Krystalografické osy a typy křemenných řezů

Tento výklad popisuje krystalografické osy syntetického krystalu křemene a různé typy broušení (AT, BT a SC broušení) používané při výrobě krystalů křemene.

1. Krystalová struktura křemene

Křemen (SiO₂) krystalizuje v trigonální krystalové soustavě. Strukturu tvoří síť tetraedrů SiO₄ uspořádaných ve spirále podél osy Z (známé také jako osa c).

2. krystalografické osy

Krystal syntetického křemene má tyto hlavní osy:
- osy a₁-, a₃-, a₃- (osy x):
- osa Z (osa c): Odpovídá optické ose.
- Osa Y: Elektrická osa, kolmá k ose Z.

3. AT řez

AT úsek je šikmý úsek (přibližně 35,25°) proti ose Z v rovině X-Z. Používá se k výrobě teplotně stabilních oscilačních krystalů. Kmitání probíhá v rovině desky (planární režim).

4. Další typy křemenných řezů

Srovnání nejdůležitějších typů řezu:

5. závěr

Volba řezu významně ovlivňuje vlastnosti křemenného rezonátoru. Zatímco řez AT je široce používán, řez BT a zejména řez SC nabízejí specializované výhody z hlediska teplotní kompenzace a mechanické stability.

AT-Cut

Řez AT-Cut je nejpoužívanějším řezem pro křemenné krystaly a používá se k výrobě všech našich křemenných krystalů LRT (LOW ESR Resonator Technology). Krystaly AT-Cut se vyznačují dobrou teplotní stabilitou, nízkým frekvenčním driftem a širokým spektrem použití. Krystaly AT-cut lze velmi dobře miniaturizovat a jsou ideální pro rezonanční krystaly v rozsahu 3,2 - 285 MHz.

Frekvenční tolerance našich křemenných krystalů AT-Cut při +25 °C je ±10 ppm při +25 °C. Stárnutí se pohybuje v rozmezí ±10 ppm po 10 letech. Při teplotním rozsahu -20/+70 °C je nejužší možná teplotní stabilita ±10 ppm, při teplotě -40/+85 °C ±15 ppm, při teplotě -40/+105 °C = ±30 ppm a při teplotě -40/+125 °C ±50 ppm.

Oscilační krystal AT tak splňuje všechny požadavky, a to i pro velmi přesné rádiové aplikace (pásmo ISM, WiFi atd.).

BT-Cut

BT-Cut je starý řezný úhelník a používal se v minulosti, kdy řezný úhelník AT ještě nebyl tak rozvinutý. Oscilační krystaly BT-Cut měly větší teplotní stabilitu než krystaly AT-Cut, ale mohly být vyráběny levněji v širokém rozsahu frekvencí než krystaly AT-Cut. Křemenné krystaly BT-Cut se dnes již nevyrábějí - byly zcela nahrazeny křemennými krystaly AT-Cut.

SC-Cut

Řezný úhel SC-Cut (Stress Compensated Cut) je dvakrát otočený křemenný řez, který nabízí vynikající teplotní stabilitu, velmi nízké stárnutí a extrémně vysokou dlouhodobou stabilitu. Používá se zejména v přesných oscilátorech, jako jsou OCXO, kde jsou kritické nejmenší odchylky frekvence (např. v telekomunikacích, 5G, referenčních zařízeních GPS, měřicí technice atd.)

OCXO jsou krystalové oscilátory řízené pecí, kde se používá vnitřní "pec" k udržování krystalu SC-cut při konstantní ideální teplotě. Tato ideální teplota se pohybuje v rozmezí 80-85 °C, kde má SC-řezaný krystal také svůj 0-cyklus. Další zvláštností křemenných krystalů SC-Cut v OCXO jsou oscilační režimy. Například v OCXO se frekvence křemene SC s frekvencí 5 nebo 10 MHz nerealizují v základní, ale v 5. harmonické. Proč? Jde o C1 neboli dynamickou kapacitu. Krystal v 5. overtonu má mnohem menší C1 než základní krystal, takže SC broušený krystal v OCXO kmitá mnohem přesněji.