Kristalni oscilator je el.oscilatorski krug koji koristi mehaničku rezonanciju vibrirajučeg kristala piezoelektričnog materijala za stvranje el.signala s vrlo preciznom frekvencijom .

Te frekvencije se najčešće koriste za pračenje vremena ( kao kod kvarcnih ručnih satova ) za stvaranje stabilnih signala u satovima kod digitalno integriranih krugova te za stabilizaciju frekvencije kod radio prijamnika i odašiljača. Najpoznatiji tip piezoelektričnog rezonatora

je KRISTAL KVARCA , tako da su oscilatorski krugovi koji ga okružuju postali poznati kao ̓kristalni oscilatori ̔̓̔̔̓̔̓̔̔̔̓̔̔ .

Kristali kvarca se proizvode za frekvencije od nekoliko desetina kHz –a do desetina MHz-a. Godišnje se proizvede oko 2-109 (bilijuna) kristala. Večina ih se koristi kao ručni satovi , za računala i mobilne telefone, no nalazimo ih i u eksperimentalnoj opremi mnogih instrumenata kao kod brojača , signalnih generatora i oscilatora.

Povijest kristala

Piezoelektricitet su prvo otkrili Jacque i Pierre Curie 1880.god. Langevine je prvi iskoristio kvarcne rezonatore za upotrebu sonara tijekom I. Svjet.rata . Prvi kristalni oscilator je napravljen 1917 . od kristala Rochellove soli . (Rochellova sol-KNaC4H4O6×4H2O ), te patentiran 1918. God. , a patentirao ga je Alexander M. Nicholson kod Bell Telephone Laboratories , iako je taj patent osporavan od strane Waltera Guyton Cady-a . Cady je napravio prvi kristalni oscilator 1921. , a ostali inovatori na tom području uključuju G.W.Pierce-a i Louis Essena.

Kvracni oscilatori su razvijeni za područje visokih stabilnih frekvencija tijekom 1920 – i 30-ih.

1926.kvarcni se kristali koriste za kontrolu frekvencija radio odašiljača pa si tih godina bili vrlo popularni kod radio amatera .

1928.Warren Marrison dizajnirao je prvi kristalni sat kod Bell Telephone Labaratories. Ta inovacija je zamjenila escapement (bježanje-mehanizam ) i pendulum (njihalo) kao vremensku referencu koristeći pritom prirodne vibracije koje se pojavljuju u kvarcnom kristalu kao oscilatoru , te je poboljšalo vremensku preciznost na 1 s u 30 godina ili 30 ms na godinu. Bazirajući svoj raniji rad u Bell Telephone Labaratories , AT & T (tvrtka ) su osigurali svoju paletu frekventno kontroliranih proizvoda , a kasnije su se odvojili i postali poznati kao Vectron International .

Tijekom tog vremena nekoliko je tvrtki počelo proizvoditi kvarcne kristale za elektronsku upotrebu – iako bi to danas bile primitivne metode tijekom 1939. Godina prošlog stoljeća samo u SAD-u je proizvedeno 100,000 kvarcnih jedinica , a tijekom II. Svj.rata potreba za precizno kontroliranim frekvencijama kod vojnih i pomorskih radija poticala je nagli razvoj kvarcnih kristala . Odgovarajući tipovi kvarca su postali vrlo neophodni , a večinu takvog materijala omogučavao je Brazil .

1968. Juergen Staudte je postao inovator procesa za proizvodnju kristalnih kvarcnih oscilatora radeći kod North American Aviation koji je poslije postao znan kao Rockwell . Staudte je patentirao svoju inovaciju koja je koristila fotolitografske procese vrlo slične načinu proizvodnje integriranih krugova. Fotolitografski procesi-

1970. napustio je zrakoplovstvo i u gradu Statek , u Kaliforniji svoju tvrtku , te je tamo počeo proizvoditi i reklamirati svoje proizvode.

Iako kristalni oscilatori i danas najviše koriste kristalni kvarc , u upotrebu se sve više počinju koristiti i ostali materijali kao keramički rezonatori.

Način rada

Kao što znamo , definicija kristala podrazumjeva čvrstu tvar koja je napravljena od atoma, molekula ili iona , ima stalan i definiran kemijski sastav te ima pravilnu unutranju građu (strukturu) čija se struktura proširuje kroz sve tri kristalografske osi. Gotovo svaka tvar koja je elastična bi se mogla koristiti kao kristal s odgovarajučim prijenosnicima , pošto sve tvari imaju prirodnu rezonanciju. Na pr. čelik je vrlo elastičan i ima veliku brzinu zvuka (provodi longitudinalne valove jako brzo kao medij) i često je korišten u mehaničkim filterima prije kvarca.

No za materijal koji je razonator znači da posjeduje rezonantnu frekvenciju , a ona pak ovisi o veličini, obliku, elastičnosti i brzini zvuka koji prolazi materijalom . Visoko frekventni kristali su tipično rezani u obliku jednostavnih , pravokutnih ploča. Nisko frekventni kristali, kao oni koji se koriste u digitalnim satovima se obično režu u obliku vibrirajuče vilice(viljuške). Kod uređaja koji ne trebaju vrlo precizno brojanje koriste se jeftiniji keramički rezonatori. Kada se kristal propisno odreže i izmjeri tada ga se može podesiti da se izvine u električnom polju koristeči napon na elektrodi koja se nalazi blizu ili na samom kristalu . To svojstvo kristala da mu se volumen mijenja u prisustvu električnog polja znamo kao piezoelektricitet . Kada se to polje ugasi , kristal generira električno polje kao odgovor na vračanje u prvobitno stanje , a to za posljedicu uključuje i stvaranje napona .

Rezultat tog ponašanja je činjenica što se kvarcni kristal ponaša kao krug sastavljen izvora napajanja, kondenzatora i otpornika s vrlo preciznom frekvencijom.

Kvarc ima još neke prednosti , a to su da se njegova elastična konstanta i veličina mijenjaju u tom obliku da mu frekventna ovisnost o temperaturi može biti jako niska . Ostale specifične karakteristike pak ovise o načinu vibriranja i kuta rezanja s obzirom na kristalografske osi. Stoga se rezonantna frekvencija kristalne ploče neće puno promjeniti s obzirom na veličinu , što zapravo znači da će kvarcni sat , filter ili oscilator ostati precizan .Za vrlo kritične uvjete rada , kvarcni kristalni oscilator se podešava u temperaturno kontroliranom kontejneru kojeg još zovemo ̔̓̔̔kristalnom pečnicom̓, te se također može podesiti na jake absorpcije za sprečavanje perturbacija koje uzrokuju vanjske mehaničke vibracije.

Slika 1. Kristalni oscilatori – oblici

Teorijska podloga

Kvarcni kristal se može podesiti da radi kao električna mreža niskih (serijski) i visokih ( paralelnih ) rezonantnih točaka koje su vrlo blizu.

Matematički pojašnjeno ta se blizina može napisati kao :

Z(s)=( 1s ×C1

+s× L1+R1)∥( 1s×C0

)

Ili

Pri čemu je C0>> C1 , a s je kompleksna frekvencija s= j×ω, a ωs je rezonantna frekvencija kod serijskog sklopa izražena u radijanima po sekundi , a ωp je rezonantna frekvencija kod paralelnog sklopa također izražena u rad/sek .

Slika 2. Shematski prikaz kvarcnog kristalnog kruga

Ako povečamo kapacitet preko kristala , paralelna će se rezonancija smanjiti .Tu tehniku možemo upotrijebiti za namještanje frekvencije osciliranja kristala . Proizvođači kristala inače režu i bruse kristale kako bi imali specifičnu rezonanciju s poznatom kapacitancijom. (kapacitancija)

Na pr. kristal koji treba imati kapacitanciju na 6pF ima specifičnu paralenu rezonanciju 6,0 pF kapacitor složen preko njega . Bez te kapacitancije paralelna rezonancija je viša .

Modovi rezonancije

Kvarcni kristal može imati paralelnu i serijsku rezonanciju , a serijska je za nekoliko kiloherza manja od paralelne . Kristali koji imaju frekvenciju od 30 MHz mogu raditi u području između serijske i paralelne frekvencije , što znači da se kristal pojavljuje kao induktivni reaktivni otpor (reactance) u krugu. Bilo kakva dodatna kapacitancija će smanjiti frekvenciju . Za kristale s paralelnom rezonancijom , električni krug mora omogučiti onoliku ukupnu paralelnu rezonanciju koju je odredio proizvođač. Kristali koji rade iznad 30MHz (pa sve do iznad 200MHz ) uglavnom rade na serijskoj rezonanciji gdje se približavaju minimumu i jednaka je serijskom otporu . Ti kristali imaju specifičan otpor manji od 100Ω umjesto paralelne rezonancije . Za postizanje viših frekvencija , kristal moramo napraviti tako da vibrira iznad jednog od vlastitih tzv. prizvučnih načina, koji se pojavljuju kod multipliciranja osnovnih rezonantnih frekvencija . Koriste se samo prizvučni modovi neobičnih brojeva , pa takve kristale označavamo kao 3- prizvučne , 5-, 7- kristale , a da bi to postigli moramo u oscilatorski krug staviti dodatne LC krugove da bi dobili željeni ton .

Temperaturni učinci

Moramo napomenuti da je frekvencija kristala ovisna o rezu ili obliku kristala . Kristali vibrirajuće viljuške se opčenito režu tako da je omjer frekvencije preko temperature parabolična krivulja s točkom kod 25⁰C . To znači da će takav kristal rezonirati na ciljanoj frekvenciji

kod sobne temperature , ali će usporiti na temp. višoj ili nižoj od sobne temp. Uobičajeni parabolični koeficijent za 32kHz kristal je

-0,04 ppm/⁰C2 .

Tu frekvenciju izražavamo kao :

F = f0[1- 0,04 ppm (T- T0)2].

Kod stvarnih uređaja to se može protumačiti da će sat s takvim kristalom dobro prikazivati vrijeme na sobnoj temperaturi , te izgubiti 2 minute po godini na 20⁰C višoj ili nižoj sobnoj temperaturi .

Električni oscilatori

Kristalni oscilator može imati oscilaciju ako ima naponski signal koji dolazi od kvarcnog rezonatora , kojeg onda pojačava i vrača natrag rezonatoru .Brzina širenja i kontrakcije kvarca je rezonatna frekvencija koja je određena rezom i veličinom kristala. Oscilaciju možemo imati samo kada se energija izlaznih frekvencija poklopi s gubitcima u krugu. Oscilirajući kristal ima dvije električki vodljive ploče između kojih se nalazi komad kvarcnog kristala .

Na početku , krug oko kristala primjenjuje nasumični bučni AC signal prema njemu i nekom srećom , vrlo mali dio će biti na rezonantnoj frekvenciji kristala . U tom trenutku kristal oscilira sinhotrono ( sinhotrono osc) s tim signalom. Kao što oscilator pojačava izlazne signale kristala , signali u frekvencijskoj vrpci će postati jači , eventualno će prekinuti izalznu frekvenciju oscilatora . Kosa rezonantna vrpca kvarcnog kristala će filtrirati sve neželjene

frekvencije. Izlazna frekvencija oscilatora može biti osnovna rezonancija ili pak multiplicitet rezonancija , pa ju zovemo prizvučnom frekvencijom , što smo već naveli da će visokofrekventni kristali biti oni kao što su s 3- , 5- i 7- prizvučnom frekvencijom.

Glavni razlog za široku upotrebu kristalnih oscilatora je njihov visoki Q faktor . Tipična vrijednost Q faktora koji još zovemo faktor dobrote za oscilatore je od 104 do 106 u usporedbi s LC oscilatorom čija je 102.

Maksimalni Q faktor za visoko stabilne kristale se može procjeniti na Q= 1,6 × 107 /f , gdje je f rezonantna frekvencija u MHz-ima. Jedna od najvažnijih značajki oscilatora jest da mogu imati nisku faznu buku . Kod manjih oscilatora , bilo koja spektralna energija rezonantne frekvencije će se pojačati oscilatorom , što rezultira skupom tonova pri različitim fazama . Kod kristalnog oscilatora , kristal najčešće vibrira duž jedne osi , pa je stoga dominantna samo jedna faza . To svojstvo da imaju nisku faznu buku ih čini vrlo korisnima u telekomunikaciji gdje su stabilni signali potrebni , te u istraživačkim uređajima gdje je potrebna preciznost u vremenu . Vanjski faktori kao što su temperatura, vlažnost , pritisak i vibracije mogu utjecati na rezonantnu frekvenciju kristala , ali ih se može umanjiti.To uključuje TCXO, MCXO i OCXO kristalne oscilatore.

Ti parovi, posebice OCXO pružaju uređaje koji imaju izvrsnu kratkoročnu stabilnost . Ograničenja kod takve stabilnosti najčešće dolaze od buke elektroničkih komponenti.

Dugoročna stabilnost je ograničena starenjem kristala . Zbog starenja ali i okolišnih faktora teško je održati čak i najbolje kvarcne oscilatore unutar jedne 1010 nominalne frekvencije bez konstantnog prilagođavanja . Zbog tog se razloga atomski oscilatori

upotrebljavaju kod uređaja koji trebaju bolju dugoročnu stabilnost i preciznost.

Neprave frekvencije

Značajne neprave frekvencije se mogu naći kod kristala koji rade pri serijskoj rezonanciji ili su izvučeni iz glavnih modova uključenjem serijskih indikatora ili kapacitatora. Iako su neželjeni modovi nekoliko desetina kHz iznad željene rezonancije , njihov temperaturni koeficijent može biti različit od glavnog moda i neželjeni odgovor na te uvjete se može pomaknuti kroz glavni mod pri određenim temperaturama . Iako se serijska rezonancija može pojaviti kod neželjenih rezonancija viša od željene frekvencije , nagla promjena u glavnom modu može nastati pri specifičnim temperaturama kad su dvije frekvencije slučajne. Posljedica tih naglih aktivnosti je da se oscilator može zakočiti kod neželjene frekvencije na određenoj temperaturi. Takve posljedice se umanjuju tako da ostatak kruga ima dovoljno prednosti da aktivira neželjene modove .

Neželjene frekvencije mogu nastati podvrgavajući kristal vibracijama koje moduliraju rezonantnu frekvenciju za mali postotak frekvencije vibracija . SC-rezonantni kristali su napravljeni upravo zato da smanjuju frekventne učinke povečavajućeg stresa i stoga su manje osjetljivi na vibracije. Ubrzavajuči učinci na rad kristala kao što je čak i gravitacija se također može smanjiti SC-rezonantnim kristalima pošto se frekvencija mijenja s vremenom zbog dugoročnih stresnih varijacija. Postoje određeni nedostaci takvih SC-rezanih kristala kao što su potreba za stalnim održavanjem oscilatora da razlikuje ostale vrlo bitne neželjene modove i poveča frekvencijsku promjenu s obzirom na temperaturu kada ga se podvrgne svim utjecajima .

SC-rezani kristali su najnapredniji kada je temperaturna kontrola vlastite temperature pri temperaturnom koeficijentu kod 0⁰C moguča pod uvjetima da ukupne performanse najboljih jedinica mogu doseći stabilnost Rubidijevih frekvencija.

Slika 3. 25 MHz kristal pod neželjenim odgovorom

Najčešće upotrebljavane frekvencije

Kristalni oscilatorski krugovi se najčešće dizajniraju za nekoliko frekvencija kao što su 3.579545 MHz, 4.433619 MHz , 10 MHz , 14.318182 MHz , 17.734475 MHz, 20 MHz , 33.33 MHz i 40 MHz . Popularnost prvog je zbog toga što su jeftini jer se najčešće koriste za NTSC televizorske prijamnike .(NTSC -). Upotreba frekvencijskih djelitelja , pojačivaća i fazno zakočenih petlji , traži praktičnu upotrebu širokog opsega frekvencija s obzirom na jednu referentnu frekvenciju .

14.318182 MHz (četiri puta po 3.579545 ) se koristi kod video prikaza za računala za generiranje točkastih video prikaza za NTSC monitore , kao što je CGA korišten kod originalnih IBM-ovih računala. (IBM računala koristila su tu frekvenciju koj kada se podjeli s četiri, kao što je 4.77Mhz satni izvor , primjer upotrebe jednog kristala za dvije svrhe )

4.433619 MHz i 17.734475 MHz –ni se koriste kod televizorske opreme s PAL prikazom boja , te uređaja za proizvodnju PAL signala.

Kristale možemo proizvesti takoda osciliraju u puno večem frekvencijskom opsegu od nekoliko kHz do nekoliko stotina MHz . Mnogi uređaji upravo potrebuju takve kristale , koji su proizvedeni s ovdje nenavedenim frekvencijama , stoga se stotine standardnih frekvencija proizvode u velikim količinama .

Kristalne strukture i materijali

Znamo da je najpoznatiji materijal za kristalne oscilatore kvarc . Kvarc spada u područje strukture silikata koje još zovemo tektosilikati , od grč .τεκτονεια (tektoneia)- pleter, kubične strukture . Kristalne strukture tektosilikata predstavljaju trodimenzionalne kosture sastavljene od tetraedara sastava ( Si, Al)O4 kojima su svi vrhovi (atomi kisika) zajednički sa susjednim tetraedrima. Dio je atoma Si ne više od polovica atoma Si zamjenjeno atomima Al. Pri tome oslobođeni negativni naboj kompenziraju ioni, K+,Na+, Ca2+ i Ba2+, rijetko ioni drugih elemenata koji ulaze u velike šupljine alumosilikatnoga kostura . Početkom razvoja te tehnologije , najčešće se koristio prirodni kvarc , a sada se koristi sintetički kvarc , nastao uglavnom hidrotermalnom sintezom zbog večeg postotka čistoća, jeftinoće i puno lakšeg rukovanja.

Jedna od zaostalih upotreba prirodnog kvarca je kod tlačnih pretvarača u dubokim bunarima . Tijekom II.svj.rata a i neko vrijeme poslije toga , prirodni kvarc je smatran strateškim materijalom u SAD-u. Veči kristali su uvezeni iz Brazila . Sirovi (lascas ) kvarcni materijal za hidrotermalnu sintezu se uvoze ili ih vadi tvrtka Coleman Quartz .

Prosječna vrijednost sintetički uzgojenog kvarca 1994.godine bila je 60 $ po kilogramu . Postoje dvije vrste kvarcnih kristala ; desno i lijevo orijentirani, ovisno o optičkoj rotaciji.

I jedni i drugi se mogu koristiti za kristalne oscilatore , ako je kut rezanja odgovarajuči . Najčešće se u proizvodnji koristi desno-orijentirani kvarc . SiO4 tetraedri stvaraju paralelne helikaze , a smjer zakretanja helikaza određuje desnu ili lijevu orijentaciju . Helikaze se kreću duž z-osi , te na mjestima gdje se spajaju dijele atome .

Slika 4.Prikaz helikaza SiO4

Velika masa helikaza stvara smjesu malih i velikih kanala paralelnih z-osi , a ove velike su dovoljno velike da omoguče mobilnost manjih iona i molekula kroz kristal . Kvarc egzistira u nekoliko faza; pri 573⁰ i 1 atm, (te na višim temp. i višem pritisku ) α- kvarc ( )podilazi

inverziji, te se reverzibilno pretvara u β-kvarc . Taj reverzibilni proces nije u potpunosti homogen te dolazi do kristalnog srašćivanja. Mora se jako paziti kod proizvodnje da bi se izbjegle takve fazne transformacije . Ostale faze , kao visoko-temperaturne faze tridimita i kristobalita (temperaturni prijelazi iznad 1400⁰C ) nisu značajne za oscilatore . Svi kristalni oscilatori su uglavnom α-tipa.

Jedna od metoda za mjerenje kvalitete rasta kristala je infracrvena spektrofotometrija . Najčešće vrpce koje se koriste su 3585 , 3500 i 3410 cm-1. Mjerene vrijednosti se dobivaju od apsorpcijskih vrpci OH radikala te se dobije infracrvena Q vrijednost. Elektronski gradirani kristali imaju Q vrijednost od 1,8 milijuna i više a spadaju u razred C, premium B kristali imaju Q vrijednost od 2,2 milijuna , a posebni A kristali od 3.0 milijuna.

Q vrijednost se računa samo za z- regiju ( rast duž z-osi), a kristali koji imaju druge regije mogu biti različito mjereni. Druga karakteristika koju tražimo kod kristala je kanalska gustoća izjedina , kada kristal ima izjedine (prutine) , tubularni kanali nastaju duž linearnih defekata. Za procese koji potrebuju etching , kao za kristale za ručne satove , poželjno je imati malu kanalsku gustoću izjedina. Ta gustoča je za glatke kristale od 10-100 te puno više za nečiste kristale . Prisutnost takvih kanala i jamica smanjuje rezonatorski faktor (dobrote) Q i uključuje nelinearnosti . Kristali za AT- rezove su najviše zastupljeni od oscilirajućih materijala , a oblik i dimenzije su napravljeni tako da daju najviše iskorištenja zadanih waffers(tanki poluvodički sloj na koji se mogu staviti matrice mikrokrugova ili se mogu rezati u pojedine djelove za proizvodnju samo tranzistora i dioda).

Jako čisti kvarcni kristali se uzgajaju s izrazito malim postotkom aluminija , alkalnih metala i ostalih nečistoća te s minimalnim

defektima jer vrlo mali udio alkalnih materijala u sastavu kristala daje povečanje otpora prema ionizirajučem zračenju. Kristali za ručne satove , za rezanje kristala s zvučnom vilicom od 32768 Hz , se uzgajaju s vrlo niskom etching(prutine) kanalskom gustočom. Kristali za SAW uređaje se uzgajaju plosnato , s velikom X-početnicom i niskom kanalskom gustočom . Specijalni kristali s visokom Q-vrijednosti koji se koriste za izrazito stabilne oscilatore , uzgajaju se izrazito sporo i imaju konstantno nisku infracrvenu absorpciju duž cijele z-osi. Kristale možemo uzgojiti kao y-šipke , sa početnicom u tom obliku i izdužene duž y-osi ili kao z-ploču koji s ravne početnice rastu prema y-osi , a šire se prema x-osi. Okolno područje oko same kristalne početnice je puno malih defekata i ne smije se upotrebljavati za waffere- male strujne krugove.

Kristali rastu anizotropno, rat duž z-osi je 3 puta brži nego duž x-osi . Omjer rasta i brzina rasta također utječu na brzinu ugrađivanja nečistoća y-šipka kristala , te z-ravne kristale s dugom y-osi koji imaju 4 regije rasta koje inače nazivamo +x,-x, z i s. Distribucija nečistoća tijekom rasta nije jednaka , različite domene rasta sadržavaju različitu razinu nečistoća. Z-regije su najčišće, s regije su malo manje čiste, a +x regija je malo više onečišćena dok –x regija ima najveći postotak nečistoća. Nečistoće jako utječu na radioaktivnu sposobnost, (i to negativno), susceptibilnost prema zakretanju , sposobnosti filtriranja te na kratkoročnu i dugoročnu stabilnost kristala . Različite razne početnice u različitim orijentacijama mogu dati različite uzgojne regije . Uzgojna brzina duž x-osi je najsporija zbog adsorpcije vode na površini kristala dok aluminij usporava rast u ostala dva smjera . Količina aluminija je najmanja u z-regiji ,viša u +x regiji , visoka u –x i najviša u s-regiji rasta. Veličina s-regije također raste s povečanjem prisutnog aluminija . Prisutnost vodika je najmanja u z-regiji , malo više u +x-regiji, više u s-regiji i najviše u –x

regiji. Aluminijske inkluzije se pod gama zračenjem pretvaraju u centre boja što uzrokuje zatamnjenje kristala proporcionalno količini i razini nečistoća , a prisutnost regija s različitim udjelom nečistoća otkriva različite regije rasta. Dominirajući tip zabranjenog defekta u kvarcu zamjena Al(III) s Si(IV) u kristalnoj rešetci . Aluminijev ion ima vezujući nabojni kompenzator jako blizu a to može biti vodikov atom (vezan na najbliži kisik time stvarajući hidroksilnu skupinu , što još zovemo Al-OH defekt), te Li+ion , Na+-ion , K+ ion (iako manje izražen ) ili pak elektronsku rupu u orbitali najbližeg kisikovog atoma .

Sastav rastujuće otopine bez obzira da li je bazirana na litijevim ili natrijevim alkalnim sastavnicama utječe na nabojno kompenzirajuće ione za aluminijski defekt .Ionske nečistoće također stvaraju problem jer nisu statične već mogu migrirati unutar kristala utječući tako na elastičnost lokalne rešetke i rezonantnu frekvenciju kristala. (u otopini?)

Ostale nečistoće koje susrečemo su Fe(III)(intersticijski), F, B(III), P(V)(susptitucijski), Ti(IV)(substitucijski , uglavnom prisutan u magmatskom kvarcu , manje u hidrotermalnom ), te germanij(IV)(substitucijski). Natrijevi i željezovi ioni mogu uzrokovati inkluzije aknitskih i elemeusitskih kristala. Inkluzije s vodom nalazimo kod brzorastučih kristala , a kristalnu vodu nalazimo blizu kristalne početnice . Druga vrsta defekta koja je jako važna je vodikom prouzročen defekt rasta kada umjesto Si-O....Si strukture imamo par Si-OH HO-Si grupe koje iamju uglavnom hidrolizirane veze. Brzorastući kristali sadržavaju više vodikovih onečišćenja nego spororastući . Ti defekti služe kao izvori vodikovih iona za radijacijsko –inducirane procese i stvaranje Al-OH defekata. Kad govorimo o germaniju , njegove nečistoće hvataju elektrone nastale radijacijom što uzrokuje migraciju alkalnih metalnih kationa prema negativno nabijenom centru i stvara stabilizirajući kompleks. Također mogu biti

prisutni i defekti matrice ; kisikovi defekti neokupiranih praznih mjesta u kristalnoj rešetci kristala , silikonski (kompenzirani s 3 ili 4 vodika i rupom ) peroksi grupe itd...Neki od defekata stvaraju lokalne nivoe u zabranjenim vrpcama tako da hvataju naboj , Al(III) i B(III) služe kao hvatači šupljina , dok titanijevi , germanijevi i fosforovi atomi služe kao hvatači elektrona . Uhvačeni naboj se može otpustiti zagrijavanjem , njihova rekombinacija je uzrok termoluminiscenciji.

Termoluminiscencija- pojava lumniscencije koja se javlja kada se temp.materijala naglo digne, odnosno kada elektroni koji prime ogromnu količinu rastuće termalne energije mogu pobjeći od centra (kationa ili aniona ) u kristalu te dolaze do centra luminiscencije kojem daju tu energiju i pritom nastaje luminiscencija.

Mobilnost unutarnjih iona jako ovisi o temperaturi , vodikovi atomi su mobilni do 10 K , dok se alkalni metalni ioni kreču oko i iznad 200K , a hidroksilne defekte tada možemo mjeriti infracrveno . Jame za hvatanje možemo mjeriti elektronskom spinskom rezonancijom.

Al-Na+ defekti pokazuju akustični gubitak zbog svog stres-induciranog kretanja , Al-Li+ defekti ne stvaraju potencijalnu jamu pa ih se nemože uočiti na ovaj način . Neki od radijacijski induciranih defekata pokazuju termoluminiscenciju pod termalnim utjecajem a mogu se detektirati ; to su aluminijevi , titanijevi i germanijevi defekti.

Čisti kristali su kristali koji prolaze proces čišćenja elektrodifuzijom čvrstog stanja . Čišćenje uključuje grijanje kristala iznad 500⁰C u atmosferi bez kisika, te pod naponom od 1kV/cm preko 12 sati. Putovanje nečistoća i postupna zamjena alkalnih metalnih iona s vodikom (kada ih se pomiče u zrak) te elektronskih rupa (kada ih se pomiče u vakuum ) stvara malu električnu struju kroz kristal , a smanjenje te struje do konstantne vrijednosti signalizira kraj procesa. Kristal ostavimo da se ohladi dok održavamo električno polje ,

nečistoće se zadržavaju na katodnoj regiji kristala, nju poslije odrežemo i odvojimo . Takvi čisti kristali imaju povečani otpor prema radijaciji , kako učinci ovise o razini alkalnih nečistoća stoga se koriste za uređaje koji su izloženi ionizirajučem zračenju za nuklearnu i svemirsku tehnologiju. Čišćenje pod vakuumom pri niskim temperaturama i jačim poljima stvara izrazito radijacijski otporne kristale . Razina i karakter nečistoća se mogu mjeriti infracrvenom spektroskopijom . Kvarc možemo pročistiti i u α i u β-fazi , pri čemu je β-fazni kvarc brži, ali fazni prijelazi mogu inducirati savijanje. Svijanje se može smanjiti podvrgavanjem kristala komprsijskom stresu u x-smjeru ili kroz AC ili DC električno polje duž x-osi dok se kristal hladi kroz fazno promjenjivu temperaturnu regiju. Ova vrsta procesa se može koristiti i za uvođenje nečistoća u kristal , litijevi , natrijevi i vodikovi čisti kristali se upotrenljavaju za proučavanje ponašanja kvarca. Vrlo male kristale za visoke osnovne frekvencije možemo proizvesti fotolitografski. (fotolitografija-litografska metoda koja upotrebljava fotografski napravljene ploče ili maske.)

Kristale možemo namjestiti na točnu frekvenciju laserskim rezovima .

Tehnika koju su često koristili u amaterskom radio emitiranju za malo smanjenje kristalne frekvencije može se postići izlaganjem kristala s srebrnim elektrodama parama joda koje uzrokuju malo povečanje mase na površini kristala stvaranjem tankog filma srebrovog jodida , no takvi kristali imaju smanjenu dugoročnu stabilnost . Druga metoda koja se koristi je lektrokemijsko povečanje ili smanjenje debljine srebrovih elektroda umatanjem rezonatora u lapis otopinu u vodi , limunska kiselina u vodi ili voda sa soli , te upotrebom rezonatora kao jednu , a srebrne elektrode kao druge elektrode . Povečanje frekvencije ribanjem debljine elektroda nije preporučljivo pošto to može oštetiti kristal i smanjiti njegov Q faktor. Kapacitatorski rezači se također mogu upotrijebiti za frekventno

namještanje oscilatorskog kruga . Neki drugi piezoelektrični materijali se također mogu koristiti kao što su litijev-tantalat , niobat, borat, berlinit (Al(PO4), galijev -arsenid,litijev- tetroborat , aliminijev-fosfat, bizmut germanijev-oksid , polikristalične keramike Zn-titanata, keramike s visokim postotkom aluminija, , kompozitne strukture s silikon-Zn oksidima . Oscilatorski kristal također možemo proizvesti deponiranjem rezonatorskog materijala na površinu silikonskog čipa. Kristali galijevog-fosfata , langasita(Co, Ni)As, langanita, langanata su 10 puta više odgovarajuči nego isti kvarcni kristali , te se koriste u nekim VCXO oscilatorima(naponski kontrolirani kristalni oscilatori).

Stabilnost i starenje

Frekvencija stabilnosti kristala je određena njegovim Q faktorom ili faktorom dobrote. On je inverzno ovisan o frekvenciji te je konstantna kada govorimo o vrsti reza . Ostali faktori koji utječu na faktor Q su overtone faktor, temperatura, razna brušenja kristala , kvaliteta površine , mehanički stres koji nastaje na kristalu vezanjem s drugim elementima , geomatrija kristala i priključenih elektroda , čistoća materijala i defekata u kristalu , tip i pritisak plina u komori , interferirajući modovi , prisutnost i apsorbirana doza ionizirajučeg i neutronskog zračenja. Temperaturni utjecaj radne frekevencije , različite vrste kompenzacije koje se koriste, kao na pr. TCXO i MCXO te stabilizacija temperature upotrebom tzv. kristalne peći (OCXO). Kristali posjeduju temperaturnu histerezu : frekvenciju dane temperature koja je postignuta povečanjem temp. nije jednaka frekvenciji temp., postignute smanjenjem temp.

Temperaturna osjetljivost je primarno ovisna o rezu, a temperaturno kompenzirani rezovi se izabiru u smislu smanjenja frekventno temperaturne ovisnosti. Da bi imali linearne

temperaturne karakteristike moramo imati specijalne rezove kao što se LC rez koristi kod kvarcnih termometara. Ostali faktori su upotreba overtone moda, elektrode , nečistoće u kristalu , mehanička oštećenja , geometrija kristala , brzina temperaturne promjene , termalna povijest (ovisno o histerezi), ionizirajuće zračenje i razina reza. Kristali su podložni anomalijama u frekventno-temp. i otporno-temp. karakteristikama koje još zovemo jamama aktivnosti (activity dips). To su male niskofrekventne ili visokootporne ekskurzije(nagli rast energije nuklearnog reaktora nastala superkritičnošću) lokalizirane pri određenim temperaturama sa svojim temperaturnim mjestima ovisnim o vrijednosti lokalnog kapacitatora .Mehanički stres također utječe na frekvenciju , a njega mogu uzrokovati vezanje , upotreba elektroda , različita termalna ekspanzija elktroda te sam kristal zbog zbog različitog stresa kada imamo prisutan termalni gradijent ekspanzijom vezujućih materijala tijeko stvaranja zračnog pritiska koji se pojavljuje tijekom prostornog pritiska na kristal , zatim stres uzrokovan samom kristalnom rešetkom (nejednak rast, nečistoće , dislokacije), površinske nepravilnosti i oštečenja uzrokovana proizvodnjom , sam utjecaj frekvencije na masu kristala , te frekvencija na koju može utjecati sama pozicija kristala . Ostali dinamički stres uključuje faktore kao što su su šokovi , vibracije te akustika. Neki razovi su manje osjetljivi na stres kao na pr. SC (stresom kompenzirani rez). Atmosferske prilike ili neprilike također mogu utjecati na deformaciju tijekom održavanja , utječući na frekvenciju mijenjajući pozadinsku kapacitanciju. Vlažnost atmosfere utječe na termalne prijenosne sposobnosti zraka i može utjecati na električna svojstva plastike difuzijom molekula vode u strukturu, mjenjajući dielektričnu konstantu i konduktivnost . Ostali faktori koji utječu na frekvenciju su :napon struje , impendancija tereta, load, magnetno polje , električno polje ( na rezove kao što su SC rezovi koji su osjetljivi na električno polje), prisutnost apsorbirane doze γ-čestica

i ionozirajučeg zračenja te sama starost kristala . Kristali prolaze kroz sporu promjenu frekvencije koju još zovemo starenje , a tu pojavu uključuju mnogi mehanizmi . Kontaminirajuće molekule koje su zaostale od ostatka atmosfere izbačene iz kristala , elektrode te pakirajući materijali , sve se to može apsorbirati na površinu kristala ,mjenjajući njegovu masu što još zovemo kvarcni kristalni mikrobalans .

Neki od faktora koji utječu na kristalnu starost:

A)kratkoročne frekventne oscilacije

B)termalna buka

C) fononsko raspršenje

D)fazna buka

E)Radioaktivno Oštečenje

Magnetsko polje nema utjecaja na sam kristal pošto je kvarc dijamagnetičan , nemaju nekih velikih unutarnjih oštečenja tijekom rada , a oštečenja nastala upotrebom su korozija, nagle promjene frekvencije , pucanje kristala nastalo naglim mehaničkim šokom, propuštanje inkluzija , te izloženost nečistih kristala radijaciji.

Loše dizajniran oscilatorski krug može oscilirati na višoj overtone frekvenciji ;1972, vlak se sudario u Fremontu, Kalifornija, SAD. Neodgovarajuča vrijednost kapacitatora spremnika pruzročila je da kontrolirani kvarcni kristal skoči u overtone modus rada što je na kraju uzrokovalo ubrzanje umjesto usporavanje vlaka .

Kristalni rezovi

Rezonatorsku ploču možemo rezati na svakakve načine , a znamo da orijentacija reza utječe na starost kristala , frekventnu stabilnost, termalne karakteristike i ostale parametre.

Tablica 1. Najznačajniji rezovi kvarcnog kristala i primjena

Vrsta reza frekvencija opisAT 0,5-300 MHz Nastao 1934. Za oscilatore

koji rade u širem temp. području , 0,5-200MHz te za pećno kontr.oscilatore

SC 0,5-200 MHz Stresno kompenziran rez , nastao 1974. ,za oscilatore s niskom faznom bukom i dugoročnim radom.Lakše se zagrijava, visok Q-faktor, manje osjetljiv na vibracije i djelovanje vektora gravitacije.Pogodan za OCXO krugove u svemirskoj tehnologiji i GPS sustave

BT 0,5-200 MHz Specijalan rez sličan AT rezu samo je razan pod kutom od 49⁰ od z-osi .Zbog visoke frekevncije koja je konst. Može se koristiti za kristale s višim frekvencijama , preko 50MHz

IT Rijetko se koristi, sličan SC rezu , pogodan za više temp.

FC Ako se koristi u pećno kontr.oscilat. krugovima , može raditi na temp. okoliša i ima odgovarajuću stabilnost čak i na višim temp. bez gubitka snage

AK Bolje temp . karakteristike od AT I BT ali i bolje kristalografske karakte. Od AT, BT i SC .

CT 300-900 kHz

DT 75-800 kHzSLGT 0,1-3 MzE,5⁰X Nizak temperaturni koeficijent , za nisko

frekventne kristalne filtere.

MT 40-200 kHzETFTNT 8-130 kHz

XY, vibrirajuča vilica 3-85 kHz, dominantan nisko frekventni

kristal H 8-130 kHzJ 1-12 kHzRTSBTCTSX 30⁰

LCAC Temp.ovisan , pogodan za senzore

BCNLSCY Temp.ovisan , pogodan kao senzor, poznat

kao i paralelni ili 30⁰ stupanjski

X Kao 50kHz osc. U prvom satu , poznat i kao normalan, Curie , 0 kutni ili ultrasonični .