kemudian mengajukan sejumlah paten untuk aplikasi yang menggunakan kuarsa dan Garam Rochelle.Bahan yang terakhir ini merespons kuat gelombang suara dan stimulus listrik dan dimasukkan oleh Nicolson ke dalam desain untuk Mikrofon, Pengeras Suara, dan pickup Phonograph.Sementara Nicolson telah mengusulkan penggunaan bahan listrik Piezo untuk mengendalikan frekuensi osilator tabung vakum, Dr. Walter Cady dari Universitas Wesleyan yang mengajukan paten pertama untuk osilator yang dikendalikan kristal pada tahun 1923.

Prof. GW Pierce dari Universitas Harvard melakukan pekerjaan lebih lanjut pada pengembangan osilator kristal pada saat ini.Pencapaian utama Pierce adalah desain osilator yang dikendalikan kristal dengan hanya menggunakan satu tabung vakum dan tidak ada sirkuit yang disetel selain kristal itu sendiri.

Selama awal tahun 1920-an perkembangan osilator kristal dan teknologi radio terus berkembang secara berdampingan.Aplikasi utama untuk osilator kristal selama hari-hari awal ini adalah untuk digunakan sebagai standar waktu dan baru sekitar tahun 1926 osilator kristal digunakan untuk mengontrol frekuensi pemancar radio.Hal ini dilakukan di stasiun radio WEAF di New York yang dimiliki oleh AT dan T.

Bell Telephone Labs yang merupakan bagian dari AT&T dan bersama dengan The Marconi Company di Inggris dan SEL Jerman mencapai banyak perkembangan signifikan dalam teknologi kristal selama tahun 1930-an.Pada tahun 1934 Messrs. Lack dan Willard di Bell Labs menemukan kristal AT Cut dan BT Cut yang memberikan industri komunikasi kristal kinerja frekuensi vs suhu yang jauh lebih baik.

Penyegelan yang lebih baik dan teknik produksi bersama dengan penemuan keluarga baru pemotongan Kompensasi Stres adalah di antara beberapa kemajuan yang telah dibuat selama dekade terakhir bersama-sama dengan proses mesa terbalik yang lebih baru dan miniaturisasi kristal dan osilator.

Bahan piezoelektrik menunjukkan muatan listrik yang berhubungan dengan arah ketika dikenai tekanan dan sebaliknya penerapan muatan listrik menyebabkan gaya yang berhubungan dengan arah dihasilkan di dalam material.Penerapan medan listrik bolak-balik akan menyebabkan material bergetar dan selanjutnya beresonansi secara mekanis.Frekuensi resonansi mekanis ditentukan oleh dimensi fisik material, 'sudut potong' terhadap sumbu kristal kristal mono kristal asli, suhu lingkungan dan efek modifikasi dari komponen mekanis atau elektrik terkait.

Sifat-sifat kuarsa yang mengkristal termasuk stabilitas kimia dan mekaniknya yang tinggi dan koefisien suhu yang rendah, menghasilkan perubahan kecil dalam frekuensi resonansi untuk setiap perubahan suhu sekitar, bersama dengan Q yang sangat tinggi pada resonansi.Itu terjadi secara alami dan semua pekerjaan eksperimental awal dilakukan dengan menggunakan kuarsa mengkristal alami.

Namun, kristal kuarsa alami menderita inklusi dari kotoran, gelembung, retak dan kembaran, yang mengurangi nilainya untuk digunakan dalam kontrol frekuensi karena ini mengurangi faktor Q.Oleh karena itu produksi kuarsa sintetis didirikan untuk menghasilkan bentuk kristal kuarsa murni yang bebas dari kembaran dan pengotor.

Kuarsa sintetis diproduksi dalam autoklaf dari larutan jenuh Si O2 pada sekitar 400 °C dan pada tekanan 1000Kg/cm2 untuk menghasilkan larutan super jenuh.

Proses pembuatan kuarsa sintetik dikenal sebagai metode hidrotermal di mana lempengan benih kuarsa mono kristal yang telah diorientasikan sebelumnya disuspensikan dalam larutan jenuh dan dengan mengurangi suhu larutan, pertumbuhan kristal besar diperoleh di bawah kondisi yang dikendalikan laboratorium sehingga meminimalkan kotoran dan memaksimalkan volume material yang berguna.

Tingkat pertumbuhan bahan sintetis berada di urutan 1mm per hari atau kurang untuk mencapai kemurnian maksimum.Resonator kuarsa untuk digunakan dalam sirkuit elektronik diproduksi dengan memotong kuarsa kristal menjadi wafer (atau kosong), melapisi elektroda ke setiap sisi wafer dan melampirkan resonator ke dalam dudukan yang sesuai.Dimensi wafer kuarsa pada dasarnya menentukan frekuensi resonator meskipun ini juga dipengaruhi oleh ukuran dan ketebalan elektroda dan sirkuit listrik yang terkait.

Orientasi 'potong' wafer ke sumbu optik kristal sangat penting untuk mencapai akurasi frekuensi resonansi dan koefisien frekuensi suhu rendah yang diperlukan untuk unit resonator akhir.'Pemotongan' akan menghasilkan karakteristik frekuensi/suhu baik orde kedua (kuadrat) atau orde ketiga (ternary) sehingga karakteristik tersebut akan menunjukkan titik balik tunggal atau ganda.