I. Pratarmė
Kristaliniai generatoriai, kaip pagrindinio dažnio valdymo komponentai, plačiai naudojami pramoninėje įrangoje, saugumo stebėjimo sistemose, medicinos prietaisuose, automobilių elektronikoje, išmaniuosiuose buitiniuose prietaisuose ir kitose srityse. Žvelgiant iš makroekonomikos perspektyvos, pasaulinės informacijos infrastruktūros kūrimas yra iš esmės susijęs su kristalinių generatorių kūrimu. Šiame straipsnyje sistemingai analizuojama kristalinių osciliatorių technologinė raida-nuo pjezoelektrinio efekto atradimo iki nano-masto pakavimo-, atskleidžiant, kaip jie paskatino žmogaus technologinę pažangą per keturias pramonės revoliucijas.
II. Kristalinių osciliatorių vystymosi istorija
1. Technologinis Apšvietos laikotarpis
1880 m. broliai Jacques'as ir Pierre'as Curie atrado, kad mechaninis įtempis kvarco kristalų plokštėms sukelia elektros krūvio poslinkį, ir pasiūlėpjezoelektrinis efektas.
Pjezoelektrinio efekto principas: Kai pjezoelektrinėms medžiagoms taikomas slėgis, susidaro elektrinio potencialo skirtumas (žinomas kaiptiesioginis pjezoelektrinis efektas). Ir atvirkščiai, naudojant įtampą, atsiranda mechaninis įtempis (atvirkštinis pjezoelektrinis efektas). Jei slėgis susijęs su aukšto-dažnio vibracija, jis sukuria aukšto-dažnio elektros srovę. Kai pjezoelektrinei keramikai taikomi aukšto -dažnio elektriniai signalai, jie sukuria aukšto-dažnio akustinius signalus (mechanines vibracijas), paprastai žinomus kaip ultragarso signalai.
1918 m. Paulas Langevinas tyrinėjo, naudodamas kvarco kristalų plokštes, kad sukurtų ankstyvas sonaro sistemas povandeniniams laivams aptikti. Tai apėmė kelių sonaro funkcijų integravimą, siekiant visapusiško informacijos apdorojimo ir centralizuoto valdymo, kad atitiktų taktinius reikalavimus, įskaitant triukšmo krypties nustatymą, aido diapazoną, sonaro impulsų aptikimą, taikinio identifikavimą ir įspėjimą apie torpedą. Langevinas naudojo X-pjaustytas kvarco plokštes, kad generuotų ir aptiktų povandenines garso bangas.
1921 m. Wesleyan universiteto profesorius WG Cady užpatentavo kvarco kristalo osciliatorių. Jo patentas naudojo kvarco kristalų rezonatorius osciliatoriaus dažniui valdyti ir apibūdino kvarco strypus / plokštes kaip dažnio standartus ir filtrus. Taigi Cady yra plačiai pripažintas kaip pirmasis, kuris osciliatorių grandinėse dažnio valdymui panaudojo kvarco kristalus.
1923 m. Harvardo profesorius GW Pierce'as sukūrė kristalų generatoriaus grandinę, padėdamas kristalą tarp tinklelio ir vakuuminio vamzdžio vožtuvo anodo-, kuris yra Pierce generatoriaus konfigūracijos pirmtakas.
1925 m. Westinghouse Electric savo radijo stoties KDKA pagrindinį osciliatorių sumontavo kristalinį generatorių.
Van Dyke sukūrė lygiavertį kvarco kristalų rezonatorių grandinės modelį. Ši grandinė turi du rezonansinius dažnius:serijos rezonansinis dažnis (fs)., kur rezonuoja Lg{0}}Cg-Rg šaka ir lygiagretus rezonansinis dažnis (fp)., bendras grandinės rezonansas. Kadangi Cg < C0, šie dažniai yra labai artimi. Reaktyvumo -dažnio charakteristika rodo indukcinį elgesį tarp fs ir fp, o kitur – talpinį elgesį.
1926 m. buvo atrasti ir panaudoti Y-skaldyti kristalai. Iki tol buvo naudojami tik X-skaldyti kvarco kristalai. Nors X-supjaustytų kristalų temperatūros koeficientas buvo ~-20 ppm/laipsnis, Y-pjūvio kristalų – ~+100ppm/laipsnis, o tai rodo, kad skirtingi kristalų pjūviai gali duoti skirtingus temperatūros koeficientus.
1927 m. Warrenas Marrisonas iš Bell Labs sukūrė pirmąjį kvarcinio kristalo osciliatoriaus standartą.
1928 m. Warrenas Marrisonas sukūrė pirmąjį kvarco krištolo laikrodį „Bell Telephone Laboratories“. Kvarciniai laikrodžiai pakeitė tikslius švytuoklinius laikrodžius kaip tiksliausius pasaulyje laiko matuoklius (iki atominių laikrodžių).
Atominiai laikrodžiainaudoti elektromagnetines bangas, skleidžiamas atominės energijos sugėrimo / išleidimo metu, kad būtų galima nustatyti laiką ir pasiekti ~1 sekundės paklaidą per 20 milijonų metų-šiuo metu tai yra tiksliausias laiko matavimo įrankis pasaulyje.
1934 m. atsirado AT- ir BT-supjaustyti kvarcinio kristalo rezonatoriai, kuriuos nepriklausomai atrado Lack/Willard/Fair (JAV), Koga (Japonija) ir Beckmann/Straubel (Vokietija).
2. MTEP laikotarpis: masinė kristalinių osciliatorių gamyba
1950 metais buvo sukurti atominiai laikrodžiai. Kvarciniai laikrodžiai pasiekė maksimalų 1 sekundės tikslumą per 30 metų (30 ms per metus). „Bell Labs“ sukūrė hidroterminį komercinio-masto kvarco kristalų augimo procesą.
3. Kūrimo laikotarpis: serijinė gamyba ir perėjimas nuo karinio naudojimo prie civilinio
1968 m. Juergenas Staudte'as iš Šiaurės Amerikos aviacijos išrado fotolitografijos procesą, skirtą kvarco kristalų osciliatoriams gaminti, leidžiantį miniatiūrizuoti nešiojamus gaminius, tokius kaip laikrodžiai.
1976 m. pasirodė pirmieji SC-skaldyti kristalai. Dėl optimalaus temperatūros koeficiento esant OCXO darbinei temperatūrai, daugiausia naudojami orkaitės{3}}valdomuose kristalų generatoriuose (OCXO).
4. Spartus plėtros laikotarpis: įvairios elektronikos taikymas
Nuo 1990 m. iki šių dienų kvarciniai generatoriai iš DIP tapo mažesniais SMD paketais, pereinant nuo tradicinių metalinių korpusų prie plastikinių/metalo/keraminių kapsulių. Išaugo tikslumo ir dažnio reikalavimai, todėl reikia tobulesnių gamybos procesų. Programos išsiplėtė nuo naudojimo nišų iki įvairių sričių, tokių kaip 5G, daiktų internetas, automobilių elektronika, išmanioji sveikatos priežiūra ir išmanieji prietaisai.
III. Santrauka
1880–1956 m. 70+ buvo kvarcinių generatorių, kuriems buvo būdingi novatoriški išradimai ir įtakingi novatoriai, įkūrimo laikotarpis. Kvarcinės technologijos pažanga atspindi laipsnišką atradimų, supratimo ir brendimo procesą-negalima skubėti.