KRISTAL KUARTZ, BAHAN WAKTU

KRISTAL KUARTZ, BAHAN WAKTU

1. Perkenalan

Kuarsa adalah bahan piezoelektrik.Sebuah wafer tipis kuarsa, dengan elektroda yang menempel pada permukaan yang berlawanan, bergetar secara mekanis ketika tegangan diterapkan pada dua elektroda.Frekuensi getaran terutama merupakan fungsi dari dimensi wafer.Wafer, yang disebut resonator kristal jika dipasang sesuai dengan elektroda terpasang, telah lama digunakan untuk mengontrol frekuensi pemancar radio, dan telah menjadi komponen penting dalam peralatan komunikasi telekomunikasi di mana sifat piezoelektriknya digunakan dalam filter, osilator, dan perangkat lainnya.Sekarang kristal kuarsa waktu dan sinyal koordinat untuk mikroprosesor, komputer, pengontrol yang dapat diprogram, jam tangan, dan peralatan digital lainnya seperti berbagai DSP.

Kuarsa adalah bentuk kristal silikon dioksida (SiO₂).Ini adalah bahan yang keras, rapuh, transparan dengan kepadatan 2649 kg/m³dan titik leleh 1750°C. Kuarsa tidak larut dalam asam biasa, tetapi larut dalam asam fluorida dan dalam alkali panas.Ketika kuarsa dipanaskan hingga 573°C, bentuk kristalnya berubah.Bentuk stabil di atas suhu transisi ini dikenal sebagai kuarsa tinggi atau beta-kuarsa, sedangkan bentuk stabil di bawah 573°C dikenal sebagai kuarsa rendah atau kuarsa alfa.Untuk aplikasi resonator, hanya alfa-kuarsa yang menarik dan kecuali dinyatakan lain, istilah kuarsa dalam sekuel selalu mengacu pada alfa-kuarsa.Kuarsa adalah bahan alami yang melimpah, tetapi tenaga kerja yang cukup diperlukan untuk memisahkan kuarsa alami berkualitas baik dari kuarsa alami berkualitas buruk.Meskipun silikon (terutama dalam bentuk dioksida, dan umumnya sebagai kristal kuarsa kecil) terdiri dari sekitar sepertiga kerak bumi, kuarsa alami dengan ukuran dan kualitas yang sesuai untuk digunakan dalam perangkat yang menggunakan sifat piezoelektriknya, telah ditemukan terutama di Brasil.Kuarsa alami juga mahal untuk diproses karena terjadi dalam bentuk dan ukuran acak.Selain itu, beberapa segmen kuarsa berkualitas buruk ditemukan hanya setelah pemrosesan parsial.Dan kotoran yang tersebar luas di kuarsa alami sering membuat pemotongan wafer kecil tidak praktis.Langkah besar pertama dalam pengembangan kuarsa berbudaya adalah pada tahun 1936 ketika Korps Sinyal Angkatan Darat AS memberikan kontrak kepada Brush Laboratories di bawah arahan Drs.Jaffe, Hale, dan Sawyer.Hal ini dilakukan karena kelangkaan kuarsa alami dengan kualitas piezoelektrik yang baik, yang biasanya dibeli dari Brasil.

Saat ini, kuarsa sekarang ditanam secara artifisial ke dimensi tertentu.Orientasi kristal dikendalikan, dan kemurniannya tinggi secara seragam.Ukuran standar mengurangi biaya pemotongan wafer, dan kotoran tersebar luas, memungkinkan resonator kecil yang membutuhkan daya penggerak rendah.

2. Proses Dasar Menumbuhkan Kuarsa Berbudaya

Kuarsa berbudaya ditanam di bejana bertekanan besar yang dikenal sebagai autoklaf (lihat gambar skema berikut).Autoklaf adalah silinder logam, tertutup di salah satu ujungnya, mampu menahan tekanan hingga 30.000 pon per inci persegi dengan suhu internal 700 hingga 800°F. Biasanya berdiri setinggi 12 hingga 20 kaki dan berdiameter 2 hingga 3 kaki.

Keripik kecil kuarsa murni tetapi tidak bermuka (berukuran 1 hingga 1,5 inci), yang disebut "lasca atau nutrisi", ditempatkan di keranjang kawat dan diturunkan ke bagian bawah bejana.Sebuah pelat baja dengan lubang yang telah diatur sebelumnya, yang disebut "baffle", dipasang di atas keranjang.Baffle digunakan untuk memisahkan wilayah pertumbuhan (benih) dan wilayah nutrisi, dan untuk membantu menetapkan perbedaan suhu antara kedua wilayah.Pelat kristal tunggal dengan orientasi yang sesuai (baik alami atau budidaya), yang disebut "benih", dipasang pada rak dan digantung di atas penyekat di bagian atas bejana.Autoklaf kemudian diisi dengan larutan alkali berair (Sodium Carbonate atau Sodium Hydroxide) hingga kira-kira 80% dari volume bebasnya untuk memungkinkan ekspansi cairan di masa depan, dan ditutup dengan penutup bertekanan tinggi.Autoklaf kemudian dibawa ke suhu operasi oleh serangkaian pemanas resistif yang dipasang pada keliling luar silinder.Saat suhu meningkat, tekanan mulai terbentuk di dalam autoklaf.Suhu 700 hingga 800°F dicapai di bagian bawah kapal sementara bagian atas dipertahankan pada 70 hingga 80°F lebih dingin dari bagian bawah.

Pada tekanan dan suhu operasi, laska larut dalam larutan yang dipanaskan di bagian bawah bejana, yang kemudian naik.Saat mencapai suhu yang lebih dingin di bagian atas bejana, larutan menjadi jenuh, menyebabkan kuarsa terlarut di dalam laska mengkristal kembali ke benih.Larutan bekas yang didinginkan kemudian kembali ke bagian bawah bejana untuk mengulangi siklus sampai laska habis dan batu kuarsa yang dibudidayakan telah mencapai ukuran yang diinginkan.Waktu yang disebut "Proses Hidrotermal" ini berkisar antara 25 hingga 365 hari, tergantung pada ukuran batu yang diinginkan, sifat, dan jenis proses – Sodium Hydroxide atau Sodium Carbonate.

3. Simetri, Kembar dan Ukuran Kristal Kuarsa

Alpha-quartz termasuk dalam kelas kristalografi 32, dan merupakan prisma heksagonal dengan enam wajah tutup di setiap ujungnya.Wajah-wajah prisma ditunjuk sebagai muka-m dan muka-muka tutupnya disebut muka-R dan r.Wajah-R sering disebut wajah belah ketupat utama dan wajah-r adalah wajah belah ketupat kecil.Baik kristal kiri dan kanan terjadi secara alami dan dapat dibedakan dengan posisi wajah S dan X.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar skema di atas, kristal alfa-kuarsa memiliki satu sumbu simetri lipat tiga (sumbu trigonal), dan memiliki tiga sumbu simetri lipat dua (sumbu digonal) yang tegak lurus terhadap sumbu trigonal tersebut.Sumbu-sumbu digonal berjarak 120° terpisah dan merupakan sumbu kutub, artinya, mereka dapat diberi pengertian tertentu.Kehadiran sumbu kutub menyiratkan kurangnya simetri pusat dan merupakan kondisi yang diperlukan untuk keberadaan efek piezoelektrik.Sumbu digonal juga dikenal sebagai sumbu listrik kuarsa (sumbu x-, y).Dalam kristal dengan wajah alami yang berkembang penuh, kedua ujung setiap sumbu kutub dapat dibedakan dengan ada atau tidak adanya wajah S dan X.Ketika tekanan diterapkan ke arah sumbu listrik, muatan negatif dikembangkan pada ujung sumbu yang dimodifikasi oleh permukaan ini.Sumbu trigonal, juga dikenal sebagai sumbu optik (sumbu z), tidak polar, karena adanya sumbu digonal yang normal menyiratkan bahwa kedua ujung sumbu trigonal adalah setara.Jadi tidak ada polarisasi piezoelektrik yang dapat dihasilkan sepanjang sumbu optik.Dalam sistem koordinat persegi panjang, sumbu z sejajar dengan m permukaan prisma.Sepotong kuarsa yang permukaan utamanya tegak lurus terhadap sumbu x disebut pelat potong-X.Memutar potongan 90 derajat terhadap sumbu z menghasilkan pelat potongan Y dengan sumbu y sekarang tegak lurus terhadap permukaan utama.Karena kristal kuarsa memiliki enam permukaan prisma, ada tiga pilihan untuk sumbu x dan y.Pemilihannya sewenang-wenang;masing-masing berperilaku identik.

Kuarsa adalah bahan optik aktif.Ketika seberkas cahaya terpolarisasi bidang ditransmisikan sepanjang sumbu optik, rotasi bidang polarisasi terjadi, dan jumlah rotasi tergantung pada jarak yang dilalui dalam materi.Rasa rotasi dapat digunakan untuk membedakan antara dua bentuk alami alfa-kuarsa yang dikenal sebagai kuarsa kiri dan kuarsa kanan.Pada kuarsa kiri bidang polarisasi berputar berlawanan arah jarum jam jika dilihat oleh pengamat yang melihat ke arah sumber cahaya, dan pada kuarsa kanan berputar searah jarum jam.Kebanyakan kuarsa berbudaya yang diproduksi adalah kuarsa kanan, sedangkan di alam kuarsa kiri dan kanan hampir merata.Bentuk mana pun dapat digunakan dengan baik dalam pembuatan resonator, tetapi bahan di mana bentuk kiri dan kanan dicampur, yang disebut bahan kembaran optik, tidak dapat digunakan.Di sisi lain, bahan kembaran elektrik semuanya memiliki tangan yang sama, tetapi mengandung daerah di mana indra sumbu listrik dibalik, sehingga mengurangi efek piezoelektrik keseluruhan.Bahan tersebut juga tidak cocok untuk aplikasi resonator.Kehadiran kembaran dan cacat lainnya dalam kristal kuarsa alami adalah alasan utama kekurangan bahan alami yang sesuai, dan tidak adanya kembaran yang signifikan dalam kuarsa budidaya merupakan salah satu keuntungan utamanya.Ketika alfa-kuarsa dipanaskan hingga di atas 573°C, bentuk kristal berubah menjadi beta-kuarsa, yang memiliki simetri heksagonal daripada trigonal.Saat pendinginan hingga 573°C, bahan kembali ke alfa-kuarsa, tetapi secara umum akan ditemukan kembaran elektrik.Dengan cara yang sama, penerapan tekanan termal atau mekanis yang besar dapat menyebabkan kembaran, sehingga perlu dalam pemrosesan resonator untuk menghindari kejutan termal atau mekanis semacam itu.

Setelah dikeluarkan dari autoklaf di mana mereka diproduksi, kristal kuarsa yang dibudidayakan diubah, dengan menggiling, menjadi apa yang disebut batang kayu.Ini adalah batang persegi panjang yang panjang, cocok untuk pemotongan selanjutnya menjadi wafer untuk resonator.Batang kayu biasanya memiliki panjang 6 hingga 8 inci, tetapi panjang yang dapat digunakan adalah sekitar 5 hingga 6 inci karena bahan di dekat ujungnya tidak dapat digunakan.Batang yang lebih panjang dapat ditanam, tetapi ini membutuhkan benih yang lebih panjang, yang biayanya meningkat dengan cepat seiring dengan panjangnya.Tinggi batang kayu umumnya kira-kira dua kali lebarnya karena dua wafer biasanya dipotong dari setiap irisan.Banyak batang kayu berukuran standar tersedia, dan kuarsa juga dapat ditanam dan digiling ke dimensi tertentu.

4. Kotoran Kimia dalam Kristal Kuarsa

Kuarsa berbudaya dan alami mengandung kotoran kimia yang dapat mempengaruhi kinerja resonator.Pengotor kimia adalah mereka yang membentuk ikatan kimia dengan silikon dan oksigen dalam kuarsa.Aluminium, besi, hidrogen dan fluor adalah pengotor kimia yang khas.Mereka diadakan ke tingkat yang jauh lebih rendah dalam kuarsa berbudaya daripada yang sering ditemukan di kuarsa alami.Namun, pengotor kimia tidak merata dalam kuarsa berbudaya.+x ,-daerah x, z, dan apa yang disebut daerah s yang kadang-kadang terbentuk, mengandung tingkat pengotor kimia yang berbeda.Dua daerah z mengandung paling sedikit pengotor.Wilayah +x mengandung lebih banyak pengotor daripada wilayah z, dan-wilayah x memiliki lebih banyak pengotor.Kepadatan pengotor di daerah s, yang umumnya kecil, berada di antara daerah z dan daerah +x.Ketika benih lebar digunakan untuk budidaya, daerah z dari batang kayu besar dan +x dan-x daerah kecil.Ketika benih yang sempit dan lebih murah digunakan, daerah z lebih kecil dan +x dan-x wilayah lebih besar.Secara umum, pengotor kimia dapat mengakibatkan penurunan kinerja resonator seperti kekerasan radiasi, kerentanan terhadap belitan, stabilitas jangka pendek dan jangka panjang osilator, dan kehilangan filter.

5. Resonator Q dan Kristal Q

Nilai Q dari resonator kristal adalah rasio energi yang disimpan dengan energi yang hilang selama satu siklus:

Qº.2PEnergi yang tersimpan selama satu siklus / Energi yang hilang selama satu siklus

Nilai ini penting karena merupakan ukuran daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan resonator.Q terutama merupakan fungsi dari atmosfer di mana resonator beroperasi, ketidaksempurnaan permukaan, keterikatan mekanis dan faktor-faktor lain yang dihasilkan dari pemrosesan dan pemasangan resonator.

Batang kayu kuarsa juga diberi nilai Q, tetapi Q untuk batang kuarsa tidak didasarkan pada pengukuran langsung energi yang tersimpan dan energi yang hilang.Sebaliknya, Q dari batang kuarsa adalah angka jasa berdasarkan kotoran di batang.Pengotor kimia dalam kuarsa yang dikultur diukur dengan mengarahkan cahaya inframerah melalui daerah z dalam irisan penampang batang kayu.Perbedaan transmitansi pada dua panjang gelombang tertentu (3.500 nm dan 3.800 nm) diukur, dan nilai Q dihitung dari data ini.Kuarsa yang memiliki Q tinggi mengandung lebih sedikit pengotor dibandingkan dengan yang memiliki Q rendah, dan pengukuran "Q Inframerah", menurut Standar EIA 477-1, secara rutin digunakan oleh penanam dan pengguna kuarsa sebagai indikator kualitas kuarsa.

Nilai Q untuk resonator umumnya tidak identik dengan batang kuarsa dari mana resonator dipotong.Namun, Q dari resonator dapat terpengaruh ketika Q dari batang kuarsa berada di bawah level kritis.Nilai AQ 1,8 juta atau lebih tinggi untuk kuarsa yang dibudidayakan merupakan indikasi bahwa pengotor kimia tidak akan menjadi faktor dalam Q akhir resonator untuk sebagian besar aplikasi.Kuarsa yang memiliki nilai Q seperti itu umumnya disebut grade elektronik (Grade C).Kuarsa kelas premium memiliki Q sebesar 2,2 juta (Kelas B), dan premium khusus memiliki Q sebesar 3,0 juta (Kelas A).Penting untuk diketahui bahwa nilai Q untuk kuarsa yang dikultur didasarkan pada pengotor di wilayah z saja.Oleh karena itu, bahkan jika kristal Q cukup untuk aplikasi, resonator Q dan frekuensi vs. perilaku suhu dapat terpengaruh secara merugikan di mana bagian aktif (antara elektroda) dari resonator mencakup +x,-x, atau bahan daerah s.

Wafer kristal kuarsa yang hanya mengandung bahan daerah-z dapat berhasil dipotong hanya dari batangan yang ditanam dari biji lebar, yang relatif mahal.Untungnya, elektroda jarang menutupi seluruh luas permukaan wafer resonator, dan pengotor yang terkandung dalam +x,-x, atau s tidak mempengaruhi operasi resonator secara merugikan ketika bahan pengotor ini berada di luar bagian aktif.Dengan demikian, resonator untuk sebagian besar aplikasi dapat menggunakan kuarsa yang ditanam dari biji sempit yang relatif murah.

6. Ringkasan

Kristal kuarsa piezoelektrik, ditemukan pada tahun 1880 oleh pasangan Curie yang terkenal dan pernah diperoleh dengan biaya tinggi dari kristal alami yang dipahat kasar, sekarang ditanam secara artifisial dengan proses yang menghasilkan kristal dengan ukuran dan kemurnian tertentu.Kuarsa berbudaya ini telah menurunkan biaya dan mengurangi ukuran resonator penting untuk waktu sirkuit digital saat ini.