科普!晶振的歷程
晶體振蕩器的發(fā)展到后面被人們廣泛應用于工業(yè)設備,安防監(jiān)控設備,醫(yī)療設備,汽車電子設備,智能家居設備,等領域,算得上世界的改變與晶振有著密不可分的聯(lián)系。
可以說沒有晶體振蕩器,我們可能從未見過時鐘的精確定時,廣泛清晰的廣播或軍事和太空計劃中的重要通信方法。作為標準頻率源或脈沖信號源的石英晶體,是電子工業(yè)與科技發(fā)展不可缺的元器件。那對于晶振的發(fā)展歷程你們知道又有多少?接下來就跟大家一起探討晶振的歷程。
晶振的技術啟蒙期
1880年壓電效應概念現(xiàn)世-居里兄弟
1880年,居里兄弟Jacques和Pierre Curie,研究石英水晶片時,發(fā)現(xiàn)在晶片上施加機械應力時,就會產生電荷的偏移,提出壓電效應這個概念。壓電效應原理:如果對壓電材料施加壓力,它便會產生電位差(稱之為正壓電效應),反之施加電壓,則產生機械應力(稱為逆壓電效應)。如果壓力是一種高頻震動,則產生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時,則產生高頻聲信號(機械震動),這就是我們平常所說的超聲波信號。
1917年Alexander M. Nicholson開發(fā)了第一個晶體振蕩器(使用羅謝爾鹽晶體)。
使用壓電的概念, 貝爾電話實驗室的亞歷山大·尼科爾森(Alexander M. Nicholson)于1917年開發(fā)了第一個晶體振蕩器(使用羅謝爾鹽晶體)。
1918年,朗之萬研究了使用從石英晶體切割的板來開發(fā)用于探測潛艇的早期聲納系統(tǒng)。
聲納系統(tǒng)原理:就是將多種聲吶功能有機結合在一起,對信息進行綜合處理和集中控制,以滿足多種戰(zhàn)術使用要求的系統(tǒng)。主要功能包括噪聲測向、回聲測距、聲吶脈沖偵測、目標識別和魚雷報警等。在這項工作中,朗之萬使用X切割石英板來生成并檢測水中的聲波。
1921年,衛(wèi)斯理大學的凱蒂教授為石英晶體振蕩器申請了專利。
對于這項專利,他使用石英晶體諧振器來控制振蕩器的頻率,他還描述了使用石英條和板作為頻率標準和濾波器。因此,人們普遍認為,凱蒂是第一個使用石英晶體來控制振蕩器電路頻率的人。
1923年,哈佛大學教授 GW Pierce 開發(fā)了一種晶體振蕩器電路,該電路將晶體放置在閥門/真空管的柵極和陽極之間。這是皮爾斯振蕩器配置的前身。
1925年,西屋電氣為他們的廣播電臺 KDKA 的主振蕩器安裝了一個晶體振蕩器。
范戴克開發(fā)了石英晶體諧振器的等效電路。石英諧振器的等效電路,有兩個諧振頻率,一個是串聯(lián)諧振頻率fS,它是Lg、Cg、Rg 支路諧振時的頻率。即:另一個是并聯(lián)諧振頻率fp,它是等效電路的諧振頻率。即:由于Cg<C0,所以兩個頻率非常接近。從石英諧振器的等效電路 可以求出它的電抗頻率特性。在fS 與fp 之間,呈電感性,在此區(qū)域以外,呈電容性。
1926年,石英晶體已用于控制許多廣播電臺的頻率,并在業(yè)余無線電運營商中很受歡迎。
1927年,貝爾實驗室的沃倫·馬里森開發(fā)的第一個石英晶體振蕩器標準。
1928年,(20世紀50年代)貝爾電話實驗室的沃倫·馬里森(Warren Marrison)開發(fā)了第一個石英晶體時鐘。Quartz時鐘取代了精密擺鐘 ,成為 世界上最精確的計時器(原子鐘)。
其原理是利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來計時的。原子鐘的計時裝置,精度可以達到每2000萬年才誤差1秒,目前世界上最準確的計時工具就是原子鐘。
1934年,石英晶體諧振器的AT和BT切割首次出現(xiàn)。這些切口是由美國的拉克、威拉德和費爾、日本的古賀以及德國的貝克曼和斯特勞貝爾獨立發(fā)現(xiàn)的。
晶振的研發(fā)期:晶振實現(xiàn)量產
1950年,開發(fā)出原子鐘 ,石英時鐘在30年內的精度最高為1秒(30ms / yr)貝爾實驗室開發(fā)了一種用于以商業(yè)規(guī)模生長石英晶體的水熱工藝。
1956年,合成生長的石英變得廣泛可用。
晶振的發(fā)展期:批量化規(guī)模化發(fā)展由軍用轉民用
1968年,北美航空的Juergen Staudte發(fā)明了制造石英晶體振蕩器的光刻工藝。這使它們能夠做得足夠小,可以用于手表等便攜式產品。
1970年,電子產品中幾乎所有的晶體都是合成的。
1976年,第一個SC切割晶體可用。它們主要用于恒溫晶體振蕩器,因為它們在這些恒溫晶體振蕩器工作的溫度下具有最佳溫度系數。
晶振迅速發(fā)展期:電子產品多樣化應用多元化
1990到至今在,30多年來,石英晶振發(fā)展方向從DIP到SMD小尺寸,封裝由傳統(tǒng)的金屬外殼向覆蓋塑料、金屬和陶瓷封裝的轉變;精度、頻率也越來越高,工藝要求越發(fā)精細化;使用范圍也從單一應用領域到如今5G、物聯(lián)網、汽車電子、智慧醫(yī)療、智能家電等多元化場景。
1880~1956年的70多年是石英晶振的起步期,這個時期內創(chuàng)新人才輩出,深遠影響的發(fā)明層出不窮。石英晶振經過多年的發(fā)展才發(fā)展到今天的地步,科技進步不可能一撮而就,它是一個逐步認識、發(fā)現(xiàn)和成熟的過程。