I. Lời nói đầu
Bộ dao động tinh thể, là thành phần điều khiển tần số cốt lõi, được sử dụng rộng rãi trong thiết bị công nghiệp, hệ thống giám sát an ninh, thiết bị y tế, điện tử ô tô, thiết bị gia dụng thông minh và các lĩnh vực khác. Từ góc độ vĩ mô, việc xây dựng cơ sở hạ tầng thông tin toàn cầu về bản chất có liên quan đến sự phát triển của các bộ dao động tinh thể. Bài viết này phân tích một cách có hệ thống quá trình phát triển công nghệ của bộ dao động tinh thể-từ việc phát hiện ra hiệu ứng áp điện đến đóng gói ở cấp độ nano-quy mô nano-cho thấy chúng đã thúc đẩy tiến bộ công nghệ của con người thông qua bốn cuộc cách mạng công nghiệp như thế nào.
II. Lịch sử phát triển của bộ dao động tinh thể
1. Thời kỳ Khai sáng Công nghệ
Năm 1880, anh em Jacques và Pierre Curie phát hiện ra rằng tác dụng ứng suất cơ học lên các tấm tinh thể thạch anh tạo ra sự dịch chuyển điện tích, đề xuất khái niệm vềhiệu ứng áp điện.
Nguyên lý hiệu ứng áp điện: Khi tác dụng áp suất lên vật liệu áp điện, sẽ tạo ra sự chênh lệch điện thế (được gọi làhiệu ứng áp điện trực tiếp). Ngược lại, việc áp dụng điện áp sẽ tạo ra ứng suất cơ học (hiệu ứng áp điện nghịch đảo). Nếu áp suất bao gồm rung động tần số-cao thì nó sẽ tạo ra dòng điện-tần số cao. Khi các tín hiệu điện có tần số-cao được đưa vào gốm áp điện, chúng sẽ tạo ra các tín hiệu âm thanh tần số-cao (rung động cơ học), thường được gọi là tín hiệu siêu âm.
Năm 1918, Paul Langevin nghiên cứu sử dụng các tấm tinh thể thạch anh để phát triển hệ thống sonar đầu tiên nhằm phát hiện tàu ngầm. Điều này liên quan đến việc tích hợp nhiều chức năng sonar để xử lý thông tin toàn diện và kiểm soát tập trung nhằm đáp ứng các yêu cầu chiến thuật, bao gồm tìm hướng tiếng ồn, đo phạm vi tiếng vang, phát hiện xung sonar, nhận dạng mục tiêu và cảnh báo ngư lôi. Langevin đã sử dụng các tấm thạch anh cắt X- để tạo và phát hiện sóng âm thanh dưới nước.
Năm 1921, Giáo sư WG Cady của Đại học Wesleyan được cấp bằng sáng chế cho bộ dao động tinh thể thạch anh. Bằng sáng chế của ông đã sử dụng bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh để điều khiển tần số dao động và mô tả các thanh/tấm thạch anh làm tiêu chuẩn và bộ lọc tần số. Vì vậy, Cady được công nhận rộng rãi là người đầu tiên sử dụng tinh thể thạch anh để điều khiển tần số trong các mạch dao động.
Năm 1923, Giáo sư GW Pierce của Harvard đã phát triển mạch dao động tinh thể đặt tinh thể giữa lưới và cực dương của van ống chân không-tiền thân của cấu hình bộ dao động Pierce.
Năm 1925, Westinghouse Electric đã lắp đặt bộ tạo dao động tinh thể làm bộ tạo dao động chính cho đài phát thanh KDKA của họ.
Van Dyke đã phát triển mô hình mạch tương đương cho bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh. Mạch này có hai tần số cộng hưởng: tần số cộng hưởng nối tiếp (fs), trong đó nhánh Lg-Cg-Rg cộng hưởng và tần số cộng hưởng song song (fp), cộng hưởng mạch tổng thể. Vì Cg < C0 nên các tần số này rất gần nhau. Đặc tính tần số điện kháng-thể hiện hành vi quy nạp giữa fs và fp và hành vi điện dung ở những nơi khác.
Năm 1926, tinh thể cắt chữ Y-được phát hiện và sử dụng. Cho đến lúc đó, chỉ có tinh thể thạch anh cắt X- được sử dụng. Trong khi các tinh thể cắt X-có hệ số nhiệt độ ~-20ppm/ độ , các tinh thể cắt Y thể hiện ~+100ppm/ độ , cho thấy rằng các vết cắt tinh thể khác nhau có thể mang lại các hệ số nhiệt độ khác nhau.
Năm 1927, Warren Marrison của Bell Labs đã phát triển tiêu chuẩn dao động tinh thể thạch anh đầu tiên.
Năm 1928, Warren Marrison đã tạo ra chiếc đồng hồ tinh thể thạch anh đầu tiên tại Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell. Đồng hồ thạch anh đã thay thế đồng hồ quả lắc chính xác để trở thành máy chấm công chính xác nhất thế giới (cho đến đồng hồ nguyên tử).
Đồng hồ nguyên tửsử dụng sóng điện từ phát ra trong quá trình hấp thụ/giải phóng năng lượng nguyên tử để tính thời gian, đạt được độ chính xác ~1 giây trong 20 triệu năm-hiện là công cụ đo thời gian chính xác nhất thế giới.
Năm 1934, các bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh cắt AT- và BT{2}} xuất hiện, được phát hiện độc lập bởi Lack/Willard/Fair (Hoa Kỳ), Koga (Nhật Bản) và Beckmann/Straubel (Đức).
2. Giai đoạn R&D: Sản xuất hàng loạt bộ dao động tinh thể
Năm 1950, đồng hồ nguyên tử được phát triển. Đồng hồ thạch anh đạt độ chính xác tối đa 1 giây trong hơn 30 năm (30ms/năm). Bell Labs đã đi tiên phong trong quy trình thủy nhiệt để phát triển tinh thể thạch anh ở quy mô thương mại-.
3. Giai đoạn phát triển: Sản xuất hàng loạt & Chuyển từ sử dụng quân sự sang dân dụng
Năm 1968, Juergen Staudte của Hàng không Bắc Mỹ đã phát minh ra quy trình quang khắc để sản xuất bộ dao động tinh thể thạch anh, cho phép thu nhỏ các sản phẩm di động như đồng hồ.
Vào năm 1976, tinh thể cắt SC-đầu tiên đã có mặt trên thị trường. Chủ yếu được sử dụng trong các bộ dao động tinh thể được điều khiển bằng lò nướng (OCXO) do hệ số nhiệt độ tối ưu của chúng ở nhiệt độ vận hành OCXO.
4. Thời kỳ phát triển nhanh chóng: Ứng dụng đa dạng trong Điện tử
Từ năm 1990 đến nay, bộ tạo dao động thạch anh đã phát triển từ DIP sang các gói SMD nhỏ hơn, chuyển từ vỏ kim loại truyền thống sang vỏ bọc bằng nhựa/kim loại/gốm. Yêu cầu về độ chính xác và tần số ngày càng tăng, đòi hỏi quy trình sản xuất tốt hơn. Các ứng dụng được mở rộng từ mục đích sử dụng thích hợp sang các lĩnh vực đa dạng như 5G, IoT, điện tử ô tô, chăm sóc sức khỏe thông minh và thiết bị thông minh.
III. Bản tóm tắt
Những năm 70+ từ 1880 đến 1956 đánh dấu thời kỳ nền tảng của bộ dao động thạch anh, được đặc trưng bởi những phát minh mang tính đột phá và những nhà đổi mới có ảnh hưởng. Sự tiến bộ của công nghệ thạch anh phản ánh một quá trình dần dần khám phá, hiểu biết và trưởng thành-những tiến bộ không thể vội vàng được.