Tinh thể thạch anh là gì ?
Từ "water of spirit" trở thành "Salt of industry" Từ lâu, tinh thể thạch anh đã được gọi là "water of spirit". Ngoài ra, tinh thể thạch anh được đánh giá cao về độ cứng, độ trong suốt … và từng được sử dụng như viên bi ma thuật hay những người đam mê sự huyền bí của nó. Ngày nay, tinh thể thạch anh còn được sử dụng làm nữ trang bởi độ bóng và giá trị cao mà nó mang lại. Thạch anh được sử dụng rất đa dạng trong cuộc sống. Ngày nay, các thiết bị ứng dụng tinh thể thạch anh được làm từ thạch anh nhân tạo thay vì thạch anh tự nhiên, vốn rất quý và thạch anh đã trở thành thiết bị thiết yếu được gọi là "Muối của ngành công nghiệp", cùng với chất bán dẫn được gọi là Gạo của ngành công nghiệp.
Hiệu ứng áp điện
Hiệu ứng đảo áp điện
Ví dụ, đồng hồ Thạch anh.
Các ứng dụng quen thuộc nhất của tinh thể thạch anh là đồng hồ thạch anh. Đồng hồ thạch anh có độ chính xác cao hơn 300 lần so với đồng hồ cơ khí phổ biến trước đây. Độ chính xác cao đã được phát hiện trong các phát minh về đơn vị tinh thể thạch anh và mạch tổ hợp. Tần số thông thường của đồng hồ thạch anh là 32.768 Khz
Hiện tượng áp điện và vai trò của tinh thể thạch anh.
Hiệu ứng áp điện được anh em nhà Uurie phát hiện vào năm 1880, nhà vật lý người pháp.
(1) Khi một đơn vị tinh thể được tác động bởi áp lực cơ học, điện được tạo ra trên bề mặt (hiệu ứng áp điện).
(2) Ngược lại, khi áp dụng điện (điện áp) lên bề mặt thì cũng tạo ra sự thay đổi về mặt cơ học (hiệu ứng đảo áp điện).
Hiệu ứng áp điện khá quen thuộc với chúng ta, đó là hệ thống đánh lửa dùng cho bật lửa, bếp lò, lò hoặc tương tự. Khi ấn hoặc xoay vào một nút (công tắc), áp lực cơ học tác động lên bề mặt (như tường, gốm) áp điện, phát ra điện (tia lửa) để đánh lửa. Các đơn vị tinh thể thạch anh tạo nên hiệu ứng này.
Ngoài tinh thể thạch anh, có những nguyên liệu khác như gốm cũng có hiệu ứng áp điện. Tuy nhiên, thạch anh là dễ sử dụng, có sẵn, có tần số ổn định và chính xác nhất. Vì lý do này, thạch anh đã được sử dụng như một thành phần thiết yếu cho vô số thiết bị điện tử. Thạch anh có thể chuyển đổi chính xác sự rung chuyển cơ học thành các tín hiệu điện tử, được sử dụng như một nguồn tín hiệu liên quan đồng bộ trong nhiều loại mạch tổ hợp, những tín hiệu liên quan tới màu sắc, đồng hồ hoặc tương tự. Các thiết bị ứng dụng thạch anh đóng một phần quan trọng trong xã hội hiện đại. Ngay cả trong máy tính có hiệu suất cao "cũng chỉ là một cái hộp" nếu không có các thiết bị ứng dụng thạch anh.
Các thiết bị ứng dụng tinh thể thạch anh bao gồm quartz crystal units, crystal oscillators, crystal filters, SAW devices, thiết bị quang học,…
Quartz crystal unit
Định hướng cắt
Chế độ rung chuyển
Theo tinh thể học, tinh thể thạch anh nằm trong hệ thống tam giác tuyến và nhóm đối xứng điểm 32. Thạch anh tinh thể (có 2 trục đối xứng và 3 trục quay phản chiếu) có mật độ 2.654g/cm 3, độ cứng Mohs 7, và chuyển pha α-β ở nhiệt độ 573 ° C từ thạch anh – α sang thạch anh lục giác – β không áp điện. Tinh thể thạch anh, như loại GT cut và AT cut đều có hệ số nhiệt độ bằng 0, có đặc tính nhiệt độ và tần số chuẩn. Ngoài ra, đơn vị tinh thể thạch anh cực kỳ ổn định cả về mặt hóa học và vật lý, do đó sự thay đổi tần số sau khi làm lão hóa là vô cùng nhỏ. Nhờ có sự ổn định tần số đặc biệt này, thạch anh được sử dụng trong các thiết bị truyền thông như điện thoại di động, các ứng dụng không dây cũng như các thiết bị tiêu dùng như ti vi, đầu video, máy ảnh kỹ thuật số và máy tính, cung cấp chính xác tín hiệu có liên quan để xử lý một lượng lớn thông tin nhanh chóng và đồng nhất. Hơn nữa, thạch anh được sử dụng rộng rãi như là một nguồn nguyên liệu của đồng hồ yêu cầu độ chính xác cao như đồng hồ đeo tay, đồng hồ bấm giờ…
Định hướng cắt của nguyên tố tinh thể thạch anh, tần số, chế độ rung.
Đơn vị tinh thể thạch anh có rất nhiều chế độ rung, tùy thuộc vào độ kết tinh và áp điện, một trong số đó có hệ số nhiệt độ bằng 0. Đối với tần số, các tham số để xác định tần số là khác nhau tùy, thuộc vào chế độ rung. Ví dụ, tần số của một chế độ cắt độ dày cộng hưởng (AT cut BT cut), một âm thoa loại cộng hưởng tinh thể thạch anh và đường viền cắt chế độ cộng hưởng (CT cut, DT cut) được quyết định bởi độ dày, chiều dài và chiều rộng của âm thoa, chiều dài của một mặt vuông, tương ứng. Công nghệ xử lý của các đơn vị này được phân thành hai loại: Phương pháp xử lý cơ học và hóa học, do đó, chế độ rung thích hợp thì phụ thuộc vào mô-đun.
Crystal oscillator (Bộ dao động tinh thể)
Tùy thuộc vào chức năng bộ dao động tinh thể được phân thành nhiều loại, (Lưu ý: "X'tal" là viết tắt của Crystal.
SPXO (Simple Packaged X'tal Oscillator)
SPXO được gọi là XO cho đơn giản. Trong một mạch, mỗi tinh thể thạch anh có chức năng như một yếu tố dao động, mặc dù đôi khi nó được sử dụng như một bộ lọc hoặc cảm biến. SPXO là dao động đơn giản nhất được sản xuất bằng cách tích hợp một đơn vị tinh thể thạch anh và một mạch dao động. Cũng như những đặc trưng về nhiệt độ của tinh thể thạch anh, một mạch dao động cũng có những đặc trưng nhiệt độ nhưng không rõ ràng. Ngoài ra, điện dung tải xác định tần số dao động, tạo nên một giá trị cụ thể khi một đơn vị tinh thể tích hợp với một mạch dao động cụ thể. Vì vậy, sử dụng SPXO có thể hiểu được các đặc tính toàn diện. Đặc biệt là ở tần số cao, tinh thể thạch anh dao động có thể hoạt động mà không cần sự đồng nhất của mạch thiết kế tương đồng.
TCXO (Temperature Compensated X'tal Oscillator)
TCXO là dao động tinh thể khi có nhiệt độ. Khi kết hợp một đơn vị tinh thể với một mạch có đặc tính trái với đặc tính nhiệt độ của tinh thể đó thì thu được các tín hiệu ổn định, so với các đơn vị tinh thể đơn. Hiện nay, TCXO có thể trở nên nhỏ như một đơn vị tinh thể bằng cách tích hợp mạch vào mạch tích hợp. TCXO thường được sử dụng trong điện thoại di động.
VCXO (Voltage Controlled X'tal Oscillator)
Các tần số phát ra của VCXO được kiểm soát bằng cách áp dụng điện áp bên ngoài. VCXO là thường sử dụng trong mạch PLL và sử dụng cho hệ thống máy cài đặt lặp lại hoặc nhiều loại thiết bị công nghiệp khác nhau.
OCXO (Oven Controlled X'tal Oscillator)
Trong số dao động tinh thể, OCXO là dao động chính xác nhất và Do đó nó cũng được gọi là dao động có tính ổn định cao. Với đơn vị tinh thể bị biến đổi (không tuyến tính) đặc tính nhiệt độ. OXO sử dụng tinh thể thạch anh mà có đặc tính nhiệt độ tụt xuống bằng 0 ở chuỗi nhiệt độ cao và nhiệt độ của đơn vị tinh thể luôn giữ giá trị không đổi. Do tiền lệ tiệu hao lớn hơn dao động tinh thể khác, OCXO được sử dụng cho các trạm điện thoại di động, dụng cụ phát thanh, dụng cụ đo lường hoặc tương tự.
Bảng dao động tinh thể và độ ổn định tần số
Crystal filter
Giới hạn thực hiện được của bộ lọc tinh thể
Một crystal filter được sản xuất bởi một đơn vị tinh thể thạch anh có tần số ổn định và đặc tính cộng hưởng dốc liên quan tới sự thay đổi nhiệt độ.
Một bộ lọc dải thông có dải tần số danh nghĩa trong khoảng vài kHz đến vài trăm MHz và vượt qua băng thông trong khoảng vài chục Hz đến vài trăm kHz thì được sử dụng cho trang thiết bị truyền thông không dây và thiết bị truyền thông.
Crystal filters được phân loại thành crystal filters riêng biệt và crystal filters nguyên khối.
Crystal filter riêng biệt Cũng được gọi là bộ lọc nói chung được sản xuất bằng cách kết hợp một hoặc nhiều đơn vị tinh thể thạch anh, một tụ điện và một cuộn dây, được sử dụng chủ yếu trong cùng một mạch Jaumann.
Crystal filter dạng nguyên khối (MCF) MCF được sản xuất bằng cách sắp xếp thêm hai cặp bộ lọc của điện cực trên một tấm tinh thể thạch anh và sử dụng một lượng lớn đặc tính cộng hưởng dự vào sự móc nối âm hưởng giữa các điện cực.
MCF có một hạn chế đáng kể trong thiết kế và sản xuất bộ lọc so với rystal filter dạng riêng biệt, phạm vi thực hiện được các đặc tính (tần số danh nghĩa, băng thông mở rộng, vv) thì hạn chế.
MCF có các tính năng như kích thước giảm và trọng lượng nhẹ do một tấm tinh thể thạch anh làm hoạt động như một phần lớn đơn vị tinh thể thạch anh mà không có sử dụng mạch Jaumann cần cuộn dây.
Thiết bị SAW - thiết bị sóng âm bề mặt (Dịch theo nghĩa đen của Nhật Bản) Các thiết bị SAW được gọi là thiết bị sóng trên bề mặt đàn hồi. Nghĩa là sóng truyền trên một hình thể đàn hồi (rắn).
Các tính năng của SAW (1) Chế độ rung tần số cao (60MHz hoặc nhiều hơn).
(2) Điện cực có một dạng duy nhất (giống như điện cực lược).
4/11/2024 02:51:00 PM
asahi
