從天然石英到合成石英晶振的演變歷程
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2019年07月03
大多數人都知道我們現在使用的石英晶振,原材料是一種叫做石英的礦結晶體,18世紀的80年代首次被它具有特殊的壓電效應,當受到外力電壓影響時,晶體內部會產生神奇的電極化現象,這就是石英晶體發生振蕩的因素.通過一百多年的研究和使用,人們已經基本掌握了石英這種結晶體的特性和作用,并且利用這些特點促進了時代和社會的進步與發展.
Curie兄弟于1880年描述了壓電效應.這是開始新時代測量和頻率控制所需的基礎知識.直到20世紀60年代,天然石英被用作生產石英晶體的原料.但喬治·斯佩齊亞于1900年在意大利都靈大學發現了石英的熱液生長.他的高壓釜很小,燃氣加熱.他生產出第一批可用的合成石英石.不能從熔化的材料中生長石英.石英的反轉點為573°C,其結構從低溫α石英(壓電)變為高溫β石英(不再是壓電).在從高溫到低溫的過程中,晶體返回到α石英結構.
但是來自阿爾法石英存在兩種晶體學版本,右手和左手晶體.這產生了雙胞胎,意味著水晶的一部分左手而另一部分是右手.這給出了最終產品完全不同的行為.這種晶體對晶體工業不再有用.為了開始生長新的晶體,需要種子非常好的材料.種子質量決定了種植水晶的質量.第一代種子主要由天然石英晶體制成.因此在這個過程中使用了少量的天然寶石.今天的高壓滅菌器具有更大的尺寸,最高可達到高度幾十米,直徑一米或多米.內部條件保持不變超過100年,壓力為2000巴,溫度為370°C.電熱提供合適的溫度,生長時間從幾周到一年不等,具體取決于最終寶石的尺寸和質量.電力消耗成為材料價格的主要部分.
合成石英晶體對天然寶石有很多好處.只生產一種類型的右手石英.在這種情況下,所有晶體取向和切割方向都是完全清楚的.夾雜物較少,沒有雙胞胎并且保證Q值.在天然水晶上,看起來像一個雞蛋,必須找到光學方法的主軸.接下來是搜索夾雜物,然后用X射線控制切割和切片.還必須通過蝕刻圖片來控制雙胞胎.這需要很多時間.產率不可再現.
這對于合成晶振是不同的.產量不僅取決于材料,而僅取決于使用的工藝.今天的雙旋轉切割高精度晶體需要非常嚴格的公差.所有切割和研磨過程都需要高精度,并且也提高了對測量技術的需求.必須在批量生產過程中測量兩個旋轉方向上的0.002度范圍內的角度公差和ppb范圍內精度的頻率公差.這遠遠超過半導體行業.對于空間應用,材料必須通過額外的過程,掃描.該過程是在高溫下的電擴散并從材料中除去不需要的離子.這需要幾周時間,這是一個非常困難的過程.該過程對于減少高水平輻射對晶體頻率的影響是必要的.
沒有振蕩器的石英晶體諧振器的首次使用是所謂的電致發光晶體.這種類型的晶體用于控制大型LC穩定無線電臺的頻率.在諧振的情況下,充氣環境中的晶體通過電流.這允許它開始氣體放電并且氣體開始發光.晶體的真正使用始于20世紀20年代電子振蕩器的發展.從這一點開始,可以利用電場刺激機械振動.現在可以使用機械振動的穩定性.第一個諧振器和今天使用的大多數諧振器都是體聲波諧振器(BAW).后來又使用了另一種效果,表面聲波諧振器(SAW).在SAW上,使用特殊波形的表面傳播來代替體積振動.SAW主要用于過濾器應用.
加速晶體開發和生產進程的一個重要時期是第二次世界大戰和隨后的冷戰.晶體用于通信系統和雷達.后來建立了全球定位系統.所有這些都需要非常精確的時間保持.最初的大規模生產晶體之一是用于通信的所謂’通道晶體’.它具有標準尺寸,并且由不同工廠生產用于相同用途.具有時鐘晶體的電子表首先用于天文目的.一開始就填滿了一個房間.隨著集成電路的發展,手表水晶必須適合手表.微型調音叉的生產已經開始.
今天的晶體尺寸是標準化的,尺寸低至2x2mm,高度低于1mm.這種非常小的晶體不能滿足與更大晶體相同的規格.應用確定了石英晶體的尺寸.BAW resonators涵蓋從低kHz(特別是時鐘晶體)到高達幾百MHz的范圍,并且可以超過1GHz.在現代世界中,石英晶體用于許多應用中.從腕表到手機,電腦,電視,洗衣機,汽車,飛機和衛星,我們使用至少一種水晶應用程序.今天的高精度時鐘現在使用其他類型的基本振動.這些都不是更多的機械振動,而是在原子基礎上的電子躍遷,如銣鐘.這些OSCillator具有更好的長時間穩定性.但它們沒有達到高精度石英振蕩器的短時穩態(相位噪聲).
石英晶體或具有多個電極的晶體的組合用作具有高品質因數的頻率濾波器.這主要用于電信系統中以分離頻率信道.另一個使用領域是傳感器應用.特殊的諧振器設計允許應用為溫度傳感器,質量傳感器,壓力傳感器等.所有這些參數都可以輕松地與振動器的頻率變化相關聯.一種非常常見的應用是真空蒸發系統中的薄膜厚度傳感器.通過應用質量使用頻率變化的效果,可以進行非常簡單的膜厚度測量.根據晶體振動器的基頻,質量靈敏度可以達到原子層數量級的值.
在今天的世界里,石英晶體無處不在,但我們沒有注意到它們.只有當其中一個失敗時,我們的手機,洗衣機,汽車才行不通.沒有石英晶體,世界上的所有通信都會停止.看看這個小元素,其機械精度低至原子層,并了解生產其中一種晶體需要多少工作,技術和精度.
Curie兄弟于1880年描述了壓電效應.這是開始新時代測量和頻率控制所需的基礎知識.直到20世紀60年代,天然石英被用作生產石英晶體的原料.但喬治·斯佩齊亞于1900年在意大利都靈大學發現了石英的熱液生長.他的高壓釜很小,燃氣加熱.他生產出第一批可用的合成石英石.不能從熔化的材料中生長石英.石英的反轉點為573°C,其結構從低溫α石英(壓電)變為高溫β石英(不再是壓電).在從高溫到低溫的過程中,晶體返回到α石英結構.
但是來自阿爾法石英存在兩種晶體學版本,右手和左手晶體.這產生了雙胞胎,意味著水晶的一部分左手而另一部分是右手.這給出了最終產品完全不同的行為.這種晶體對晶體工業不再有用.為了開始生長新的晶體,需要種子非常好的材料.種子質量決定了種植水晶的質量.第一代種子主要由天然石英晶體制成.因此在這個過程中使用了少量的天然寶石.今天的高壓滅菌器具有更大的尺寸,最高可達到高度幾十米,直徑一米或多米.內部條件保持不變超過100年,壓力為2000巴,溫度為370°C.電熱提供合適的溫度,生長時間從幾周到一年不等,具體取決于最終寶石的尺寸和質量.電力消耗成為材料價格的主要部分.
這對于合成晶振是不同的.產量不僅取決于材料,而僅取決于使用的工藝.今天的雙旋轉切割高精度晶體需要非常嚴格的公差.所有切割和研磨過程都需要高精度,并且也提高了對測量技術的需求.必須在批量生產過程中測量兩個旋轉方向上的0.002度范圍內的角度公差和ppb范圍內精度的頻率公差.這遠遠超過半導體行業.對于空間應用,材料必須通過額外的過程,掃描.該過程是在高溫下的電擴散并從材料中除去不需要的離子.這需要幾周時間,這是一個非常困難的過程.該過程對于減少高水平輻射對晶體頻率的影響是必要的.
今天的晶體尺寸是標準化的,尺寸低至2x2mm,高度低于1mm.這種非常小的晶體不能滿足與更大晶體相同的規格.應用確定了石英晶體的尺寸.BAW resonators涵蓋從低kHz(特別是時鐘晶體)到高達幾百MHz的范圍,并且可以超過1GHz.在現代世界中,石英晶體用于許多應用中.從腕表到手機,電腦,電視,洗衣機,汽車,飛機和衛星,我們使用至少一種水晶應用程序.今天的高精度時鐘現在使用其他類型的基本振動.這些都不是更多的機械振動,而是在原子基礎上的電子躍遷,如銣鐘.這些OSCillator具有更好的長時間穩定性.但它們沒有達到高精度石英振蕩器的短時穩態(相位噪聲).
在今天的世界里,石英晶體無處不在,但我們沒有注意到它們.只有當其中一個失敗時,我們的手機,洗衣機,汽車才行不通.沒有石英晶體,世界上的所有通信都會停止.看看這個小元素,其機械精度低至原子層,并了解生產其中一種晶體需要多少工作,技術和精度.
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