I. Predslov
Kryštálové oscilátory, ako komponenty na riadenie frekvencie jadra, sú široko používané v priemyselných zariadeniach, bezpečnostných monitorovacích systémoch, lekárskych prístrojoch, automobilovej elektronike, inteligentných domácich spotrebičoch a iných oblastiach. Z makro pohľadu je budovanie globálnej informačnej infraštruktúry vnútorne späté s vývojom kryštálových oscilátorov. Tento článok systematicky analyzuje technologický vývoj kryštálových oscilátorov-od objavu piezoelektrického efektu po nano{3}}balenie-a odhaľuje, ako poháňali ľudský technologický pokrok cez štyri priemyselné revolúcie.
II. História vývoja kryštálových oscilátorov
1. Obdobie technologického osvietenstva
V roku 1880 bratia Jacques a Pierre Curie zistili, že aplikovanie mechanického namáhania na doštičky z kremenného kryštálu generuje posun elektrického náboja, čím navrhli koncepciu piezoelektrický efekt.
Princíp piezoelektrického efektu: Keď sa na piezoelektrické materiály pôsobí tlakom, generuje sa rozdiel elektrického potenciálu (známy akopriamy piezoelektrický efekt). Naopak, privádzanie napätia spôsobuje mechanické namáhanie (naprinverzný piezoelektrický efekt). Ak tlak zahŕňa vysoko-vibrácie, generuje-elektrické prúdy s vysokou frekvenciou. Keď sa na piezoelektrickú keramiku aplikujú vysokofrekvenčné elektrické signály, vytvárajú -vysokofrekvenčné akustické signály (mechanické vibrácie), bežne známe ako ultrazvukové signály.
V roku 1918 Paul Langevin skúmal používanie kremenných kryštálových platní na vývoj skorých sonarových systémov na detekciu ponoriek. Zahŕňalo to integráciu viacerých funkcií sonaru pre komplexné spracovanie informácií a centralizované riadenie, aby sa splnili taktické požiadavky, vrátane hľadania smeru hluku, určovania vzdialenosti ozveny, detekcie impulzov sonaru, identifikácie cieľa a varovania pred torpédom. Langevin použil X-rezané kremenné platne na generovanie a detekciu podvodných zvukových vĺn.
V roku 1921 profesor WG Cady z Wesleyan University patentoval oscilátor z kremenného kryštálu. Jeho patent používal kremenné kryštálové rezonátory na riadenie frekvencie oscilátora a opísal kremenné tyče/dosky ako frekvenčné štandardy a filtre. Cady je teda široko uznávaný ako prvý, ktorý používa kremenné kryštály na riadenie frekvencie v obvodoch oscilátora.
V roku 1923 harvardský profesor GW Pierce vyvinul obvod kryštálového oscilátora, ktorý umiestnil kryštál medzi mriežku a anódu vákuového elektrónkového ventilu-, čo je predchodca konfigurácie Pierceovho oscilátora.
V roku 1925 Westinghouse Electric nainštaloval kryštálový oscilátor ako hlavný oscilátor pre svoju rozhlasovú stanicu KDKA.
Van Dyke vyvinul ekvivalentný model obvodu pre kremenné kryštálové rezonátory. Tento obvod má dve rezonančné frekvencie:sériová rezonančná frekvencia (fs)., kde rezonuje vetva Lg-Cg-Rg a paralelná rezonančná frekvencia (fp)., celková rezonancia obvodu. Keďže Cg < C0, tieto frekvencie sú veľmi blízko. Frekvenčná charakteristika reaktancie- ukazuje indukčné správanie medzi fs a fp a kapacitné správanie inde.
V roku 1926 boli objavené a použité Y-brúsené kryštály. Dovtedy sa používali iba X-brúsené kryštály kremeňa. Zatiaľ čo kryštály brúsené X- mali teplotný koeficient ~-20 ppm/stupeň, kryštály brúsené Y vykazovali ~+100 ppm/stupeň, čo naznačuje, že rôzne kryštály môžu poskytnúť rôzne teplotné koeficienty.
V roku 1927 vyvinul Warren Marrison z Bell Labs prvý štandard oscilátora s kremenným kryštálom.
V roku 1928 vytvoril Warren Marrison prvé kremenné krištáľové hodiny v Bell Telephone Laboratories. Quartzové hodiny nahradili presné kyvadlové hodiny ako najpresnejšie časomery na svete (až do atómových hodín).
Atómové hodinypoužívať na meranie času elektromagnetické vlny vyžarované počas absorpcie/uvoľňovania atómovej energie, čím sa dosahuje presnosť ~1 sekundová chyba za 20 miliónov rokov-v súčasnosti najpresnejší nástroj na meranie času na svete.
V roku 1934 sa objavili rezonátory z brúseného kremenného kryštálu AT- a BT-, ktoré nezávisle objavili Lack/Willard/Fair (USA), Koga (Japonsko) a Beckmann/Straubel (Nemecko).
2. Obdobie výskumu a vývoja: Hromadná výroba kryštálových oscilátorov
V roku 1950 boli vyvinuté atómové hodiny. Quartzové hodiny dosiahli maximálnu presnosť 1 sekundy počas 30 rokov (30 ms/rok). Bell Labs je priekopníkom hydrotermálneho procesu pre rast-kryštálov kremeňa v komerčnom rozsahu.
3. Vývojové obdobie: Sériová výroba a prechod z vojenského na civilné použitie
V roku 1968 vynašiel Juergen Staudte z North American Aviation proces fotolitografie na výrobu kremenných kryštálových oscilátorov, ktorý umožňuje miniaturizáciu prenosných produktov, ako sú hodinky.
V roku 1976 boli dostupné prvé SC-brúsené kryštály. Používa sa predovšetkým v peciach-riadených kryštálových oscilátoroch (OCXO) vďaka ich optimálnemu teplotnému koeficientu pri prevádzkových teplotách OCXO.
4. Obdobie rýchleho rozvoja: Diverzifikované aplikácie v elektronike
Od roku 1990 do súčasnosti sa kremenné oscilátory vyvinuli z DIP na menšie SMD puzdrá, pričom prešli z tradičných kovových puzdier na plastové/kovové/keramické zapuzdrenia. Požiadavky na presnosť a frekvenciu sa zvýšili, čo si vyžaduje jemnejšie výrobné procesy. Aplikácie sa rozšírili od špecializovaných použití na rôzne oblasti, ako je 5G, IoT, automobilová elektronika, inteligentná zdravotná starostlivosť a inteligentné zariadenia.
III. Zhrnutie
70+ roky od roku 1880 do roku 1956 znamenali základné obdobie kremenných oscilátorov, ktoré sa vyznačujú prevratnými vynálezmi a vplyvnými inovátormi. Pokrok v technológii kremeňa odráža postupný proces objavovania, porozumenia a dozrievania,-pokroky nemožno uponáhľať.