I. Кириш сөз
Кристалл осцилляторлор негизги жыштык башкаруу компоненттери катары өнөр жай жабдууларында, коопсуздукту көзөмөлдөө системаларында, медициналык аппараттарда, автомобиль электроникасында, акылдуу тиричилик техникасында жана башка тармактарда кеңири колдонулат. Макро көз караштан алганда, глобалдык маалыматтык инфраструктуранын курулушу кристаллдык осцилляторлордун өнүгүшү менен тыгыз байланышта. Бул макалада кристаллдык осцилляторлордун технологиялык эволюциясы-пьезоэлектрдик эффекттин ачылышынан нано-масштабдагы таңгактарга-ишенип, алар төрт өнөр жай революциясы аркылуу адамзаттын технологиялык прогрессине кандайча түрткү бергенин ачыкка чыгарат.
II. Кристалл осцилляторлордун өнүгүү тарыхы
1. Технологиялык агартуу мезгили
1880-жылы бир тууган Жак жана Пьер Кюри кварц кристалл плиталарына механикалык күч колдонуу электр зарядынын жылышын пайда кылаарын аныктап, концепцияны сунуш кылышкан.пьезоэлектрдик эффект.
Пьезоэлектрдик эффект принциби: Пьезоэлектрдик материалдарга басым колдонулганда, электр потенциалынын айырмасы пайда болот (деп аталаттүз пьезоэлектрдик эффект). Тескерисинче, чыңалууну колдонуу механикалык стрессти (тескери пьезоэлектрдик эффект). Эгерде басым жогорку-жыштык термелүүсүн камтыса, ал жогорку-жыштыктагы электр агымдарын жаратат. Жогорку{4}}жыштыктагы электрдик сигналдар пьезоэлектрдик керамикага колдонулганда, алар жогорку-жыштыктагы акустикалык сигналдарды (механикалык термелүүлөр) чыгарышат, алар көбүнчө УЗИ сигналдары.
1918-жылы Пол Лангевин кварц кристалл плиталарын колдонуп, суу астындагы кайыктарды аныктоо үчүн алгачкы сонар системаларын иштеп чыгууну изилдеген. Бул тактикалык талаптарга жооп берүү үчүн маалыматты комплекстүү иштетүү жана борборлоштурулган башкаруу үчүн бир нече сонар функцияларын интеграциялоону камтыды, анын ичинде ызы-чуунун багытын табуу, жаңырык диапазонунда, акыркы сигналдын импульстарын аныктоо, максатты аныктоо жана торпедо жөнүндө эскертүү. Лангевин суу астындагы үн толкундарын түзүү жана аныктоо үчүн X-кесилген кварц плиталарын колдонгон.
1921-жылы Уэслиан университетинин профессору В.Г.Кэди кварц кристалл осцилляторун патенттеген. Анын патенти осциллятордун жыштыгын башкаруу үчүн кварц кристалл резонаторлорун колдонгон жана кварц тилкелерин/пластиналарды жыштык стандарттары жана чыпкалары катары сүрөттөгөн. Ошентип, Кэйди осцилляторлордун схемаларында жыштыктарды башкаруу үчүн кварц кристаллдарын биринчи жолу колдонгондор катары кеңири таанылган.
1923-жылы Гарварддын профессору Г.У.Пирс кристаллды Пирс осцилляторунун конфигурациясынын прекурсорунун-вакуумдук түтүк клапанынын торлору менен анодунун ортосуна жайгаштырган кристалл осцилляторунун схемасын иштеп чыккан.
1925-жылы Westinghouse Electric компаниясы KDKA радиостанциясынын негизги осциллятору катары кристаллдык осцилляторду орноткон.
Ван Дайк кварц кристаллынын резонаторлору үчүн эквиваленттүү схема моделин иштеп чыккан. Бул схема эки резонанстык жыштыкка ээ:катар резонанстык жыштык (fs)., бул жерде Lg{0}}Cg-Rg бутагы резонанс жаратат жана параллелдүү резонанстык жыштык (fp)., жалпы схема резонанс. Cg <С0 болгондуктан, бул жыштыктар абдан жакын. Реактивдүүлүк-жыштык мүнөздөмөсү fs жана fp ортосундагы индуктивдүү жүрүм-турумду жана башка жерде сыйымдуулуктун жүрүм-турумун көрсөтөт.
1926-жылы Y-кесилген кристаллдар ачылып, колдонулган. Ага чейин X-кесилген кварц кристаллдары гана колдонулган. X-кесилген кристаллдардын температура коэффициенти ~-20ppm/ градус болсо, Y-кесилген кристаллдары ~+100ppm/ градус көрсөттү, бул ар кандай кристаллдык кесүүлөр ар кандай температуралык коэффициенттерди бере аларын көрсөттү.
1927-жылы Белл лабораториясынан Уоррен Маррисон биринчи кварц кристалл осцилляторунун стандартын иштеп чыккан.
1928-жылы Уоррен Маррисон Белл телефон лабораториясында биринчи кварц кристалл саатын жараткан. Кварц сааттары тактык маятниктүү сааттарды алмаштырып, дүйнөдөгү эң так убакыт өлчөгүч болуп калды (атомдук сааттарга чейин).
Атомдук сааттарубакытты аныктоо үчүн атомдук энергияны жутуу/чыгаруу учурунда чыккан электромагниттик толкундарды колдонуп, 20 миллион жылда ~1 секунддук катага жетишүү-учурда дүйнөдөгү эң так убакытты эсепке алуу куралы.
1934-жылы Lack/Willard/Fair (АКШ), Кога (Япония) жана Бекман/Штраубел (Германия) тарабынан өз алдынча ачылган AT- жана BT{2}}cut кварц кристалл резонаторлору пайда болгон.
2. R&D мезгили: Кристалл осцилляторлорунун массалык өндүрүшү
1950-жылы атомдук сааттар иштелип чыккан. Кварц сааттары 30 жыл ичинде 1 секунддун максималдуу тактыгына жетишти (30 мс/жыл). Bell Labs кварц кристаллынын коммерциялык-масштабында өсүшү үчүн гидротермалдык процесстин пионери болгон.
3. Иштеп чыгуу мезгили: Партиялык өндүрүш жана аскерий колдонуудан жарандык колдонууга өтүү
1968-жылы Түндүк Америка Авиациясынын кызматкери Юрген Штауд кварц кристалл осцилляторлорун өндүрүү үчүн фотолитография процессин ойлоп таап, сааттар сыяктуу портативдик буюмдарды кичирейтүүгө мүмкүндүк берген.
1976-жылы биринчи SC{1}}кесилген кристаллдар пайда болгон. Негизинен OCXO операциялык температураларындагы оптималдуу температура коэффицентинен улам меш-башкарылган кристаллдык осцилляторлордо (OCXOs) колдонулат.
4. Тез өнүгүү мезгили: Электроникадагы диверсификацияланган колдонмолор
1990-жылдан азыркыга чейин кварцтык осцилляторлор DIPден кичирээк SMD пакеттерине чейин өзгөрүп, салттуу металл корпустарынан пластик/металл/керамикалык капсулаларга өтүштү. Тактык жана жыштык талаптары көбөйүп, өндүрүш процесстерин талап кылат. Тиркемелер 5G, IoT, автомобиль электроникасы, акылдуу саламаттыкты сактоо жана интеллектуалдык приборлор сыяктуу ар түрдүү тармактарга жайылды.
III. Жыйынтык
1880-жылдан 1956-жылга чейинки 70+ жылдар кварц осцилляторлорунун түптөлгөн мезгили болуп калды, алар жаңы ойлоп табуулар жана таасирдүү инноваторлор менен мүнөздөлөт. Кварцтык технологиянын прогресси акырындык менен ачылыш, түшүнүү жана жетилүү-процесстерин чагылдырат.