CRISTAL DE CUARZO, EL MATERIAL QUE MIDE EL TIEMPO

CRISTAL DE CUARZO, EL MATERIAL QUE MIDE EL TIEMPO

1. Introducción

El cuarzo es un material piezoeléctrico. Una oblea fina del cuarzo, con los electrodos atados a las superficies de oposición, vibra mecánicamente cuando el voltaje se aplica a los dos electrodos. La frecuencia de la vibración es sobre todo una función de las dimensiones de la oblea. Las obleas, llamaron los resonadores cristalinos cuando estaban montadas convenientemente con los electrodos atados, se han utilizado de largo para controlar la frecuencia de los radiotransmisores, y ha sido un componente esencial en el equipo de comunicación de la telecomunicación donde sus propiedades piezoeléctricas se utilizan en filtros, osciladores y otros dispositivos. Ahora tiempo de los cristales de cuarzo y coordinar las señales para los microprocesadores, los ordenadores, los reguladores programables, los relojes, y el otro Digital Equipment tal como diverso DSP.

El cuarzo es una forma cristalina de dióxido de silicio (SiO₂). Es un duro, frágil, el material transparente con una densidad de 2649 kg/m3 y un punto de fusión del° 1750 C. Quartz es insoluble en ácidos ordinarios, pero solubilidad en ácido hidrofluórico y en álcalis calientes. Cuando el cuarzo se calienta a 573° C, sus cambios cristalinos de la forma. La forma estable sobre esta temperatura de transición se conoce como el alto-cuarzo o beta-cuarzo, mientras que la forma estable debajo de 573° C se conoce como el bajo-cuarzo o alfa-cuarzo. Para los usos del resonador, solamente el alfa-cuarzo está de interés y a menos que se indique lo contrario el cuarzo del término en la consecuencia refiere siempre al alfa-cuarzo. El cuarzo es un material natural abundante, pero el considerable trabajo se requiere para separar buena calidad del cuarzo natural de mala calidad. Aunque el silicio (principalmente bajo la forma de dióxido, y generalmente como pequeños cristalitos del cuarzo) comprenda aproximadamente una mitad de la corteza, del cuarzo natural del tamaño y de la calidad de tierra conveniente para el uso en los dispositivos que emplean sus propiedades piezoeléctricas, se ha encontrado principalmente en el Brasil. El cuarzo natural es también costoso procesar porque ocurre en formas y tamaños al azar. Por otra parte, algunos segmentos del cuarzo de mala calidad se descubren sólo después del proceso parcial. Y las impurezas extensas en cuarzo natural a menudo hacen cortar de pequeñas obleas poco práctico. El primer paso principal en el desarrollo del cuarzo cultivado era en 1936 cuando el cuerpo de la señal del Ejército de los EE. UU. dio un contrato para cepillar laboratorios bajo la dirección de la DRS. Jaffe, sano, y aserrador. Esto era hecho debido a la escasez pendiente del cuarzo natural con buena calidad piezoeléctrica, comprada acostumbradamente del Brasil.

Hoy, el cuarzo ahora se crece artificial a las dimensiones especificadas. Se controla la orientación cristalina, y la pureza es uniformemente alta. Los tamaños estándar reducen el coste de cortar las obleas, y las impurezas se dispersan extensamente, haciendo los pequeños resonadores posibles que requieren poder de conducción bajo.

2. El proceso básico de crecer el cuarzo cultivado

El cuarzo cultivado se crece en un recipiente del reactor grande conocido como autoclave (véase el dibujo esquemático siguiente). La autoclave es un cilindro del metal, cerrado en un extremo, capaz de soportar presiones hasta 30.000 libras por pulgada cuadrada con temperatura interna de 700 a 800° F. Coloca generalmente de 12 a 20 pies arriba y 2 a 3 pies de diámetro.

Los pequeños microprocesadores del cuarzo puro pero O.N.U-hecho frente (1 a 1,5 pulgadas de tamaño), llamados los “lascas o alimento”, se colocan en una cesta de la malla de alambre y se bajan en la mitad inferior del buque. Una placa de acero con los agujeros preorganizados, llamados un “bafle”, se fija encima de la cesta. El bafle se utiliza para separar la región del crecimiento (semilla) y la región nutritiva, y para ayudar a establecer un diferencial de la temperatura entre las dos regiones. Las solas placas cristalinas convenientemente orientadas (natural o cultivado), llamadas “semilla”, se montan en un estante y se suspenden encima del bafle en la mitad superior del buque. La autoclave entonces se llena de una solución alcalina acuosa (el carbonato sódico o hidróxido de sodio) al aproximadamente 80% de su volumen libre para permitir la extensión líquida futura, y se sella con un cierre de alta presión. La autoclave entonces es traída a la temperatura de funcionamiento por una serie de calentadores resistentes atados a la circunferencia exterior del cilindro. Mientras que la temperatura aumenta, la presión comienza a construir dentro de la autoclave. Una temperatura de 700 a 800° F se logra en la mitad inferior del buque mientras que la mitad superior se mantiene en 70 80al refrigerador del° F que la mitad inferior.

En la presión y la temperatura de funcionamiento, los lascas disuelven en la solución calentada en la mitad inferior del buque, que entonces sube. Mientras que alcanza la temperatura más fresca de la parte superior del buque, la solución llega a ser sobresaturada, haciendo el cuarzo disuelto dentro de los lascas recristalizar sobre la semilla. Se agota la solución gastada refrescada entonces vuelve a la mitad inferior del buque para repetir el ciclo hasta los lascas y las piedras cultivadas del cuarzo han alcanzado el tamaño deseado. Esto supuestos días de las gamas de tiempo del “proceso hidrotérmico” de 25 a 365, dependiendo del tamaño de piedra deseado, de las propiedades, y del tipo de proceso – carbonato del hidróxido de sodio o sódico.

3. Simetría, hermanamiento y tamaño del cristal de cuarzo

el Alfa-cuarzo pertenece a la clase cristalográfica 32, y es una prisma hexagonal con seis caras del casquillo en cada extremo. Las caras de la prisma se señalan las m-caras y las caras del casquillo se señalan R y las r-caras. Las R-caras a menudo se llaman las caras importantes del rombo y las r-caras son caras de menor importancia del rombo.  Los cristales izquierdos y derechos ocurren naturalmente y se pueden distinguir por la posición de las caras de S y de X.

Tal y como se muestra en del dibujo esquemático antedicho, el cristal del alfa-cuarzo tiene un solo eje de la simetría triple (eje trigonal), y tiene tres hachas de la simetría doble (el digonal disminuye) que es perpendicular a ese eje trigonal. Las hachas del digonal son 120° espaciados aparte y son hachas polares, es decir, un sentido definido se puede asignarles. La presencia de hachas polares implica la falta de una simetría de centro y es condición necesaria para la existencia del efecto piezoeléctrico. Las hachas del digonal también se conocen como las hachas eléctricas del cuarzo (x, y-AXIS). En cristal con las caras naturales completamente desarrolladas, los dos finales de cada eje polar se pueden distinguir por la presencia o la ausencia de las caras de S y de X. Cuando la presión se aplica en dirección del eje eléctrico, una carga negativa se desarrolla en ese final del eje modificado por estas caras. El eje trigonal, también conocido como el eje óptico (eje de z), no es polar, puesto que la presencia de hachas del digonal normales a ella implica que las dos metas del eje trigonal son equivalentes. Ninguna polarización piezoeléctrica se puede producir así a lo largo de eje óptico.  En los sistemas coordinados rectangulares, z-AXIS es paralelo a la prisma de m hace frente. Una placa del cuarzo cortada con su perpendicular superficial importante a x-AXIS se llama una placa del X-corte. Girando el corte 90 grados sobre z-AXIS ahora dan una placa del Y-corte con el perpendicular de y-AXIS a la superficie principal. Desde un cristal de cuarzo tiene seis caras de la prisma, tres opciones existen para el x y y-AXIS. La selección es arbitraria; cada uno se comporta idénticamente.

El cuarzo es un material ópticamente activo. Cuando un haz de la luz avión-polarizada se transmite a lo largo del eje óptico, una rotación del avión de la polarización ocurre, y la cantidad que la rotación depende de la distancia atravesó en el material. El sentido de la rotación se puede utilizar para distinguir entre las dos formas naturales de alfa-cuarzo conocidas como el cuarzo izquierdo y cuarzo derecho. En cuarzo izquierdo el avión de la polarización gira a la izquierda cuando es considerado por un observador que mira hacia la fuente de luz, y en cuarzo derecho gira a la derecha. La mayoría del cuarzo cultivado producido es cuarzo derecho, mientras que en cuarzo natural de la izquierda y derecho se distribuyen alrededor igualmente. Cualquier forma se puede utilizar igualmente bien en la fabricación de resonadores, pero el material en se mezclan qué formas izquierdas y derechas, que se llama material ópticamente hermanado, no puede ser utilizado. Por otra parte, el material eléctricamente hermanado es toda la misma mano, pero contiene las regiones donde el sentido del eje eléctrico se invierte, así reduciendo el efecto piezoeléctrico total. Tal material no es también conveniente para el uso del resonador. La presencia de defectos de hermanamiento y otros en cristal de cuarzo natural es la razón principal para la escasez de material natural conveniente, y la ausencia de hermanamiento significativo en cuarzo cultivado constituye una de sus ventajas principales. Cuando el alfa-cuarzo se calienta sobre a 573° C, los cambios cristalinos de la forma al del beta-cuarzo, que tiene hexagonal bastante que simetría trigonal. Al refrescarse abajo con 573° C, el material invierte al alfa-cuarzo, pero en general será encontrado a hermanado eléctricamente. De la misma manera, el uso de tensiones termales o mecánicas grandes puede inducir el hermanamiento, así que es necesario en el resonador que procesa para evitar tales choques termales o mecánicos.

Después de ser quitada de una autoclave en la cual fueron producidos, los cristales de cuarzo cultivados son convertidos, moliendo, en supuestas barras explotadas los árboles. Éstas son barras largas, rectangulares, convenientes para el corte subsiguiente en las obleas para los resonadores. Las barras explotadas los árboles son típicamente 6 a 8 pulgadas de largo, pero la longitud usable es cerca de 5 a 6 pulgadas porque el material cerca de los extremos está inutilizable. Barras más largas pueden ser crecidas, pero éstas requieren semillas más largas, el coste cuyo los aumentos rápidamente con longitud. La altura de barras explotadas los árboles es generalmente aproximadamente dos veces la anchura porque dos obleas se cortan normalmente de cada rebanada. La barra explotada los árboles estándar-clasificada numerosa está disponible, y el cuarzo se puede también crecer y moler a las dimensiones especificadas.

4. Impurezas químicas en cristal de cuarzo

Cuarzo cultivado y natural para contener las impurezas químicas que pueden afectar a funcionamiento del resonador. Las impurezas químicas son las que forman vínculos químicos con silicio y oxígeno en cuarzo. El aluminio, el hierro, el hidrógeno y el flúor son impurezas químicas típicas. Se sostienen mucho a un nivel inferior en cuarzo cultivado que eso encontrada a menudo en cuarzo natural. Sin embargo, las impurezas químicas no se distribuyen uniformemente en cuarzo cultivado. Los +x, el - x, las regiones de z, y las supuestas regiones de s que forman de vez en cuando, contienen diversos niveles de impurezas químicas. Las dos regiones de z contienen la menos cantidad de impurezas. La región de +x contiene más impurezas que la región de z, y la región del - x tiene con todo más impurezas. La densidad de impurezas en las regiones de s, que son generalmente pequeñas, está entre ésa en las regiones de z y ésa en la región de +x. Cuando las semillas anchas se utilizan para cultivar, las regiones de z de una barra explotada los árboles son grandes y las regiones de +x y del - x son pequeñas. Cuando son estrechas, se utilizan las semillas menos costosas, las regiones de z son más pequeñas y las regiones de +x y del - x más grandes. En general, las impurezas químicas pueden resultado en degradar en el funcionamiento del resonador tal como dureza de la radiación, susceptibilidad a la estabilidad a corto plazo y a largo plazo el trenzar, del oscilador, y pérdida del filtro.

5. Resonador Q y cristal Q

El valor de Q de un resonador cristalino es el ratio de energía almacenado a la energía perdió durante un ciclo:

La energía del º 2p de Q almacenada durante un ciclo/una energía perdió durante un ciclo

El valor es importante porque es una medida del poder requerido para conducir el resonador. El Q es sobre todo una función de la atmósfera en la cual un resonador actúa, de la imperfección de la superficie, de accesorios mecánicos y de otros factores resultando de procesar y de montar los resonadores.

Cuarzo explotó los árboles barras también se asigna un valor de Q, pero el Q para una barra del cuarzo no se basa en una medida directa de la energía almacenada y la energía perdió. En lugar, el Q de una barra del cuarzo es una figura del mérito basada en impurezas en la barra. Las impurezas químicas en cuarzo cultivado son medidas dirigiendo una luz infrarroja con las regiones de z en una rebanada seccionada transversalmente de una barra explotada los árboles. La diferencia en transmitencia en dos longitudes de onda específicas (3.500 nanómetro y 3.800 nanómetro) se mide, y valor de Q se calcula de estos datos. El cuarzo que tiene un alto Q contiene menos impureza que ésos con Q bajo, y las medidas de “Q infrarrojo”, por el estándar 477-1 del EIA, son utilizadas rutinario por los cultivadores y los usuarios del cuarzo como indicador de la calidad del cuarzo.

El valor de Q para un resonador no es generalmente idéntico a ése para la barra del cuarzo de la cual el resonador fue cortado. Sin embargo, el Q de un resonador puede ser afectado cuando Q de la barra del cuarzo está debajo de un nivel crítico. Un valor de Q de 1,8 millones o un más alto para el cuarzo cultivado es una indicación que las impurezas químicas no serán un factor en el Q final de un resonador para la mayoría de los usos. El cuarzo que tiene tales valores para Q generalmente se llama grado electrónico (grado C). El cuarzo superior del grado tiene un Q de 2,2 millones (el grado B), y el premio especial tiene un Q de 3,0 millones (el grado A). Es importante ser consciente de ése que el valor de Q para el cuarzo cultivado se basa en impurezas en la región de z solamente. Por lo tanto, incluso donde está adecuado Q cristalino para un uso, el resonador Q y la frecuencia contra comportamiento de la temperatura pueden ser afectados al contrario donde la porción activa (entre los electrodos) de un resonador incluye +x, el - x, o el material de la región de s.

Las obleas cristalinas de cuarzo que contienen solamente el material de la z-región se pueden cortar con éxito solamente de las barras crecidas de las semillas anchas, que son relativamente costosas. Afortunadamente, los electrodos cubren raramente la superficie entera de una oblea del resonador, y las impurezas contenidas en +x, el - x, o la región de s no afectan al contrario a la operación del resonador cuando este mentira material de la impureza fuera de la porción activa. Así, los resonadores para la mayoría de los usos pueden utilizar el cuarzo crecido de una semilla estrecha relativamente barata.

6. Resumen

El cristal de cuarzo piezoeléctrico, descubierto en 1880 por los pares famosos del curie y obtenido una vez en el alto coste del cristal natural áspero-cortado, ahora es crecido artificial por un proceso que produzca cristales del tamaño y de la pureza especificados. Este cuarzo cultivado ha bajado el coste y redujo el tamaño de los resonadores críticos a la sincronización de circuitos digitales de hoy.