回顧石英水晶的發(fā)現(xiàn)與轉(zhuǎn)變晶振過程
來源：http://www.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年02月16
與石英晶振相關(guān)的知識，我們已經(jīng)了解很多了，但是它的由來卻并不是很多人清楚，晶體的原材料是水晶和石英，那么它們是怎么被發(fā)現(xiàn)，然后被應(yīng)用的呢？如果要從源頭說起來，這個歷程經(jīng)過了300多年，然而是在近幾十年里才被廣泛大量的使用，并且制造技術(shù)也是在這幾十里不斷的突破。無線電的發(fā)明與使用也與石英晶振息息相關(guān)，二者可以說是相輔相成的關(guān)系。
歐洲人約1703年由荷蘭水手，從某個地方帶來的電氣石晶體，電氣石在炎熱放入灰燼，將灰燼顆粒放在一邊并將它們推向?qū)γ?。過了一段時間，這種敷料效果又轉(zhuǎn)回來了和排斥。水手稱這些電氣石晶體為錫蘭磁鐵。1747年Linneaeus賦予電氣石晶體學(xué)名為lapiselectricus。
在1756年，Aepinus描述了相反的電極性加熱電氣石晶體。他把這種效應(yīng)叫做熱電。貝克勒爾看著某些晶體具有電效應(yīng)。1877年，開爾文勛爵建立了熱電性與壓電性的相關(guān)性。事實證明到目前為止，電氣石上最大部分的熱電電荷通過彈性形成壓電表面電荷晶體的應(yīng)力是由溫度變化引起的。上基于開爾文勛爵的陳述，居里兄弟于1880年在該校發(fā)現(xiàn)研究結(jié)晶材料的機械變形產(chǎn)生比例電荷。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)提及。
1881年也是在居里兄弟的Lippmanns的推斷之后發(fā)現(xiàn)了反向壓電效應(yīng)。算了30多年了壓電效應(yīng)而不是科學(xué)的好奇心。1910年出版W.Voigt的基礎(chǔ)工作，書“水晶物理教科書”。1913年成功Meißner與剛開發(fā)的'驅(qū)動電極真空放大器管μ產(chǎn)生電振動。反饋是發(fā)明的。
1917年，Langewin（法國）接替水上超聲波用于追蹤目的生產(chǎn)。他使用了幾個平行連接的相同X形截面的排列受到DC脈沖影響的石英元素。頻率產(chǎn)生的聲波由石英元件的自諧振給出。從過境時間也收到了用石英晶體振蕩器反映出來的波可以計算反射物體的距離。在此背景下，Langewin首次描述了這一現(xiàn)象共振。1919年，卡迪使用石英振蕩器來穩(wěn)定頻率。
關(guān)于一個電極對，來自陽極電路的石英振蕩器刺激了自己的共振，從另一個電極對通過間接壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷相位旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格放大管再次送入。
1923年，Prof.G.W.Pierce（哈佛大學(xué)）發(fā)表了一個振蕩電路石英只有一對電極。貝爾電話實驗室在柏林找到石英實驗室，1924年，LeoOpta制造光晶體作為調(diào)諧指示器，它們位于充氣外殼中安裝時，在石英頻率上調(diào)節(jié)發(fā)射器，氣體放電點亮由于諧振時的電壓過沖（Q次）。無線電業(yè)余愛好者是石英穩(wěn)定發(fā)射器的首批用戶。該當(dāng)時常見的自振蕩發(fā)射器級的儲能電路同時進(jìn)行天線的去耦。由風(fēng)中天線的變化改變?nèi)萘亢蛡鬏旑l率。補救措施是石英穩(wěn)定。
圖1.3
第一個石英支架，用于帶有頻率校正的大型發(fā)射器和用于均勻波發(fā)射器的精密石英那時無線電業(yè)余愛好者一直使用無線電技術(shù)，電子產(chǎn)品超前夸張。在以前的無線電設(shè)備開發(fā)中，幾乎不是工程師也是一位業(yè)余無線電愛好者。第一本關(guān)于實際結(jié)構(gòu)的出版物石英振蕩器于1924年出現(xiàn)在無線電業(yè)余報紙QST中。它在很短的時間內(nèi)完成關(guān)注該期刊中的大量出版物，包括制作由業(yè)余愛好者自己制作的石英晶體。
1925年，vanDyke教授繪制了雙電極石英的等效電路圖，由動態(tài)串聯(lián)電路和并聯(lián)的靜態(tài)電路組成容量。
1926年在美國成為紐約WEAF的第一個商業(yè)廣播電臺石英穩(wěn)定的變送器操作。
1927年，到目前為止都是石英壓電體ÿ削減。美國最優(yōu)公司的T.Tillyear給出了這個切割方向用較小的溫度系數(shù)切割。
1928年成為很多地方的世界實驗室和適用于石英家具的生產(chǎn)設(shè)施。
1929年，C.LorenzAG獲得柏林恒溫器專利石英水晶振子的溫度控制。恒溫器已配備Y型切割石英。精度為0.1@10-6。要求對于GleichwellensenderStettin，馬格德堡柏林的運作頻率相同。Meißner和Bechmann在Telefunken調(diào)查了更長方形的波紋石英諧振器可避免溫度范圍內(nèi)的頻率跳變。
1933年，首次研究了低溫梯度的石英切片，Bechmann并且Straubel指定相應(yīng)的Y切割，其中Tk=0即Yh切割。
1934年，彼此獨立分別來自日本的古賀，Bechman和Straubel在德國和F.R.Lack，G.W.Willard和I.E.Fair貝爾實驗室。在美國，指示石英部分，0溫度系數(shù)為25/C.這些削減將是叫AT和BT切。切割的方向是根據(jù)種植區(qū)。之后，切割角度可能會偏振光1/6/完全實現(xiàn)。
1938年，PR-Hofman公司生產(chǎn)特種機器對于現(xiàn)在開始工業(yè)生產(chǎn)的石英晶體。由在戰(zhàn)爭期間，美國對石英的需求正在迅速增長。由于天然原料稀缺，很快就會出現(xiàn)采購問題。還有問題由于長期穩(wěn)定性不足，造成的不足石英晶體諧振器的表面質(zhì)量。此時在塑料外殼中安裝的慣例進(jìn)一步促進(jìn)了頻率的長期穩(wěn)定性，特別是由于滲透水分。在德國是防御技術(shù)。
圖1.4氣隙支架中的晶體，塑料或陶瓷外殼中的晶體
仍然設(shè)置為可調(diào)無線電，這是非常強大的設(shè)備先決條件。沒有'quartzgpaßμ。只有ZF振蕩器和石英過濾器包含精確的晶體。
1940年在德國現(xiàn)在也在高頻石英（AT-section）引入金屬鍍激勵電極（Lorenz和Telefunken）。這些水晶仍在一個精心制作的三分坐在外圍石英盤通過焊接細(xì)線保持電連接產(chǎn)生的。盡管發(fā)生了戰(zhàn)爭事件，但發(fā)展和發(fā)展仍在繼續(xù)兩個陣營中的石英晶體技術(shù)幾乎同時發(fā)生。
1942年（洛倫茲）介紹了用X射線精確測量切割角度。有由此實現(xiàn)約1/50/的切割精度。自1943年以來，削減控制在美國使用大型X射線測角儀進(jìn)行。要求X射線測角儀的政府推廣人數(shù)較多為石英行業(yè)制造。
1941年至1945年在美國有3000萬石英晶體制成。雖然在美國長時間石英頻率較高在生產(chǎn)的氣隙支架FT243中，一個已經(jīng)在歐洲和日本進(jìn)行過大約1942年，金屬鍍石英諧振器，但仍然如在美國的塑料外殼或沒有密封安裝了具有所有缺點的陶瓷外殼。知名持有人在粘接技術(shù)之后，F(xiàn)T241和FT243首先被金屬外殼取代用導(dǎo)電環(huán)氧粘合劑可用于接觸。
圖1.5玻璃和金屬外殼
1944年，第一次實驗在德國進(jìn)行，原料石英（水晶）在工業(yè)上合成。1948年開始使用Brush（美國），Sawyer（美國）和NihonDempaKogyo（NDK）在日本開發(fā)生產(chǎn)合成纖維工業(yè)規(guī)模的石英材料。晶體管發(fā)明于1948年，1953年來自1954年使用的第一個晶體管-有源晶振控制電壓在調(diào)頻晶體管石英振蕩器VCXO中。
1952年，華納（BellTelephonLab。）給出了尺寸和制造細(xì)節(jié)振動晶體具有高振動質(zhì)量和低老化的主要頻率標(biāo)準(zhǔn)。從這些數(shù)據(jù)來看，已知的石英2.5和5MHz5.Oberton長期堅持＃1@10-8/周一。出。高度穩(wěn)定的石英在真空全玻璃外殼中實現(xiàn)。1960年，合成原料現(xiàn)已有足夠的數(shù)量，成為天然石英材料勉強使用.1962對石英長期穩(wěn)定性的要求顯著增加，特別是在載頻技術(shù)的應(yīng)用中。
Allglasgehäusen為此目的實現(xiàn)了對需求增加的振蕩晶體。1968年，J.Staudte推出了微型時鐘晶體，它來自于制造半導(dǎo)體技術(shù)已知的晶圓光刻技術(shù).1970-1973年開始在AT部分大規(guī)模生產(chǎn)石英晶體一些標(biāo)準(zhǔn)頻率。最初用于彩色電視中的彩色副載波生成適用于頻率為4,4MHz，4,194MHz和4的頻率的手表3.9MHz。1976年將大容量石英的頻率范圍擴大到3.2MHZ到20MHZ：這些晶體的標(biāo)準(zhǔn)外殼現(xiàn)在是HC-18/Uin電阻焊設(shè)計。1985年大容量石英現(xiàn)在也在這種情況下HC-18/U高度低。
石英晶體的應(yīng)用范圍可以分為4組，合適生產(chǎn)特點分為：
1、一次性生產(chǎn)精密石英
2、小型系列，適用于有特殊要求的特殊應(yīng)用
3、大量用于特殊要求，例如汽車技術(shù)高沖擊需求或具有較小公差的應(yīng)用
4、大系列要求低，公差大，只需擺動，但價格低廉，例如用于數(shù)字系統(tǒng)的時鐘供應(yīng)。這些包括還有標(biāo)準(zhǔn)頻率的廉價完整石英振蕩器。在越來越多地使用完整的石英振蕩器。也可以在這里找到應(yīng)用領(lǐng)域建設(shè)的重大印記：
1)精密振蕩器，對長期和長期有最高要求短期穩(wěn)定性。
2)適用于特殊要求的小型系列。
3)大系列標(biāo)準(zhǔn)化頻率，可大批量使用。精度要求相對較低。所以經(jīng)常是石英水晶諧振器，這種經(jīng)典的電子汽車替代了其他組件被預(yù)測，答案是越來越多的擴展通過新的應(yīng)用程序的市場。所以石英技術(shù)仍然是一個適應(yīng)電子產(chǎn)品新創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。
讀完這篇文章，是不是發(fā)現(xiàn)似乎一切都冥冥中自有定義呢，都說懶人是科技發(fā)展的第一動力，那么好奇心和未知欲就是推動技術(shù)的助力，很多人看到貼片晶振會認(rèn)為不起眼，因為它的體積非常的小，卻有非常大的作用。經(jīng)過幾百年的發(fā)展成為產(chǎn)品內(nèi)部重要的核心部件，由原來的簡單晶體，演變成愈來愈多復(fù)雜的振蕩器，不斷適應(yīng)現(xiàn)今的產(chǎn)品。
歐洲人約1703年由荷蘭水手，從某個地方帶來的電氣石晶體，電氣石在炎熱放入灰燼，將灰燼顆粒放在一邊并將它們推向?qū)γ?。過了一段時間，這種敷料效果又轉(zhuǎn)回來了和排斥。水手稱這些電氣石晶體為錫蘭磁鐵。1747年Linneaeus賦予電氣石晶體學(xué)名為lapiselectricus。
在1756年，Aepinus描述了相反的電極性加熱電氣石晶體。他把這種效應(yīng)叫做熱電。貝克勒爾看著某些晶體具有電效應(yīng)。1877年，開爾文勛爵建立了熱電性與壓電性的相關(guān)性。事實證明到目前為止，電氣石上最大部分的熱電電荷通過彈性形成壓電表面電荷晶體的應(yīng)力是由溫度變化引起的。上基于開爾文勛爵的陳述，居里兄弟于1880年在該校發(fā)現(xiàn)研究結(jié)晶材料的機械變形產(chǎn)生比例電荷。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)提及。
1881年也是在居里兄弟的Lippmanns的推斷之后發(fā)現(xiàn)了反向壓電效應(yīng)。算了30多年了壓電效應(yīng)而不是科學(xué)的好奇心。1910年出版W.Voigt的基礎(chǔ)工作，書“水晶物理教科書”。1913年成功Meißner與剛開發(fā)的'驅(qū)動電極真空放大器管μ產(chǎn)生電振動。反饋是發(fā)明的。
1917年，Langewin（法國）接替水上超聲波用于追蹤目的生產(chǎn)。他使用了幾個平行連接的相同X形截面的排列受到DC脈沖影響的石英元素。頻率產(chǎn)生的聲波由石英元件的自諧振給出。從過境時間也收到了用石英晶體振蕩器反映出來的波可以計算反射物體的距離。在此背景下，Langewin首次描述了這一現(xiàn)象共振。1919年，卡迪使用石英振蕩器來穩(wěn)定頻率。
圖1.1卡迪的第一個振蕩器圖1.2卡迪的單管振蕩器
第一個石英支架，用于帶有頻率校正的大型發(fā)射器和用于均勻波發(fā)射器的精密石英帶有一個相位旋轉(zhuǎn)的變壓器，這里有兩個電極取代石英棒被取代：關(guān)于一個電極對，來自陽極電路的石英振蕩器刺激了自己的共振，從另一個電極對通過間接壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷相位旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格放大管再次送入。
1923年，Prof.G.W.Pierce（哈佛大學(xué)）發(fā)表了一個振蕩電路石英只有一對電極。貝爾電話實驗室在柏林找到石英實驗室，1924年，LeoOpta制造光晶體作為調(diào)諧指示器，它們位于充氣外殼中安裝時，在石英頻率上調(diào)節(jié)發(fā)射器，氣體放電點亮由于諧振時的電壓過沖（Q次）。無線電業(yè)余愛好者是石英穩(wěn)定發(fā)射器的首批用戶。該當(dāng)時常見的自振蕩發(fā)射器級的儲能電路同時進(jìn)行天線的去耦。由風(fēng)中天線的變化改變?nèi)萘亢蛡鬏旑l率。補救措施是石英穩(wěn)定。
圖1.3
1925年，vanDyke教授繪制了雙電極石英的等效電路圖，由動態(tài)串聯(lián)電路和并聯(lián)的靜態(tài)電路組成容量。
1926年在美國成為紐約WEAF的第一個商業(yè)廣播電臺石英穩(wěn)定的變送器操作。
1927年，到目前為止都是石英壓電體ÿ削減。美國最優(yōu)公司的T.Tillyear給出了這個切割方向用較小的溫度系數(shù)切割。
1928年成為很多地方的世界實驗室和適用于石英家具的生產(chǎn)設(shè)施。
1929年，C.LorenzAG獲得柏林恒溫器專利石英水晶振子的溫度控制。恒溫器已配備Y型切割石英。精度為0.1@10-6。要求對于GleichwellensenderStettin，馬格德堡柏林的運作頻率相同。Meißner和Bechmann在Telefunken調(diào)查了更長方形的波紋石英諧振器可避免溫度范圍內(nèi)的頻率跳變。
1933年，首次研究了低溫梯度的石英切片，Bechmann并且Straubel指定相應(yīng)的Y切割，其中Tk=0即Yh切割。
1934年，彼此獨立分別來自日本的古賀，Bechman和Straubel在德國和F.R.Lack，G.W.Willard和I.E.Fair貝爾實驗室。在美國，指示石英部分，0溫度系數(shù)為25/C.這些削減將是叫AT和BT切。切割的方向是根據(jù)種植區(qū)。之后，切割角度可能會偏振光1/6/完全實現(xiàn)。
1938年，PR-Hofman公司生產(chǎn)特種機器對于現(xiàn)在開始工業(yè)生產(chǎn)的石英晶體。由在戰(zhàn)爭期間，美國對石英的需求正在迅速增長。由于天然原料稀缺，很快就會出現(xiàn)采購問題。還有問題由于長期穩(wěn)定性不足，造成的不足石英晶體諧振器的表面質(zhì)量。此時在塑料外殼中安裝的慣例進(jìn)一步促進(jìn)了頻率的長期穩(wěn)定性，特別是由于滲透水分。在德國是防御技術(shù)。
圖1.4氣隙支架中的晶體，塑料或陶瓷外殼中的晶體
1940年在德國現(xiàn)在也在高頻石英（AT-section）引入金屬鍍激勵電極（Lorenz和Telefunken）。這些水晶仍在一個精心制作的三分坐在外圍石英盤通過焊接細(xì)線保持電連接產(chǎn)生的。盡管發(fā)生了戰(zhàn)爭事件，但發(fā)展和發(fā)展仍在繼續(xù)兩個陣營中的石英晶體技術(shù)幾乎同時發(fā)生。
1942年（洛倫茲）介紹了用X射線精確測量切割角度。有由此實現(xiàn)約1/50/的切割精度。自1943年以來，削減控制在美國使用大型X射線測角儀進(jìn)行。要求X射線測角儀的政府推廣人數(shù)較多為石英行業(yè)制造。
1941年至1945年在美國有3000萬石英晶體制成。雖然在美國長時間石英頻率較高在生產(chǎn)的氣隙支架FT243中，一個已經(jīng)在歐洲和日本進(jìn)行過大約1942年，金屬鍍石英諧振器，但仍然如在美國的塑料外殼或沒有密封安裝了具有所有缺點的陶瓷外殼。知名持有人在粘接技術(shù)之后，F(xiàn)T241和FT243首先被金屬外殼取代用導(dǎo)電環(huán)氧粘合劑可用于接觸。
圖1.5玻璃和金屬外殼
1952年，華納（BellTelephonLab。）給出了尺寸和制造細(xì)節(jié)振動晶體具有高振動質(zhì)量和低老化的主要頻率標(biāo)準(zhǔn)。從這些數(shù)據(jù)來看，已知的石英2.5和5MHz5.Oberton長期堅持＃1@10-8/周一。出。高度穩(wěn)定的石英在真空全玻璃外殼中實現(xiàn)。1960年，合成原料現(xiàn)已有足夠的數(shù)量，成為天然石英材料勉強使用.1962對石英長期穩(wěn)定性的要求顯著增加，特別是在載頻技術(shù)的應(yīng)用中。
Allglasgehäusen為此目的實現(xiàn)了對需求增加的振蕩晶體。1968年，J.Staudte推出了微型時鐘晶體，它來自于制造半導(dǎo)體技術(shù)已知的晶圓光刻技術(shù).1970-1973年開始在AT部分大規(guī)模生產(chǎn)石英晶體一些標(biāo)準(zhǔn)頻率。最初用于彩色電視中的彩色副載波生成適用于頻率為4,4MHz，4,194MHz和4的頻率的手表3.9MHz。1976年將大容量石英的頻率范圍擴大到3.2MHZ到20MHZ：這些晶體的標(biāo)準(zhǔn)外殼現(xiàn)在是HC-18/Uin電阻焊設(shè)計。1985年大容量石英現(xiàn)在也在這種情況下HC-18/U高度低。
石英晶體的應(yīng)用范圍可以分為4組，合適生產(chǎn)特點分為：
1、一次性生產(chǎn)精密石英
2、小型系列，適用于有特殊要求的特殊應(yīng)用
3、大量用于特殊要求，例如汽車技術(shù)高沖擊需求或具有較小公差的應(yīng)用
4、大系列要求低，公差大，只需擺動，但價格低廉，例如用于數(shù)字系統(tǒng)的時鐘供應(yīng)。這些包括還有標(biāo)準(zhǔn)頻率的廉價完整石英振蕩器。在越來越多地使用完整的石英振蕩器。也可以在這里找到應(yīng)用領(lǐng)域建設(shè)的重大印記：
1)精密振蕩器，對長期和長期有最高要求短期穩(wěn)定性。
2)適用于特殊要求的小型系列。
3)大系列標(biāo)準(zhǔn)化頻率，可大批量使用。精度要求相對較低。所以經(jīng)常是石英水晶諧振器，這種經(jīng)典的電子汽車替代了其他組件被預(yù)測，答案是越來越多的擴展通過新的應(yīng)用程序的市場。所以石英技術(shù)仍然是一個適應(yīng)電子產(chǎn)品新創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。
讀完這篇文章，是不是發(fā)現(xiàn)似乎一切都冥冥中自有定義呢，都說懶人是科技發(fā)展的第一動力，那么好奇心和未知欲就是推動技術(shù)的助力，很多人看到貼片晶振會認(rèn)為不起眼，因為它的體積非常的小，卻有非常大的作用。經(jīng)過幾百年的發(fā)展成為產(chǎn)品內(nèi)部重要的核心部件，由原來的簡單晶體，演變成愈來愈多復(fù)雜的振蕩器，不斷適應(yīng)現(xiàn)今的產(chǎn)品。
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