CRISTAL DE QUARTZO, O MATERIAL CRONOMETRANDO

CRISTAL DE QUARTZO, O MATERIAL CRONOMETRANDO

1. Introdução

O quartzo é um material piezoelétrico. Uma bolacha fina do quartzo, com os elétrodos unidos às superfícies de oposição, vibra mecanicamente quando a tensão é aplicada aos dois elétrodos. A frequência da vibração é primeiramente uma função de dimensões da bolacha. As bolachas, chamaram os ressonadores de cristal quando montadas apropriadamente com os elétrodos unidos, têm sido usadas por muito tempo controlando a frequência dos transmissores de rádio, e foi um componente essencial no equipamento de comunicação da telecomunicação onde suas propriedades piezoelétricas são usadas nos filtros, nos osciladores e nos outros dispositivos. Agora tempo dos cristais de quartzo e para coordenar sinais para os microprocessadores, os computadores, controladores programáveis, relógios, e o outro Digital Equipment tal como vário DSP.

O quartzo é um formulário cristalino do dióxido de silicone (SiO₂). É um duro, frágil, o material transparente com uma densidade de 2649 kg/m3 e um ponto de derretimento do° 1750 C. Quartzo é insolúvel em ácidos ordinários, mas em solúvel no ácido fluorídrico e em alcaloides quentes. Quando o quartzo for aquecido a 573° C, suas mudanças cristalinas do formulário. O formulário estável acima desta temperatura de transição está sabido como o alto-quartzo ou o beta-quartzo, quando o formulário estável abaixo de 573° C for sabido como o baixo-quartzo ou o alfa-quartzo. Para aplicações do ressonador, somente o alfa-quartzo é do interesse e salvo indicação em contrário o quartzo do termo na sequela refere sempre o alfa-quartzo. O quartzo é um material natural abundante, mas o trabalho considerável é exigido para separar a boa qualidade do quartzo natural de má qualidade. Embora o silicone (principalmente sob a forma do dióxido, e geralmente como cristalites pequenos de quartzo) compreendesse aproximadamente um terço da crosta, do quartzo natural do tamanho e da qualidade de terra apropriada para o uso nos dispositivos que empregam suas propriedades piezoelétricas, foi encontrado principalmente em Brasil. O quartzo natural é igualmente caro processar porque ocorre em formas e em tamanhos aleatórios. Além disso, alguns segmentos do quartzo de má qualidade são descobertos somente depois o processamento parcial. E as impurezas difundidas no quartzo natural fazem frequentemente o corte de bolachas pequenas pouco prático. A primeira etapa principal no desenvolvimento do quartzo cultivado era em 1936 quando o corpo do sinal do exército dos EUA deu um contrato para escovar laboratórios sob a direção do afastamento cilindro/rolo. Jaffe, são, e Sawyer. Este era feito devido à escassez pendente do quartzo natural com boa qualidade piezoelétrica, comprada habitualmente de Brasil.

Hoje, o quartzo é crescido agora artificialmente às dimensões especificadas. A orientação de cristal é controlada, e a pureza é uniformemente alta. Os tamanhos padrão reduzem o custo de cortar bolachas, e as impurezas são dispersadas extensamente, fazendo os ressonadores pequenos possíveis que exigem o baixo poder de condução.

2. O processo básico de crescer o quartzo cultivado

O quartzo cultivado é crescido em uma grande embarcação de pressão conhecida como uma autoclave (veja o seguinte desenho esquemático). A autoclave é um cilindro do metal, fechado em uma extremidade, capaz de suportar pressões até 30.000 libras pela polegada quadrada com temperatura interna de 700 a 800° F. Está geralmente os pés de 12 a 20 pés de altura e 2 a 3 no diâmetro.

As microplaquetas pequenas do quartzo puro mas un-enfrentado (1 a 1,5 polegada em tamanho), chamadas “lascas ou nutriente”, são colocadas em uma cesta da rede de arame e abaixadas na metade inferior da embarcação. Uma placa de aço com os furos arranjados de antemão, chamados um “defletor”, é ajustada sobre a cesta. O defletor é usado para separar a região do crescimento (semente) e a região nutriente, e para ajudá-los a estabelecer um diferencial da temperatura entre as duas regiões. As únicas placas de cristal apropriadamente orientadas (natural ou cultivado), chamadas “semente”, são montadas em uma cremalheira e suspendidas sobre o defletor no superior - metade da embarcação. A autoclave é enchida então com uma solução alcalina aquosa (carbonato de sódio ou hidróxido de sódio) a aproximadamente 80% de seu volume livre para permitir a expansão líquida futura, e é selada com um fechamento de alta pressão. A autoclave é trazida então à temperatura de funcionamento por uma série de calefatores resistive unidos à circunferência exterior do cilindro. Enquanto a temperatura aumenta, a pressão começa a construir dentro da autoclave. Uma temperatura de 700 a 800° F é alcançada na metade inferior da embarcação quando a metade superior for mantida em 70 80ao refrigerador do° F do que a metade inferior.

Na pressão e na temperatura de funcionamento, os lascas dissolvem-se na solução caloroso na metade inferior da embarcação, que aumenta então. Enquanto alcança a temperatura mais fresca da parte superior da embarcação, a solução torna-se supersaturated, fazendo com que o quartzo dissolvido dentro dos lascas re-cristalize-se na semente. A solução gasta de refrigeração retorna então à metade inferior da embarcação para repetir o ciclo até os lascas é esgotada e as pedras cultivadas de quartzo alcançaram o tamanho desejado. Isto “escalas de tempo assim chamadas do processo hidrotermal” de 25 a 365 dias, segundo o tamanho de pedra desejado, propriedades, e o tipo do processo – hidróxido de sódio ou carbonato de sódio.

3. Simetria, junção e tamanho do cristal de quartzo

o Alfa-quartzo pertence à classe crystallographic 32, e é um prisma sextavado com as seis caras do tampão em cada extremidade. As caras de prisma são designadas as m-caras e as caras do tampão são designadas R e r-caras. As R-caras são chamadas frequentemente as caras principais do rombo e as r-caras são caras menores do rombo.  Os cristais da mão esquerda e à direita ocorrem naturalmente e podem ser distinguidos pela posição das caras de S e de X.

Segundo as indicações do desenho esquemático acima, o cristal de alfa-quartzo tem uma única linha central da simetria da três-dobra (linha central trigonal), e tem três machados da simetria dupla (machados do digonal) que é perpendicular a essa linha central trigonal. Os machados do digonal são 120° espaçados distante e são machados polares, isto é, um sentido definido pode ser-lhes atribuído. A presença de machados polares implica a falta de uma simetria do centro e é condição necessária para a existência do efeito piezoelétrico. Os machados do digonal são sabidos igualmente como os machados elétricos do quartzo (x, y-linha central). No cristal com as caras naturais plenamente desenvolvidos, os dois fins de cada linha central polar podem ser diferenciados pela presença ou pela ausência das caras de S e de X. Quando a pressão é aplicada na direção da linha central elétrica, uma carga negativa está desenvolvida nesse fim da linha central alterada por estas caras. A linha central trigonal, igualmente conhecida como a linha central ótica (linha central de z), não é polar, desde que a presença de machados do digonal normais a ela implica que os dois objetivos da linha central trigonal são equivalentes. Assim nenhuma polarização piezoelétrica pode ser produzida ao longo da linha central ótica.  Nos sistemas coordenados retangulares, a z-linha central está paralela ao prisma de m enfrenta. Uma placa do quartzo cortada com sua perpendicular de superfície principal à x-linha central é chamada uma placa do X-corte. Girando o corte 90 graus sobre a z-linha central dão uma placa do Y-corte com a y-linha central agora perpendicular à superfície principal. Desde um cristal de quartzo tem seis caras de prisma, três escolhas existem para o x e a y-linha central. A seleção é arbitrária; cada um comporta-se identicamente.

O quartzo é um material opticamente ativo. Quando um feixe da luz plano-polarizada é transmitido ao longo da linha central ótica, uma rotação do plano de polarização ocorre, e a quantidade que a rotação depende da distância atravessou no material. O sentido da rotação pode ser usado para diferenciar-se entre os dois formulários naturais do alfa-quartzo conhecidos como o quartzo esquerdo e o quartzo direito. No quartzo esquerdo o plano de polarização gerencie anti-horário quando considerado por um observador que olha para a fonte de luz, e no quartzo direito gerencie no sentido horário. A maioria de quartzo cultivado produzido é quartzo direito, visto que no quartzo natural da esquerda e o direito são distribuídos aproximadamente ingualmente. Um ou outro formulário pode igualmente bem ser usado na fabricação de ressonadores, mas o material no que formulários esquerdos e direitos são misturados, que é chamado material opticamente juntado, não pode ser usado. Por outro lado, o material eletricamente juntado é toda a mesma mão, mas contém as regiões onde o sentido da linha central elétrica é invertido, assim reduzindo o efeito piezoelétrico total. Tal material não é igualmente apropriado para a aplicação do ressonador. A presença de defeitos de junção e outros no cristal de quartzo natural é a razão principal para a falta do material natural apropriado, e a ausência de junção significativo no quartzo cultivado constitui uma de suas vantagens principais. Quando o alfa-quartzo for aquecido acima de 573° C, as mudanças cristalinas do formulário àquele do beta-quartzo, que tem sextavado um pouco do que a simetria trigonal. Ao refrigerar para baixo com 573° C, o material reverte ao alfa-quartzo, mas no general será encontrado ao juntado eletricamente. Por isso mesmo, a aplicação de grandes esforços térmicos ou mecânicos pode induzir o junção, assim que é necessário no ressonador que processa para evitar uns choques térmicos ou mecânicos.

Após a remoção de uma autoclave em que foram produzidos, os cristais de quartzo cultivados são convertidos, moendo, em barras serradas madeira assim chamadas. Estas são barras longas, retangulares, apropriadas para o corte subsequente em bolachas para ressonadores. As barras serradas madeira são tipicamente 6 a 8 polegadas por muito tempo, mas o comprimento útil é aproximadamente 5 a 6 polegadas porque o material perto das extremidades é inusável. Umas barras mais longas podem ser crescidas, mas estas exigem umas sementes mais longas, o custo de que aumentos rapidamente com comprimento. A altura de barras serradas madeira está geralmente aproximadamente duas vezes a uma largura porque duas bolachas são cortadas normalmente de cada fatia. A barra serrada madeira padrão-feita sob medida numerosa está disponível, e o quartzo pode igualmente ser crescido e moído às dimensões especificadas.

4. Impurezas químicas no cristal de quartzo

Quartzo cultivado e natural para conter as impurezas químicas que podem afetar o desempenho do ressonador. As impurezas químicas são aquelas que formam ligações químicas com silicone e oxigênio no quartzo. O alumínio, o ferro, o hidrogênio e o flúor são impurezas químicas típicas. São guardados a muito nível inferior no quartzo cultivado do que aquele encontrado frequentemente no quartzo natural. Contudo, as impurezas químicas não são distribuídas uniformemente no quartzo cultivado. Os +x, o - x, as regiões de z, e as regiões assim chamadas de s que formam ocasionalmente, contêm níveis diferentes de impurezas químicas. As duas regiões de z contêm menos quantidade de impurezas. A região de +x contém mais impurezas que a região de z, e a região do - x têm contudo mais impurezas. A densidade das impurezas nas regiões de s, que são geralmente pequenas, está entre aquela nas regiões de z e aquela na região de +x. Quando as sementes largas são usadas cultivando, as regiões de z de uma barra serrada madeira são grandes e as regiões de +x e de - x são pequenas. Quando estreitas, as sementes menos caras são usadas, as regiões de z são menores e as regiões de +x e de - x maiores. Geralmente, as impurezas químicas podem resultado em degradar no desempenho do ressonador tal como a dureza da radiação, susceptibilidade à estabilidade a curto prazo e a longo prazo do entrelaçamento, do oscilador, e a perda do filtro.

5. Ressonador Q e cristal Q

O valor de Q de um ressonador de cristal é a relação da energia armazenada à energia perdeu durante um ciclo:

A energia do º 2p de Q armazenada durante um ciclo/energia perdeu durante um ciclo

O valor é importante porque é uma medida do poder exigido para conduzir o ressonador. O Q é primeiramente uma função da atmosfera em que um ressonador se opera, da imperfeição da superfície, de acessórios mecânicos e de outros fatores resultando de processar e de montar os ressonadores.

Quartzo serrou madeira barras é atribuído igualmente um valor de Q, mas o Q para uma barra de quartzo não é baseado em uma medida direta da energia armazenada e a energia perdeu. Em lugar de, o Q de uma barra de quartzo é uma figura de mérito baseada em impurezas na barra. As impurezas químicas no quartzo cultivado são medidas dirigindo uma luz infra-vermelha com as regiões de z em uma fatia de seção transversal de uma barra serrada madeira. A diferença no transmitância em dois comprimentos de onda específicos (3.500 nanômetro e 3.800 nanômetro) é medida, e valor de Q é calculada destes dados. O quartzo que tem um Q alto contém menos impureza do que aqueles com baixo Q, e “as medidas de Q infravermelho”, pelo padrão 477-1 da AIA, são usadas rotineiramente por cultivadores e por usuários de quartzo como um indicador da qualidade de quartzo.

O valor de Q para um ressonador não é geralmente idêntico àquele para a barra de quartzo de que o ressonador foi cortado. Contudo, o Q de um ressonador pode ser afetado quando Q da barra de quartzo está abaixo de um nível crítico. Um valor de Q de 1,8 milhões ou um mais alto para o quartzo cultivado são uma indicação que as impurezas químicas não serão um fator no Q final de um ressonador para a maioria de aplicações. O quartzo que tem tais valores para Q é chamado geralmente categoria eletrônica (categoria C). O quartzo superior da categoria tem um Q de 2,2 milhões (a categoria B), e o prêmio especial têm um Q de 3,0 milhões (categoria A). É importante estar ciente daquele que o valor de Q para o quartzo cultivado é baseado em impurezas na região de z somente. Consequentemente, mesmo onde Q de cristal é adequado para uma aplicação, o ressonador Q e a frequência contra o comportamento da temperatura podem adversamente ser afetados onde a parcela ativa (entre os elétrodos) de um ressonador inclui +x, - x, ou material da região de s.

As bolachas de cristal de quartzo que contêm somente o material da z-região podem com sucesso ser cortadas somente das barras crescidas das sementes largas, que são relativamente caras. Felizmente, os elétrodos cobrem raramente a área de superfície inteira de uma bolacha do ressonador, e as impurezas contidas em +x, em - x, ou em região de s não afetam adversamente a operação do ressonador quando este mentira material da impureza fora da parcela ativa. Assim, os ressonadores para a maioria de aplicações podem usar o quartzo crescido de uma semente estreita relativamente barata.

6. Sumário

O cristal de quartzo piezoelétrico, descoberto em 1880 pelos pares famosos do curie e obtido uma vez a custo alto do cristal natural áspero-desbastado, é crescido agora artificialmente por um processo que produza cristais do tamanho e da pureza especificados. Este quartzo cultivado abaixou o custo e reduziu o tamanho dos ressonadores críticos ao sincronismo de circuitos digitais de hoje.