I. Priekšvārds
Kristāla oscilatori kā kodolfrekvences vadības komponenti tiek plaši izmantoti rūpnieciskajās iekārtās, drošības uzraudzības sistēmās, medicīnas ierīcēs, automobiļu elektronikā, viedajā sadzīves tehnikā un citās jomās. No makro viedokļa globālās informācijas infrastruktūras izveide ir cieši saistīta ar kristāla oscilatoru izstrādi. Šajā rakstā sistemātiski analizēta kristāla oscilatoru tehnoloģiskā attīstība-no pjezoelektriskā efekta atklāšanas līdz nano-mēroga iepakojumam-, atklājot, kā tie ir virzījuši cilvēka tehnoloģisko progresu četrās rūpnieciskās revolūcijas.
II. Kristālu oscilatoru attīstības vēsture
1. Tehnoloģiskās apgaismības periods
1880. gadā brāļi Žaks un Pjērs Kirī atklāja, ka mehāniskā sprieguma pielietošana kvarca kristāla plāksnēm rada elektriskā lādiņa nobīdi, ierosinot koncepcijupjezoelektriskais efekts.
Pjezoelektriskā efekta princips: Kad pjezoelektriskiem materiāliem tiek piemērots spiediens, rodas elektriskā potenciāla starpība (pazīstama kātiešs pjezoelektriskais efekts). Un otrādi, pieliekot spriegumu, rodas mehānisks spriegums (apgrieztais pjezoelektriskais efekts). Ja spiediens ir saistīts ar augstas{1}frekvences vibrāciju, tas rada augstas{2}frekvences elektriskās strāvas. Ja pjezoelektriskajai keramikai tiek pielietoti augstas-frekvences elektriskie signāli, tie rada augstas-akustiskos signālus (mehāniskās vibrācijas), ko parasti saucultraskaņas signāli.
1918. gadā Pols Langevins pētīja, izmantojot kvarca kristāla plāksnes, lai izstrādātu agrīnas hidrolokatoru sistēmas zemūdeņu noteikšanai. Tas ietvēra vairāku hidrolokatoru funkciju integrēšanu visaptverošai informācijas apstrādei un centralizētai kontrolei, lai izpildītu taktiskās prasības, tostarp trokšņa virziena noteikšanu, atbalss diapazonu, sonāra impulsu noteikšanu, mērķa identifikāciju un torpēdas brīdinājumu. Langevins izmantoja X-grieztas kvarca plāksnes, lai radītu un noteiktu zemūdens skaņas viļņus.
1921. gadā Veslijas universitātes profesors WG Keidijs patentēja kvarca kristāla oscilatoru. Viņa patents izmantoja kvarca kristāla rezonatorus, lai kontrolētu oscilatoru frekvenci, un aprakstīja kvarca stieņus/plāksnes kā frekvences standartus un filtrus. Tādējādi Cady ir plaši atzīts par pirmo, kas izmanto kvarca kristālus frekvences kontrolei oscilatoru ķēdēs.
1923. gadā Hārvardas profesors G. V. Pīrss izstrādāja kristāla oscilatora ķēdi, ievietojot kristālu starp režģi un vakuuma caurules vārsta anodu -, kas ir Pīrsa oscilatora konfigurācijas priekštecis.
1925. gadā Westinghouse Electric uzstādīja kristāla oscilatoru kā galveno oscilatoru savai radiostacijai KDKA.
Van Dyke izstrādāja līdzvērtīgu ķēdes modeli kvarca kristāla rezonatoriem. Šai ķēdei ir divas rezonanses frekvences:sērijas rezonanses frekvence (fs)., kur rezonē Lg-Cg-Rg zars, un paralēlās rezonanses frekvence (fp)., kopējā ķēdes rezonanse. Tā kā Cg < C0, šīs frekvences ir ļoti tuvas. Reaktivitātes -frekvences raksturlielums parāda induktīvo uzvedību starp fs un fp un kapacitatīvo uzvedību citur.
1926. gadā tika atklāti un izmantoti Y-griezti kristāli. Līdz tam tika izmantoti tikai X-griezti kvarca kristāli. Kamēr X-griezto kristālu temperatūras koeficients bija ~-20 ppm/grādi, Y-griezuma kristāli uzrādīja ~+100ppm/grādi, norādot, ka dažādi kristāla griezumi var radīt dažādus temperatūras koeficientus.
1927. gadā Vorens Mārisons no Bell Labs izstrādāja pirmo kvarca kristāla oscilatoru standartu.
1928. gadā Vorens Mārisons izveidoja pirmo kvarca kristāla pulksteni Bell Telephone Laboratories. Kvarca pulksteņi aizstāja precīzos svārsta pulksteņus kā pasaulē precīzākos hronometrus (līdz atompulksteņiem).
Atomu pulksteņiizmantot elektromagnētiskos viļņus, kas izstaro atomu enerģijas absorbcijas/atbrīvošanas laikā, lai noteiktu laiku, panākot precizitāti ~ 1 sekunde kļūdu uz 20 miljoniem gadu-pašlaik pasaulē precīzākais laika skaitīšanas rīks.
1934. gadā parādījās AT- un BT-griezti kvarca kristāla rezonatori, kurus neatkarīgi atklāja Laks/Vilards/Fair (ASV), Koga (Japāna) un Bekmans/Straubels (Vācija).
2. Pētniecības un attīstības periods: kristāla oscilatoru masveida ražošana
1950. gadā tika izstrādāti atompulksteņi. Kvarca pulksteņi sasniedza maksimālo precizitāti 1 sekunde 30 gadu laikā (30 ms/gadā). Uzņēmums Bell Labs ieviesa hidrotermisko procesu komerciālā-mēroga kvarca kristālu audzēšanai.
3. Izstrādes periods: sērijveida ražošana un pāreja no militārām vajadzībām uz civilām vajadzībām
1968. gadā Jurgens Štauds no Ziemeļamerikas aviācijas izgudroja fotolitogrāfijas procesu kvarca kristāla oscilatoru ražošanai, ļaujot miniaturizēt pārnēsājamus produktus, piemēram, pulksteņus.
1976. gadā kļuva pieejami pirmie SC-griezti kristāli. Galvenokārt izmanto cepeškrāsns{3}}vadāmajos kristāla oscilatoros (OCXO), jo tie ir optimāli temperatūras koeficienti OCXO darba temperatūrās.
4. Straujas attīstības periods: daudzveidīgi pielietojumi elektronikā
No 1990. gada līdz mūsdienām kvarca oscilatori ir attīstījušies no DIP uz mazākiem SMD iepakojumiem, pārejot no tradicionālajiem metāla korpusiem uz plastmasas/metāla/keramikas iekapsulācijām. Precizitātes un frekvences prasības ir palielinājušās, un ir nepieciešami smalkāki ražošanas procesi. Lietojumprogrammas tika paplašinātas no nišas līdz dažādām jomām, piemēram, 5G, IoT, automobiļu elektronika, vieda veselības aprūpe un viedās ierīces.
III. Kopsavilkums
70+ gadi no 1880. gada līdz 1956. gadam iezīmēja kvarca oscilatoru dibināšanas periodu, ko raksturo revolucionāri izgudrojumi un ietekmīgi novatori. Kvarca tehnoloģijas attīstība atspoguļo pakāpenisku atklāšanas, izpratnes un nobriešanas procesu,-kurus nevar sasteigt.