Ein Kristalloszillator ist ein elektronischer Oszillator-Stromkreis, der die mechanische Klangfülle von vibrierendem Kristall des piezoelektrischen Materials verwendet, um ein elektrisches Signal mit einer sehr genauen Frequenz zu schaffen. Diese Frequenz wird allgemein verwendet um (als in Quarzarmbanduhren) auf die Zeit zu achten, ein stabiles Uhr-Signal für einheitliche Digitalstromkreise zur Verfügung zu stellen, und Frequenzen für Radiosender und Empfänger zu stabilisieren. Der allgemeinste Typ des piezoelektrischen verwendeten Resonators ist der Quarzkristall, so sind um sie entworfene Oszillator-Stromkreise bekannt als "Kristalloszillatoren geworden."

Quarzkristalle werden für Frequenzen von einigen Zehnen des Kilohertz zu Zehnen des Megahertz verfertigt. Mehr als zwei Milliarden (2×10) Kristalle werden jährlich verfertigt. Die meisten werden für Verbrauchergeräte wie Armbanduhren, Uhren, Radios, Computer und Mobiltelefone verwendet. Quarzkristalle werden auch Innentest- und Maß-Ausrüstung, wie Schalter, Signalgeneratoren und Oszilloskope gefunden.

Geschichte

Piezoelectricity wurde von Jacques und Pierre Curie 1880 entdeckt. Paul Langevin hat zuerst Quarzresonatore für den Gebrauch im Echolot während des Ersten Weltkriegs untersucht. Der erste quarzgesteuerte Oszillator, mit einem Kristall von Salz von Rochelle, wurde 1917 gebaut und 1918 von Alexander M. Nicholson an Glockentelefonlaboratorien patentiert, obwohl sein Vorrang von Walter Guyton Cady diskutiert wurde. Cady hat den ersten Quarzkristalloszillator 1921 gebaut.

Andere frühe Neuerer in Quarzkristalloszillatoren schließen G. W. Pierce und Louis Essen ein.

Quarzkristalloszillatoren wurden für Frequenzverweisungen der hohen Stabilität während der 1920er Jahre und der 1930er Jahre entwickelt. Vor 1926 wurden Quarzkristalle verwendet, um die Frequenz von Radiorundfunksendern zu kontrollieren, und waren bei Amateurbordfunkern populär. 1928 hat Warren Marrison (Glockentelefonlaboratorien) die erste Quarzkristalluhr entwickelt. Diese Erfindung hat die Hemmung und das Pendel (als die Timing-Verweisung) ersetzt, sich stattdessen auf die natürlichen Vibrationen verlassend, die im Quarzkristall als der Oszillator vorkommen. Das hat Timing-Genauigkeiten zu 1 sec in 30 Jahren (oder 30 Millisekunden/Jahr) verbessert. Das Verwenden der frühen Arbeit an Glockenlaboratorien, AT&T hat schließlich ihre Frequenzkontrollproduktabteilung gegründet, die später davon gesponnen ist und heute als Vectron International bekannt ist.

Mehrere Unternehmen haben angefangen, Quarzkristalle für den elektronischen Gebrauch während dieser Zeit zu erzeugen. Das Verwenden, was jetzt als primitive Methoden, ungefähr 100,000 Kristalleinheiten betrachtet wird, wurde in den Vereinigten Staaten während 1939 erzeugt. Während des Zweiten Weltkriegs hat die Nachfrage nach der genauen Frequenzkontrolle von militärischen und Marineradios und Radaren schnelle Entwicklung der Quarzkristallfertigungsindustrie gespornt. Passende Typen von Quarz sind ein kritisches Kriegsmaterial geworden, und viel davon wurde schließlich durch Brasilien geliefert.

1968 hat Juergen Staudte einen Prozess für Produktionsquarzkristalloszillatoren erfunden, während er an der nordamerikanischen Luftfahrt (jetzt Rockwell) gearbeitet hat. Staudte hat seine Erfindung patentiert, die einen Photosteindruckprozess verwendet hat, der integrierten Stromkreisen des Weges ähnlich ist, werden gemacht. 1970 hat er nordamerikanische Luftfahrt verlassen, um seine eigene Gesellschaft, Statek, im Orange, Kalifornien anzufangen. Statek hat begonnen zu verfertigen und Marketing die Quarzoszillatoren 1971.

Obwohl Kristalloszillatoren noch meistens Quarzkristalle verwenden, werden Geräte mit anderen Materialien mehr wie keramische Resonatore üblich.

Operation

Ein Kristall ist ein Festkörper, in dem die konstituierenden Atome, Moleküle oder Ionen in einem regelmäßig bestellten, sich wiederholenden Muster gepackt sind, das sich in allen drei Raumdimensionen ausstreckt.

Fast jeder aus einem elastischen Material gemachte Gegenstand konnte wie ein Kristall mit passenden Wandlern verwendet werden, da alle Gegenstände natürliche Resonanzfrequenzen des Vibrierens haben. Zum Beispiel ist Stahl sehr elastisch und hat eine hohe Geschwindigkeit des Tons. Es wurde häufig in mechanischen Filtern vor Quarz verwendet. Die Resonanzfrequenz hängt von Größe, Gestalt, Elastizität und der Geschwindigkeit des Tons im Material ab. Hochfrequenzkristalle werden normalerweise in Form eines einfachen, rechteckigen Tellers geschnitten. Niederfrequente Kristalle, wie diejenigen, die in Digitaluhren verwendet sind, werden normalerweise in Form einer Stimmgabel geschnitten. Für Anwendungen, die nicht sehr genaues Timing brauchen, wird ein preisgünstiger keramischer Resonator häufig im Platz eines Quarzkristalls verwendet.

Wenn ein Kristall von Quarz richtig geschnitten und bestiegen wird, kann es gemacht werden, in einem elektrischen Feld durch die Verwendung einer Stromspannung auf eine Elektrode nahe oder auf dem Kristall zu verdrehen. Dieses Eigentum ist als piezoelectricity bekannt. Wenn das Feld entfernt wird, wird der Quarz ein elektrisches Feld erzeugen, als es zu seiner vorherigen Gestalt zurückkehrt, und das eine Stromspannung erzeugen kann. Das Ergebnis besteht darin, dass sich ein Quarzkristall wie ein Stromkreis benimmt, der aus einem Induktor, Kondensator und Widerstand mit einer genauen Resonanzfrequenz zusammengesetzt ist. (Sieh RLC Stromkreis.)

Quarz hat den weiteren Vorteil, dass seine elastischen Konstanten und seine Größe-Änderung auf solche Art und Weise, dass die Frequenzabhängigkeit von der Temperatur sehr niedrig sein kann. Die spezifischen Eigenschaften werden von der Weise des Vibrierens und des Winkels abhängen, in dem der Quarz (hinsichtlich seiner crystallographic Äxte) geschnitten wird. Deshalb wird sich die Resonanzfrequenz des Tellers, der von seiner Größe abhängt, viel auch nicht ändern. Das bedeutet, dass eine Quarzuhr, Filter oder Oszillator genau bleiben werden. Für kritische Anwendungen wird der Quarzoszillator in einem temperaturkontrollierten Behälter, genannt einen Kristallofen bestiegen, und kann auch auf Stoß-Absorbern bestiegen werden, um Unruhe durch mechanische Außenvibrationen zu verhindern.

Das Modellieren

Elektrisches Modell

Ein Quarzkristall kann als ein elektrisches Netz mit einem niedrigen Scheinwiderstand (Reihe) und einem hohen Scheinwiderstand (Parallele) Klangfülle-Punkt unter Drogeneinfluss nah zusammen modelliert werden. Mathematisch (Laplace verwendend, verwandeln sich), kann der Scheinwiderstand dieses Netzes als geschrieben werden:

oder,

wo s die komplizierte Frequenz ist, die Reihe-Resonanzfrequenz in radians pro Sekunde ist und die parallele Resonanzfrequenz in radians pro Sekunde ist.

Das Hinzufügen der zusätzlichen Kapazität über einen Kristall wird die parallele Klangfülle veranlassen, sich nach unten zu bewegen. Das kann verwendet werden, um die Frequenz anzupassen, an der ein Kristall schwingt. Kristallhersteller schneiden normalerweise und machen ihre Kristalle zurecht, um eine angegebene Klangfülle-Frequenz mit einer bekannten zum Kristall hinzugefügten 'Last'-Kapazität zu haben. Zum Beispiel hat ein für eine 6 PF-Last beabsichtigter Kristall seine angegebene parallele Klangfülle-Frequenz, wenn ein 6.0 pF Kondensator darüber gelegt wird. Ohne diese Kapazität ist die Klangfülle-Frequenz höher.

Klangfülle-Weisen

Ein Quarzkristall stellt sowohl Reihe als auch parallele Klangfülle zur Verfügung. Die Reihe-Klangfülle ist einige Kilohertz tiefer als das parallele. Kristalle unter 30 MHz werden allgemein zwischen der Reihe bedient und passen Klangfülle an, was bedeutet, dass der Kristall als eine induktive Reaktanz in der Operation erscheint. Jede zusätzliche Stromkreis-Kapazität wird so die Frequenz herunterziehen. Für einen parallelen Klangfülle-Kristall, um an seiner angegebenen Frequenz zu funktionieren, muss der elektronische Stromkreis eine Gesamtparallelkapazität, wie angegeben, durch den Kristallhersteller zur Verfügung stellen.

Kristalle über 30 MHz (bis zu> 200 MHz) werden allgemein an der Reihe-Klangfülle bedient, wo der Scheinwiderstand an seinem minimalen und gleichem dem Reihe-Widerstand erscheint. Für diese Kristalle wird der Reihe-Widerstand angegeben (

In einer echten Anwendung bedeutet das, dass eine Uhr das Verwenden eines regelmäßigen 32-Kilohertz-Stimmgabel-Kristalls gebaut hat, wird gute Zeit bei der Raumtemperatur behalten, 2 Minuten pro Jahr an um 10 Grad Celsius oben (oder unten) Raumtemperatur verlieren und 8 Minuten pro Jahr an um 20 Grad Celsius oben (oder unten) Raumtemperatur wegen des Quarzkristalls verlieren.

Elektrische Oszillatoren

Der Kristalloszillator-Stromkreis stützt Schwingung durch die Einnahme eines Stromspannungssignals vom Quarzresonator, die Verstärkung davon und die Fütterung davon zurück zum Resonator. Die Rate der Vergrößerung und Zusammenziehung des Quarzes ist die Resonanzfrequenz, und wird durch die Kürzung und Größe des Kristalls bestimmt. Wenn die Energie der erzeugten Produktionsfrequenzen die Verluste im Stromkreis vergleicht, kann eine Schwingung gestützt werden.

Ein Oszillator-Kristall hat zwei elektrisch leitende Teller, mit einer Scheibe oder Stimmgabel von zwischen ihnen eingeschobenem Quarzkristall. Während des Anlaufs wendet der Stromkreis um den Kristall ein AC zufälliges Geräuschsignal dazu, und rein zufällig an, ein winziger Bruchteil des Geräusches wird an der Resonanzfrequenz des Kristalls sein. Der Kristall wird deshalb anfangen, in der Gleichzeitigkeit mit diesem Signal zu schwingen. Da der Oszillator die Signale verstärkt, die aus dem Kristall kommen, werden die Signale im Frequenzband von Kristall stärker werden, schließlich die Produktion des Oszillators beherrschend. Das schmale Klangfülle-Band des Quarzkristalls filtert alle unerwünschten Frequenzen heraus.

Die Produktionsfrequenz eines Quarzoszillators kann entweder die grundsätzliche Klangfülle oder ein Vielfache der Klangfülle, genannt eine Oberton-Frequenz sein.

Hohe Frequenzkristalle werden häufig entworfen, um an den dritten, fünften oder siebenten Obertönen zu funktionieren. Hersteller haben Schwierigkeit, Kristalle erzeugend, die dünn genug sind, um grundsätzliche Frequenzen mehr als 30 MHz zu erzeugen. Um höhere Frequenzen zu erzeugen, machen Hersteller Oberton-Kristalle abgestimmt, um den 3., 5. oder 7. Oberton an der gewünschten Frequenz zu stellen, weil sie dicker und deshalb leichter sind zu verfertigen als ein grundsätzlicher Kristall, der dieselbe Frequenz erzeugen würde — obwohl das Bekommen der gewünschten Oberton-Frequenz einen ein bisschen mehr komplizierten Oszillator-Stromkreis verlangt.

Ein grundsätzlicher Kristalloszillator-Stromkreis ist einfacher und effizienter und hat mehr pullability als ein dritter Oberton-Stromkreis.

Abhängig vom Hersteller kann die höchste verfügbare grundsätzliche Frequenz 25 MHz bis 66 MHz sein.

Ein Hauptgrund für den breiten Gebrauch von Kristalloszillatoren ist ihr hoher Q Faktor. Ein typischer Q-Wert für einen Quarzoszillator erstreckt sich von 10 bis 10, im Vergleich zu vielleicht 10 für einen LC Oszillator. Das Maximum Q für einen hohen Stabilitätsquarzoszillator kann als Q = 1.6 &times geschätzt werden; 10/f, wo f die Klangfülle-Frequenz im Megahertz ist.

Einer der wichtigsten Charakterzüge von Quarzkristalloszillatoren ist, dass sie sehr niedriges Phase-Geräusch ausstellen können.

In vielen Oszillatoren wird jede geisterhafte Energie an der Resonanzfrequenz durch den Oszillator verstärkt, auf eine Sammlung von Tönen an verschiedenen Phasen hinauslaufend.

In einem Kristalloszillator vibriert der Kristall größtenteils in einer Achse, deshalb ist nur eine Phase dominierend.

Dieses Eigentum des niedrigen Phase-Geräusches macht sie besonders nützlich im Fernmeldewesen, wo stabile Signale, und in der wissenschaftlichen Ausrüstung erforderlich sind, wo sehr genaue Zeitverweisungen erforderlich sind.

Umweltänderungen von Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und Vibrieren können die Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls ändern, aber es gibt mehrere Designs, die diese Umwelteffekten reduzieren. Diese schließen den TCXO, MCXO und OCXO (definiert unten) ein. Diese Designs (besonders der OCXO) erzeugen häufig Geräte mit der ausgezeichneten Kurzzeitstabilität. Die Beschränkungen in der Kurzzeitstabilität sind hauptsächlich zum Geräusch von elektronischen Bestandteilen in den Oszillator-Stromkreisen erwartet. Langfristige Stabilität wird durch das Altern vom Kristall beschränkt.

Wegen des Alterns und der Umweltfaktoren (wie Temperatur und Vibrieren) ist es schwierig, sogar die besten Quarzoszillatoren innerhalb eines Teils in 10 ihrer Sollfrequenz ohne unveränderliche Anpassung zu behalten. Deshalb werden Atomoszillatoren für Anwendungen verwendet, die besser langfristige Stabilität und Genauigkeit verlangen.

Unechte Frequenzen

Für Kristalle, die an der Reihe-Klangfülle bedient sind oder von der Hauptweise durch die Einschließung eines Reihe-Induktors oder Kondensators weggezogen sind, bedeutend (und temperaturabhängig) können unechte Antworten erfahren werden. Obwohl die meisten unechten Weisen normalerweise einige Zehnen des Kilohertz über der gewollten Reihe-Klangfülle sind, wird ihr Temperaturkoeffizient von der Hauptweise verschieden sein, und die unechte Antwort kann sich durch die Hauptweise bei bestimmten Temperaturen bewegen. Selbst wenn die Reihe-Widerstände an der unechten Klangfülle höher scheinen als diejenige an der gewollten Frequenz, kann eine schnelle Änderung im Hauptweise-Reihe-Widerstand bei spezifischen Temperaturen vorkommen, wenn die zwei Frequenzen zusammenfallend sind.

Eine Folge von diesen, die Tätigkeit taucht, ist, dass sich der Oszillator an einer unechten Frequenz (bei spezifischen Temperaturen) schließen lassen kann. Das wird allgemein durch das Sicherstellen minimiert, dass der Aufrechterhalten-Stromkreis ungenügenden Gewinn hat, um unerwünschte Weisen zu aktivieren.

Unechte Frequenzen werden auch durch das Unterwerfen vom Kristall dem Vibrieren erzeugt das stimmt die Klangfülle-Frequenz zu einem kleinen Grad durch die Frequenz der Vibrationen ab. SC-Kürzungskristalle werden entworfen, um die Frequenzwirkung der steigenden Betonung zu minimieren, und sie sind deshalb zum Vibrieren weniger empfindlich. Beschleunigungseffekten einschließlich des Ernstes werden auch mit SC-Kürzungskristallen reduziert, wie Frequenzänderung mit der Zeit wegen der langen Sicht ist, die Betonungsschwankung besteigt.

Es gibt Nachteile mit der SC-Kürzung scheren Weise-Kristalle, das ist das Bedürfnis nach dem Aufrechterhalten-Oszillator, um gegen andere nah zusammenhängende unerwünschte Weisen zu unterscheiden, und vergrößerte Frequenz ändern sich wegen der Temperatur wenn Thema einer vollen umgebenden Reihe. SC schneiden Kristalle sind am vorteilhaftesten, wo die Temperaturkontrolle bei ihrer Temperatur des Nulltemperaturkoeffizienten (Umsatz) unter diesen Verhältnissen möglich ist, kann sich eine gesamte Stabilitätsleistung von erstklassigen Einheiten der Stabilität von Rubidium-Frequenzstandards nähern.

Allgemein verwendete Kristallfrequenzen

Kristalloszillator-Stromkreise werden häufig um relativ wenige Standardfrequenzen, wie 3.579545 MHz, 4.433619 MHz, 10 MHz, 14.318182 MHz, 17.734475 MHz, 20 MHz, 33.33 MHz und 40 MHz entworfen. Die Beliebtheit von 3.579545-MHz-Kristallen ist wegen niedriger Kosten, da sie für Farbenfernsehempfänger von NTSC verwendet werden. Mit Frequenzteilern haben Frequenzvermehrer und Phase Schleife-Stromkreise geschlossen, es ist praktisch, um eine breite Reihe von Frequenzen von einer Bezugsfrequenz abzuleiten. 14.318182 MHz (viermal 3.579545 MHz) werden in Computervideoanzeigen verwendet, um eine bitmapped Videoanzeige für NTSC-Farbenmonitore wie der mit ursprünglichem IBM PC verwendete BUCHPRÜFER zu erzeugen. (IBM PC hat 14.318182 MHz verwendet, die durch drei, als seine 4.77-MHz-Uhr-Quelle mit einem Kristall zu zwei Zwecken geteilt sind.) Werden die 4.433619-mHz- und 17.734475-MHz-Werte in der Farbenfernsehausrüstung des FREUNDS verwendet, und Geräte haben vorgehabt, FREUND-Signale zu erzeugen.

Kristalle können für die Schwingung über eine breite Reihe von Frequenzen, von einigem Kilohertz bis zu mehrere hundert Megahertz verfertigt werden. Viele Anwendungen verlangen nach einer mit einer anderen gewünschten Frequenz günstig verbundenen Kristalloszillator-Frequenz, so werden Hunderte von Standardkristallfrequenzen in großen Mengen gemacht und von Elektronik-Verteilern versehen.

Kristallstrukturen und Materialien

Das allgemeinste Material für Oszillator-Kristalle ist Quarz. Am Anfang der Technologie wurden natürliche Quarzkristalle verwendet; jetzt ist synthetischer kristallener durch die Hydrothermalsynthese angebauter Quarz wegen der höheren Reinheit, tiefer Kosten, und des günstigeren Berührens vorherrschend. Einer des wenigen restlichen Gebrauches von natürlichen Kristallen ist für Druck-Wandler in tiefen Bohrlöchern. Während des Zweiten Weltkriegs und für einige Zeit später wurde natürlicher Quarz als ein strategisches Material durch die USA betrachtet. Große Kristalle wurden von Brasilien importiert. Rohstoff "lascas", der Quellmaterial-Quarz für die Hydrothermalsynthese, wird in die USA importiert oder lokal durch Quarz von Coleman abgebaut. Der durchschnittliche Wert als - angebauter synthetischer Quarz 1994 war USD60/kg.

Zwei Typen von Quarzkristallen bestehen: Linkshändig und rechtshändig, sich in der optischen Folge, aber identisch in anderen physikalischen Eigenschaften unterscheidend. Beide linken und rechtshändigen Kristalle können für Oszillatoren verwendet werden, wenn der Kürzungswinkel richtig ist. In der Fertigung wird rechtshändiger Quarz allgemein verwendet. Die Tetraeder von SiO bilden parallele Spiralen; die Richtung der Drehung der Spirale bestimmt die nach links oder rechte Orientierung. Die Spiralen werden entlang der Z-Achse ausgerichtet und zusammen verschmolzen, Atome teilend. Die Masse der Spiralen bildet ein Ineinandergreifen der kleinen und großen Kanalparallele zur Z-Achse; die großen sind groß genug, um etwas Beweglichkeit von kleineren Ionen und Molekülen durch den Kristall zu erlauben.

Quarz besteht in mehreren Phasen. An 573 °C an 1 Atmosphäre (und bei höheren Temperaturen und höherem Druck) erlebt der α-quartz Quarzinversion, verwandelt sich umkehrbar zu β-quartz. Der Rückprozess ist jedoch nicht völlig homogen, und Kristall kommt twinning vor. Sorge muss während der Fertigung genommen werden und in einer Prozession gehend, um die Phasenumwandlung zu vermeiden. Andere Phasen, z.B die Hoch-Temperaturphasen tridymite und cristobalite, sind für Oszillatoren nicht bedeutend. Alle Quarzoszillator-Kristalle sind der α-quartz Typ.

Infraroter spectrophotometry wird als eine der Methoden verwendet, für die Qualität von angebauten Kristallen zu messen. Die wavenumbers 3585, 3500, und 3410 Cm werden allgemein verwendet. Der gemessene Wert basiert auf den Absorptionsbändern OH radikal, und der InfrarotQ-Wert wird berechnet. Die elektronischen Rang-Kristalle, Rang C, haben Q 1.8 Millionen oder oben; der erstklassige Rang B Kristalle hat Q 2.2 Millionen, und spezieller erstklassiger Rang Kristalle haben Q 3.0 Millionen. Der Q-Wert wird nur für das z Gebiet berechnet; Kristalle, die andere Gebiete enthalten, können nachteilig betroffen werden. Ein anderer Qualitätshinweis ist die ätzen Kanaldichte; wenn der Kristall geätzt wird, werden röhrenförmige Kanäle entlang geradlinigen Defekten geschaffen. Um das Beteiligen-Ätzen, z.B die Armbanduhr-Stimmgabel-Kristalle zu bearbeiten, ätzen niedrig Kanaldichte ist wünschenswert. Die ätzen Kanaldichte für gekehrten Quarz ist ungefähr 10-100 und bedeutsam mehr für ungekehrten Quarz. Anwesenheit dessen ätzt Kanäle, und Ätzgruben erniedrigt den Q des Resonators und führt Nichtlinearitäten ein.

Quarzkristalle können zu spezifischen Zwecken angebaut werden.

Kristalle für den an der KÜRZUNG sind in der Massenproduktion von Oszillator-Materialien am üblichsten; die Gestalt und Dimensionen werden für den hohen Ertrag der erforderlichen Oblaten optimiert. Quarzkristalle der hohen Reinheit werden mit dem besonders niedrigen Inhalt von Aluminium, alkalischem Metall und anderen Unreinheiten und minimalen Defekten angebaut; der niedrige Betrag von alkalischen Metallen stellt vergrößerten Widerstand gegen die ionisierende Strahlung zur Verfügung. Kristalle für Armbanduhren, für die Stimmgabel-32768-Hz-Kristalle zu schneiden, werden mit dem sehr niedrigen angebaut ätzen Kanaldichte.

Kristalle dafür haben GESEHEN, dass Geräte angebaut werden, weil Wohnung, mit dem großen X-Größe-Samen mit dem niedrigen Kanaldichte ätzen.

Spezielle hohe-Q Kristalle, für den Gebrauch in hoch stabilen Oszillatoren, werden mit der unveränderlichen langsamen Geschwindigkeit angebaut und haben unveränderliche niedrige Infrarotabsorption entlang der kompletten Z Achse. Kristalle können als Y-Bar mit einem Impfkristall in der Bar-Gestalt angebaut und entlang der Y Achse, oder als Z-Teller verlängert werden, der von einem Teller-Samen mit der Y-Achse-Richtungslänge und X-Achse-Breite angebaut ist. Das Gebiet um den Impfkristall enthält eine Vielzahl von Kristalldefekten und sollte für die Oblaten nicht verwendet werden.

Kristalle bauen anisotropically an; das Wachstum entlang der Z Achse ist bis zu 3mal schneller als entlang der X Achse. Die Wachstumsrichtung und Rate beeinflussen auch die Rate des Auffassungsvermögens von Unreinheiten. Y-Bar-Kristalle oder Z-Teller-Kristalle mit der langen Y Achse, haben vier Wachstumsgebiete gewöhnlich hat +X,-X, Z, und S genannt. Der Vertrieb von Unreinheiten während des Wachstums ist uneben; verschiedene Wachstumsgebiete enthalten verschiedenes Niveau von Verseuchungsstoffen. Die z Gebiete sind am reinsten, die kleinen präsentieren gelegentlich s Gebiete sind weniger rein, das +x Gebiet ist noch weniger rein, und das-x Gebiet hat das höchste Niveau von Unreinheiten. Die Unreinheiten haben negativen Einfluss auf Strahlenhärte, Empfänglichkeit für twinning, Filterverlust und langfristige und kurzfristige Stabilität der Kristalle. Samen der verschiedenen Kürzung in verschiedenen Orientierungen können andere Arten von Wachstumsgebieten zur Verfügung stellen. Die Wachstumsgeschwindigkeit der-x Richtung ist wegen der Wirkung der Adsorption von Wassermolekülen auf der Kristalloberfläche am langsamsten; Aluminiumunreinheiten unterdrücken Wachstum in zwei anderen Richtungen. Der Inhalt von Aluminium ist im z Gebiet, höher in +x, noch höher in-x, und im höchsten Maße in s am niedrigsten; die Größe von s Gebieten wächst auch mit dem vergrößerten Betrag der Aluminiumgegenwart. Der Inhalt von Wasserstoff ist im z Gebiet, höher im +x Gebiet, noch höher im s Gebiet, und im höchsten Maße in-x am niedrigsten. Aluminiumeinschließungen verwandeln sich, um Zentren mit einem Gammastrahl-Ausstrahlen zu färben, Verdunklung des Kristalls verursachend, der zur Dosis und dem Niveau von Unreinheiten proportional ist; die Anwesenheit von Gebieten mit der verschiedenen Dunkelheit offenbart die verschiedenen Wachstumsgebiete.

Der dominierende Typ des Defekts der Sorge in Quarzkristallen ist der Ersatz von Al (III) für das Atom von Si (IV) im Kristallgitter. Das Aluminiumion hat eine verbundene zwischenräumliche Anklage-Kompensator-Gegenwart in der Nähe, die ein H Ion (beigefügt dem nahe gelegenen Sauerstoff und Formen einer hydroxyl Gruppe, genannt Al-OH Defekt), Ion von Li, Ion von Na, K Ion (weniger üblich), oder ein Elektronloch sein kann, das in einem nahe gelegenen Augenhöhlen-Sauerstoff-Atom gefangen ist. Die Zusammensetzung der Wachstumslösung, ob es auf alkalischen Lithium- oder Natriumszusammensetzungen basiert, bestimmt die Anklage-Ausgleichen-Ionen für die Aluminiumdefekte. Die Ion-Unreinheiten sind von Bedeutung, weil sie nicht fest gebunden werden und durch den Kristall abwandern können, die lokale Gitter-Elastizität und die Resonanzfrequenz des Kristalls verändernd. Andere allgemeine Unreinheiten der Sorge sind z.B. Eisen-(III) (zwischenräumlich), Fluor, Bor (III), Phosphor (V) (Ersatz), Titan (IV) (Ersatz, allgemein Gegenwart in magmatic Quarz, der in Hydrothermalquarz weniger üblich ist), und Germanium (IV) (Ersatz). Natrium und Eisenionen können Einschließungen von acnite und elemeusite Kristallen verursachen. Einschließungen von Wasser können in schnell angebauten Kristallen da sein; zwischenräumliche Wassermoleküle sind in der Nähe vom Kristallsamen reichlich. Ein anderer wichtiger Defekt ist der Wasserstoff, der Wachstumsdefekt enthält, wenn statt einer Struktur von Si-O-Si ein Paar von HO-Si-Gruppen des Si oh gebildet wird; im Wesentlichen ein hydrolyzed Band. Schnell angebaute Kristalle enthalten mehr Wasserstoffdefekte als langsam - angebaute. Diese Wachstumsdefekte Quelle als Versorgung von Wasserstoffionen für strahlenveranlasste Prozesse und Al-OH Defekte bildend. Germanium-Unreinheiten neigen dazu, während des Ausstrahlens geschaffene Elektronen zu fangen; das alkalische Metall cations wandert dann zum negativ beladenen Zentrum ab und bildet einen Stabilisierungskomplex. Matrixdefekte können auch da sein; Sauerstoff-Vakanzen, Silikonvakanzen (gewöhnlich ersetzt durch 4 hydrogens oder 3 hydrogens und ein Loch), peroxy Gruppen, usw. Einige der Defekte erzeugen lokalisierte Niveaus im verbotenen Band, als Anklage-Fallen dienend; Al (III) und B (III) dienen normalerweise als Loch-Fallen, während Elektronvakanzen, Titan, Germanium und Phosphor-Atome als Elektronfallen dienen. Die gefangenen Anklage-Transportunternehmen können befreit werden, indem sie heizen; ihre Wiederkombination ist die Ursache der Thermolumineszenz.

Die Beweglichkeit von zwischenräumlichen Ionen hängt stark von der Temperatur ab. Wasserstoffionen sind unten zu 10 K beweglich, aber alkalische Metallionen werden beweglich nur bei Temperaturen ringsherum und über 200 K.

Die hydroxyl Defekte können durch die Nah-Infrarotspektroskopie gemessen werden. Die gefangenen Löcher können durch die Elektrondrehungsklangfülle gemessen werden. Die Defekte von Al-Na zeigen sich als eine akustische Verlust-Spitze wegen ihrer Betonungsveranlassten Bewegung; die Defekte von Al-Li formen sich nicht ein Potenzial sind gut so dieser Weg nicht feststellbar. Einige von veranlassten Defekten der Radiation während ihres Thermalausglühens erzeugen Thermolumineszenz; Defekte, die mit Aluminium, Titan und Germanium verbunden sind, können bemerkenswert sein.

Gekehrte Kristalle sind Kristalle, die einen electrodiffusion Halbleiterreinigungsprozess erlebt haben. Das Fegen ist mit Heizung vom Kristall über 500 °C in einer wasserstofffreien Atmosphäre und dem Stromspannungsanstieg von mindestens 1 Kilovolt/Cm, für mehrere (gewöhnlich mehr als 12) Stunden verbunden. Die Wanderung von Unreinheiten und der allmähliche Ersatz von alkalischen Metallionen mit Wasserstoff (wenn gekehrt, in Luft) oder Elektronlöcher (wenn gekehrt, im Vakuum) verursachen einen schwachen elektrischen Strom durch den Kristall; der Zerfall dieses Stroms zu einem unveränderlichen Wert gibt Ende des Prozesses Zeichen. Der Kristall wird dann verlassen kühl zu werden, während das elektrische Feld aufrechterhalten wird. Die Unreinheiten werden am Kathode-Gebiet des Kristalls konzentriert, der später abgeschnitten und verworfen wird. Gekehrte Kristalle haben Widerstand gegen die Radiation vergrößert, weil die Dosis-Effekten auf dem Niveau von alkalischen Metallunreinheiten abhängig sind; sie sind für den Gebrauch in Geräten passend, die zur ionisierenden Strahlung z.B für die Kern- und Raumtechnologie ausgestellt sind. Das Fegen unter dem Vakuum bei höheren Temperaturen und höheren Feldkräften gibt noch strahlenhärtere Kristalle nach. Das Niveau und der Charakter von Unreinheiten können durch die Infrarotspektroskopie gemessen werden. Quarz kann sowohl in α als auch in β Phase gekehrt werden; das Fegen in der β Phase ist schneller, aber der Phase-Übergang kann twinning veranlassen. Twinning kann durch das Unterwerfen vom Kristall Kompressionsbetonung in der X Richtung, oder einem AC oder Gleichstrom elektrisches Feld entlang der X Achse gelindert werden, während der Kristall durch das Phasenumwandlungstemperaturgebiet kühl wird.

Das Fegen kann auch verwendet werden, um eine Art einer Unreinheit in den Kristall einzuführen. Lithium, Natrium und Wasserstoff haben gekehrt Kristalle werden verwendet, um z.B Quarzverhalten zu studieren.

Sehr kleine Kristalle für hohe grundsätzliche Weise-Frequenzen können durch die Fotolithographie verfertigt werden.

Kristalle können der genauen Frequenz durch das Laserzurichten angepasst werden. Eine Technik, die in der Welt des Amateurradios für die geringe Abnahme der Kristallfrequenz verwendet ist, kann durch das Herausstellen von Kristallen mit Silberelektroden zu Dämpfen des Jods erreicht werden, das eine geringe Massenzunahme auf der Oberfläche durch das Formen einer dünnen Schicht von Silber iodide verursacht; solche Kristalle hatten jedoch problematische langfristige Stabilität.

Eine andere allgemein verwendete Methode ist elektrochemische Zunahme oder Abnahme der Silberelektrode-Dicke durch das Versenken des Resonators im Lasurstein, der in Wasser, Zitronensäure in Wasser oder Wasser mit Salz, und das Verwenden des Resonators als eine Elektrode und kleine Silberelektrode als ein anderer gelöst ist.

man Richtung des Stroms wählt, kann man entweder zunehmen, oder Masse von Elektroden vermindern.

Details wurden in der Zeitschrift (3/1978) "Radio" von UB5LEV veröffentlicht.

Gegen die Aufhebung der Frequenz durch das Kratzen von Teilen der Elektroden wird empfohlen, weil das den Kristall beschädigen und seinen Q Faktor senken kann. Kondensatoraufarbeiter können auch für die Frequenzanpassung des Oszillator-Stromkreises verwendet werden.

Einige andere piezoelektrische Materialien als Quarz können verwendet werden; z.B Monokristalle von Lithium tantalate, Lithium niobate, Lithium borate, berlinite, Gallium arsenide, Lithium tetraborate, Aluminiumphosphat, Wismut-Germanium-Oxyd, polykristallenes Zirkonium titanate Keramik, Keramik der hohen Tonerde, Silikonzink-Oxydzusammensetzung oder dipotassium tartrate; einige Materialien können für spezifische Anwendungen passender sein. Ein Oszillator-Kristall kann auch durch das Niederlegen des Resonator-Materials auf der Siliziumchip-Oberfläche verfertigt werden. Kristalle von Gallium-Phosphat, langasite, langanite und langanate sind ungefähr 10mal mehr pullable als die entsprechenden Quarzkristalle, und werden in einigen VCXO Oszillatoren verwendet.

Stabilität und Altern

Die Frequenzstabilität wird durch den Q von Kristall bestimmt. Es ist von der Frequenz, und von der Konstante umgekehrt abhängig, die von der besonderen Kürzung abhängig ist. Andere Faktoren, die Q beeinflussen, sind der Oberton verwendet, die Temperatur, das Niveau des Fahrens des Kristalls, der Qualität des Oberflächenschlusses, die mechanischen dem Kristall auferlegten Betonungen durch das Abbinden und das Steigen, der Geometrie des Kristalls und der beigefügten Elektroden, der materiellen Reinheit und Defekte im Kristall, Typ und Druck des Benzins in der Einschließung, das Einmischen von Weisen, und Anwesenheit und absorbierter Dosis des Ionisierens und der Neutronradiation.

Temperatur beeinflusst die Betriebsfrequenz; verschiedene Formen der Entschädigung, werden von der analogen Entschädigung (TCXO) und Mikrokontrolleur-Entschädigung (MCXO) zur Stabilisierung der Temperatur mit einem Kristallofen (OCXO) verwendet. Die Kristalle besitzen magnetische Temperaturträgheit; die Frequenz bei einer gegebenen erreichten Temperatur durch die Erhöhung der Temperatur ist der Frequenz auf derselben erreichten Temperatur durch das Verringern der Temperatur nicht gleich. Die Temperaturempfindlichkeit hängt in erster Linie von der Kürzung ab; die Temperatur hat ersetzt Kürzungen werden gewählt, um Abhängigkeit der Frequenz/Temperatur zu minimieren. Spezielle Kürzungen können mit geradlinige Temperatureigenschaften gemacht werden; die LC-Kürzung wird in Quarzthermometern verwendet. Andere Beeinflussen-Faktoren sind der Oberton verwendet, das Steigen und die Elektroden, die Unreinheiten in der kristallenen, mechanischen Beanspruchung, Kristallgeometrie, Rate der Temperaturänderung, Thermalgeschichte (wegen der magnetischen Trägheit), ionisierende Strahlung und Laufwerk-Niveau.

Kristalle neigen dazu, Anomalien in ihren Eigenschaften der Frequenz/Temperatur und Widerstands/Temperatur zu ertragen, die als kurze Tätigkeitsbäder bekannt sind. Das ist nach unten (in der Frequenz) oder aufwärts (im Widerstand) Ausflüge klein, die bei bestimmten Temperaturen mit ihrem Temperaturpositionsabhängigen auf dem Wert der Lastkondensatoren lokalisiert sind.

Mechanische Betonungen beeinflussen auch die Frequenz. Die Betonungen können durch das Steigen veranlasst werden, und Anwendung der Elektroden, durch die Differenzialthermalvergrößerung des Steigens, der Elektroden und des Kristalls selbst durch Differenzialthermalbetonungen verpfändend, wenn es eine Temperaturanstieg-Gegenwart, durch die Vergrößerung oder das Zusammenschrumpfen der Abbinden-Materialien während des Kurierens durch den Luftdruck gibt, der dem umgebenden Druck innerhalb der Kristalleinschließung, durch die Betonungen des Kristallgitters selbst (ungleichförmiges Wachstum, Unreinheiten, Verlagerungen), durch die Oberflächenschönheitsfehler und den Schaden übertragen wird, der während der Fertigung, und durch die Handlung des Ernstes auf der Masse des Kristalls verursacht ist; die Frequenz kann deshalb unter Einfluss der Position des Kristalls sein. Andere dynamische Betonungsverursachen-Faktoren sind Stöße, Vibrationen und akustisches Geräusch. Einige Kürzungen sind zu Betonungen weniger empfindlich; der SC (hat Betonung Ersetzt), Kürzung ist ein Beispiel. Atmosphärische Druck-Änderungen können auch Deformierungen in die Unterkunft einführen, die Frequenz durch das Ändern der Streukapazität beeinflussend.

Atmosphärische Feuchtigkeit beeinflusst die Thermalübertragungseigenschaften von Luft, und kann elektrische Eigenschaften von Plastik durch die Verbreitung von Wassermolekülen in ihre Struktur ändern, die dielektrischen Konstanten und das elektrische Leitvermögen verändernd.

Andere Faktoren, die die Frequenz beeinflussen, sind die Macht-Versorgungsstromspannung, der Lastscheinwiderstand, die magnetischen Felder, die elektrischen Felder (im Falle Kürzungen, die zu ihnen z.B empfindlich sind. SC), die Anwesenheit und absorbierte Dosis von γ-particles und ionisierender Strahlung und dem Alter des Kristalls.

Kristalle erleben langsame allmähliche Änderung der Frequenz mit der Zeit, die als Altern bekannt ist. Es gibt viele beteiligte Mechanismen. Das Steigen und die Kontakte können Erleichterung der eingebauten Betonungen erleben. Moleküle der Verunreinigung entweder von der restlichen Atmosphäre, outgassed vom Kristall, den Elektroden oder von den Verpackungsmaterialien, oder eingeführt während des Siegelns der Unterkunft können auf der Kristalloberfläche adsorbiert werden, seine Masse ändernd; diese Wirkung wird in Quarzkristallmikrogleichgewichten ausgenutzt. Die Zusammensetzung des Kristalls kann durch outgassing, Verbreitung von Atomen von Unreinheiten allmählich verändert werden oder von den Elektroden abwandernd, oder das Gitter kann durch die Radiation beschädigt werden. Verlangsamen Sie sich chemische Reaktionen können auf oder im Kristall, oder auf den inneren Oberflächen der Einschließung vorkommen. Elektrode-Material, z.B Chrom oder Aluminium, kann mit dem Kristall reagieren, Schichten von Metalloxyd und Silikon schaffend; diese Schnittstelle-Schichten können Änderungen rechtzeitig erleben. Der Druck in der Einschließung kann sich wegen des Veränderns atmosphärischen Drucks, Temperatur, Leckstellen oder outgassing der Materialien innen ändern. Faktoren außerhalb des Kristalls selbst werden z.B des Oszillator-Schaltsystemes (und z.B Änderung der Kapazität), und Antrieb von Rahmen des Kristallofens alt. Außenatmosphäre-Zusammensetzung kann auch das Altern beeinflussen; Wasserstoff kann sich durch die Nickel-Unterkunft verbreiten. Helium kann ähnliche Probleme verursachen, wenn es sich durch Glaseinschließungen von Rubidium-Standards verbreitet.

Gold ist ein begünstigtes Elektrode-Material für niedrig Altersresonatore; sein Festkleben an Quarz ist stark genug, um Kontakt sogar an starken mechanischen Stößen, aber schwach genug aufrechtzuerhalten, um bedeutende Beanspruchungsanstiege (verschieden von Chrom, Aluminium und Nickel) nicht zu unterstützen. Gold bildet auch Oxyde nicht; es adsorbiert organische Verseuchungsstoffe von der Luft, aber diese sind leicht umzuziehen. Jedoch kann Gold allein delamination erleben; eine Schicht von Chrom wird deshalb manchmal für die verbesserte verbindliche Kraft verwendet. Silber und Aluminium werden häufig als Elektroden verwendet; jedoch beide Form-Oxydschichten mit der Zeit, die die Kristallmasse vergrößert und Frequenz senkt. Silber kann passivated durch die Ausstellung zu Jod-Dämpfen sein, eine Schicht von Silber iodide bildend. Aluminium oxidiert sogleich, aber langsam bis ungefähr 5 nm Dicke erreicht wird; die vergrößerte Temperatur während des künstlichen Alterns vergrößert die Oxydformen-Geschwindigkeit nicht bedeutsam; eine dicke Oxydschicht kann während der Fertigung durch das Eloxieren gebildet werden. Die Ausstellung von versilbertem Kristall zu Jod-Dämpfen kann auch in Amateurbedingungen verwendet werden, für die Kristallfrequenz ein bisschen zu senken; die Frequenz kann auch durch das Kratzen von Teilen der Elektroden vergrößert werden, aber das trägt Gefahr des Schadens am Kristall und Verlust von Q.

Eine Gleichstrom-Stromspannungsneigung zwischen den Elektroden kann das anfängliche Altern wahrscheinlich durch die veranlasste Verbreitung von Unreinheiten durch den Kristall beschleunigen. Wenn er einen Kondensator der Reihe nach mit dem Kristall und mehrer-megohm legt, kann der Widerstand in der Parallele solche Stromspannungen minimieren.

Kristalle leiden unter geringen Kurzzeitfrequenzschwankungen ebenso. Die Hauptursachen solchen Geräusches sind z.B Thermalgeräusch (der den Geräuschpegel beschränkt), phonon, sich (unter Einfluss Gitter-Defekte), adsorption/desorption Moleküle auf der Oberfläche des Kristalls, dem Geräusch der Oszillator-Stromkreise, mechanischen Stöße und Vibrationen, Beschleunigung und Orientierungsänderungen, Temperaturschwankungen und Erleichterung von mechanischen Betonungen zerstreuend. Die Kurzzeitstabilität wird durch vier Hauptrahmen gemessen: Abweichung von Allan (hat der allgemeinste in Oszillator-Datenplatten angegeben), Phase-Geräusch, geisterhafte Dichte von Phase-Abweichungen und geisterhafte Dichte von Bruchfrequenzabweichungen. Die Effekten der Beschleunigung und des Vibrierens neigen dazu, die anderen Geräuschquellen zu beherrschen; erscheinen Sie akustische Welle-Geräte neigen dazu, empfindlicher zu sein, als des Hauptteils akustischen Welle (BAW), und die Betonungsersetzten Kürzungen sind noch weniger empfindlich. Die Verhältnisorientierung des Beschleunigungsvektoren zum Kristall beeinflusst drastisch die Vibrieren-Empfindlichkeit von Kristall. Mechanische Vibrieren-Isolierung mountings kann für Kristalle der hohen Stabilität verwendet werden.

Kristalle sind zu Stoß empfindlich. Die mechanische Betonung verursacht Kurzarbeit-Änderung in der Oszillator-Frequenz wegen der Betonungsempfindlichkeit des Kristalls, und kann eine dauerhafte Änderung der Frequenz wegen Stoß-veranlasster Änderungen des Steigens und der inneren Betonungen einführen (wenn die elastischen Grenzen der mechanischen Teile überschritten werden), desorption der Verunreinigung von den Kristalloberflächen oder Änderung in Rahmen des Oszillator-Stromkreises. Hohe Umfänge von Stößen können die Kristalle von ihrem mountings (besonders der Fall von großen niederfrequenten Kristallen reißen, die auf dünnen Leitungen aufgehoben sind), oder das Ursache-Knacken des Kristalls. Kristalle frei von Oberflächenschönheitsfehlern sind hoch gegen den Stoß widerstandsfähig; das chemische Polieren kann Kristalle erzeugen, die fähig sind, Zehntausende g zu überleben.

Phase-Geräusch spielt bedeutende Rolle in Frequenzsynthese-Systemen mit der Frequenzmultiplikation; eine Multiplikation einer Frequenz durch N vergrößert die Phase-Geräuschmacht durch N. Eine Frequenzmultiplikation vor 10mal multipliziert den Umfang des Phase-Fehlers vor 10mal. Das kann für Systeme unglückselig sein, die z.B verwenden. PLL oder FSK Technologien.

Kristalle sind zum Strahlungsschaden etwas empfindlich. Natürlicher Quarz ist viel empfindlicher als künstlich angebaute Kristalle, und Empfindlichkeit kann weiter durch das Fegen vom Kristall - Heizung vom Kristall zu mindestens 400 °C in der wasserstofffreien Atmosphäre im elektrischen Feld von mindestens 500 V/cm seit mindestens 12 Stunden reduziert werden. Solche gekehrten Kristalle haben sehr niedrige Antwort, um ionisierende Strahlung zu festigen. Einige Atome von Si (IV) werden durch Unreinheiten von Al (III), jeder ersetzt, einen ersetzenden Li oder Na cation in der Nähe habend. Ionisation erzeugt Elektronloch-Paare; die Löcher werden im Gitter in der Nähe vom Atom von Al gefangen, die resultierenden Atome von Li und Na werden entlang der Z Achse lose gefangen; die Änderung des Gitters in der Nähe vom Atom von Al und der entsprechenden elastischen Konstante verursacht dann eine entsprechende Änderung in der Frequenz. Das Fegen entfernt die Ionen von Li und Na vom Gitter, diese Wirkung reduzierend. Die Seite von Al kann auch Wasserstoffatome fangen. Alle Kristalle haben vergängliche negative Frequenzverschiebung nach der Ausstellung zu einem Röntgenstrahl-Puls; die Frequenz bewegt sich dann allmählich zurück; natürlicher Quarz erreicht stabile Frequenz, nachdem 10-1000 Sekunden, mit dem negativen Ausgleich zur Vorausstrahlen-Frequenz, künstliche Kristalle zur Frequenz ein bisschen tiefer oder höher zurückkehren als Vorausstrahlen, glühen gekehrte Kristalle eigentlich zurück zur ursprünglichen Frequenz aus. Das Ausglühen ist bei höheren Temperaturen schneller. Das Fegen unter dem Vakuum bei höheren Temperaturen und Feldkraft kann weiter die Antwort von Kristall auf Röntgenstrahl-Pulse reduzieren. Der Reihe-Widerstand von ungekehrten Kristallzunahmen nach einer Röntgenstrahl-Dosis, und glüht zurück zu einem etwas höheren Wert für einen natürlichen Quarz (das Verlangen einer entsprechenden Gewinn-Reserve im Stromkreis) und zurück zum Vorausstrahlen-Wert für synthetische Kristalle aus. Der Reihe-Widerstand von gekehrten Kristallen ist ungekünstelt. Die Zunahme des Reihe-Widerstands erniedrigt Q; zu hohe Zunahme kann die Schwingungen aufhören. Neutronradiation veranlasst Frequenzänderungen durch das Einführen von Verlagerungen ins Gitter durch das Herausschlagen von Atomen, ein einzelnes schnelles Neutron kann viele Defekte erzeugen; der SC und AN der Kürzungsfrequenz nimmt grob geradlinig mit der absorbierten Neutrondosis zu, während die Frequenz des BT Abnahmen schneidet. Neutronen verändern auch die Temperaturfrequenz-Eigenschaften. Die Frequenzänderung an niedrigen Dosen der ionisierenden Strahlung ist proportional höher als für höhere Dosen. Radiation der hohen Intensität kann den Oszillator durch das Verursachen des Photoleitvermögens im Kristall und den Transistoren aufhören; mit einem gekehrten Kristall und richtig entworfen kreisen die Schwingungen können innerhalb von 15 Mikrosekunden wiederanfangen, nachdem die Radiation geplatzt hat. Quarzkristalle mit dem hohen Niveau von alkalischen Metallunreinheiten verlieren Q mit dem Ausstrahlen; Q gekehrter künstlicher Kristalle ist ungekünstelt. Das Ausstrahlen mit höheren Dosen (mehr als 10 rad) senkt Empfindlichkeit zu nachfolgenden Dosen. Sehr niedrige Strahlendosen (unter 300 rad) haben unverhältnismäßig höhere Wirkung, aber diese Nichtlinearität sättigt an höheren Dosen. An sehr hohen Dosen sättigt die Strahlenantwort des Kristalls ebenso wegen der begrenzten Zahl von Unreinheitsseiten, die betroffen werden können.

Magnetische Felder haben niedrige Wirkung auf den Kristall selbst, weil Quarz diamagnetic ist; Wirbel-Ströme oder AC Stromspannungen können jedoch in die Stromkreise veranlasst werden, und magnetische Teile des Steigens und der Unterkunft können beeinflusst werden.

Nach der Macht bringen die Kristalle mehrere Sekunden in Minuten, "um sich" "zu erwärmen" und ihre Frequenz zu stabilisieren. Die Ofen-kontrollierten OCXOs verlangen gewöhnlich 3-10 Minuten, um anzuheizen und Thermalgleichgewicht zu erreichen; die Oszillatoren des Ofens weniger stabilisieren sich in mehreren Sekunden, weil die wenigen im Kristall zerstreuten milliwatts ein kleines, aber erkennbares Niveau der inneren Heizung verursachen.

Kristalle haben keine innewohnenden Misserfolg-Mechanismen; einige funktionieren in Geräten seit Jahrzehnten. Misserfolge können jedoch durch Schulden in Abbinden, undichten Einschließungen, Korrosion, Frequenzverschiebung durch das Altern, das Brechen vom Kristall durch zu hohen mechanischen Stoß eingeführt werden, oder Radiation hat Schaden veranlasst, wenn nichtgekehrter Quarz verwendet wird. Kristalle können auch durch das Übersteuern beschädigt werden.

Die Kristalle müssen am passenden Laufwerk-Niveau gesteuert werden. Während AN Kürzungen dazu neigen, ziemlich versöhnlich zu sein, und nur ihre elektrischen Rahmen, Stabilität und Alterseigenschaften, wenn abgehetzt, erniedrigt werden, können niederfrequente Kristalle, besonders Flexural-Weise, an zu hohen Laufwerk-Niveaus zerbrechen. Das Laufwerk-Niveau wird als der Betrag der im Kristall zerstreuten Macht angegeben. Die passenden Laufwerk-Niveaus sind ungefähr 5 Mikrowatt für flexural Weisen bis zu 100 Kilohertz, 1 Mikrowatt für grundsätzliche Weisen an 1-4 MHz, 0.5 Mikrowatt für grundsätzliche Weisen 4-20 MHz und 0.5 Mikrowatt für Oberton-Weisen an 20-200 MHz. Zu niedriges Laufwerk-Niveau kann Probleme mit dem Starten des Oszillators verursachen. Niveaus der Low Drive sind für die höhere Stabilität und den niedrigeren Macht-Verbrauch des Oszillators besser. Niveaus der Higher Drive reduzieren abwechselnd den Einfluss des Geräusches durch die Erhöhung des Verhältnisses des Signals zum Geräusch.

Die Stabilität AN Kürzungskristallen nimmt mit der zunehmenden Frequenz ab. Für genauere höhere Frequenzen ist es besser, einen Kristall mit der niedrigeren grundsätzlichen Frequenz zu verwenden, an einem Oberton funktionierend.

Abnahmen logarithmisch mit der Zeit, die höchsten Änderungen alt machend, die kurz nach der Fertigung vorkommen. Künstlich kann das Altern vom Kristall durch seine anhaltende Lagerung an zwischen 85-125 °C getan werden, um langfristige Stabilität zu vergrößern.

Ein schlecht bestimmter Oszillator-Stromkreis kann das Oszillieren auf einem Oberton plötzlich werden; 1972, ein Zug in Fremont, ist Kalifornien abgestürzt. Ein unpassender Wert des Zisterne-Kondensators hat den Kristall in einer Schalttafel veranlasst, abgehetzt zu werden, zu einem Oberton springend, und den Zug veranlassend, zu beschleunigen anstatt sich zu verlangsamen.

Kristallkürzungen

Der Resonator-Teller kann vom Quellkristall auf viele verschiedene Weisen geschnitten werden. Die Orientierung der Kürzung beeinflusst die Alterseigenschaften von Kristall, Frequenzstabilität, Thermaleigenschaften und andere Rahmen. Diese Kürzungen funktionieren beim Hauptteil akustischen Welle (BAW); für höhere Frequenzen werden Geräte der akustischen Oberflächenwelle (SAW) verwendet.

Das Image von mehrerem Kristall schneidet

Der T im Kürzungsnamen kennzeichnet eine temperaturersetzte Kürzung, eine Kürzung, die in einer Weise orientiert ist, wie die Temperaturkoeffizienten des Gitters minimal sind; der FC und die SC-Kürzungen werden auch temperaturersetzt.

Die hohen Frequenzkürzungen werden durch ihre Ränder gewöhnlich auf Frühlingen bestiegen; die Steifkeit des Frühlings muss optimal sein, weil zu steif mechanische Stöße zum Kristall übertragen und sein Brechen verursachen konnte, und zu wenig Steifkeit dem Kristall erlauben kann, mit dem Inneren des Pakets, wenn unterworfen, einem mechanischen Stoß und Brechung zu kollidieren. Streifen-Resonatore, gewöhnlich AN Kürzungen, sind kleiner und deshalb zu mechanischen Stößen weniger empfindlich. An derselben Frequenz und Oberton wird der Streifen weniger pullability, höheren Widerstand und höheren Temperaturkoeffizienten haben.

Die niedrigen Frequenzkürzungen werden an den Knoten bestiegen, wo sie eigentlich unbeweglich sind; dünne Leitungen werden an solchen Punkten auf jeder Seite zwischen dem Kristall und dem Führen beigefügt. Die große Masse des Kristalls hat die dünnen Leitungen aufgehoben macht den Zusammenbau empfindlich zu mechanischen Stößen und Vibrationen.

Die Kristalle werden gewöhnlich in hermetisch gesiegelten Glas- oder Metallfällen bestiegen, die mit einer trockenen und trägen Atmosphäre, gewöhnlich Vakuum, Stickstoff oder Helium gefüllt sind. Plastik housings kann ebenso verwendet werden, aber diejenigen sind nicht hermetisch, und ein anderes sekundäres Siegeln muss um den Kristall gebaut werden.

Mehrere Resonator-Konfigurationen sind möglich, zusätzlich zum klassischen Weg der direkten Befestigung führt zum Kristall. Z.B der BVA Resonator (Boîtier à Vieillissement Amélioré, Einschließung mit dem Verbesserten Altern), entwickelt 1976; die Teile, die die Vibrationen beeinflussen, werden von einem Monokristall maschinell hergestellt (der die steigende Betonung reduziert), und die Elektroden nicht auf dem Resonator selbst, aber auf inneren Seiten von zwei Kondensator-Scheiben abgelegt werden, die aus angrenzenden Scheiben des Quarzes von derselben Bar gemacht sind, einen belegten Dreischichtbutterbrot ohne Betonung zwischen den Elektroden und dem vibrierenden Element bildend. Die Lücke zwischen den Elektroden und dem Resonator handelt als zwei kleine Reihe-Kondensatoren, den zu Stromkreis-Einflüssen weniger empfindlichen Kristall machend. Die Architektur beseitigt die Effekten der Oberflächenkontakte zwischen den Elektroden, den Einschränkungen in den steigenden Verbindungen und den Problemen, die mit der Ion-Wanderung von den Elektroden ins Gitter des vibrierenden Elements verbunden sind. Die resultierende Konfiguration ist rau, gegen Stoß und Vibrieren widerstandsfähig, gegen die Beschleunigung und ionisierende Strahlung widerstandsfähig, und hat Alterseigenschaften verbessert. AN der Kürzung wird gewöhnlich verwendet, obwohl SC geschnittene Varianten ebenso bestehen. BVA Resonatore werden häufig in Raumfahrzeuganwendungen verwendet.

In den 1930er Jahren zu den 1950er Jahren war es für Leute ziemlich üblich, die Frequenz der Kristalle durch den manuellen Schleifen anzupassen. Die Kristalle waren Boden mit einem feinen abschleifenden Schlicker oder sogar einer Zahnpasta, um ihre Frequenz zu vergrößern. Eine geringe Abnahme durch 1-2 Kilohertz, als der Kristall oberirdisch war, war durch die Markierung vom Kristall möglich konfrontieren mit einer Bleistift-Leitung zum Preis, den Q zu senken.

Die Frequenz des Kristalls ist ("pullable") durch das Ändern der beigefügten Kapazität ein bisschen regulierbar. Ein varactor, eine Diode mit der Kapazität abhängig von der angewandten Stromspannung, wird häufig in spannungsgesteuerten Kristalloszillatoren, VCXO verwendet. Die Kristallkürzungen sind gewöhnlich AN oder selten SC, und funktionieren in der grundsätzlichen Weise; der Betrag der verfügbaren Frequenzabweichung ist zum Quadrat der Oberton-Zahl umgekehrt proportional, so wird ein dritter Oberton nur einen haben, die des pullability der grundsätzlichen Weise neunt sind. SC Kürzungen, während stabiler, sind bedeutsam weniger pullable.

Stromkreis-Notationen und Abkürzungen

Auf elektrischen schematischen Diagrammen werden Kristalle mit dem Klassenbrief Y (Y1, Y2, usw.) Oszillatoren benannt, ob sie Kristalloszillatoren oder anderer sind, werden mit dem Klassenbrief G benannt (G1, G2, usw.) (Sieh IEEE Std 315-1975 oder ANSI Y32.2-1975.) Bei Gelegenheit kann man einen Kristall sehen, der auf einem schematischen mit X oder XTAL oder ein Kristalloszillator mit XO benannt ist, aber diese Formen werden missbilligt.

Kristalloszillator-Typen und ihre Abkürzungen:

• ATCXO — Analoge Temperatur hat Kristalloszillator kontrolliert
• CDXO — Kalibrierter Doppelkristalloszillator
• DTCXO — Digitaltemperatur hat Kristalloszillator ersetzt
• EMXO — Ausgeleerter Miniaturkristalloszillator
• GPSDO — Globales Positionierungssystem hat Oszillator diszipliniert
• MCXO — Mikrocomputerersetzter Kristalloszillator
• OCVCXO — Ofen-kontrollierter spannungsgesteuerter Kristalloszillator
• OCXO — Ofen-kontrollierter Kristalloszillator
• RbXO — Rubidium-Kristalloszillatoren (RbXO), ein Kristalloszillator (kann ein MCXO sein), synchronisiert mit einem eingebauten Rubidium-Standard, der nur gelegentlich geführt wird, um Macht zu sparen
• TCVCXO — Temperaturersetzter spannungsgesteuerter Kristalloszillator
• TCXO — Temperaturersetzter Kristalloszillator
• TMXO - Taktischer Miniaturkristalloszillator
• TSXO — temperaturfühlender Kristalloszillator, eine Anpassung des TCXO
• VCTCXO — Spannungsgesteuerter temperaturersetzter Kristalloszillator
• VCXO — Spannungsgesteuerter Kristalloszillator

Siehe auch

• Uhr-Antrieb - Uhr-Antrieb-Maße von Kristalloszillatoren können verwendet werden, um Zufallszahlengeneratoren zu bauen.
• Arbeit von Erhard Kietz an elektronischen Stimmgabeln und mit Quarzkristallen für genaue Signalfrequenzen
• Durchstoßen Sie Oszillator
• VFO — Oszillator der variablen Frequenz

Weiterführende Literatur

• Ulrich L. Rohde "Mikrowellen- und Radiosynthesizer: Theorie und Design", John Wiley & Sons, August 1997, internationale Standardbuchnummer 0-471-52019-5

Links

• Einführung in Quarzfrequenzstandards
• Verzerrungen in Kristalloszillatoren
• Quarzkristallresonatore und Oszillatoren