История происхождения кварцевых генераторов

Ⅰ.Введение
Кристаллические генераторы, как ключевые компоненты управления частотой, широко применяются в промышленном оборудовании, системах безопасности и видеонаблюдения, медицинских устройствах, автомобильной электронике, устройствах для умного дома и других областях. При макроскопическом рассмотрении прослеживается фундаментальная взаимосвязь между развитием глобальной информационной инфраструктуры и эволюцией кристаллических генераторов. В данной статье систематически анализируется техническая эволюция кристаллических генераторов — от открытия пьезоэлектрического эффекта до наногабаритных корпусов — и раскрывается их роль в продвижении технологического прогресса человечества через четыре промышленные революции.

 

Ⅱ.Историческое развитие кварцевых генераторов

 

1. Период технологического становления

В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри, исследуя пластины из кварцевого кристалла, обнаружили, что приложение механического напряжения к кристаллу вызывает смещение электрических зарядов, сформулировав концепцию пьезоэлектрического эффекта.

Принцип пьезоэлектрического эффекта:
При воздействии давления на пьезоэлектрический материал возникает разность электрических потенциалов (прямой пьезоэлектрический эффект). И наоборот, приложение напряжения создает механическое напряжение (обратный пьезоэлектрический эффект). Если давление представляет собой высокочастотную вибрацию, генерируется высокочастотный электрический ток. При подаче высокочастотного электрического сигнала на пьезокерамику возникает высокочастотный акустический сигнал (механические колебания), известный как ультразвуковой сигнал.

 

1918 г.: Поль Ланжевен исследовал использование пластин, вырезанных из кварцевого кристалла, для разработки ранней системы гидролокации (сонара) для обнаружения подводных лодок.
Принцип системы сонара: Это система, которая органично объединяет различные гидроакустические функции для комплексной обработки информации и централизованного управления с целью удовлетворения разнообразных тактических требований. Основные функции включают шумопеленгацию, эхолокацию, обнаружение гидроакустических импульсов, идентификацию целей и предупреждение о торпедной атаке. В этой работе Ланжевен использовал X-срезные кварцевые пластины для генерации и обнаружения звуковых волн в воде.

 

 

1921 г.: Профессор Уолтер Г. (У.Г.) Кэди из Уэслианского университета запатентовал кварцевый генератор. В рамках этого патента он использовал кварцевый резонатор для управления частотой генератора. Он также описал использование кварцевых стержней и пластин в качестве частотных эталонов и фильтров. Поэтому Кэди общепризнан как первый человек, применивший кварцевый кристалл для управления частотой колебательного контура.

 

 

1923 г.: Профессор Дж. У. Пирс из Гарвардского университета разработал схему кварцевого генератора, в которой кристалл был размещен между сеткой и анодом лампы/электронной вакуумной трубки. Это стало прототипом конфигурации генератора Пирса.

 

1925 г.: Компания Westinghouse Electric установила кварцевый генератор в качестве задающего генератора для своей радиостанции KDKA. Ван Дайк разработал эквивалентную схему кварцевого резонатора. Эквивалентная схема кварцевого резонатора имеет две резонансные частоты: одна — это последовательная резонансная частота (fS), на которой резонирует ветвь Lg, Cg, Rg. Другая — параллельная резонансная частота (fP), являющаяся резонансной частотой всей эквивалентной схемы. Поскольку Cg < C0, эти две частоты очень близки друг к другу. Из эквивалентной схемы кварцевого резонатора можно определить его реактансную частотную характеристику. Между fS и fP схема проявляет индуктивное реактивное сопротивление, вне этого интервала — емкостное реактивное сопротивление.

1926 г.: Впервые были обнаружены и применены Y-срезные кристаллы. До этого момента использовались исключительно кварцевые кристаллы X-среза. Было обнаружено, что, хотя температурный коэффициент X-срезных кристаллов составляет примерно -20 ppm/°C, у Y-срезных кристаллов он примерно +100 ppm/°C. Это показало, что разные ориентации среза кристаллических пластин могут иметь разные температурные коэффициенты.

 

 

1927 г.: Уоррен Маррисон из Bell Laboratories разработал первый стандарт на кварцевый генератор.

1928 г.: Уоррен Маррисон (Bell Telephone Laboratories, *примечание: дата 1928 год для часов Маррисона исторически точнее, чем указание на 1950-е годы*) разработал первые кварцевые часы. Кварцевые часы заменили прецизионные маятниковые часы в качестве самых точных хронометрических приборов в мире (до появления атомных часов).
Принцип атомных часов: Атомные часы измеряют время на основе электромагнитных волн, излучаемых при поглощении или высвобождении энергии атомами. Их хронометрический механизм обеспечивает такую точность, что отклонение может составить всего 1 секунду за 20 миллионов лет. В настоящее время атомные часы являются самыми точными приборами для измерения времени в мире.

1934 г.: Впервые появились кварцевые резонаторы AT-среза и BT-среза. Эти ориентации среза были независимо открыты Лэком, Уиллардом и Фэром (США); Когой (Япония); Бекманном и Штраубелем (Германия).

 

2. Период НИОКР: Достижение массового производства генераторов

1950年，开发出原子钟 ，石英时钟在30年内的精度最高为1秒(30ms / yr)贝尔实验室开发了一种用于以商业规模生长石英晶体的水热工艺。

1956 г.: Синтетически выращенный кварц стал широкодоступен.

 

3.Период развития: Серийное производство, масштабирование и переход от военного к гражданскому применению

 

1968 г.: Юрген Штауде из компании North American Aviation изобрел фотолитографический процесс изготовления кварцевых генераторов. Это позволило производить их достаточно маленькими для использования в портативных устройствах, таких как наручные часы.

 

1970 г.: Почти все кристаллы, используемые в электронных изделиях, были синтетическими.

 

 

1976 г.: Стали доступны первые кристаллы SC-среза. Они в основном используются в термостатированных генераторах (OCXO), поскольку обладают оптимальным температурным коэффициентом при рабочих температурах этих OCXO.

 

4. Период быстрого развития: Диверсификация электронных изделий и приложений

 

С 1990 г. по настоящее время: За последние 30+ лет направление развития кварцевых генераторов сместилось от корпусов DIP (Dual In-line Package) к корпусам SMD (Surface Mount Device) меньшего размера. Конструкция корпусов эволюционировала от традиционных металлических корпусов к использованию пластиковых, металлических и керамических корпусов. Точность и рабочие частоты значительно возросли, что потребовало все более совершенных производственных процессов. Области применения расширились от узкоспециализированных сфер до современных диверсифицированных сценариев, включающих 5G, IoT (Интернет вещей), автомобильную электронику, интеллектуальное здравоохранение и интеллектуальную бытовую технику.

III. Заключение
Более 70 лет с 1880 по 1956 год составили начальный период кварцевых генераторов. Эта эпоха ознаменовалась появлением множества новаторских талантов и непрерывным потоком изобретений, оказавших глубокое влияние. Развитие кварцевых генераторов до их нынешнего состояния заняло долгие годы. Технологический прогресс не может быть достигнут в одночасье; это постепенный процесс познания, открытий и созревания.