水晶、タイミング材料
December 24, 2021
水晶、タイミング材料1. 導入水晶は圧電気材料である。反対の表面に付けられて電極が水晶の薄いウエファーは、電圧が2つの電極に適用されるとき機械的に振動する。振動の頻度はウエファー次元の主に機能である。ウエファーは無線送信機の頻度を制御するために、付した電極によって適切に取付けられたとき水晶共鳴器を長く使用されてしまった呼び、それは圧電気の特性がフィルター、発振器および他の装置で使用されるテレコミュニケーションのずっと通信設備の必要な部品である。今度はさまざまなDSPのようなマイクロプロセッサ、コンピュータ、プログラマブル コントローラ、腕時計および他のデジタル装置のための水晶の時間および信号を調整するため。
水晶は二酸化ケイ素（SiO2）の結晶の形態である。それは堅い、壊れやすい、2649 kg/m3の密度および1750の°の融点の透明な材料はC. Quartzフッ化水素酸と熱いアルカリの通常の酸、しかしsolubleで不溶解性である。水晶が573° Cに熱される時、結晶の形態の変更。この遷移温度の上の安定した形態は高水晶かベータ水晶として573° Cの下の安定した形態は低水晶かアルファ水晶として知られているが、知られている。共鳴器の塗布のために、アルファ水晶だけ興味であり、特に明記しない限り続きの言葉の水晶はアルファ水晶を常に示す。水晶は豊富で自然な材料であるが、質の悪く自然な水晶から良質を分けるようにかなりの労働は要求される。ケイ素が圧電気の特性を用いる装置の使用のために適したサイズの地殻、自然な水晶および質で（主にとして二酸化物の形で、そして一般に小さい水晶クリスタライト）およそ3分の1を構成するがブラジルで主にあった。自然な水晶は任意形およびサイズに起こるので処理するためにまた高価である。さらに、質の悪い水晶のある区分は部分的な処理の後やっと発見される。そして自然な水晶の広まった不純物は頻繁に小さいウエファーの切断を実際的でなくする。培養された水晶の開発の最初の主要なステップはDrsの指揮に実験室にブラシをかけるために米陸軍信号隊が契約を与えた1936年にあった。Jaffe、丈夫、および木びき。これは習慣上ブラジルから購入されたよい圧電気の質の自然な水晶の未決の欠乏がされた原因、だった。
今日、水晶は指定次元に今人工的になる。水晶オリエンテーションは制御され、純度は均一に高い。標準サイズはウエファーを切るコストを削減し、低い運転力を要求する可能で小さい共鳴器を作る不純物は広く分散する。 2. 培養された水晶を育てる基本プロセス培養された水晶はオートクレーブとして知られている大きい圧力容器で育つ（次の略図を見なさい）。オートクレーブは圧力に700から800° F.の内部温度の1平方インチあたり抗する30,000ポンドまでことができる1つの端に閉まる金属シリンダーである。それは通常12から20直径のフィート高く、2から3フィートをから立てる。
「lascasか栄養素」と呼ばれる純粋なしかし非顔の水晶の小さい破片は金網のバスケットに（1から1.5インチ）置かれ、容器の最下の半分に下がる。「バッフル」と呼ばれるバスケットの上に事前に準備された穴が付いている鋼板は置かれる。バッフルが成長（種）の地域および栄養地域を分けたり、および2つの地域間の温度の差動の確立を助けるのに使用されている。「種」と呼ばれる適切に方向づけられた単結晶の版は（自然か培養される）棚に取付けられ、バッフルの上に容器の上半分で中断される。オートクレーブは自由な容積のおよそ80%への水様のアルカリ解決で未来の液体の拡張を可能にするためにそれから（炭酸ナトリウムか水酸化ナトリウム）満ちて高圧閉鎖と密封される。オートクレーブはシリンダーの外部の円周に付す一連の抵抗ヒーターによって実用温度にそれから持って来られる。温度が増加すると同時に、圧力はオートクレーブの内で造り始める。700から800° Fの温度は容器の下半分で上の半分が最下の半分より80° Fのクーラーへの70で維持される間、達成される。
作動圧力および温度で、lascasは上がる容器の下半分の熱くする解決で分解する。それが容器の上部のより涼しい温度に達すると同時に、解決は過飽和になり、種に再結晶するためにlascas内の分解された水晶をもたらす。冷却された使いきった解決は容器の下半分にそれからlascasまでの周期を繰り返すために減る戻り、培養された水晶石は望ましいサイズに達した。これ25からの望ましい石造りのサイズ、特性およびプロセス タイプによる365日へのいわゆる「熱水プロセス」時間範囲、–水酸化ナトリウムか炭酸ナトリウム。 3. 水晶の対称、結び付けることおよびサイズアルファ水晶は結晶学のクラス32に属し、それは各端に6つの帽子の表面が付いている六角形プリズムである。プリズム表面はm表面と示され、帽子の表面はRおよびr表面示される。R表面は頻繁に主要なrhombの表面と呼ばれ、r表面はマイナーなrhombの表面である。 左および右の水晶は自然に起こり、SおよびXの表面の位置によって区別することができる。
上の略図に示すように、アルファ水晶水晶に三重の対称（trigonal軸線）の単一の軸線があり、そのtrigonal軸線に垂直である二重の対称の3本の斧がある（digonalは打ち切る）。digonalの斧は離れて間隔をあけられた120°、北極の斧である、すなわち、明確な感覚はそれらに割り当てることができる。北極の斧の存在は中心の対称の欠乏を意味し、圧電効果の存在のための必要条件である。digonalの斧は水晶（x-のｙ軸）の別名電気斧である。完全に開発された自然な表面が付いている水晶では、各々の極軸の2つの終わりはSおよびXの表面の存在か不在によって区別することができる。圧力が電気軸線の方に適用されるとき、負電荷はこれらの表面によって変更される軸線のその終わりに開発される。trigonal軸線の2つの目的は同等であることをそれへのdigonalの斧の常態の存在が意味するので、trigonal軸線、別名光学軸（z軸）は、北極ではない。こうして圧電気の分極は光学軸に沿って作り出すことができない。 直角座標システムでは、z軸はmプリズムに平行直面するである。ｘ軸に主要な表面の垂直と切られる水晶の版はXカットの版と呼ばれる。切口を回してz軸についての90度は主要な表面に垂直なｙ軸のYカットの版を今与える。水晶以来6つのプリズム表面を持っている、3つの選択はx-およびｙ軸のためにある。選択は任意である;それぞれは全く同じにする。
水晶は光学的に核分裂物質である。平面分極されたライトのビームが光学軸に沿って送信されるとき、偏光面の回転は起こり、回転が間隔によって決まる量は材料で横断した。左の水晶および右の水晶として知られているアルファ水晶の2つの自然発生する形態の間で区別するのに回転の感覚が使用することができる。左の水晶では偏光面は光源の方に見ている観測者によって見られたとき左回りを回し右の水晶で右回りに回る。作り出されるほとんどの培養された水晶は自然な左および右の水晶で約均等に配られる一方、右の水晶である。どちらかの形態は共鳴器の製造で同様にうまく使用することができるがどのの左右の形態が混合されるか材料は、光学的に結び付けられた材料と呼ばれる、使用することができない。従って一方では、電気で結び付けられた材料は同じ手すべてですが、電気軸線の感覚が逆転する全面的な圧電効果を減らす地域を、含んでいる。そのような材料はまた共鳴器の塗布のために適していない。自然な水晶の結び付け、他の欠陥の存在は適した自然な材料の不足の主因であり、培養された水晶で重要な結び付けることの不在は主な利点の1つを構成する。アルファ水晶が573° Cの上でに熱される時、trigonal対称よりもむしろ六角形があるベータ水晶のそれへの結晶の形態の変更。冷却で573° Cによって、材料は電気で結び付けられるにアルファ水晶に、一般に見つけられる戻るが。同じように、大きい熱か機械圧力の適用は結び付けることを引き起こすことができる従ってそれはそのよう熱か機械衝撃を避けるために処理する共鳴器で必要である。
作り出されたオートクレーブから取除かれることの後で、培養された水晶は、いわゆる製材された棒に粉砕によって変えられる。これらは共鳴器のためのウエファーにそれに続く切断のために適した長い、長方形棒である。製材された棒は長の普通6から8インチであるが、使用可能な長さは約5から端の近くの材料が使用不可能であるので6インチである。より長い棒は育てることができるがこれらは費用増加急速に長さとより長い種を要求する。製材された棒の高さは二度一般に2つのウエファーが各切れから普通切られるのでおよそ幅である。多数のstandard-sized製材された棒は利用でき、水晶はまた指定次元になり、ひくことができる。 4. 水晶の化学不純物共鳴器の性能に影響を与えることができる化学不純物を含むために培養され、自然な水晶。化学不純物は水晶のケイ素そして酸素が付いている化学結合を形作る不純物である。アルミニウム、鉄、水素およびフッ素は典型的な化学不純物である。それらは頻繁に自然な水晶で見つけられるそれより培養された水晶の低レベルに大いに握られる。但し、化学不純物は培養された水晶で均等に配られない。時折形作る+x、- x、zの地域およびいわゆるsの地域は、化学不純物の異なったレベルを含んでいる。2つのzの地域は最小限の不純物を含んでいる。+xの地域はzの地域および- xの地域が持っているけれどもより多くの不純物を含んでいることより多くの不純物。一般に小さいsの地域の不純物の密度はzの地域のそれと+xの地域のそれの間にある。広い種が培養のために使用されるとき、製材された棒のzの地域は大きく、+xおよび- xの地域は小さい。狭かったです場合、比較的安価の種は使用される、zの地域はより小さく、より大きい+xおよび- xの地域である。一般に、化学不純物は放射の硬度、より合わせる、発振器短期および長期にわたる安定性への感受性のような共鳴器の性能で低下結果のおよびフィルター損失できる。 5. 共鳴器Qおよび水晶Q水晶共鳴器のQの価値は周期の間に貯えられるエネルギーへのエネルギーの比率失ったである:
価値は共鳴器を運転することを必要な力の測定であるので重要である。Qは共鳴器が作動する大気、表面の欠陥、機械付属品および他の要因の主に機能であり共鳴器を処理し、取付けることに起因する。
水晶また棒を割り当てられるQの価値は製材したが、水晶棒のためのQは貯えられるエネルギーの直接測定に基づいていないし、エネルギーは失った。その代り、水晶棒のQは棒の不純物に基づく性能指数である。培養された水晶の化学不純物は断面切れの製材された棒のzの地域による赤外線ライトの指示によって測定される。2つの特定の波長（3,500 nmおよび3,800 nm）の伝送の相違はこれらのデータから測定され、Qの計算される価値。高いQを持っている水晶は低いQとのそれらよりより少ない不純物を含み、「赤外線Q」の測定は、EIAの標準477-1ごとの水晶質の表示器として水晶栽培者およびユーザーによって、定期的に使用される。
共鳴器のためのQの価値は一般に共鳴器が切られた水晶棒のためのそれと同一ではない。但し、共鳴器のQは水晶棒のQがクリチカル・レベルの下にあるとき影響を受ける。化学不純物がほとんどの適用のための共鳴器の最終的なQの要因ではないこと培養された水晶のための1.8百万というQの値かより高いの徴候である。Qのためのそのような価値を持っている水晶は一般に電子等級（C）等級と呼ばれる。優れた等級の水晶に2.2百万のQがある（等級にB）、および特別な報酬は3.0百万のQがある（等級A）。培養された水晶のためのQの価値がzの地域だけの不純物に基づいているそれに気づいていることは重要である。従って、水晶Qが適用のために十分であるところでさえ、共鳴器の活動的な部分が（電極間で） +x、- x、またはsの地域材料を含んでいるところに共鳴器Qおよび頻度は対温度の行動不利に影響されることができる。
z地域材料だけ含んでいる水晶のウエファーは比較的高い広い種から育つ棒からだけ首尾よく切ることができる。幸いにも、電極はまれに共鳴器のウエファーの全体の表面積をカバーしないし、+x、- x、またはsの地域に含まれている不純物は不利に共鳴器操作にときこれらの活動的な部分の外の不純物の物質的なうそ影響を与えない。従って、ほとんどの適用のための共鳴器は比較的安く狭い種から育つ水晶を使用できる。 6. 概要1880年に有名なキュリーのカップルによって発見され、一度粗野で自然な水晶からの高い費用で得られる圧電気の水晶は指定サイズおよび純度の水晶を作り出すプロセスによって今人工的に育つ。この培養された水晶は費用を下げ、今日のデジタル回路のタイミングに重大な共鳴器のサイズを減らした。 |