수정 발진기

수정 발진기

결정발진기의 공진기로 사용되는 밀폐된 HC-49/S 패키지에 봉입된 미니어처 16MHz 석영 결정.
유형	전기 기계
작동 원리	압전, 공명
발명된	알렉산더 M. 니콜슨, 월터 가이튼 캐디
제1회 생산	1918
전자 기호

결정 발진기는 압전 결정을 주파수 선택 소자로 사용하는 전자 발진기 회로입니다.^[1][2][3] 발진기 주파수는 종종 석영 손목시계처럼 시간을 추적하고 디지털 집적회로에 안정적인 클럭 신호를 제공하며 무선 송신기 및 수신기의 주파수를 안정화하는 데 사용됩니다.사용되는 압전 공진기의 가장 일반적인 유형은 석영 결정이기 때문에 이를 포함하는 발진기 회로는 결정 발진기로 알려져 ^[1]있습니다.그러나 다결정 세라믹스를 포함한 다른 압전 재료는 유사한 회로에 사용된다.

결정 발진기는 전기장 하에서의 석영 결정의 미세한 형태 변화에 의존하며, 이는 전기 충격 또는 역압전기로 알려져 있습니다.결정상의 전극에 인가되는 전압에 의해 형상이 변화합니다.전압이 제거되면 결정체는 탄성적으로 원래의 형상으로 돌아가면서 소량의 전압을 생성합니다.쿼츠는 안정된 공진 주파수로 진동하며 RLC 회로와 같이 동작하지만 Q 계수가 훨씬 높아집니다(진동의 각 사이클에서 에너지 손실이 적습니다).수정 결정이 특정 주파수(결정과 연결된 전극의 질량, 결정의 방향, 온도 및 기타 요인에 의해 영향을 받음)로 조정되면 해당 주파수는 높은 ^[4]안정성으로 유지됩니다.

석영 결정은 수십 킬로헤르츠에서 수백 메가헤르츠까지의 주파수로 제조됩니다.2003년 현재,^[5] 매년 약 20억 개의 크리스탈이 생산되고 있다.대부분은 손목시계, 시계, 라디오, 컴퓨터, 휴대폰과 같은 소비자 기기에 사용된다.그러나 작은 크기와 무게가 필요한 애플리케이션에서는 특히 고주파(대략 1.5GHz 이상) 공명이 필요한 경우 결정을 박막 벌크 음향 공진기로 대체할 수 있습니다.석영 결정은 카운터, 신호 발생기, 오실로스코프 등의 테스트 및 측정 장비 내부에도 있습니다.

용어.

수정발진기는 압전공진기, 즉 결정체를 주파수 결정 소자로 사용하는 전기발진기형 회로입니다.크리스털은 전자제품에서 주파수 결정 부품, 즉 전극이 연결된 석영 결정 또는 세라믹 웨이퍼에 사용되는 일반적인 용어입니다.더 정확한 용어는 압전 공진기입니다.크리스털은 크리스털 필터와 같은 다른 유형의 전자 회로에도 사용됩니다.

압전 공진기는 크리스털 발진기 회로에 사용되는 개별 부품으로 판매됩니다.그림에 예가 나와 있습니다.또한 오른쪽 측면에 표시된 수정 발진기 회로와 함께 단일 패키지로 통합되는 경우가 많습니다.

역사

압전기는 1880년 자크와 피에르 퀴리에 의해 발견되었다.Paul Langevin은 제1차 세계대전 중 음파탐지기에 사용되는 석영 공명기를 처음으로 조사했다.최초의 크리스털 제어 발진기는 1917년 로셸 소금 결정을 사용하여 만들어졌으며^[6] 1918년 알렉산더 M.에 의해 특허를 받았다. 벨 전화 연구소의 니콜슨은 월터 가이튼 캐디에 ^[7]의해 그의 우선순위가 논쟁되었습니다.캐디는 1921년에 최초의 ^[8]수정발진기를 만들었다.수정발진기의 다른 초기 혁신가로는 G. W. 피어스와 루이스 에센이 있다.

석영 결정 발진기는 1920년대와 1930년대에 안정성이 높은 주파수 기준을 위해 개발되었습니다.결정체 이전에, 라디오 방송국은 주파수를 쉽게 3-4 ^[9]kHz만큼 드리프트할 수 있는 튜닝된 회로로 주파수를 제어했습니다.방송국에 할당된 주파수는 10kHz(미국) 또는 9kHz(엘스위치)밖에 되지 않았기 때문에 주파수 드리프트에 의한 인접국 간의 간섭은 일반적인 ^[9]문제였습니다.1925년 웨스팅하우스는 주력 방송국인 ^[9]KDKA에 크리스털 발진기를 설치했고 1926년에는 많은 방송국의 주파수를 제어하기 위해 석영 크리스털이 사용되었고 아마추어 라디오 ^[10]사업자들에게 인기가 있었다.1928년 벨 전화 연구소의 워렌 메리슨은 최초의 석영 결정 시계를 개발했다.30년 동안 최대 1초(30ms/y, 즉 0.95ns/^[8]s)의 정확성을 지닌 석영 시계는 1950년대에 원자 시계가 개발되기 전까지 세계에서 가장 정확한 시계로서 정밀 진자 시계를 대체했다.AT&T는 Bell Labs의 초기 작업을 이용하여 주파수 제어 제품 부문을 설립했습니다.이 사업부는 나중에 분사되어 현재는 Vectron ^[11]International로 알려졌습니다.

이 기간 동안 많은 회사들이 전기용 석영 결정을 생산하기 시작했다.현재 원시적인 방법으로 여겨지는 것을 사용하여 1939년 동안 미국에서 약 100,000개의 수정 단위가 생산되었다.제2차 세계대전을 거치면서 크리스탈은 천연 석영 결정으로 만들어졌는데, 사실상 모두 브라질에서 왔다.전쟁 중 군용 및 해군용 라디오와 레이더의 정확한 주파수 제어에 대한 요구로 인한 결정의 부족은 전후 합성 석영 배양에 대한 연구를 촉진시켰고, 1950년에는 벨 연구소에서 상업적인 규모의 석영 결정을 재배하는 열수 공정이 개발되었습니다.1970년대에 이르러서는 전자제품에 사용되는 거의 모든 결정체가 합성되었다.

1968년, Juergen Staudte는 북미 항공(현재의 Rockwell)에서 일하는 동안 수정 발진기를 제조하기 위한 사진 석판 인쇄 공정을 발명하여 ^[12]시계와 같은 휴대용 제품을 만들 수 있도록 했습니다.

수정 발진기는 여전히 가장 일반적으로 석영 결정을 사용하지만, 세라믹 공진기와 같은 다른 재료를 사용하는 장치는 점점 더 보편화되고 있습니다.

작동

결정체란 구성 원자, 분자 또는 이온이 세 가지 공간 차원 모두에서 확장되는 반복 패턴으로 규칙적으로 채워진 고체입니다.

탄성 물질로 만들어진 거의 모든 물체는 적절한 변환기와 함께 결정처럼 사용될 수 있습니다. 왜냐하면 모든 물체는 자연적인 진동 주파수를 가지고 있기 때문입니다.예를 들어, 강철은 매우 탄성이 있고 빠른 음속을 가지고 있다.그것은 종종 석영 전에 기계 필터에 사용되었다.공명 주파수는 재료의 크기, 모양, 탄성 및 음속에 따라 달라집니다.고주파 결정은 일반적으로 단순한 직사각형 또는 원형 원반 모양으로 절단됩니다.디지털 시계에 사용되는 것과 같은 저주파 크리스털은 일반적으로 음차 모양으로 절단됩니다.매우 정확한 타이밍이 필요하지 않은 애플리케이션에서는 종종 석영 결정 대신 저렴한 세라믹 공진기를 사용합니다.

석영 결정을 적절히 절단하여 장착하면 결정 근처 또는 그 위에 전극에 전압을 가함으로써 전계에서 왜곡시킬 수 있다.이 특성은 전기 충격 또는 역압전기로 알려져 있습니다.이 필드를 제거하면 석영은 이전 모양으로 돌아가면서 전계를 생성하며, 이로 인해 전압이 발생할 수 있습니다.그 결과 석영결정은 정확한 공진주파수로 인덕터, 캐패시터 및 저항으로 구성된 RLC 회로와 같이 동작합니다.

석영은 탄성 상수와 크기가 온도에 대한 주파수 의존도가 매우 낮을 수 있도록 변화한다는 장점이 있습니다.구체적인 특성은 진동 모드와 석영이 절단되는 각도(결정학적 ^[13]축에 상대적인)에 따라 달라집니다.따라서 크기에 따라 판의 공진 주파수는 크게 달라지지 않는다.즉, 석영 클럭, 필터 또는 오실레이터가 정확한 상태를 유지합니다.중요한 용도의 경우 석영 발진기는 크리스털 오븐이라고 불리는 온도 제어 용기에 장착되며, 외부 기계적 진동에 의한 섭동을 방지하기 위해 쇼크 업소버에 장착될 수도 있습니다.

모델링.

전기 모형

석영결정은 저임피던스(직렬) 및 고임피던스(병렬) 공진점이 서로 밀접하게 간격을 두고 있는 전기망으로 모델링할 수 있다.수학적으로 (라플라스 변환을 사용하여) 이 네트워크의 임피던스는 다음과 같이 기술할 수 있습니다.

${\displaystyle Z(s)=\left({\frac {1}s\cdot C_{1}})+s\cdot L_{1}+R_{1}\right)\left\\left\frac {1}{s\cdot C_{0}}\right)\right,\right.}$

또는

${\displaystyle {\begin{aligned}Z&=frac {s^{2}+sfrac {R_{1}+{\mathrm {s}}{2}{\left(s\cdot C_{0}\right)\left[s^2}+S_FRAC {1}오른쪽 화살표 _{\mathrm {s} }&=sqrt {L_{1}\cdot C_{1}},\quad \mathrm {p} =sqrt {C_{1}+C_{0}} {L_{1}\CD_OT}C_{0}}\right)\quad \left(C_{0}\gg C_{1}\right)\end {aligned}}$

$여기$서 s$(\displaystyle$ s$)$는 복소 주파수($s$ ${\displaystyle =}$ j$ω$ \ $displaystyle$ s = j \ $obega }$ ), s(\displaystyle$$$s$ = j\mathrm {$s$$}$ })는 직렬 공명 각 주파수,$$$$(\$displaystyle$ \m${p})$는 병렬 공명 각 주파수입니다.

결정 전체에 캐패시턴스를 추가하면 (병렬) 공진 주파수가 감소합니다.결정 전체에 인덕턴스를 추가하면 (병렬) 공진 주파수가 증가합니다.이러한 효과는 결정이 진동하는 주파수를 조정하는 데 사용할 수 있습니다.결정 제조업체는 일반적으로 결정에 알려진 "부하" 캐패시턴스를 추가하여 지정된 공진 주파수를 갖도록 결정을 자르고 다듬습니다.예를 들어 6pF 부하를 목적으로 하는 결정에는 6.0pF 캐패시터가 배치되어 있을 때 지정된 병렬 공진 주파수가 있습니다.부하 캐패시턴스가 없으면 공진 주파수가 높아집니다.

공진 모드

석영결정은 직렬 및 병렬 공진을 모두 제공합니다.직렬 공명은 병렬 공진보다 몇 킬로헤르츠 낮습니다.30MHz 미만의 결정은 일반적으로 직렬과 병렬 공진 사이에서 작동하며, 이는 결정이 작동 시 유도 리액턴스로 나타나며, 이 인덕턴스는 외부적으로 연결된 병렬 캐패시턴스를 가진 병렬 공진 회로를 형성합니다.결정과 병렬로 약간의 추가 캐패시턴스가 있으면 주파수가 낮아집니다.또한 결정과 직렬로 캐패시터를 첨가함으로써 결정의 유효 유도 리액턴스를 저감할 수 있다.후자의 기법은 좁은 범위 내에서 진동 주파수를 트리밍하는 유용한 방법을 제공할 수 있습니다. 이 경우 캐패시터를 결정과 직렬로 삽입하면 진동 주파수를 높일 수 있습니다.결정체가 지정된 주파수로 작동하려면 전자회로가 결정 제조업체가 지정한 것과 정확히 일치해야 합니다.이들 포인트는 이 주파수 범위의 결정 발진기와 관련된 미묘한 점을 의미합니다.결정은 일반적으로 공진 주파수 중 어느 쪽에서도 진동하지 않습니다.

30MHz(최대 200MHz) 이상의 결정은 일반적으로 임피던스가 최소로 직렬 저항과 동일한 직렬 공명으로 작동합니다.이러한 결정의 경우 병렬 캐패시턴스 대신 직렬 저항이 지정됩니다(<100Ω).더 높은 주파수에 도달하기 위해 결정체를 기본 공진 주파수의 배수 근처에서 발생하는 오버톤 모드 중 하나로 진동시킬 수 있습니다.홀수 음색만 사용됩니다.이러한 결정을 세 번째, 다섯 번째 또는 일곱 번째 오버톤 결정이라고 합니다.이를 위해 발진기 회로에는 일반적으로 원하는 오버톤을 선택하는 추가 LC 회로가 포함됩니다.

온도 효과

결정의 주파수 특성은 결정의 모양이나 "절단"에 따라 달라집니다.튜닝 포크 결정은 보통 온도에 대한 주파수 의존도가 최대 약 25°^{[citation needed]}C로 2차적이 되도록 절단됩니다.즉, 튜닝 포크 크리스털 오실레이터는 실온에서는 목표 주파수에 근접하여 공진하지만 실온에서 온도가 상승하거나 하락하면 느려집니다.32kHz 튜닝 포크 결정의 일반적인 포물선 계수는 -0.04ppm/°^{[citation needed]}C입니다².

${\displaystyle f=f_{0}\left [1-0.04~{\text{f}/{\text}{\text{\text}C}}^{2}\cdot (T-T_{0})^{2}\right]}$

즉, 실제 어플리케이션에서는 32kHz의 일반 튜닝 포크 결정을 사용하여 제작된 클럭은 상온에서는 양호한 시간을 유지하지만 상온 이상 또는 미만인 10°C에서는 연간 2분, 석영 결정 때문에 상온 또는 상온 이하인 20°C에서는 연간 8분씩 느려지는 것을 의미합니다.

수정 발진기 회로

수정 발진기 회로는 석영 공진기에서 전압 신호를 받아 증폭한 후 공진기로 피드백함으로써 진동을 지속합니다.석영의 팽창과 수축 속도는 공진 주파수이며 결정의 절단 및 크기에 따라 결정됩니다.생성된 출력 주파수의 에너지가 회로의 손실과 일치하면 진동이 지속될 수 있습니다.

발진기 결정은 2개의 도전성 플레이트를 가지며, 그 사이에 석영 결정의 슬라이스 또는 음차를 끼운다.기동시에 제어회로는 불안정한 평형을 이루며, 시스템 내의 정피드백에 의해 잡음이 극히 일부라도 증폭되어 진동이 증대된다.크리스털 공진기는 이 시스템에서 고주파 선택 필터로도 볼 수 있습니다. 즉, 공진기 주변의 매우 좁은 주파수 서브밴드만 통과하여 다른 모든 것을 감쇠시킵니다.결국 공진 주파수만 활성화됩니다.발진기가 결정에서 나오는 신호를 증폭하면 결정의 주파수 대역의 신호가 강해져 최종적으로 발진기의 출력을 지배하게 됩니다.석영 결정의 좁은 공명 대역은 불필요한 주파수를 모두 걸러냅니다.

쿼츠 발진기의 출력 주파수는 기본 공명 주파수의 출력 주파수 또는 고조파 주파수라고 하는 해당 공명의 배수가 될 수 있습니다.고조파는 기본 주파수의 정확한 정수 배수입니다.그러나 다른 많은 기계적 공진기와 마찬가지로 결정도 기본 주파수의 약 홀수 정수 배수로 여러 가지 진동 모드를 나타냅니다.이를 "오버톤 모드"라고 하며, 발진기 회로는 이를 자극하도록 설계할 수 있습니다.오버톤 모드는 기본 모드의 홀수 정수 배수가 아닌 근사 주파수이며, 따라서 오버톤 주파수는 기본의 정확한 고조파가 아닙니다.

고주파 크리스탈은 제3, 제5, 또는 제7의 음색으로 동작하도록 설계되어 있는 경우가 많습니다.제조업체들은 30MHz 이상의 기본 주파수를 생산할 수 있을 만큼 얇은 결정을 생산하는 데 어려움을 겪고 있다.더 높은 주파수를 생산하기 위해 제조업체는 원하는 주파수에 세 번째, 다섯 번째 또는 일곱 번째 오버톤을 넣도록 튜닝된 오버톤 결정을 만듭니다. 왜냐하면 그들은 같은 주파수를 생성하는 기본 결정보다 두껍고 제조하기가 쉽기 때문입니다. 그러나 원하는 오버톤 주파수를 자극하려면 약간 더 복잡해야 합니다.발진기 ^{[15][16][17][18][19]}회로기본 결정 발진기 회로는 제3의 오버톤 회로보다 간단하고 효율적이며 당김성이 높다.제조원에 따라서는 사용 가능한 최대 기본 주파수는 ^[20][21]25MHz ~66MHz일 수 있습니다.

크리스털 오실레이터가 널리 사용되는 주된 이유는 높은 Q계수 때문입니다.석영 오실레이터의 일반적인 Q 값은 10에서⁶ 10까지인데⁴ 비해 LC 오실레이터의 경우² 10까지입니다.고안정성 석영 발진기의 최대 Q는 Q = 1.6 × 10⁷/f로 추정할 수 있습니다. 여기서 f는 공진 주파수(메가헤르츠)^[22][23]입니다.

수정 수정 발진기의 가장 중요한 특징 중 하나는 매우 낮은 위상 노이즈를 나타낼 수 있다는 것입니다.많은 발진기에서 공진 주파수의 스펙트럼 에너지는 발진기에 의해 증폭되어 다른 위상의 톤이 수집됩니다.결정발진기에서는 결정체가 대부분 한 축에서 진동하기 때문에 단상만 우세합니다.이러한 저상 노이즈의 특성은 안정적인 신호가 필요한 통신 및 매우 정확한 시간 기준이 필요한 과학 장비에서 특히 유용합니다.

온도, 습도, 압력 및 진동의 환경 변화에 따라 수정 결정의 공진 주파수가 변경될 수 있지만 이러한 환경 영향을 줄이는 여러 가지 설계가 있습니다.여기에는 TCXO, MCXO 및 OCXO가 포함됩니다.이러한 설계, 특히 OCXO는 종종 뛰어난 단기 안정성을 가진 장치를 생산합니다.단기 안정성의 한계는 주로 발진기 회로의 전자 구성 요소에서 나오는 노이즈에 기인합니다.결정의 노화에 의해 장기적인 안정성이 제한된다.

노화 및 환경적 요인(온도 및 진동 등)으로 인해 아무리 우수한 석영발진기라도 일정한 조정 없이 공칭 주파수의 10분의¹⁰ 1 내에 유지하기가 어렵습니다.이러한 이유로 원자 발진기는 보다 나은 장기적 안정성과 정확성을 필요로 하는 애플리케이션에 사용됩니다.

스플리어스 주파수

직렬 공진 상태에서 작동하거나 직렬 인덕터 또는 콘덴서를 포함함으로써 메인 모드에서 분리되는 결정의 경우 유의한(및 온도에 의존한) 스플리어스 응답이 발생할 수 있다.대부분의 스플리어스 모드는 일반적으로 원하는 직렬 공진보다 수십 킬로헤르츠 높지만 온도 계수는 메인 모드와 다르므로 특정 온도에서 스플리어스 응답이 메인 모드를 통과할 수 있습니다.스플리어스 공진에서의 직렬 저항이 원하는 주파수에서의 직렬 저항보다 높아 보여도 두 주파수가 일치할 경우 특정 온도에서 메인 모드 직렬 저항이 급격하게 변화할 수 있습니다.이러한 액티비티 딥의 결과로 발진기가 특정 온도에서 스플리어스 주파수로 잠길 수 있습니다.이것은 일반적으로 유지회로가 불필요한 모드를 활성화하기에 충분한 게인을 갖지 않도록 함으로써 최소화됩니다.

결정체에 진동을 가함으로써 스플리어스 주파수도 발생한다.이는 진동 주파수에 따라 공진 주파수를 작게 조절합니다.SC 컷 결정은 장착 응력의 주파수 효과를 최소화하도록 설계되어 있어 진동에 덜 민감합니다.장기 장착 응력 변동에 의한 주파수 변화와 마찬가지로 SC컷 결정으로 중력을 포함한 가속도 효과도 저감된다.SC 컷 전단 모드 결정에는 유지 발진기가 다른 밀접하게 관련된 원치 않는 모드를 구별해야 하고 전체 주변 범위에 속할 경우 온도로 인한 주파수 변화가 증가하는 등의 단점이 있습니다.SC 컷 결정은 0 온도 계수(턴오버)의 온도 제어가 가능한 경우에 가장 유리하며, 이러한 상황에서 프리미엄 유닛의 전체적인 안정성 성능은 루비듐 주파수 표준의 안정성에 근접할 수 있습니다.

일반적으로 사용되는 결정 주파수

크리스탈은 수 킬로헤르츠에서 수 백 메가헤르츠까지 광범위한 주파수에 걸쳐 진동하도록 제작될 수 있습니다.많은 응용 프로그램이 다른 원하는 주파수와 편리하게 관련된 수정 발진기 주파수를 요구하기 때문에 수백 개의 표준 수정 주파수가 대량으로 만들어지고 전자제품 유통업체에서 비축됩니다.예를 들어, 3.579545 MHz 크리스탈은 NTSC 컬러 텔레비전 수상기용으로 대량으로 제작되어 텔레비전 이외의 용도에서도 많이 사용되고 있습니다.주파수 분배기, 주파수 곱셈기 및 위상 잠금 루프 회로를 사용하면 하나의 기준 주파수에서 광범위한 주파수를 도출할 수 있습니다.

크리스털 구조 및 재료

석영

발진기 결정의 가장 일반적인 물질은 석영이다.기술 초기에는 천연 석영 결정이 사용되었지만, 현재는 순도가 높고 비용이 저렴하며 취급이 편리하기 때문에 열수 합성에 의해 재배된 합성 결정 석영이 지배적이다.천연 결정을 사용하는 몇 안 되는 방법 중 하나는 깊은 유정의 압력 변환기에 사용됩니다.제2차 세계대전 중과 그 후 한동안 천연 석영은 미국에 의해 전략적인 물질로 여겨졌고 브라질에서 큰 크리스털이 수입되었다.열수 합성 원료 석영인 "라스카스" 원료는 미국으로 수입되거나 콜먼 석영에 의해 현지에서 채굴된다.1994년 현재 합성 석영 평균값은 60달러/^[24]kg이었다.

종류들

두 가지 유형의 수정이 존재합니다: 왼손잡이와 오른손잡입니다.두 개의 광학적 회전은 다르지만 다른 물리적 특성은 동일합니다.절단 각도가 정확할 경우 발진기에 왼손 및 오른손잡이 결정을 모두 사용할 수 있습니다.제조에는 일반적으로 오른손잡이 석영이 사용됩니다.^[25]SiO₄ 사면체는 평행한 나선형을 형성하며, 나선형의 비틀림 방향은 왼쪽 또는 오른쪽 방향을 결정합니다.나선형은 z축을 따라 정렬되고 원자를 공유하며 병합됩니다.나선형의 질량은 z축에 평행한 크고 작은 채널의 메시를 형성합니다.큰 것은 결정체를 ^[26]통해 작은 이온과 분자의 이동성을 허용하기에 충분히 크다.

석영은 여러 단계로 존재합니다.1기압에서 573°C(및 더 높은 온도와 더 높은 압력에서)에서 α-쿼츠는 석영 반전을 거쳐 β-쿼트로 가역적으로 변환된다.그러나 역프로세스가 완전히 동질적인 것은 아니며 크리스털 트윈닝이 발생합니다.제조 및 가공 중에는 상변환을 방지하기 위해 주의를 기울여야 합니다.다른 위상(예: 고온 위상 트리디마이트 및 크리스토발라이트)은 발진기에 중요하지 않습니다.모든 석영 발진기 결정은 α-석영 유형입니다.

★★★★★★★★★★★★★★★★★」

성장한 결정의 품질을 측정하는 방법 중 하나로 적외선 분광광도법을 사용한다.일반적으로 wavenovy 3585, 3500 및 3410⁻¹ cm 가 사용됩니다.측정값은 OH 래디칼의 흡수대역을 기준으로 하며 적외선 Q값을 계산한다.전자 등급 결정인 C 등급은 Q가 180만 이상이고, 프리미엄 등급 B 등급 결정은 Q가 220만이며, 특수 등급 A 등급 결정은 Q가 300만입니다.Q 값은 z 영역에 대해서만 계산되며, 다른 영역을 포함하는 결정에는 악영향을 미칠 수 있습니다.또 다른 품질 지표는 식각 채널 밀도입니다. 결정을 식각하면 선형 결함에 따라 관 모양의 채널이 생성됩니다.예를 들어 손목시계 음차 결정과 같은 식각과 관련된 가공에서는 낮은 식각 채널 밀도가 바람직하다.스윕 석영에 대한 식각 채널 밀도는 약 10–100이며, 비위축 석영에 대한 식각 채널 밀도는 훨씬 더 높습니다.식각 채널 및 식각 피트가 있으면 공진기의 Q가 저하되고 비선형성이 ^[27]발생합니다.

.

석영 결정은 특정 목적을 위해 재배될 수 있습니다.

AT 컷용 크리스털은 발진기 재료의 대량 생산에서 가장 일반적이며, 모양과 치수는 필요한 웨이퍼의 높은 수율에 맞게 최적화되어 있습니다.고순도 석영 결정은 알루미늄, 알칼리 금속 및 기타 불순물 함량이 특히 낮고 결함이 최소화되어 재배됩니다. 알칼리 금속의 양이 적으면 이온화 방사선에 대한 저항성이 높아집니다.음차 32768Hz 결정을 절단하는 손목시계용 결정은 매우 낮은 식각채널 밀도로 성장시킨다.

SAW 장치용 크리스털은 납작하게 성장하며, 식각 채널 밀도가 낮은 큰 X 크기 시드로 성장합니다.

매우 안정적인 발진기에 사용되는 특수 고Q 결정은 일정한 느린 속도로 성장하며 Z축 전체를 따라 낮은 적외선 흡수율을 유지합니다.결정은 Y축 방향 길이와 ^[25]X축 폭을 가진 판시드에서 성장한 Y-bar 형태로 Y축을 따라 연장된 종자 결정과 Z-플레이트로 성장시킬 수 있다.시드 결정 주변에는 결정 결함이 다수 포함되어 있으므로 웨이퍼에 사용해서는 안 됩니다.

결정체는 이방성적으로 성장한다; Z축을 따라 성장하는 것은 X축을 따라 성장하는 것보다 최대 3배 빠르다.성장 방향과 속도는 ^[28]불순물 흡수 속도에도 영향을 미친다.Y-bar 결정 또는 긴 Y축을 가진 Z-플레이트 결정에는 보통 +X, -X, Z 및 ^[29]S라고 불리는 4개의 성장 영역이 있습니다.성장 중 불순물의 분포는 고르지 않습니다. 성장 영역마다 오염물질의 수준이 다릅니다.Z 영역은 가장 순수하고, 때때로 존재하는 작은 S 영역은 덜 순수하며, +X 영역은 아직 덜 순수하며, -X 영역은 가장 높은 수준의 불순물을 가집니다.불순물은 방사선 경도, 트윈닝, 필터 손실 및 ^[30]결정의 장단기 안정성에 부정적인 영향을 미칩니다.다른 방향으로 잘라진 씨앗은 다른 종류의 성장 ^[31]영역을 제공할 수 있습니다.-X 방향의 성장 속도는 결정 표면에 물 분자가 흡착되는 효과로 인해 가장 느립니다. 알루미늄 불순물은 다른 두 방향의 성장을 억제합니다.알루미늄 함량은 Z 영역에서 가장 낮고 +X에서 더 높지만 -X에서 더 높고 S에서 가장 높습니다. 또한 S 영역의 크기는 알루미늄 양이 증가함에 따라 증가합니다.수소의 함량은 Z 영역에서 가장 낮고 +X 영역에서 더 높지만 S 영역에서 더 높고 -X에서 가장 높습니다.^[32]알루미늄 함유물은 감마선 조사를 통해 색중심으로 변환되어 선량과 불순물 수준에 비례하는 결정을 어둡게 한다. 어두운 영역이 다르면 다른 성장 영역이 드러난다.

석영 결정의 주요 결함 유형은 결정 격자의 Si(IV) 원자에 Al(III)을 대체하는 것입니다.알루미늄 이온에는 H 이온(주변 산소에 부착되어 수산화기를 형성함)일⁺ 수 있는 관련 간질 전하 보상기가 근처에 있습니다.OH⁺ 결함), Li 이온, Na⁺ 이온, K⁺ 이온(흔하지 않음), 또는 가까운 산소 원자 오비탈에 갇힌 전자 구멍.리튬 또는 나트륨 알칼리 화합물을 기반으로 하는 성장 용액의 구성은 알루미늄 결함에 대한 전하 보상 이온을 결정합니다.이온 불순물은 단단하게 결합되어 있지 않고 결정을 통과하여 국소 격자 탄성 및 결정의 공진 주파수를 변경할 수 있기 때문에 문제가 됩니다.우려되는 다른 일반적인 불순물로는 철(III)(간격), 불소, 붕소(II), 인(V)(치환), 티타늄(IV)(치환, 마그마 석영에 보편적으로 존재하며 열수 석영에는 흔하지 않음), 게르마늄(IV)(치환) 등이 있다.나트륨과 철 이온은 아크나이트와 엘레미오사이트 결정을 포함할 수 있습니다.물은 빠르게 성장한 결정체에 존재할 수 있으며, 중간질 물 분자는 결정 씨앗 근처에 풍부합니다.또 하나의 중요한 결함은 성장결함인 수소로, Si-O-Si 구조 대신 한 쌍의 Si-OH HO-Si기가 형성되어 본질적으로 가수화 결합이다.빠르게 성장한 결정체는 느리게 성장한 결정체보다 더 많은 수소 결함을 가지고 있다.이러한 성장 결함은 방사선에 의해 유도되는 과정에 수소 이온이 공급되고 Al-OH 결함이 형성되기 때문이다.게르마늄 불순물은 조사 중에 생성된 전자를 가두는 경향이 있습니다. 그러면 알칼리 금속 양이온이 음전하를 띤 중심을 향해 이동하고 안정화 복합체를 형성합니다.매트릭스 결점도 존재할 수 있습니다. 산소 공실, 실리콘 공실(일반적으로 4개의 수소 또는 3개의 수소 및 1개의 구멍으로 보상됨), 과산화기 등이 있습니다.일부 결함은 금지된 대역에서 국소적인 수준을 만들어 전하 트랩 역할을 합니다. Al(III)과 B(III)는 일반적으로 홀 트랩 역할을 하며, 전자 공실, 티타늄, 게르마늄 및 인 원자는 전자 트랩 역할을 합니다.갇힌 전하 캐리어는 가열에 의해 방출될 수 있으며, 재결합이 열 발광의 원인입니다.

간질 이온의 이동성은 온도에 따라 크게 달라진다.수소 이온은 10 K까지 이동하지만 알칼리 금속 이온은 200 K 안팎의 온도에서만 이동한다.히드록실 결함은 근적외선 분광법으로 측정할 수 있다.갇힌 구멍은 전자 스핀 공명으로 측정할 수 있습니다.Al-Na⁺ 결점은 응력 유도 운동으로 인한 음향 손실 피크로 나타납니다. Al-Li⁺ 결점은 잠재적 유정을 형성하지 않기 때문에 이 ^[33]방법으로는 검출할 수 없습니다.열 어닐링 중에 방사선에 의해 유발되는 결함 중 일부는 열 발광(thermoluminesence)을 발생시킵니다. 알루미늄, 티타늄 및 게르마늄과 관련된 결함은 구별할 ^[34]수 있습니다.

스윕 결정은 고체 전기 확산 정화 과정을 거친 결정입니다.스위핑은 수소가 없는 환경에서 최소 1kV/cm의 전압 기울기로 수 시간(일반적으로 12시간 이상) 동안 결정을 500°C 이상으로 가열하는 것을 수반합니다.불순물의 이동과 알칼리 금속 이온의 수소(공기로 쓸었을 때) 또는 전자 구멍(진공으로 쓸었을 때)으로의 점진적인 치환으로 결정의 약한 전류가 발생합니다. 이 전류가 일정한 값으로 붕괴하면 프로세스가 종료됩니다.그리고 나서 전기장이 유지되는 동안 결정은 식혀집니다.이 불순물은 결정의 음극 영역에 농축되어 있으며, 그 후 차단되어 ^[35]폐기됩니다.쓸어내린 결정은 선량 효과가 알칼리 금속 불순물 수준에 따라 달라지기 때문에 방사선에 대한 내성을 증가시킨다. 이는 핵 및 우주 기술 ^[36]등 이온화 방사선에 노출된 장치에 사용하기에 적합하다.더 높은 온도와 더 높은 전계 강도로 진공 상태에서 청소하면 더 많은 방사선에 강한 ^[37]결정이 생성됩니다.불순물의 수준과 특성은 적외선 ^[38]분광법으로 측정할 수 있다.석영은 α상과 β상 모두 스위핑할 수 있으며 β상 스위핑은 더 빠르지만 상전이가 트윈링을 유도할 수 있습니다.결정체가 상변환온도영역을 ^[37]통해 냉각되는 동안 X방향의 압축응력 또는 X축에 따른 교류 또는 직류전계를 가함으로써 트윈닝을 완화할 수 있다.

스위핑은 또한 한 종류의 불순물을 결정체에 도입하기 위해 사용될 수 있다.리튬, 나트륨, 수소가 휩쓸린 결정은 석영 거동을 연구하는 데 사용됩니다.

높은 기본 모드 주파수를 위한 매우 작은 결정체는 포토 ^[27]리소그래피로 제조할 수 있습니다.

레이저 트리밍을 통해 정확한 주파수로 결정을 조정할 수 있습니다.아마추어 라디오의 세계에서 결정 주파수를 약간 줄이는 기술은 은 전극을 가진 결정을 요오드의 증기에 노출시킴으로써 얻을 수 있다. 요오드는 얇은 층을 형성함으로써 표면에 약간의 질량을 증가시킨다. 그러나 이러한 결정은 장기적인 안정성에 문제가 있었다.일반적으로 사용되는 다른 방법은 물, 구연산 또는 소금에 녹인 라피스라줄리에 공진기를 침지시키고 한쪽 전극으로 공진기를, 다른 한쪽 전극으로 작은 은 전극을 이용하여 은 전극 두께를 전기화학적 증감시키는 것이다.

전류의 방향을 선택함으로써 전극의 질량을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.자세한 내용은 UB5LEV에 의해 "Radio" 매거진 (3/1978)에 게재되었습니다.

전극의 일부를 긁어내서 주파수를 높이는 것은 권장되지 않습니다.결정이 손상되어 Q계수가 낮아질 수 있습니다.캐패시터 트리머는 발진기 회로의 주파수 조정에도 사용할 수 있습니다.

기타 자료

석영 외에 다른 압전 재료를 사용할 수 있습니다.여기에는 탄탈산리튬, 니오브산리튬, 붕산리튬, 베를린라이트, 비화갈륨, 사붕산리튬, 인산알루미늄, 산화비스무트 게르마늄, 다결정 지르코늄 세라믹스, 고알루미나 세라믹스, 산화실리콘-아연 복합물 또는 주석산2칼륨의 ^[39][40]단결정이 포함된다.일부 재료는 특정 용도에 더 적합할 수 있습니다.실리콘 칩 ^[41]표면에 공진기 재료를 퇴적시킴으로써 발진기 결정을 제조할 수도 있다.인산갈륨, 랑가사이트, 랑가나이트 및 랑가테이트의 결정은 대응하는 석영 결정보다 약 10배 더 끌어당길 수 있으며, 일부 VCXO ^[42]발진기에 사용됩니다.

안정성.

주파수 안정성은 결정의 Q에 의해 결정됩니다.이 값은 주파수와 특정 컷에 따라 달라지는 상수에 따라 반대로 달라집니다.Q에 영향을 미치는 다른 요인으로는 사용된 오버톤, 온도, 결정의 구동 수준, 표면 마감 품질, 접합 및 장착에 의해 결정과 부착된 전극의 형상, 결정의 재료 순도와 결함, 기체의 종류 및 압력이 있습니다.인클로저, 간섭 모드, 이온화 및 중성자 방사선의 존재 및 흡수 선량.

온도

온도는 작동 주파수에 영향을 미칩니다. 아날로그 보상(TCXO) 및 마이크로 컨트롤러 보상(MCXO)에서 크리스털 오븐(OCXO)을 통한 온도 안정에 이르기까지 다양한 형태의 보상이 사용됩니다.결정에는 온도 이력(hysteresis)이 있습니다.온도를 높임으로써 얻을 수 있는 특정 온도에서의 주파수는 온도를 낮춤으로써 얻을 수 있는 동일한 온도에서의 주파수와 같지 않습니다.온도 감도는 주로 컷에 따라 달라집니다. 주파수/온도 의존성을 최소화하기 위해 온도 보상 컷이 선택됩니다.선형 온도 특성을 사용하여 특수 절단을 만들 수 있습니다. LC 절단은 석영 온도계에 사용됩니다.다른 영향 요인으로는 사용된 오버톤, 장착 및 전극, 결정 내 불순물, 기계적 변형률, 결정 형상, 온도 변화율, 열 이력(이력으로 인한), 이온화 방사선 및 드라이브 레벨이 있습니다.

결정의 주파수/온도 및 저항/온도 특성(액티비티 딥)에서 이상을 겪는 경향이 있습니다.이는 특정 온도에서 국소화된 작은 하향 주파수 또는 상향 저항 Excursion으로, 그 온도 위치는 부하 캐패시터의 값에 따라 달라집니다.

기계적 응력

기계적 응력도 주파수에 영향을 미칩니다.이 응력은 전극의 장착, 접합 및 적용, 마운팅, 전극 및 결정 자체의 차동 열팽창, 경화 중 접합 재료의 팽창 또는 수축, 전달되는 공기 압력에 의해 유발될 수 있습니다.결정 격자 자체의 응력(비균일한 성장, 불순물, 전위), 제조 중 표면 결함 및 손상, 결정 질량에 대한 중력의 작용에 의해 결정 인클로저 내의 주변 압력으로 전달된다. 따라서 주파수는 결정의 위치에 따라 영향을 받을 수 있다.다른 동적 응력 유발 요인으로는 충격, 진동 및 음향 소음이 있습니다.일부 절단은 응력에 덜 민감합니다. SC(스트레스 보상) 절단이 그 예입니다.대기압 변화로 인해 하우징에 변형이 발생할 수 있으며, 부유 캐패시턴스를 변경하여 주파수에 영향을 미칠 수 있습니다.

대기 습도는 공기의 열 전달 특성에 영향을 미치며, 물 분자가 구조 안으로 확산됨으로써 플라스틱의 전기적 특성을 변화시킬 수 있으며, 유전 상수와 전기 ^[43]전도율을 변경할 수 있습니다.

주파수에 영향을 미치는 다른 요인으로는 전원 공급 전압, 부하 임피던스, 자기장, 전계(예를 들어 SC 컷), γ 입자 및 이온화 방사선의 존재 및 흡수 선량, 결정의 나이 등이 있습니다.

에이징

결정체는 노화라고 알려진, 시간에 따라 천천히 점진적인 주파수 변화를 겪습니다.많은 메커니즘이 관련되어 있습니다.장착 및 접점은 내장된 응력을 완화시킬 수 있습니다.잔류 대기로 인한 오염 분자, 결정, 전극 또는 포장재로부터 배출되거나 하우징을 밀봉하는 동안 유입된 오염 분자는 결정 표면에 흡착되어 질량이 변화할 수 있습니다. 이 효과는 석영 결정 미세 균형에서 이용됩니다.결정의 구성은 가스 배출, 불순물 원자의 확산 또는 전극으로부터의 이동을 통해 점진적으로 변화하거나 방사선에 의해 격자가 손상될 수 있다.인클로저의 결정 또는 내부 표면에서 느린 화학 반응이 발생할 수 있습니다.전극 재료(예: 크롬 또는 알루미늄)는 결정과 반응하여 금속 산화물 및 실리콘 층을 형성할 수 있습니다. 이러한 계면 층은 시간의 변화를 겪을 수 있습니다.인클로저 내 압력은 다양한 기압, 온도, 누출 또는 내부 물질의 배기 가스 배출로 인해 변경될 수 있습니다.결정 자체의 외부 요인으로는 발진기 회로의 노후화(및 캐패시턴스의 변화)와 결정 오븐의 파라미터 드리프트 등이 있습니다.외부 대기 구성도 노화에 영향을 줄 수 있으며, 수소는 니켈 하우징을 통해 확산될 수 있습니다.헬륨은 루비듐 ^[44]규격의 유리 인클로저를 통해 확산될 때 유사한 문제를 일으킬 수 있습니다.

금은 저노화 공진기에 선호되는 전극 재료입니다. 금의 석영과의 접착력은 강한 기계적 충격에도 접촉을 유지할 수 있을 만큼 강하지만 크롬, 알루미늄 및 니켈과 달리 상당한 변형률 구배를 지원하지 않을 만큼 약합니다.금은 또한 산화물을 형성하지 않으며, 공기 중의 유기 오염 물질을 흡착하지만, 쉽게 제거할 수 있습니다.그러나 금만 박리될 수 있으므로 크롬층이 결합 강도를 높이기 위해 사용되기도 합니다.은과 알루미늄은 전극으로 자주 사용되지만, 시간이 지남에 따라 산화층을 형성하여 결정 질량을 증가시키고 주파수를 낮춥니다.은은 요오드 증기로 이동하여 요오드화은의 층을 형성함으로써 패시베이션될 수 있다.알루미늄은 약 5nm 두께에 도달할 때까지 쉽게 천천히 산화됩니다. 인공 노화 시 온도가 증가해도 산화물 형성 속도가 크게 빨라지지 않습니다. 양극산화 ^[45]처리를 통해 두꺼운 산화층을 형성할 수 있습니다.요오드 증기에 대한 은도금 결정의 전시는 결정 주파수를 약간 낮추는 아마추어 조건에서도 사용할 수 있으며 전극의 일부를 긁어냄으로써 주파수를 높일 수도 있지만 결정 손상 및 Q의 손실을 초래할 위험이 있다.

전극 간의 DC 전압 바이어스는 초기 노화를 가속화할 수 있으며, 아마도 결정을 통한 불순물의 유도 확산에 의해 가속화될 수 있습니다.콘덴서를 크리스탈과 직렬로 배치하고 몇 메가옴 저항을 병렬로 배치하면 이러한 전압을 최소화할 수 있습니다.

기계적 손상

크리스탈은 충격에 민감하다.기계적 응력은 결정의 응력 민감도로 인해 발진기 주파수에 단기적인 변화를 일으키며, 장착 및 내부 응력의 충격에 의한 변화(기계 부품의 탄성 한계를 초과하는 경우), 결정 표면으로부터의 오염 탈리 등으로 인해 주파수의 영구적인 변화를 초래할 수 있습니다.es 또는 발진기 회로의 파라미터 변경.높은 충격으로 인해 설치부에서 결정체가 찢어지거나(특히 얇은 와이어에 매달린 큰 저주파 결정의 경우), 결정의 균열이 발생할 수 있습니다.표면 결함이 없는 결정은 충격에 매우 강하며, 화학 연마로 수만 ^[46]g의 생존이 가능한 결정을 만들 수 있습니다.

주파수 변동

크리스탈은 작은 단기 주파수 변동도 겪습니다.이러한 소음의 주요 원인은 열 노이즈(소음 바닥을 제한하는), 포논 산란(격자 결함의 영향을 받는), 결정 표면의 분자의 흡착/탈착, 발진기 회로의 소음, 기계적 충격 및 진동, 가속 및 방향 변화, 온도 변동 및 m의 완화입니다.역학적 스트레스단기 안정성은 다음 4가지 주요 파라미터로 측정됩니다.앨런 분산(발진기 데이터 시트에 지정된 가장 일반적인 것), 위상 노이즈, 위상 편차의 스펙트럼 밀도 및 분수 주파수 편차의 스펙트럼 밀도.가속과 진동의 영향은 다른 소음원을 지배하는 경향이 있다. 표면 탄성파 장치는 벌크 탄성파(BAW) 장치보다 더 민감하며 응력 보상 컷은 훨씬 덜 민감하다.가속 벡터와 결정의 상대적인 방향은 결정의 진동 감도에 큰 영향을 미칩니다.기계식 방진 마운트는 안정성 높은 크리스탈에 사용할 수 있습니다.

위상 노이즈는 주파수 곱셈을 사용하는 주파수 합성 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 주파수를 N으로 곱하면 위상 노이즈 파워가 N으로 증가합니다².주파수를 10배로 곱하면 위상 오차의 크기가 10배로 증가합니다.이는 PLL 또는 FSK 기술을 사용하는 시스템에 치명적일 수 있습니다.

방사선 손상

결정체는 방사선 손상에 어느 정도 민감합니다.천연 석영은 인공 성장 결정보다 훨씬 민감하며, 결정체를 쓸어내림으로써 감도를 더욱 낮출 수 있습니다. 즉, 최소 500V/cm의 전기장에서 최소 12시간 동안 수소가 없는 분위기에서 결정을 최소 400°C까지 가열합니다.이러한 쓸린 결정들은 안정적인 이온화 방사선에 매우 낮은 반응을 보인다.일부 Si(IV) 원자는 Al(III) 불순물로 대체되며, 각 원자는 근처에 보정⁺ Li 또는⁺ Na 양이온을 가진다.이온화는 전자-공 쌍을 생성하며, 구멍은 Al 원자 근처의 격자에 갇히고, 결과인 Li 및 Na 원자는 Z축을 따라 느슨하게 갇힙니다. Al 원자 근처의 격자와 대응하는 탄성 상수의 변화는 그에 상응하는 주파수 변화를 일으킵니다.Li와 Na 이온을⁺⁺ 격자에서 제거하여 이 효과를 감소시킵니다.Al³⁺ 사이트는 또한 수소 원자를 가둘 수 있다.모든 결정체는 X선 펄스에 노출된 후 일시적으로 음의 주파수 시프트가 발생하며, 그 주파수는 점차적으로 역방향으로 전환됩니다.자연 석영은 10~1000초 후에 안정된 주파수에 도달하여 음의 오프셋을 조사 전 주파수로 하여 방사 전 주파수보다 약간 낮거나 높은 주파수로 되돌아갑니다.원래 주파수로 사실상 소둔됩니다.아닐은 온도가 높을 때 더 빠릅니다.높은 온도와 전계 강도의 진공 상태에서 쓸어내면 X선 ^[37]펄스에 대한 결정의 반응을 더욱 줄일 수 있습니다.미위축 결정의 직렬 저항은 X선 선량 후에 증가하며, 자연 석영에서는 다소 높은 값(회로 내 대응하는 게인 리저브가 필요)으로, 합성 결정에서는 조사 전 값으로 되돌아간다.스윕 결정의 직렬 저항은 영향을 받지 않습니다.직렬 저항이 증가하면 Q가 저하됩니다. 너무 높으면 진동이 멈출 수 있습니다.중성자 방사선은 원자를 녹아웃함으로써 격자에 전위를 도입함으로써 주파수 변화를 유도한다. 단일 고속 중성자는 많은 결함을 야기할 수 있다. SC 및 AT 절단 주파수는 흡수된 중성자 선량에 따라 거의 선형적으로 증가하는 반면 BT 절단 주파수는 ^[47]감소한다.중성자는 온도-주파수 특성도 변화시킨다.낮은 이온화 방사선량에서 주파수 변화는 높은 선량보다 비례적으로 높다.고강도 방사선은 결정과 트랜지스터의 광전도성을 유도하여 발진기를 정지시킬 수 있습니다. 스윕된 결정과 적절하게 설계된 회로를 사용하면 방사 버스트 후 15마이크로초 이내에 진동이 다시 시작될 수 있습니다.알칼리 금속 불순물 함량이 높은 석영결정은 조사 시 Q가 손실되며, 쓸린 인공결정의 Q는 영향을 받지 않는다.더 높은 선량(10rad 이상⁵)으로 조사하면 후속 선량에 대한 민감도가 낮아진다.매우 낮은 방사선량(300rad 미만)은 불균형적으로 높은 영향을 미치지만, 이 비선형성은 높은 선량에 포화된다.매우 높은 선량에서는 영향을 ^[36]받을 수 있는 불순물 부위의 수가 한정되어 있기 때문에 결정의 방사선 반응도 포화된다.

자기장은 석영이 반자성이기 때문에 결정 자체에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 와전류 또는 AC 전압이 회로로 유도될 수 있으며 마운트 및 하우징의 자기 부분에 영향을 미칠 수 있습니다.

전원을 켠 후 크리스탈이 "온열"되고 주파수가 안정되는 데 몇 초에서 몇 분 정도 걸립니다.오븐 제어 OCXO는 열 평형에 도달하기 위해 가열하는 데 보통 3~10분이 소요됩니다. 결정에서 산란되는 몇 밀리 와트 때문에 오븐 없는 발진기는 작지만 눈에 띄는 수준의 내부 ^[48]발열을 일으키기 때문에 몇 초 안에 안정됩니다.

크리스탈에는 고유의 고장 메커니즘이 없습니다.어떤 크리스탈은 수십 년 동안 장치에서 작동했습니다.그러나 접합 결함, 누출 인클로저, 부식, 노후화에 의한 주파수 이동, 너무 높은 기계적 충격에 의한 결정파괴 또는 비위축 석영 사용 ^[49]시 방사선에 의한 손상으로 인해 고장이 발생할 수 있습니다.크리스탈은 또한 과속으로 인해 손상될 수 있다.

크리스털은 적절한 드라이브 레벨에서 구동되어야 합니다.AT 컷은 전기적 매개 변수, 안정성 및 노후화 특성만 과도하게 구동될 경우 너무 높은 드라이브 레벨에서 저주파 결정, 특히 플렉시블 모드 결정이 파손될 수 있기 때문에 상당히 너그러운 경향이 있습니다.드라이브 레벨은 크리스탈에서 방산되는 전력량으로 지정됩니다.최대 100kHz의 굽힘 모드의 경우 약 5μW, 1~4MHz의 경우 1μW, 4~20MHz의 경우 0.5μW, 20~200MHz의 ^[50]경우 오버톤 모드의 경우 0.5μW의 드라이브 레벨이 됩니다.드라이브 레벨이 너무 낮으면 오실레이터 시작 시 문제가 발생할 수 있습니다.드라이브 레벨이 낮을수록 발진기의 안정성과 전력 소비량이 높아집니다.드라이브 레벨이 높을수록 신호 대 잡음비가 ^[51]증가하여 노이즈의 영향을 줄일 수 있습니다.

AT 컷 결정의 안정성은 빈도가 증가함에 따라 감소합니다.보다 정확한 고주파수에는 기본 주파수가 낮은 오버톤으로 동작하는 결정을 사용하는 것이 좋습니다.

에이징은 시간이 지남에 따라 대수적으로 감소하며, 가장 큰 변화는 제조 직후에 발생합니다.85~125°C에서 장기간 보관함으로써 결정을 인공적으로 숙성시키면 장기적인 안정성을 높일 수 있다.

잘못 설계된 발진기 회로가 갑자기 오버톤으로 발진하기 시작할 수 있습니다.1972년 캘리포니아 프레몬트의 열차가 발진기의 결함으로 추락했다.탱크 캐패시터의 부적절한 값으로 인해 제어기판의 크리스털이 오버드라이브되어 오버톤으로 점프하여 열차가 ^[52]감속하지 않고 가속하게 되었습니다.

크리스탈 컷

공진기 플레이트는 소스 결정에서 여러 가지 방법으로 절단할 수 있습니다.절단 방향은 결정의 노화 특성, 주파수 안정성, 열 특성 및 기타 매개변수에 영향을 미칩니다.이러한 컷은 벌크 탄성파(BAW)로 동작합니다.고주파에는 표면 탄성파(SAW) 장치가 사용됩니다.

여러 크리스탈 컷 이미지^[53]

인하.	주파수 범위	모드	각도	묘사
AT	0.5~300MHz	두께 전단(c-모드, 느린 준표준)	35°15', 0°(25MHz 미만) 35°18', 0°(10MHz 이상)	1934년에 개발된 가장 일반적인 컷입니다.판에는 결정의 x축이 포함되어 있으며 z(광학)축에서 35°15' 기울어져 있습니다.주파수-온도 곡선은 약 25-35°C에서 변곡점이 있는 사인형 곡선입니다.주파수가 1.661MHzµmm로 [54]일정합니다.모든 결정의 대부분(90% 이상으로 추정됨)이 이 [55]변종입니다.0.5~200MHz 범위의 넓은 온도 범위에서 작동하는 발진기에 사용되며, 오븐 제어 [56]발진기에도 사용됩니다.외력에 의한 것이든 온도 구배에 의한 것이든 기계적 응력에 민감합니다.Thickness-shear 결정 일반적으로 근본적인 모드에서 1–30 MHz, 30–90 MHz에서 3overtone, 90–150 MHz에서 5일 overtone에;[57]그 모드 것이 보통이며, 아직 또 다른 소식통에 따르면 근본적인 f만 100MHz[58]제한 사용된다 그들은 기본 모드 작동을 위해 300MHz까지, 만들 수 있고 다른 소식통에 따르면 운영requencAT 컷의 y는 소경 [54]블랭크에 대해 40MHz로 제한됩니다.일반적인 원형 디스크 또는 스트립 공진기로 제조할 수 있으며, 훨씬 작은 사이즈가 가능합니다.석영 블랭크 두께는 약 (1.661 mm)/(MHz 단위 주파수)이며,[59] 추가 처리에 의해 주파수가 다소 이동됩니다.세 번째 오버톤은 기본 주파수의 약 3배이며, 오버톤당 약 25kHz씩 기본 주파수의 등가 배율보다 높은 톤입니다.오버톤 모드에서 작동하도록 설계된 크리스탈은 주어진 [50]오버톤 주파수에서 최고의 성능을 위해 평면 병렬 및 표면 마감을 위해 특별히 처리되어야 합니다.
SC	0.5~200MHz	두께 전단	35°15', 21°54'	1974년에 개발된 특수 컷(스트레스 보상)은 저상 노이즈와 양호한 에이징 특성을 가진 오븐 안정 발진기를 위한 이중 회전 컷(35°15' 및 21°54')입니다.기계적 응력에 덜 민감합니다.더 빠른 예열 속도, 더 높은 Q, 더 나은 근접 위상 노이즈, 중력 벡터에 대한 공간 방향 감도 및 [60]진동에 대한 감도 감소.주파수 정수는 1.797MHzµmm입니다.커플링 모드는 AT 컷보다 더 나쁘고 저항이 더 높은 경향이 있습니다. 오버톤 간에 변환하려면 훨씬 더 많은 주의가 필요합니다.AT 컷과 동일한 주파수로 작동합니다.주파수-온도 곡선은 95°C에서 변곡점을 갖는 3차 하향 포물선이며 AT 컷보다 온도 감도가 훨씬 낮습니다.우주 및 GPS 시스템과 같은 OCXO에 적합합니다.AT 컷보다 가용성이 낮고 제조가 더 어렵습니다. 파라미터의 크기 순서의 개선은 결정 배향 [61]공차보다 훨씬 엄격한 값으로 거래됩니다.에이징 특성은 AT컷보다 2~3배 우수합니다.드라이브 레벨에 대한 감도가 낮습니다.액티비티 딥이 훨씬 적습니다.플레이트 형상에 덜 민감합니다.오븐이 필요하며, 온도가 낮을 때 주파수가 급격히 떨어지기 때문에 주변 온도에서 잘 작동하지 않습니다.대응하는 AT 컷보다 운동 캐패시턴스가 몇 배 낮기 때문에 연결된 캐패시터에 의해 결정 주파수를 조정할 가능성이 줄어듭니다.이것에 의해, 종래의 TCXO 및 VCXO 디바이스, 및 결정 주파수를 [62][63]조정할 필요가 있는 그 외의 애플리케이션에서의 사용이 제한됩니다.기본 주파수에 대한 온도 계수는 세 번째 오버톤과 다릅니다. 두 주파수에서 동시에 작동하도록 결정이 구동될 때 결과 비트 주파수를 마이크로컴퓨터 보정 크리스털 오실레이터에서 온도 감지에 사용할 수 있습니다.전기장에 민감합니다.공기 감쇠에 민감하기 때문에 최적의 Q를 얻으려면 [45]진공 상태에서 포장해야 합니다.b-모드의 온도계수는 -25ppm/°C, 듀얼모드 80~100ppm/°[64]C 이상입니다.
BT	0.5~200MHz	두께 전단(b-모드, 고속 준표준)	−49°8', 0°	판이 z축에서 49°에서 절단된다는 점을 제외하고 AT 절단과 유사한 특수 절단.두께 전단 모드, b-모드(고속 준 전단)에서 작동합니다.이것은 잘 알려져 있고 반복 가능한 [65]특성을 가지고 있습니다.주파수 정수가 2.536MHzµmm입니다.AT 컷보다 낮은 온도 특성을 가집니다.주파수 정수가 높기 때문에 최대 50MHz 이상의 AT [54]컷보다 높은 주파수를 가진 크리스탈에 사용할 수 있습니다.
IT부문		두께 전단		특수 컷은 오븐 안정형 발진기의 특성을 개선한 이중 회전 컷입니다.두께 전단 모드에서 작동합니다.주파수-온도 곡선은 변곡점이 78°C인 3차 하향 포물선입니다.거의 사용하지 않는다.SC 컷과 유사한 성능 및 특성을 가지며 고온에 적합합니다.
FC		두께 전단		오븐 안정 발진기를 위한 특성을 개선한 특수 컷, 이중 회전 컷.두께 전단 모드에서 작동합니다.주파수-온도 곡선은 변곡점이 52°C인 3차 하향 포물선입니다.거의 사용하지 않는다.오븐 제어 발진기에 사용됩니다. 오븐은 AT/IT/SC 컷보다 낮은 온도로 설정될 수 있으며, 온도 주파수 곡선의 평평한 부분(다른 컷보다 넓은 부분)의 시작점까지 설정할 수 있습니다. 주변 온도가 이 영역에 도달하면 오븐이 꺼지고 결정이 주변 온도 조절기에서 작동합니다.적절한 정확도를 유지하면서.따라서 이 컷은 상대적으로 낮은 오븐 온도를 허용하는 절전 기능과 높은 주변 [66]온도에서 합리적인 안정성을 결합합니다.
AK		두께 전단		AT 및 BT 절단보다 온도 주파수 특성이 우수하고 AT, BT 및 SC 절단보다 결정학적 방향에 대한 내성이 높은 이중 회전 절단(계산에 따른 표준 AT 절단 대비 계수 50)Thickness-Shear [61]모드에서 작동합니다.
CT	300 ~ 900 kHz	면 전단	38°, 0°	주파수-온도 곡선은 하향 포물선입니다.
DT	75 ~ 800 kHz	면 전단	−52°, 0°	CT컷과 비슷합니다.주파수-온도 곡선은 하향 포물선입니다.온도 계수가 CT 컷보다 낮습니다. 주파수 범위가 허용되는 경우 [54]CT보다 DT가 우선됩니다.
SL		얼굴 인식	−57°, 0°
GT	0.1~3MHz	폭 비례의	51°7'	온도계수는 -25..+75°C는 두 [54]모드 사이의 취소 효과 때문에 0에 가깝습니다.
E, 5°X	50 ~ 250 kHz	세로 방향의		상당히 낮은 온도 계수를 가지며 저주파 크리스털 [54]필터에 널리 사용됩니다.
MT	40 ~ 200 kHz	세로 방향의
ET			66°30'
FT			−57°
NT	8 ~ 130 kHz	길이 폭의 굴곡(표준)
XY, 음차	3~85 kHz	길이 폭의 굴곡		지배적인 저주파수 결정은 다른 저주파수 컷보다 작고 비용이 저렴하기 때문에 임피던스가 낮고 Co/C1 비율이 낮습니다.주요 용도는 32.768kHz RTC 결정입니다.두 번째 오버톤은 기본 [50]주파수의 약 6배입니다.
H	8 ~ 130 kHz	길이 폭의 굴곡		광대역 필터에 광범위하게 사용됩니다.온도 계수는 선형입니다.
J	1~12 kHz	길이 굴곡		J 컷은 두 개의 석영 플레이트가 접합되어 있으며, 주어진 전기장에 대한 위상 이탈 운동을 생성하도록 선택됩니다.
RT				이중 회전 절단.
SBTC				이중 회전 절단.
TS				이중 회전 절단.
X 30°				이중 회전 절단.
LC		두께 전단	11.17°/9.39°	온도-주파수 응답이 선형인 이중 회전 컷("선형 계수")으로, 결정 온도계의 [67]센서로 사용할 수 있습니다.온도계수는 35.4ppm/°[64]C입니다.
AC			31°	온도에 민감하며 센서로 사용할 수 있습니다.고주파 [68]온도 특성을 가진 싱글 모드.온도 계수는 20ppm/°[64]C입니다.
BC			−60°	온도에 [68]민감합니다.
NLSC				온도에 [68]민감합니다.온도계수는 약 14ppm/°[64]C입니다.
Y				온도에 민감하며 센서로 사용할 수 있습니다.고주파 [68]온도 특성을 가진 싱글 모드.판의 평면은 [69]결정의 Y축과 수직입니다.평행도 또는 30도라고도 합니다.온도계수는 약 90ppm/°[64]C입니다.
X				1921년 W.G. Cady에 의해 최초의 수정 발진기 중 하나에 사용되었으며 1927년 [70]Horton과 Marrison에 의해 최초의 수정 클럭에 50kHz 발진기로 사용되었습니다.판의 평면은 결정의 X축에 수직입니다.수직, 법선, 퀴리, 영각 또는 [71]초음파라고도 합니다.

절단 이름의 T는 온도 보상 절단을 나타냅니다. 절단은 격자의 온도 계수가 최소가 되도록 방향을 잡습니다. FC 및 SC 절단도 온도 보상됩니다.

고주파 컷은 주로 스프링의 가장자리에 장착되어 있습니다.스프링의 강성은 최적의 것이어야 합니다.스프링의 강성은 너무 딱딱하고 기계적 충격이 결정으로 전달되어 부서질 수 있습니다.또한 너무 적은 강성으로 인해 결정체가 기계적 충격에 노출되었을 때 패키지 내부와 충돌할 수 있습니다.파손. 스트립 공진기는 보통 AT컷이 더 작기 때문에 기계적 충격에 덜 민감하다.동일한 주파수와 오버톤에서 스트립은 당김성이 낮고 저항이 높으며 온도 ^[72]계수가 높아집니다.

저주파 컷은 실질적으로 움직이지 않는 노드에 장착되어 있으며, 얇은 와이어는 결정과 리드 사이의 각 지점에 부착되어 있습니다.얇은 와이어에 매달린 결정의 큰 질량은 어셈블리를 기계적 충격과 ^[54]진동에 민감하게 만듭니다.

결정체는 일반적으로 밀폐된 유리나 금속 케이스에 장착되며 건조하고 비활성화된 대기(일반적으로 진공, 질소 또는 헬륨)로 채워집니다.플라스틱 하우징도 사용할 수 있지만, 밀폐되어 있지 않기 때문에 결정 주위에 또 다른 2차 씰링을 해야 합니다.

리드를 크리스탈에 직접 부착하는 기존의 방법 외에 몇 가지 공진기 구성이 가능합니다.예:BVA 공진기(Boîtier 아 Vieillissement Amélioré, 밀폐 공간 개선된 고령화로)[73]1976년에, 진동에 영향을 주는 부분은 단결정(는 장착이 스트레스를 감소시킨다는)에서, 그리고 전극을 공진기 자체가 아니지만 2응축기 디스크의 안쪽을 근접한 제품에 대해에 침적되어 있어 이러한 발달되어 있다. sli전극과 진동소자 사이에 응력이 없는 3층 샌드위치를 형성한다.전극과 공진기 사이의 갭은 2개의 작은 직렬 캐패시터 역할을 하므로 결정의 회로 영향을 ^[74]덜 민감하게 만듭니다.이 아키텍처는 전극 간의 표면 접점의 영향, 마운트 연결부의 제약 및 전극에서 진동 ^[75]소자의 격자로의 이온 이동과 관련된 문제를 제거합니다.그 결과, 견고하고 충격과 진동에 강하고, 가속과 이온화 방사선에 강하며, 노화 특성이 개선되었습니다.일반적으로 AT 컷이 사용되지만 SC 컷 변형도 있습니다.BVA 공진기는 우주선 용도로 ^[76]자주 사용됩니다.

1930년대와 1950년대에는 사람들이 수동 분쇄를 통해 결정의 빈도를 조정하는 것이 꽤 흔했다.그 결정들은 그 빈도를 높이기 위해 미세한 연마 슬러리 또는 심지어 치약을 사용하여 분쇄되었다.결정체가 지상에 있을 때 연필 심으로 결정 표면을 표시함으로써 Q를 ^[77]낮추면 1~2kHz 정도의 약간의 감소가 가능했다.

크리스탈의 주파수는 부착된 캐패시턴스를 수정하여 약간 조정할 수 있습니다("당길 수 있습니다.인가전압에 따라 정전용량을 갖는 다이오드인 바랙터는 전압제어 크리스털 발진기, VCXO에 자주 사용됩니다.크리스털 컷은 보통 AT 또는 드물게 SC이며 기본 모드에서 작동합니다. 사용 가능한 주파수 편차의 양은 오버톤 수의 제곱에 반비례하므로 세 번째 오버톤은 기본 모드의 9분의 1만 당깁니다.SC 컷은 안정적이지만 당길 ^[78]수 있는 부분이 상당히 적습니다.

회선 표기법 및 약어

전기 개략도에서는 Y클래스 문자(Y1, Y2 등)로 크리스탈을 지정합니다.발진기는 수정발진기인지 기타인지에 관계없이 클래스 문자 G(G1, G2 등)^[79][80]로 지정됩니다.크리스털은 XTAL 또는 XTAL 또는 XO를 사용한 크리스털 발진기로도 지정할 수 있습니다.

수정 오실레이터 유형 및 약어:

• ATCXO - 아날로그 온도 제어 크리스털 발진기
• CDXO - 교정된 듀얼 크리스털 발진기
• DTCXO - 디지털 온도 보상 크리스털 오실레이터
• EMXO - 배기 미니어처 크리스털 발진기
• GPSDO - 글로벌 포지셔닝 시스템별 발진기
• MCXO - 마이크로컴퓨터 보정 크리스털 발진기
• OCVCXO - 오븐 제어 전압 제어 수정 발진기
• OCXO - 오븐 제어 크리스털 발진기
• RbXO - Rubidium Crystal Orciator(RbXO; 루비듐 결정발진기) - 내장된 루비듐 규격과 동기화된 수정발진기(MCXO일 수 있음)로 전력 절약을 위해 가끔 실행됨
• TCVCXO - 온도 보상 전압 제어 수정 발진기
• TCXO - 온도 보상 크리스털 발진기
• TMXO – 전술 미니어처 크리스털 발진기^[70]
• TSXO - TCXO를 채택한 온도 감지 크리스털 발진기
• VCTCXO - 전압제어 온도보상 크리스털 발진기
• VCXO : 전압제어 크리스털 발진기

「 」를 참조해 주세요.

• 클럭 제너레이터
• 클럭 드리프트 – 수정 발진기의 클럭 드리프트 측정을 사용하여 난수 발생기를 구축할 수 있습니다.
• 크리스털 필터
• Erhard Kietz는 정확한 신호 주파수를 위해 전자 튜닝 포크 및 석영 크리스털을 사용합니다.
• Issac Koga – 안정적인 온도 R1 Koga 컷 발명자
• 피어스 발진기
• 극히 미량의 무게를 재기 위해 수정 발진기를 사용하는 수정 마이크로 밸런스.
• 박막 두께 모니터
• VFO: 가변 주파수 발진기

레퍼런스

추가 정보

• Poddar, A. K.; Rohde, Ulrich L. (2012-10-19). "Crystal Oscillators". Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. pp. 1–38. doi:10.1002/047134608X.W8154. ISBN 978-0471346081.
• Rohde, Ulrich L. (August 1997). Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-52019-1.
• Poddar, A. K.; Rohde, Ulrich L. (21–24 May 2012). "Techniques minimize the phase noise in crystal oscillator circuits". 2012 IEEE International Frequency Control Symposium Proceedings. Frequency Control Symposium (FCS), 2012 IEEE International. IEEE. pp. 1–7. doi:10.1109/FCS.2012.6243701. ISBN 978-1-4577-1820-5.
• Poddar, A. K.; Rohde, U. L.; Apte, A. M. (2013-08-30). "How Low Can They Go?: Oscillator Phase Noise Model, Theoretical, Experimental Validation, and Phase Noise Measurements". Microwave Magazine. IEEE. 14 (6): 50–72. doi:10.1109/MMM.2013.2269859. S2CID 22624948.
• Rohde, Ulrich L.; Poddar, A. K.; Apte, A. M. (2013-08-30). "Getting Its Measure: Oscillator Phase Noise Measurement Techniques and Limitations". Microwave Magazine. IEEE. 14 (6): 73–86. doi:10.1109/MMM.2013.2269860. S2CID 40924332.
• Rohde, Ulrich L. (31 May – 2 June 1978). Mathematical Analysis and Design of an Ultra-Low Noise 100 MHz Oscillator with Differential Limiter and Its Possibilities in Frequency Standards. Proceedings of the 32nd Annual Symposium on Frequency Control. Atlantic City, NJ. pp. 409––. doi:10.1109/FREQ.1978.200269.
• Neubig, Bernd; Briese, Wolfgang (1997). Das große Quarzkochbuch [The Crystal Cookbook] (PDF) (in German) (1 ed.). Feldkirchen, Germany: Franzis Verlag. ISBN 978-3-7723-5853-1. Archived from the original (PDF) on 2019-02-23. Retrieved 2019-02-23. (대체 다운로드: QSL: - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10).AXTAL ZIP: - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 )

외부 링크

• 석영 주파수 표준 소개
• "What is a quartz crystal device?". QIAJ. Quartz Crystal Industry Assoc. of Japan. 2007. Retrieved 2008-08-10.
• Marvin E., Frerking (1996). "Fifty years of progress in quartz crystal frequency standards". Proc. 1996 IEEE Frequency Control Symposium. Institute of Electrical and Electronics Engineers. pp. 33–46. Archived from the original on 2009-05-12. Retrieved 2009-03-31.
• 수정 발진기의 왜곡
• 수정 공진기 및 발진기
• 수정 결정 및 그 발진기, 필터 등의 다단계 요약