大多数人都知道我们现在使用的石英晶振,原材料是一种叫做石英的矿结晶体,18世纪的80年代首次被它具有特殊的压电效应,当受到外力电压影响时,晶体内部会产生神奇的电极化现象,这就是石英晶体发生振荡的因素.通过一百多年的研究和使用,人们已经基本掌握了石英这种结晶体的特性和作用,并且利用这些特点促进了时代和社会的进步与发展.
Curie兄弟于1880年描述了压电效应.这是开始新时代测量和频率控制所需的基础知识.直到20世纪60年代,天然石英被用作生产石英晶体的原料.但乔治·斯佩齐亚于1900年在意大利都灵大学发现了石英的热液生长.他的高压釜很小,燃气加热.他生产出第一批可用的合成石英石.不能从熔化的材料中生长石英.石英的反转点为573°C,其结构从低温α石英(压电)变为高温β石英(不再是压电).在从高温到低温的过程中,晶体返回到α石英结构.
但是来自阿尔法石英存在两种晶体学版本,右手和左手晶体.这产生了双胞胎,意味着水晶的一部分左手而另一部分是右手.这给出了最终产品完全不同的行为.这种晶体对晶体工业不再有用.为了开始生长新的晶体,需要种子非常好的材料.种子质量决定了种植水晶的质量.第一代种子主要由天然石英晶体制成.因此在这个过程中使用了少量的天然宝石.今天的高压灭菌器具有更大的尺寸,最高可达到高度几十米,直径一米或多米.内部条件保持不变超过100年,压力为2000巴,温度为370°C.电热提供合适的温度,生长时间从几周到一年不等,具体取决于最终宝石的尺寸和质量.电力消耗成为材料价格的主要部分.

合成石英晶体对天然宝石有很多好处.只生产一种类型的右手石英.在这种情况下,所有晶体取向和切割方向都是完全清楚的.夹杂物较少,没有双胞胎并且保证Q值.在天然水晶上,看起来像一个鸡蛋,必须找到光学方法的主轴.接下来是搜索夹杂物,然后用X射线控制切割和切片.还必须通过蚀刻图片来控制双胞胎.这需要很多时间.产率不可再现.
这对于合成晶振是不同的.产量不仅取决于材料,而仅取决于使用的工艺.今天的双旋转切割高精度晶体需要非常严格的公差.所有切割和研磨过程都需要高精度,并且也提高了对测量技术的需求.必须在批量生产过程中测量两个旋转方向上的0.002度范围内的角度公差和ppb范围内精度的频率公差.这远远超过半导体行业.对于空间应用,材料必须通过额外的过程,扫描.该过程是在高温下的电扩散并从材料中除去不需要的离子.这需要几周时间,这是一个非常困难的过程.该过程对于减少高水平辐射对晶体频率的影响是必要的.

没有振荡器的石英晶体谐振器的首次使用是所谓的电致发光晶体.这种类型的晶体用于控制大型LC稳定无线电台的频率.在谐振的情况下,充气环境中的晶体通过电流.这允许它开始气体放电并且气体开始发光.晶体的真正使用始于20世纪20年代电子振荡器的发展.从这一点开始,可以利用电场刺激机械振动.现在可以使用机械振动的稳定性.第一个谐振器和今天使用的大多数谐振器都是体声波谐振器(BAW).后来又使用了另一种效果,表面声波谐振器(SAW).在SAW上,使用特殊波形的表面传播来代替体积振动.SAW主要用于过滤器应用.

加速晶体开发和生产进程的一个重要时期是第二次世界大战和随后的冷战.晶体用于通信系统和雷达.后来建立了全球定位系统.所有这些都需要非常精确的时间保持.最初的大规模生产晶体之一是用于通信的所谓’通道晶体’.它具有标准尺寸,并且由不同工厂生产用于相同用途.具有时钟晶体的电子表首先用于天文目的.一开始就填满了一个房间.随着集成电路的发展,手表水晶必须适合手表.微型调音叉的生产已经开始.
今天的晶体尺寸是标准化的,尺寸低至2x2mm,高度低于1mm.这种非常小的晶体不能满足与更大晶体相同的规格.应用确定了石英晶体的尺寸.BAW resonators涵盖从低kHz(特别是时钟晶体)到高达几百MHz的范围,并且可以超过1GHz.在现代世界中,石英晶体用于许多应用中.从腕表到手机,电脑,电视,洗衣机,汽车,飞机和卫星,我们使用至少一种水晶应用程序.今天的高精度时钟现在使用其他类型的基本振动.这些都不是更多的机械振动,而是在原子基础上的电子跃迁,如铷钟.这些OSCillator具有更好的长时间稳定性.但它们没有达到高精度石英振荡器的短时稳态(相位噪声).

石英晶体或具有多个电极的晶体的组合用作具有高品质因数的频率滤波器.这主要用于电信系统中以分离频率信道.另一个使用领域是传感器应用.特殊的谐振器设计允许应用为温度传感器,质量传感器,压力传感器等.所有这些参数都可以轻松地与振动器的频率变化相关联.一种非常常见的应用是真空蒸发系统中的薄膜厚度传感器.通过应用质量使用频率变化的效果,可以进行非常简单的膜厚度测量.根据晶体振动器的基频,质量灵敏度可以达到原子层数量级的值.
在今天的世界里,石英晶体无处不在,但我们没有注意到它们.只有当其中一个失败时,我们的手机,洗衣机,汽车才行不通.没有石英晶体,世界上的所有通信都会停止.看看这个小元素,其机械精度低至原子层,并了解生产其中一种晶体需要多少工作,技术和精度.

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从天然石英到合成石英晶振的演变历程

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