I. Предговор
Кристалните осцилатори, като основни компоненти за контрол на честотата, се използват широко в индустриално оборудване, системи за наблюдение на сигурността, медицински устройства, автомобилна електроника, интелигентни домашни уреди и други области. От макро гледна точка изграждането на глобална информационна инфраструктура е неразривно свързано с разработването на кристални осцилатори. Тази статия систематично анализира технологичната еволюция на кристалните осцилатори-от откриването на пиезоелектричния ефект до нано{3}}опаковките-разкривайки как те са задвижили човешкия технологичен прогрес през четири индустриални революции.
II. История на развитието на кристалните осцилатори
1. Периодът на технологичното просвещение
През 1880 г. братята Жак и Пиер Кюри откриват, че прилагането на механично напрежение върху кварцови кристални плочи генерира изместване на електрическия заряд, предлагайки концепцията запиезоелектричен ефект.
Принцип на пиезоелектричния ефект: Когато се прилага натиск върху пиезоелектрични материали, се генерира електрическа потенциална разлика (известна катодиректен пиезоелектричен ефект). Обратно, прилагането на напрежение създава механично напрежение (обратен пиезоелектричен ефект). Ако налягането включва високо-честотни вибрации, то генерира високо-честотни електрически токове. Когато високо{4}}честотни електрически сигнали се прилагат към пиезоелектрична керамика, те произвеждат високо{5}}честотни акустични сигнали (механични вибрации), известни като ултразвукови сигнали.
През 1918 г. Пол Ланжевин изследва използването на кварцови кристални плочи за разработване на ранни сонарни системи за откриване на подводници. Това включва интегриране на множество сонарни функции за цялостна обработка на информация и централизиран контрол, за да се изпълнят тактическите изисквания, включително намиране на посоката на шума, обхват на ехото, откриване на сонарни импулси, идентификация на целта и предупреждение за торпеда. Langevin използва X-изрязани кварцови плочи за генериране и откриване на подводни звукови вълни.
През 1921 г. професор WG Cady от университета Wesleyan патентова кварцовия кристален осцилатор. Патентът му използва кварцови кристални резонатори за контрол на честотата на осцилатора и описва кварцови пръти/плочи като честотни стандарти и филтри. По този начин Cady е широко признат като първият, който използва кварцови кристали за контрол на честотата в осцилаторни вериги.
През 1923 г. професорът от Харвард GW Pierce разработи схема на кристален осцилатор, поставяйки кристала между решетката и анода на вентил с вакуумна тръба-предшественик на конфигурацията на осцилатора на Pierce.
През 1925 г. Westinghouse Electric инсталира кристален осцилатор като основен осцилатор за тяхната радиостанция KDKA.
Ван Дайк разработи модел на еквивалентна схема за кварцови кристални резонатори. Тази верига има две резонансни честоти: последователна резонансна честота (fs)., където клонът Lg-Cg-Rg резонира и паралелна резонансна честота (fp)., общият резонанс на веригата. Тъй като Cg < C0, тези честоти са много близки. Честотната-характеристика на реактивното съпротивление показва индуктивно поведение между fs и fp и капацитивно поведение другаде.
През 1926 г. са открити и използвани Y-кристали. Дотогава са били използвани само X-гранени кварцови кристали. Докато кристалите с разрез X- имаха температурен коефициент от ~-20 ppm/градус, кристалите с разрез Y показаха ~+100ppm/градус, което показва, че различните кристални срезове могат да доведат до различни температурни коефициенти.
През 1927 г. Уорън Марисън от Bell Labs разработва първия стандарт за кварцов кристален осцилатор.
През 1928 г. Уорън Марисън създава първия часовник с кварцов кристал в Bell Telephone Laboratories. Кварцовите часовници замениха прецизните часовници с махало като най-точните часовници в света (до атомните часовници).
Атомни часовнициизползвайте електромагнитни вълни, излъчвани по време на поглъщане/освобождаване на атомна енергия за отчитане на времето, постигайки точност от ~1 секунда грешка на 20 милиона години-понастоящем най-точният инструмент за отчитане на времето в света.
През 1934 г. се появяват кварцови кристални резонатори AT- и BT-, открити независимо от Лак/Уилард/Феър (САЩ), Кога (Япония) и Бекман/Щраубел (Германия).
2. Период на научноизследователска и развойна дейност: Масово производство на кристални осцилатори
През 1950 г. са разработени атомни часовници. Кварцовите часовници постигнаха максимална точност от 1 секунда за 30 години (30 ms/год). Bell Labs са пионери в хидротермалния процес за-отглеждане на кварцови кристали в търговски мащаб.
3. Период на разработка: серийно производство и преминаване от военна към гражданска употреба
През 1968 г. Juergen Staudte от North American Aviation изобретява процеса на фотолитография за производство на кварцови кристални осцилатори, позволявайки миниатюризация за преносими продукти като часовници.
През 1976 г. станаха достъпни първите SC-кристали. Използва се предимно в кристални осцилатори, управлявани от пещ- (OCXO), поради техния оптимален температурен коефициент при работни температури на OCXO.
4. Периодът на бързо развитие: Разнообразни приложения в електрониката
От 1990 г. до днес кварцовите осцилатори са еволюирали от DIP до по-малки SMD корпуси, преминавайки от традиционни метални корпуси към пластмасови/метални/керамични капсули. Изискванията за прецизност и честота се увеличиха, изисквайки по-фини производствени процеси. Приложенията се разшириха от нишови приложения до различни области като 5G, IoT, автомобилна електроника, интелигентно здравеопазване и интелигентни уреди.
III. Резюме
70+ годините от 1880 до 1956 г. белязаха основополагащия период на кварцовите осцилатори, характеризиращ се с новаторски изобретения и влиятелни иноватори. Напредъкът на кварцовата технология отразява постепенен процес на откриване, разбиране и съзряване-напредъкът не може да бъде прибързан.