I. Prefazione
L'oscillatori di cristalli, cum'è cumpunenti di cuntrollu di frequenza core, sò largamente usati in l'equipaggiu industriale, i sistemi di surviglianza di sicurezza, i dispositi medichi, l'elettronica di l'automobile, l'apparecchi intelligenti è altri campi. Da una perspettiva macro, a custruzzione di l'infrastruttura di l'infurmazione glubale hè intrinsecamente ligata à u sviluppu di l'oscillatori di cristalli. Questu articulu analizeghja sistematicamente l'evoluzione tecnologica di l'oscillatori di cristalli-da a scuperta di l'effettu piezoelectric à l'imballazione nano-scale-revealing how they have propulsed human technology through four industrial revolution.
II. A storia di sviluppu di l'oscillatori di cristalli
1. U Periudu di l'Illuminismu Tecnulugicu
In u 1880, i fratelli Jacques è Pierre Curie anu scupertu chì l'applicazione di l'estressi meccanica à i platti di cristalli di quartz generava un spustamentu di carica elettrica, prupone u cuncettu di ueffettu piezoelectric.
Principiu di l'effettu piezoelettricu: Quandu a pressione hè applicata à i materiali piezoelectrici, una differenza di potenziale elettricu hè generata (cunnisciutu cum'è ueffettu piezoelettricu direttu). À u cuntrariu, applicà a tensione produce stress meccanicu (ueffettu piezoelettricu inversu). Se a pressione implica una vibrazione d'alta-frequenza, genera correnti elettrici d'alta-frequenza. Quandu i segnali elettrici d'alta-frequenza sò applicati à a ceramica piezoelettrica, pruducenu segnali acustici d'alta-frequenza (vibrazioni meccaniche), cumunimenti cunnisciuti cum'è signali ultrasonici.
In u 1918, Paul Langevin hà studiatu l'usu di platti di cristalli di quartz per sviluppà i primi sistemi di sonar per a rilevazione sottumarina. Questu implicava l'integrazione di parechje funzioni di sonar per un processu cumpletu di l'infurmazioni è un cuntrollu centralizatu per risponde à i requisiti tattici, cumprese a ricerca di a direzzione di u rumore, a gamma di eco, a rilevazione di impulsi di sonar, l'identificazione di destinazione è l'avvisu di torpedo. Langevin hà utilizatu X-piatti di quartz cut per generà è detectà l'onde sonore sottumarine.
In u 1921, u prufessore WG Cady di l'Università Wesleyana hà patentatu l'oscillatore di cristalli di quartz. A so patente usava risonatori di cristalli di quartz per cuntrullà a frequenza di l'oscillatore è hà descrittu bars / piastre di quartz cum'è standard di frequenza è filtri. Cusì, Cady hè largamente ricunnisciutu cum'è u primu à utilizà cristalli di quartz per u cuntrollu di freccia in i circuiti oscillatori.
In u 1923, u prufissore di Harvard GW Pierce hà sviluppatu un circuitu d'oscillatori di cristalli chì ponenu u cristalu trà a griglia è l'anodu di una valvola di tubu di vacuum -un precursore di a cunfigurazione di l'oscillatore Pierce.
In u 1925, Westinghouse Electric hà stallatu un oscillatore di cristalli cum'è l'oscillatore principale per a so stazione radio KDKA.
Van Dyke hà sviluppatu u mudellu di circuitu equivalente per i resonatori di cristalli di quartz. Stu circuitu hà duie frequenze di risonanza: ufrequenza di risonanza in serie (fs)., induve a branche Lg-Cg-Rg risona, è u frequenza di risonanza parallela (fp)., a risonanza generale di u circuitu. Siccomu Cg < C0, queste frequenze sò assai vicine. A reattanza-caratteristica di frequenza mostra un cumpurtamentu induttivu trà fs è fp, è un cumpurtamentu capacitivu in altrò.
In u 1926, Y-cristalli tagliati sò stati scuperti è utilizati. Sin'à tandu, solu X-cristalli di quartz cut sò stati utilizati. Mentre i cristalli tagliati in X-avevanu un coefficiente di temperatura di ~-20ppm/gradu, i cristalli tagliati in Y mostranu ~+100ppm/gradu, indicando chì i taglii di cristalli diffirenti puderanu pruduce coefficienti di temperatura variabili.
In u 1927, Warren Marrison di Bell Labs hà sviluppatu u primu standard di oscillatori di cristalli di quartz.
In u 1928, Warren Marrison hà criatu u primu clock di cristalli di quartz in i Bell Telephone Laboratories. L'orologi di quartz rimpiazzavanu l'orologi di pendulu di precisione cum'è i cronometri più precisi di u mondu (finu à l'orologi atomici).
Orologi atomiciAduprate onde elettromagnetiche emesse durante l'assorbimentu / liberazione di l'energia atomica per u timing, ottenendu una precisione di ~ 1 seconda d'errore per 20 milioni d'anni -attualmente u strumentu di cronometrazione più precisu di u mondu.
In u 1934, i resonatori di cristalli di quartz cut AT- è BT-sparu, scuperti indipindentamente da Lack/Willard/Fair (USA), Koga (Giappone) è Beckmann/Straubel (Germania).
2. U Periudu R & D: Mass Production di Crystal Oscillators
In u 1950, l'orologi atomichi sò stati sviluppati. L'orologi di quartz anu ottenutu una precisione massima di 1 segundu annantu à 30 anni (30 ms / annu). Bell Labs hà iniziatu un prucessu idrotermalu per a crescita di cristalli di quartz à scala cummerciale -.
3. U Periudu di Sviluppu: Batch Production & Shift from Military to Civilian Use
In u 1968, Juergen Staudte di l'Aviazione di l'America di u Nordu hà inventatu u prucessu di fotolitografia per a fabricazione di oscillatori di cristalli di quartz, chì permettenu a miniaturizazione per i prudutti portatili cum'è orologi.
In u 1976, i primi cristalli SC-tagliati sò dispunibuli. Principalmente usatu in u fornu-oscillatori à cristalli cuntrullati (OCXO) per via di u so coefficient di temperatura ottimali à e temperature di funziunamentu OCXO.
4. U Periudu di Sviluppu Rapidu: Applicazioni Diversificate in Elettronica
Da u 1990 à l'oghje, l'oscillatori di quartz anu evolutu da DIP à pacchetti SMD più chjuchi, passanu da casings di metalli tradiziunali à incapsulazioni plastica / metallu / ceramica. I requisiti di precisione è frequenza anu aumentatu, esigendu prucessi di fabricazione più fini. L'applicazioni si sò sviluppate da usi di nicchia à diversi campi cum'è 5G, IoT, l'elettronica di l'automobile, l'assistenza sanitaria intelligente è l'apparecchi intelligenti.
III. Riassuntu
L'anni 70+ da u 1880 à u 1956 hà marcatu u periodu di fundazione di l'oscillatori di quartz, carattarizatu da invenzioni rivoluzionarie è innovatori influenti. U prugressu di a tecnulugia di quartz riflette un prucessu graduali di scuperta, cunniscenza è maturazione -l'avanzamenti ùn ponu esse precipitati.