I. Predgovor
Kristalni oscilatorji se kot osnovne komponente za nadzor frekvence pogosto uporabljajo v industrijski opremi, sistemih za varnostni nadzor, medicinskih napravah, avtomobilski elektroniki, pametnih gospodinjskih aparatih in na drugih področjih. Z makro perspektive je izgradnja globalne informacijske infrastrukture neločljivo povezana z razvojem kristalnih oscilatorjev. Ta članek sistematično analizira tehnološki razvoj kristalnih oscilatorjev-od odkritja piezoelektričnega učinka do embalaže v nano-razmerju-in razkriva, kako so poganjali človeški tehnološki napredek skozi štiri industrijske revolucije.
II. Zgodovina razvoja kristalnih oscilatorjev
1. Obdobje tehnološkega razsvetljenstva
Leta 1880 sta brata Jacques in Pierre Curie odkrila, da uporaba mehanske obremenitve na kristalnih ploščah kremena povzroči premik električnega naboja, in predlagala konceptpiezoelektrični učinek.
Načelo piezoelektričnega učinka: Pri pritisku na piezoelektrične materiale nastane razlika električnega potenciala (znana kotneposredni piezoelektrični učinek). Nasprotno pa uporaba napetosti povzroči mehansko obremenitev (inverzni piezoelektrični učinek). Če pritisk vključuje visoko-frekvenčne vibracije, ustvari visoko{2}}frekvenčne električne tokove. Ko se visokofrekvenčni-električni signali uporabijo za piezoelektrično keramiko, proizvedejo visoko{5}}frekvenčne akustične signale (mehanske vibracije), splošno znane kot ultrazvočni signali.
Leta 1918 je Paul Langevin raziskoval uporabo kremenčevih kristalnih plošč za razvoj zgodnjih sonarnih sistemov za odkrivanje podmornic. To je vključevalo integracijo več funkcij sonarjev za celovito obdelavo informacij in centraliziran nadzor za izpolnjevanje taktičnih zahtev, vključno z iskanjem smeri hrupa, določanjem odmeva, zaznavanjem sonarnih impulzov, identifikacijo cilja in opozorilom o torpedu. Langevin je uporabil X-rezne kremenčeve plošče za ustvarjanje in zaznavanje podvodnih zvočnih valov.
Leta 1921 je profesor WG Cady z univerze Wesleyan patentiral kvarčni kristalni oscilator. Njegov patent je uporabil kvarčne kristalne resonatorje za nadzor frekvence oscilatorja in opisal kvarčne palice/plošče kot frekvenčne standarde in filtre. Tako je Cady splošno priznan kot prvi, ki je uporabil kvarčne kristale za nadzor frekvence v oscilatorskih vezjih.
Leta 1923 je harvardski profesor GW Pierce razvil vezje kristalnega oscilatorja, ki je postavil kristal med mrežo in anodo ventila z vakuumsko cevjo-, kar je predhodnik konfiguracije Pierceovega oscilatorja.
Leta 1925 je Westinghouse Electric namestil kristalni oscilator kot glavni oscilator za svojo radijsko postajo KDKA.
Van Dyke je razvil model enakovrednega vezja za kvarčne kristalne resonatorje. To vezje ima dve resonančni frekvenci: serijska resonančna frekvenca (fs)., kjer resonira veja Lg-Cg-Rg, in vzporedna resonančna frekvenca (fp)., celotna resonanca vezja. Ker je Cg < C0, sta si ti frekvenci zelo blizu. Reaktančna-frekvenčna karakteristika kaže induktivno vedenje med fs in fp ter kapacitivno vedenje drugje.
Leta 1926 so odkrili in uporabili kristale Y-. Do takrat so bili uporabljeni samo kristali kremena X-. Medtem ko so kristali X-reza imeli temperaturni koeficient ~-20 ppm/stopinjo, so kristali Y-reza kazali ~+100ppm/stopino, kar kaže, da lahko različni rezi kristalov povzročijo različne temperaturne koeficiente.
Leta 1927 je Warren Marrison iz Bell Labs razvil prvi standard za kvarčni kristalni oscilator.
Leta 1928 je Warren Marrison v Bell Telephone Laboratories ustvaril prvo uro iz kvarčnega kristala. Kvarčne ure so nadomestile natančne ure z nihalom kot najnatančnejši merilniki časa na svetu (do atomskih ur).
Atomske ureza merjenje časa uporabljajo elektromagnetne valove, ki se oddajajo med absorpcijo/sproščanjem atomske energije, in dosegajo natančnost ~1 sekundne napake na 20 milijonov let-trenutno najnatančnejše orodje za merjenje časa na svetu.
Leta 1934 sta se pojavila resonatorja s kremenčevim kristalom AT- in BT-, ki sta ju neodvisno odkrila Lack/Willard/Fair (ZDA), Koga (Japonska) in Beckmann/Straubel (Nemčija).
2. Obdobje raziskav in razvoja: množična proizvodnja kristalnih oscilatorjev
Leta 1950 so razvili atomske ure. Kvarčne ure so v 30 letih dosegle največjo natančnost 1 sekunde (30 ms/leto). Bell Labs je bil pionir hidrotermalnega postopka za-komercialno rast kristalov kremena.
3. Razvojno obdobje: serijska proizvodnja in prehod iz vojaške v civilno uporabo
Leta 1968 je Juergen Staudte iz North American Aviation izumil postopek fotolitografije za izdelavo kvarčnih kristalnih oscilatorjev, kar je omogočilo miniaturizacijo prenosnih izdelkov, kot so ure.
Leta 1976 so postali na voljo prvi kristali SC-. Uporablja se predvsem v kristalnih oscilatorjih (OCXO),-krmiljenih s pečico, zaradi njihovega optimalnega temperaturnega koeficienta pri delovnih temperaturah OCXO.
4. Obdobje hitrega razvoja: raznolike aplikacije v elektroniki
Od leta 1990 do danes so se kvarčni oscilatorji razvili od DIP do manjših SMD ohišij, s prehodom iz tradicionalnih kovinskih ohišij v plastično/kovinsko/keramično inkapsulacijo. Zahteve glede natančnosti in frekvence so se povečale, kar zahteva natančnejše proizvodne procese. Aplikacije so se razširile iz nišnih uporab na različna področja, kot so 5G, IoT, avtomobilska elektronika, pametno zdravstveno varstvo in inteligentne naprave.
III. Povzetek
70+ leta od 1880 do 1956 so zaznamovala temeljno obdobje kvarčnih oscilatorjev, ki so jih zaznamovali prelomni izumi in vplivni inovatorji. Napredek tehnologije kvarca odraža postopen proces odkrivanja, razumevanja in zorenja-z napredkom ni mogoče hiteti.