ออสซิเลเตอร์คริสตัล

Q: หลักการ

ผลึกคือ ของแข็ง ที่ อะตอม โมเลกุลหรือ ไอออน ที่ เป็นส่วนประกอบเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบและซ้ำๆ กันในมิติทั้งสามมิติ

ตัวเรโซเนเตอร์คริสตัล
	ผลึกควอตซ์ขนาดเล็ก 16 เมกะเฮิ ร์ตซ์ บรรจุอยู่ใน แพ็คเกจ HC-49/S ที่ปิดสนิทใช้เป็นตัวเรโซเนเตอร์ในออสซิเลเตอร์แบบผลึก
ประเภทส่วนประกอบ	อิเล็กโตเมคานิกส์
หลักการ ทำงาน	เพียโซอิเล็กทริก , เรโซแนนซ์
นักประดิษฐ์	อเล็กซานเดอร์ เอ็ม. นิโคลสัน , วอลเตอร์ กายตัน เคดี้
ผลิตครั้งแรก	1918
สัญลักษณ์อิเล็กทรอนิกส์

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลเป็นวงจร ออสซิลเลเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ ที่ใช้คริสตัล เพียโซอิเล็กทริกเป็นองค์ประกอบเลือกความถี่ [ ¹^]^[²^]^[³^]^{ความถี่}ของออสซิลเลเตอร์มักใช้ในการติดตามเวลา เช่น ในนาฬิกาข้อมือควอตซ์เพื่อให้สัญญาณนาฬิกา ที่เสถียร สำหรับวงจรรวม ดิจิทัลและเพื่อรักษาเสถียรภาพความถี่สำหรับ เครื่องส่ง และเครื่องรับ วิทยุ ชนิดของ ตัวเรโซเนเตอร์เพียโซอิเล็กทริกที่ใช้กันมากที่สุดคือ คริสตัล ควอตซ์ดังนั้นวงจรออสซิลเลเตอร์ที่ใช้คริสตัลควอตซ์จึงเรียกว่าออสซิลเลเตอร์คริสตัล^[¹^]อย่างไรก็ตาม วัสดุเพียโซอิเล็กทริกอื่นๆ รวมถึง เซรามิกโพลี คริสตัลไลน์ก็ถูกนำมาใช้ในวงจรที่คล้ายกัน

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลอาศัยการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเล็กน้อยของผลึกควอตซ์ภายใต้สนามไฟฟ้าซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่าเพียโซ อิเล็กทริก ผกผัน แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับอิเล็กโทรดบนผลึกทำให้ผลึกเปลี่ยนรูปร่าง เมื่อถอดแรงดันไฟฟ้าออก ผลึกจะสร้างแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยขณะที่มันกลับคืนสู่รูปร่างเดิมอย่างยืดหยุ่น ผลึกควอตซ์จะสั่นด้วยความถี่เรโซแนนซ์ที่เสถียร (เมื่อเทียบกับออสซิลเลเตอร์ราคาถูกอื่นๆ) ด้วยความแม่นยำของความถี่ที่วัดได้ในส่วนต่อล้าน (ppm) มันทำงานเหมือนวงจร RLCแต่มีค่า Q แฟคเตอร์ สูงกว่ามาก (การสูญเสียพลังงานในแต่ละรอบการสั่นต่ำกว่าและการเลือกความถี่สูงกว่า) เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุ (C) และตัวเหนี่ยวนำ (L) แบบแยกส่วน ซึ่งมีปัญหาเรื่องความต้านทาน ปรสิต (R) เมื่อปรับผลึกควอตซ์ให้มีความถี่เฉพาะ (ซึ่งได้รับผลกระทบจากมวลของอิเล็กโทรดที่ติดอยู่กับผลึก การวางแนวของผลึก อุณหภูมิ และปัจจัยอื่นๆ) มันจะรักษาความถี่นั้นไว้ด้วยความเสถียรสูง^[⁴^]

ผลึกควอตซ์ผลิตขึ้นสำหรับความถี่ตั้งแต่ไม่กี่สิบกิโลเฮิร์ตซ์ไปจนถึงหลายร้อยเมกะเฮิร์ตซ์ ณ ปี 2546 มีการผลิตผลึกประมาณสองพันล้านชิ้นต่อปี^{[ 5 ]}ส่วนใหญ่ใช้ในอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภค เช่นนาฬิกาข้อมือ นาฬิกาตั้งโต๊ะวิทยุคอมพิวเตอร์และโทรศัพท์มือถือ อย่างไรก็ตามในการใช้งานที่ต้องการขนาดและน้ำหนักที่เล็ก ผลึกสามารถถูกแทนที่ด้วยตัวเรโซเนเตอร์อะคูสติกแบบฟิล์มบางโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากต้องการการสั่นพ้องความถี่สูงมาก (มากกว่าประมาณ 1.5 GHz) ผลึกควอตซ์ยังพบได้ในอุปกรณ์ทดสอบและวัด เช่น เคาน์เตอร์เครื่องกำเนิดสัญญาณและออสซิลโลสโคป

ศัพท์เฉพาะ

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลเป็น วงจร ออสซิลเลเตอร์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่ใช้ตัวเรโซเนเตอร์แบบเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งก็คือ คริสตัล เป็นองค์ประกอบกำหนดความถี่ คำว่า "คริสตัล" เป็นคำที่ใช้กันทั่วไปในทางอิเล็กทรอนิกส์สำหรับส่วนประกอบกำหนดความถี่ ซึ่งเป็นแผ่นคริสตัลควอตซ์หรือเซรามิกที่มีอิเล็กโทรดเชื่อมต่ออยู่ คำที่ถูกต้องกว่าสำหรับ "คริสตัล" คือตัวเรโซเนเตอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกคริสตัลยังถูกใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ประเภทอื่น ๆ เช่นตัวกรองคริสตัลด้วย

ตัวเรโซเนเตอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกมีจำหน่ายเป็นชิ้นส่วนแยกต่างหากสำหรับใช้ในวงจรตัวกำเนิดสัญญาณคริสตัล นอกจากนี้ยังมักรวมอยู่ในแพ็คเกจเดียวกันกับวงจรตัวกำเนิดสัญญาณคริสตัลด้วย

ประวัติศาสตร์

ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกถูกค้นพบโดยJacquesและPierre Curieในปี 1880 Paul Langevin เป็นคนแรกที่ทำการวิจัยเกี่ยวกับตัว เร โซ เนเตอร์ควอตซ์เพื่อใช้ในโซนาร์ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 ออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยคริสตัลตัวแรกที่ใช้คริสตัลเกลือ Rochelleถูกสร้างขึ้นในปี 1917 และได้รับสิทธิบัตร^[⁶^]ในปี 1918 โดยAlexander M. Nicolsonที่Western Electric แม้ว่า Walter Guyton Cadyจะโต้แย้งถึงสิทธิในการประดิษฐ์ของเขา^[⁷^] Cady สร้างออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์ตัวแรกในปี 1921 ^[⁸^] ผู้ริเริ่มนวัตกรรมอื่นๆ ในยุคแรกๆ ของออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์ ได้แก่GW PierceและLouis Essen

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้เป็นแหล่งอ้างอิงความถี่ที่มีความเสถียรสูงในช่วงทศวรรษ 1920 และ 1930 ก่อนที่จะมีการใช้คริสตัล สถานีวิทยุจะควบคุมความถี่ด้วยวงจรปรับจูนซึ่งอาจเบี่ยงเบนความถี่ได้ง่ายถึง 3–4 kHz ^{[ 9 ]} เนื่องจากสถานีวิทยุได้รับความถี่ที่ห่างกันเพียง 10 kHz (อเมริกา) หรือ 9 kHz (ที่อื่น ๆ) การรบกวนระหว่างสถานีที่อยู่ติดกันเนื่องจากการเบี่ยงเบนความถี่จึงเป็นปัญหาทั่วไป^{[ 9 ]}ในปี 1925 เวสติงเฮาส์ได้ติดตั้งออสซิลเลเตอร์คริสตัลในสถานีหลัก KDKA ^{[ 9 ]}และในปี 1926 คริสตัลควอตซ์ถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมความถี่ของสถานีวิทยุหลายแห่งและเป็นที่นิยมในหมู่นักวิทยุสมัครเล่น^{[ 10 ]}ในปี 1928 วอร์เรน แมร์ริสัน จากห้องปฏิบัติการเบลล์ได้พัฒนานาฬิกาคริสตัลควอตซ์เรือน แรก ด้วยความแม่นยำถึง 1 วินาทีใน 30 ปี (30 มิลลิวินาที/ปี หรือ 0.95 นาโนวินาที/วินาที) ^{[ 8 ]} นาฬิกาควอตซ์จึงเข้ามาแทนที่นาฬิกาลูกตุ้ม ที่มีความแม่นยำสูง ในฐานะเครื่องบอกเวลาที่แม่นยำที่สุดในโลก จนกระทั่ง มีการพัฒนา นาฬิกาอะตอมในช่วงทศวรรษ 1950 โดยใช้ผลงานในช่วงแรกที่ Bell Laboratories บริษัท American Telephone and Telegraph Company (AT&T) ได้ก่อตั้งแผนก Frequency Control Products ขึ้น ซึ่งต่อมาได้แยกตัวออกมาและเป็นที่รู้จักในปัจจุบันในชื่อ Vectron International ^{[ 11 ]}

ในปี พ.ศ. 2476 Issac Kogaจากสถาบันเทคโนโลยีโตเกียวได้รายงานแผ่นควอตซ์แบบ R1 ซึ่งเป็นการวางแนวที่ไม่ไวต่ออุณหภูมิโดยมีสัมประสิทธิ์ความถี่-อุณหภูมิใกล้ศูนย์^{[ 12 ]}ผลึกแบบ Koga-cut ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในเครื่องส่งสัญญาณวิทยุและต่อมาในนาฬิกา และผลงานนี้ได้รับการยอมรับว่าเป็นIEEE Milestoneในปี พ.ศ. 2560 ^{[ 13 ]}

ในช่วงเวลานั้น บริษัทหลายแห่งเริ่มผลิตผลึกควอตซ์เพื่อใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยใช้กรรมวิธีที่ปัจจุบันถือว่าค่อนข้างดั้งเดิม มีการผลิตผลึกควอตซ์ประมาณ 100,000 ชิ้นในสหรัฐอเมริกาในปี 1939 ตลอดช่วงสงครามโลกครั้งที่สองผลึกควอตซ์ถูกผลิตจากผลึกควอตซ์ธรรมชาติ ซึ่งเกือบทั้งหมดมาจากบราซิลการขาดแคลนผลึกควอตซ์ในช่วงสงครามเนื่องจากความต้องการการควบคุมความถี่ที่แม่นยำของวิทยุ และ เรดาร์ ทางทหาร และ กองทัพเรือ กระตุ้นให้เกิดการวิจัยหลังสงครามเกี่ยวกับการเพาะเลี้ยงผลึกควอตซ์สังเคราะห์ และในปี 1950 กระบวนการ ไฮโดรเทอร์มอลสำหรับการปลูกผลึกควอตซ์ในเชิงพาณิชย์ได้รับการพัฒนาขึ้นที่ห้องปฏิบัติการเบลล์ ภายในปี 1970 ผลึกควอตซ์ที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดเป็นผลึกสังเคราะห์

ในปี พ.ศ. 2511 Juergen Staudte ได้คิดค้น กระบวนการ โฟโตลิโทกราฟีสำหรับการผลิตออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์ในขณะที่ทำงานอยู่ที่North American Aviation (ปัจจุบันคือRockwell ) ซึ่งทำให้สามารถผลิตออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์ที่มีขนาดเล็กพอสำหรับผลิตภัณฑ์พกพา เช่น นาฬิกา^{[ 14 ]}

แม้ว่าออสซิลเลเตอร์แบบคริสตัลยังคงใช้คริสตัลควอตซ์เป็นส่วนใหญ่ แต่ก็มีอุปกรณ์ที่ใช้วัสดุอื่นๆ เพิ่มมากขึ้น เช่นเรโซเนเตอร์เซรามิก

หลักการ

ผลึกคือของแข็ง ที่อะตอมโมเลกุลหรือไอออน ที่เป็นส่วนประกอบเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบและซ้ำๆ กันในมิติทั้งสามมิติ

แทบทุกวัตถุที่ทำจาก วัสดุ ยืดหยุ่นสามารถนำมาใช้แทนคริสตัลได้ โดยใช้ตัวแปลงสัญญาณ ที่เหมาะสม เนื่องจากวัตถุทุกชนิดมีคลื่นความถี่เรโซแน น ซ์ตามธรรมชาติ ตัวอย่างเช่นเหล็กมีความยืดหยุ่นสูงและมีความเร็วเสียงสูง จึงมักถูกนำมาใช้ในตัวกรองเชิงกลก่อนที่จะมีการใช้ควอตซ์ ความถี่เรโซแนนซ์ขึ้นอยู่กับขนาด รูปร่างความยืดหยุ่นและความเร็วเสียงในวัสดุนั้น ๆ คริสตัลความถี่สูงมักถูกตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือแผ่นกลมธรรมดา ส่วนคริสตัลความถี่ต่ำ เช่นที่ใช้ในนาฬิกาดิจิทัล มักถูกตัดเป็นรูปส้อมเสียง สำหรับการใช้งานที่ไม่ต้องการความแม่นยำของเวลามากนัก มักใช้ตัว เรโซเนเตอร์เซรามิกราคาประหยัดแทนคริสตัลควอตซ์

เมื่อผลึกควอตซ์ถูกตัดและติดตั้งอย่างเหมาะสมแล้ว จะสามารถทำให้มันบิดเบี้ยวได้ในสนามไฟฟ้าโดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยังขั้วไฟฟ้าที่อยู่ใกล้หรือบนผลึก คุณสมบัตินี้เรียกว่าปรากฏการณ์เพียโซอิ เล็กทริกผกผัน เมื่อเอาสนามไฟฟ้าออก ผลึกควอตซ์จะสร้างสนามไฟฟ้าขึ้นขณะที่มันกลับคืนสู่รูปทรงเดิม และสิ่งนี้สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้ ผลที่ได้คือ ผลึกควอตซ์มีพฤติกรรมเหมือนวงจร RLCซึ่งประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำตัวเก็บประจุและตัวต้านทานที่มีความถี่เรโซแนนซ์ที่แม่นยำ

นอกจากนี้ ควอตซ์ยังมีข้อได้เปรียบเพิ่มเติมคือค่าคงที่ความยืดหยุ่นและขนาดของมันเปลี่ยนแปลงไปในลักษณะที่ความถี่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิได้น้อยมาก ลักษณะเฉพาะจะขึ้นอยู่กับโหมดการสั่นและมุมที่ตัดควอตซ์ (เทียบกับแกนผลึก) ^{[ 15 ]}ดังนั้น ความถี่เรโซแนนซ์ของแผ่นซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดจึงไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก ซึ่งหมายความว่านาฬิกาควอตซ์ ตัวกรอง หรือออสซิลเลเตอร์ยังคงมีความแม่นยำ สำหรับการใช้งานที่สำคัญ ออสซิลเลเตอร์ควอตซ์จะถูกติดตั้งในภาชนะควบคุมอุณหภูมิที่เรียกว่าเตาอบคริสตัลและยังสามารถติดตั้งบนตัวดูดซับแรงกระแทกเพื่อป้องกันการรบกวนจากการสั่นสะเทือนทางกลภายนอกได้อีกด้วย

การสร้างแบบจำลอง

แบบจำลองไฟฟ้า

ผลึกควอตซ์สามารถจำลองได้เป็นเครือข่ายไฟฟ้าที่มี จุดเรโซแนนซ์ ความต้านทาน ต่ำ (อนุกรม) และ ความต้านทานสูง(ขนาน) ที่อยู่ใกล้กัน ในทางคณิตศาสตร์ โดยใช้การแปลงลาปลาสความต้านทานของเครือข่ายนี้สามารถเขียนได้ดังนี้: ^{[ 16 ]}

Z(s)=\left({{\frac {1}{s\cdot C_{1}}}+s\cdot L_{1}+R_{1}}\right)\left\|\left({\frac {1}{s\cdot C_{0}}}\right)\right.,

หรือ

{\begin{aligned}Z(s)&={\frac {s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {s} }}^{2}}{\left(s\cdot C_{0}\right)\left[s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {p} }}^{2}\right]}}\\[2pt]\Rightarrow \omega _{\mathrm {s} }&={\frac {1}{\sqrt {L_{1}\cdot C_{1}}}},\quad \omega _{\mathrm {p} }={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}=\omega _{\mathrm {s} }{\sqrt {1+{\frac {C_{1}}{C_{0}}}}}\approx \omega _{\mathrm {s} }\left(1+{\frac {C_{1}}{2C_{0}}}\right)\quad \left(C_{0}\gg C_{1}\right)\end{aligned}}

ที่ไหน $s$ คือความถี่เชิงซ้อน ( $s=j\omega$ ), $\omega _{\mathrm {s} }$ คือความถี่เชิงมุมเรโซ แนนซ์แบบอนุกรม และ $\omega _{\mathrm {p} }$ คือความถี่เชิงมุมเรโซแนนซ์แบบขนาน

การเพิ่มตัวเก็บประจุคร่อมคริสตัลจะทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ (แบบขนาน) ลดลง การเพิ่มตัวเหนี่ยวนำคร่อมคริสตัลจะทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ (แบบขนาน) เพิ่มขึ้น ผลกระทบเหล่านี้สามารถนำมาใช้ปรับความถี่ที่คริสตัลสั่นได้ โดยปกติแล้วผู้ผลิตคริสตัลจะตัดและตกแต่งคริสตัลเพื่อให้ได้ความถี่เรโซแนนซ์ที่กำหนดไว้เมื่อต่อตัวเก็บประจุ "โหลด" ที่ทราบค่าแล้วเข้ากับคริสตัล ตัวอย่างเช่น คริสตัลที่ออกแบบมาสำหรับ โหลด 6 pF จะมีความถี่เรโซแนนซ์แบบขนานที่กำหนดไว้เมื่อต่อตัวเก็บประจุ 6.0 pF คร่อมอยู่ หากไม่มีตัวเก็บประจุโหลด ความถี่เรโซแนนซ์จะสูงขึ้น

โหมดเรโซแนนซ์

ผลึกควอตซ์ให้ทั้งการสั่นพ้องแบบอนุกรมและแบบขนาน การสั่นพ้องแบบอนุกรมจะมีความถี่ต่ำกว่าแบบขนานไม่กี่กิโลเฮิร์ตซ์ โดยทั่วไปแล้วผลึกที่มีความถี่ต่ำกว่า 30 เมกะเฮิร์ตซ์จะทำงานระหว่างการสั่นพ้องแบบอนุกรมและแบบขนาน ซึ่งหมายความว่าผลึกจะปรากฏเป็น รีแอกแทนซ์ แบบเหนี่ยวนำในระหว่างการทำงาน โดยการเหนี่ยวนำนี้จะสร้างวงจรสั่นพ้องแบบขนานกับตัวเก็บประจุแบบขนานที่ต่อภายนอก

ตัวเก็บประจุขนาดเล็กใดๆ ที่ต่อขนานกับคริสตัลจะทำให้ความถี่ลดลง นอกจากนี้ ค่าความต้านทานเชิงเหนี่ยวนำที่มีประสิทธิภาพของคริสตัลสามารถลดลงได้โดยการต่อตัวเก็บประจุอนุกรมกับคริสตัล เทคนิคหลังนี้สามารถให้วิธีการที่มีประโยชน์ในการปรับความถี่การสั่นภายในช่วงแคบๆ ในกรณีนี้ การใส่ตัวเก็บประจุอนุกรมกับคริสตัลจะเพิ่มความถี่ของการสั่น สำหรับคริสตัลที่จะทำงานที่ความถี่ที่กำหนด วงจรอิเล็กทรอนิกส์จะต้องตรงตามที่ผู้ผลิตคริสตัลกำหนดไว้ทุกประการ โปรดทราบว่าประเด็นเหล่านี้บ่งบอกถึงความละเอียดอ่อนเกี่ยวกับออสซิเลเตอร์คริสตัลในช่วงความถี่นี้: โดยปกติแล้วคริสตัลจะไม่สั่นที่ความถี่เรโซแนนซ์ใดความถี่หนึ่งอย่างแม่นยำ

โดยทั่วไปแล้ว คริสตัลที่มีความถี่สูงกว่า 30 MHz (สูงถึง >200 MHz) จะทำงานที่การสั่นพ้องแบบอนุกรม ซึ่งค่าอิมพีแดนซ์จะมีค่าต่ำสุดและเท่ากับค่าความต้านทานอนุกรม สำหรับคริสตัลเหล่านี้ จะระบุค่าความต้านทานอนุกรม (<100 Ω) แทนที่จะเป็นค่าความจุแบบขนาน เพื่อให้ได้ความถี่ที่สูงขึ้น สามารถทำให้คริสตัลสั่นใน โหมด โอเวอร์โทน ใดโหมดหนึ่ง ซึ่งเกิดขึ้นใกล้กับค่าทวีคูณของความถี่เรโซแนนซ์พื้นฐาน โดยใช้เฉพาะโอเวอร์โทนเลขคี่เท่านั้น คริสตัลดังกล่าวเรียกว่าคริสตัลโอเวอร์โทนที่ 3, 5 หรือแม้แต่ 7 ในการทำเช่นนี้ วงจร oscillator มักจะมีวงจร LC เพิ่มเติม เพื่อเลือกโอเวอร์โทนที่ต้องการ

ผลกระทบของอุณหภูมิ

ลักษณะความถี่ของผลึกขึ้นอยู่กับรูปร่างหรือ "การเจียระไน" ของผลึก ผลึกส้อมเสียงมักถูกเจียระไนให้ความถี่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแบบกำลังสอง โดยมีค่าสูงสุดอยู่ที่ประมาณ25 °C (77 °F)ซึ่งหมายความว่าออสซิเลเตอร์ผลึกส้อมเสียงจะสั่นพ้องใกล้กับความถี่เป้าหมายที่อุณหภูมิห้อง แต่จะช้าลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลงจากอุณหภูมิห้อง ค่าสัมประสิทธิ์พาราโบลาทั่วไปสำหรับผลึกส้อมเสียง 32 kHz คือ −0.04 ppm/ ° ^C²

f=f_{0}\left[1-0.04~{\text{ppm}}/^{\circ }{\text{C}}^{2}\cdot (T-T_{0})^{2}\right].

ในทางปฏิบัติ หมายความว่า นาฬิกาที่สร้างโดยใช้ ผลึกส้อมเสียงความถี่ 32 kHz ทั่วไป จะรักษาเวลาได้ดีที่อุณหภูมิห้อง แต่จะคลาดเคลื่อน 2 นาทีต่อปี ที่อุณหภูมิ สูงกว่าหรือต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง 10 °C (50 °F)และจะคลาดเคลื่อน 8 นาทีต่อปี ที่ อุณหภูมิสูงกว่าหรือต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง 20 °C (68 °F)เนื่องจากผลึกควอตซ์

วงจรออสซิเลเตอร์คริสตัล

วงจรออสซิเลเตอร์คริสตัลรักษาการสั่นโดยการรับสัญญาณแรงดันจากตัวเรโซเนเตอร์ ควอตซ์ ขยายสัญญาณนั้น แล้วป้อนกลับไปยังเรโซเนเตอร์ อัตราการขยายตัวและการหดตัวของควอตซ์คือ ความถี่เรโซ แนนซ์ซึ่งกำหนดโดยการตัดและขนาดของคริสตัล เมื่อพลังงานของความถี่เอาต์พุตที่สร้างขึ้นตรงกับความสูญเสียในวงจร การสั่นก็จะสามารถคงอยู่ได้

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลประกอบด้วยแผ่นตัวนำไฟฟ้าสองแผ่น โดยมีแผ่นหรือแท่งผลึกควอตซ์วางอยู่ตรงกลาง ในระหว่างการเริ่มต้นทำงาน วงจรควบคุมจะทำให้คริสตัลอยู่ในสภาวะสมดุลที่ไม่เสถียรและเนื่องจากปฏิกิริยาป้อนกลับเชิงบวกในระบบเสียงรบกวน เพียงเล็กน้อย ก็จะถูกขยายให้ใหญ่ขึ้น ทำให้การสั่นเพิ่มขึ้น ผลึกเรโซเนเตอร์ยังสามารถมองได้ว่าเป็นตัวกรองที่มีการเลือกความถี่สูงในระบบนี้ กล่าวคือ มันจะยอมให้เฉพาะความถี่ช่วงแคบๆ รอบความถี่เรโซแนนซ์ผ่านไปได้เท่านั้น โดยลดทอนความถี่อื่นๆ ทั้งหมด ในที่สุดจะมีเพียงความถี่เรโซแนนซ์เท่านั้นที่ทำงานอยู่ เมื่อออสซิลเลเตอร์ขยายสัญญาณที่ออกมาจากคริสตัล สัญญาณในช่วงความถี่ของคริสตัลก็จะแรงขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดก็จะครอบงำสัญญาณเอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์ ช่วงความถี่เรโซแนนซ์ที่แคบของผลึกควอตซ์จะกรองความถี่ที่ไม่ต้องการออกไป

ความถี่เอาต์พุตของออสซิเลเตอร์ควอตซ์อาจเป็นความถี่เรโซแนนซ์พื้นฐานหรือความถี่ฮาร์มอ นิกซึ่งเป็นพหุคูณ ของความถี่เรโซแนนซ์พื้นฐาน ความถี่ฮาร์มอนิกเป็นจำนวนเต็มที่เป็นผลคูณที่แน่นอนของความถี่พื้นฐาน แต่เช่นเดียวกับตัวเรโซเนเตอร์เชิงกลอื่นๆ ผลึกควอตซ์แสดงโหมดการสั่นหลายโหมด โดยปกติแล้วจะเป็นความถี่ที่เป็นจำนวนเต็มคี่โดยประมาณของความถี่พื้นฐาน โหมดเหล่านี้เรียกว่า "โหมดโอเวอร์โทน" และวงจรออสซิเลเตอร์สามารถออกแบบมาเพื่อกระตุ้นโหมดเหล่านี้ได้ โหมดโอเวอร์โทนมีความถี่ที่เป็นจำนวนเต็มคี่โดยประมาณ แต่ไม่ใช่ผลคูณที่แน่นอนของความถี่พื้นฐาน ดังนั้นความถี่โอเวอร์โทนจึงไม่ใช่ฮาร์มอนิกที่แน่นอนของความถี่พื้นฐาน

ผลึกความถี่สูงมักถูกออกแบบมาให้ทำงานที่ความถี่โอเวอร์โทนที่สาม ที่ห้า หรือที่เจ็ด ผู้ผลิตประสบปัญหาในการผลิตผลึกที่บางพอที่จะสร้างความถี่พื้นฐานที่สูงกว่า 30 MHz เพื่อสร้างความถี่ที่สูงขึ้น ผู้ผลิตจึงสร้างผลึกโอเวอร์โทนที่ปรับจูนให้ความถี่โอเวอร์โทนที่ 3 ที่ 5 หรือที่ 7 อยู่ที่ความถี่ที่ต้องการ เนื่องจากมีความหนากว่าและผลิตได้ง่ายกว่าผลึกพื้นฐานที่สร้างความถี่เดียวกัน แม้ว่าการกระตุ้นความถี่โอเวอร์โทนที่ต้องการจะต้องใช้วงจรออสซิลเลเตอร์ที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยก็ตาม^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}^{[ 21 ]} วงจรออสซิลเลเตอร์ผลึกพื้นฐานนั้นง่ายกว่า มีประสิทธิภาพมากกว่า และดึงได้มากกว่าวงจรโอเวอร์โทนที่สาม ขึ้นอยู่กับผู้ผลิต ความถี่พื้นฐานสูงสุดที่มีอยู่อาจอยู่ที่ 25 MHz ถึง 66 MHz ^{[ 22 ]}^{[ 23 ]}

เหตุผลสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้มีการใช้ออสซิลเลเตอร์คริสตัลอย่างแพร่หลายคือค่า Q แฟ คเตอร์ที่สูง ค่า Qทั่วไปสำหรับออสซิลเลเตอร์ควอตซ์อยู่ในช่วง 10⁴ ^ถึง 10⁶ ^{เมื่อ}เทียบกับ^10²สำหรับออสซิลเลเตอร์ LC ค่า Qสูงสุด สำหรับออสซิลเลเตอร์ควอตซ์ ^ที่มีความเสถียรสูงสามารถประมาณได้เป็นQ = 1.6 × 10⁷ / fโดยที่fคือความถี่เรโซแนนซ์ในหน่วยเมกะเฮิรตซ์^[²⁴^]^[²⁵^]

หนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของออสซิลเลเตอร์ผลึกควอตซ์คือความสามารถในการแสดงสัญญาณรบกวนเฟส ต่ำมาก ในออสซิลเลเตอร์หลายชนิด พลังงานสเปกตรัมใดๆ ที่ความถี่เรโซแนนซ์จะถูกขยายโดยออสซิลเลเตอร์ ส่งผลให้เกิดชุดของโทนเสียงที่มีเฟสต่างกัน ในออสซิลเลเตอร์ผลึก ผลึกส่วนใหญ่จะสั่นในแกนเดียว ดังนั้นจึงมีเพียงเฟสเดียวที่เด่น คุณสมบัติสัญญาณรบกวนเฟส ต่ำนี้ ทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในด้านโทรคมนาคมที่ต้องการสัญญาณที่เสถียร และในอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่ต้องการการอ้างอิงเวลาที่แม่นยำมาก

การเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม เช่น อุณหภูมิ ความชื้น ความดัน และการสั่นสะเทือน สามารถเปลี่ยนแปลงความถี่เรโซแนนซ์ของผลึกควอตซ์ได้ แต่มีหลายการออกแบบที่ช่วยลดผลกระทบจากสภาพแวดล้อมเหล่านี้ ซึ่งได้แก่ TCXO, MCXO และOCXOที่จะกล่าวถึงต่อไปการออกแบบเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง OCXO มักจะสร้างอุปกรณ์ที่มีเสถียรภาพในระยะสั้นที่ดีเยี่ยม ข้อจำกัดในเสถียรภาพระยะสั้นส่วนใหญ่เกิดจากสัญญาณรบกวนจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในวงจร oscillator ส่วนเสถียรภาพในระยะยาวนั้นถูกจำกัดด้วยการเสื่อมสภาพของผลึก

เนื่องจากอายุการใช้งานและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม (เช่น อุณหภูมิและการสั่นสะเทือน) ทำให้ยากที่จะรักษาความแม่นยำของออสซิเลเตอร์ควอตซ์ที่ดีที่สุดให้อยู่ภายใน 1 ส่วนใน 10¹⁰ ^ของความถี่ที่กำหนดโดยไม่ต้องปรับแต่งอย่างต่อเนื่อง ด้วยเหตุนี้ออสซิเลเตอร์อะตอมจึงถูกนำมาใช้ในงานที่ต้องการความเสถียรและความแม่นยำในระยะยาวที่ดีกว่า

ความถี่ปลอม

สำหรับคริสตัลที่ทำงานที่ความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรม หรือถูกดึงออกจากโหมดหลักโดยการรวมตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุแบบอนุกรม อาจพบการตอบสนองที่ไม่พึงประสงค์อย่างมีนัยสำคัญ (และขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ) แม้ว่าโหมดที่ไม่พึงประสงค์ส่วนใหญ่จะอยู่สูงกว่าความถี่เรโซแนนซ์แบบอนุกรมที่ต้องการประมาณหลายสิบกิโลเฮิร์ตซ์ แต่ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของโหมดที่ไม่พึงประสงค์นั้นแตกต่างจากโหมดหลัก และการตอบสนองที่ไม่พึงประสงค์อาจเคลื่อนผ่านโหมดหลักที่อุณหภูมิบางค่า แม้ว่าความต้านทานแบบอนุกรมที่ความถี่เรโซแนนซ์ที่ไม่พึงประสงค์จะดูสูงกว่าความต้านทานที่ความถี่ที่ต้องการ แต่การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของความต้านทานแบบอนุกรมของโหมดหลักอาจเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเฉพาะเมื่อความถี่ทั้งสองตรงกัน ผลที่ตามมาของการลดลงของกิจกรรมเหล่านี้คือ ออสซิลเลเตอร์อาจล็อกอยู่ที่ความถี่ที่ไม่พึงประสงค์ที่อุณหภูมิเฉพาะ ซึ่งโดยทั่วไปจะลดให้น้อยที่สุดโดยการตรวจสอบให้แน่ใจว่าวงจรบำรุงรักษามีอัตราขยายไม่เพียงพอที่จะกระตุ้นโหมดที่ไม่ต้องการ

ความถี่ที่ไม่พึงประสงค์ยังเกิดขึ้นได้จากการทำให้ผลึกสั่นสะเทือน ซึ่งจะปรับเปลี่ยนความถี่เรโซแนนซ์เล็กน้อยตามความถี่ของการสั่นสะเทือน ผลึกแบบ SC-cut (Stress Compensated) ถูกออกแบบมาเพื่อลดผลกระทบของความเค้นในการติดตั้งต่อความถี่ ดังนั้นจึงมีความไวต่อการสั่นสะเทือนน้อยกว่า ผลกระทบจากความเร่งรวมถึงแรงโน้มถ่วงก็ลดลงด้วยผลึกแบบ SC-cut เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ตามเวลาเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความเค้นในการติดตั้งในระยะยาว อย่างไรก็ตาม ผลึกแบบ SC-cut ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง เช่น ความจำเป็นที่ออสซิลเลเตอร์รักษาความถี่จะต้องแยกแยะโหมดที่ไม่พึงประสงค์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด และการเปลี่ยนแปลงความถี่ที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิเมื่ออยู่ในช่วงอุณหภูมิแวดล้อมเต็มรูปแบบ ผลึกแบบ SC-cut มีข้อได้เปรียบมากที่สุดในกรณีที่สามารถควบคุมอุณหภูมิที่อุณหภูมิที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นศูนย์ (จุดเปลี่ยน) ได้ ภายใต้สถานการณ์เหล่านี้ ประสิทธิภาพความเสถียรโดยรวมจากหน่วยคุณภาพสูงสามารถเข้าใกล้ความเสถียรของมาตรฐานความถี่รูบิเดียมได้

ความถี่คริสตัลที่ใช้กันทั่วไป

สามารถผลิตคริสตัลสำหรับการสั่นในช่วงความถี่ที่กว้าง ตั้งแต่ไม่กี่กิโลเฮิร์ตซ์ไปจนถึงหลายร้อยเมกะเฮิร์ตซ์ การใช้งานหลายอย่างต้องการความถี่ของออสซิลเลเตอร์คริสตัลที่สัมพันธ์กับความถี่อื่นที่ต้องการ ดังนั้นจึงมีการผลิตความถี่คริสตัลมาตรฐานหลายร้อยความถี่ในปริมาณมากและจัดเก็บโดยผู้จัดจำหน่ายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่น คริสตัล 3.579545 เมกะเฮิร์ตซ์ ซึ่งผลิตในปริมาณมากสำหรับ เครื่องรับ โทรทัศน์สีNTSCปัจจุบันได้รับความนิยมในการใช้งานที่ไม่เกี่ยวข้องกับโทรทัศน์หลายอย่าง (แม้ว่าเครื่องรับโทรทัศน์สมัยใหม่ส่วนใหญ่จะใช้คริสตัลความถี่อื่นสำหรับตัวถอดรหัสสีก็ตาม) การใช้ตัวแบ่งความถี่ ตัวคูณความถี่และ วงจร ล็อกเฟสทำให้สามารถสร้างความถี่ที่หลากหลายจากความถี่อ้างอิงเดียวได้

โครงสร้างผลึกและวัสดุ

ควอตซ์

โครงสร้างภายในของ คริสตัลควอตซ์บรรจุภัณฑ์ HC-49

วัสดุที่ใช้กันทั่วไปสำหรับผลึกออสซิลเลเตอร์คือควอตซ์ในช่วงเริ่มต้นของเทคโนโลยี มีการใช้ผลึกควอตซ์ธรรมชาติ แต่ปัจจุบันผลึกควอตซ์สังเคราะห์ที่ปลูกโดยการสังเคราะห์ด้วยความร้อนใต้ดินเป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากมีความบริสุทธิ์สูงกว่า ต้นทุนต่ำกว่า และจัดการได้สะดวกกว่า การใช้งานผลึกธรรมชาติที่เหลืออยู่เพียงไม่กี่อย่างคือการใช้เป็นทรานสดิวเซอร์วัดความดันในบ่อลึก ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองและหลังจากนั้นอีกระยะหนึ่ง สหรัฐอเมริกาถือว่าควอตซ์ธรรมชาติเป็นวัสดุเชิงยุทธศาสตร์มีการนำเข้าผลึกขนาดใหญ่จากบราซิล ผลึกควอตซ์ดิบ "lascas" ซึ่งเป็นวัตถุดิบตั้งต้นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยความร้อนใต้ดิน ถูกนำเข้าสู่สหรัฐอเมริกาหรือขุดได้ในท้องถิ่นโดย Coleman Quartz มูลค่าเฉลี่ยของควอตซ์สังเคราะห์ที่ปลูกได้ในปี 1994 คือ60 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม^{[ 26 ]}

ประเภท

ผลึกควอตซ์มีสองประเภท ได้แก่ แบบมือซ้ายและแบบมือขวา ทั้งสองประเภทแตกต่างกันที่การหมุนเชิงแสงแต่มีคุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ เหมือนกัน ผลึกทั้งแบบมือซ้ายและมือขวาสามารถใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ได้ หากมุมตัดถูกต้อง โดยทั่วไปแล้วจะใช้ควอตซ์แบบมือขวาในการผลิต^{[ 27 ]} รูปทรงสี่เหลี่ยมด้านเท่า SiO ก่อตัวเป็นเกลียวขนาน ทิศทางการบิดของเกลียวจะเป็นตัวกำหนดทิศทางแบบมือซ้ายหรือมือขวา เกลียวเหล่านี้เรียงตัวตามแกน c และรวมกันโดยใช้ร่วมกันของอะตอม มวลของเกลียวก่อตัวเป็นตาข่ายของช่องขนาดเล็กและขนาดใหญ่ขนานกับแกน c ช่องขนาดใหญ่มีขนาดใหญ่พอที่จะทำให้ไอออนและโมเลกุลขนาดเล็กสามารถเคลื่อนที่ผ่านผลึกได้^{[ 28 ]}

ควอตซ์มีอยู่หลายเฟส ที่อุณหภูมิ 573 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 1 บรรยากาศ (และที่อุณหภูมิและความดันสูงกว่านี้) ควอตซ์อัลฟาจะ เกิด การผกผันของควอตซ์เปลี่ยนกลับไปเป็นควอตซ์เบตาได้ อย่างไรก็ตาม กระบวนการย้อนกลับนั้นไม่เป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด และ เกิด การแฝดของผลึกขึ้นจึงต้องระมัดระวังในระหว่างการผลิตและการแปรรูปเพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนเฟส เฟสอื่นๆ เช่น เฟสที่อุณหภูมิสูงกว่าอย่างไตรไดไมต์และ คริส โตบาไลต์นั้นไม่สำคัญสำหรับออสซิลเลเตอร์ ผลึกควอตซ์สำหรับออสซิลเลเตอร์ทั้งหมดเป็นชนิดควอตซ์อัลฟา

คุณภาพ

การวัดสเปกตรัมอินฟราเรดเป็นหนึ่งในวิธีการวัดคุณภาพของผลึกที่ปลูก^โดยทั่วไปจะใช้เลขคลื่น 3585, 3500 และ 3410 cm⁻¹ ค่าที่วัดได้จะขึ้นอยู่กับ แถบการดูดกลืนของอนุมูล OHและคำนวณค่า Q อินฟราเรด ผลึกเกรดอิเล็กทรอนิกส์ เกรด C มีค่า Q 1.8 ล้านขึ้นไป ผลึกเกรดพรีเมียม B มีค่า Q 2.2 ล้าน และผลึกเกรดพรีเมียมพิเศษ A มีค่า Q 3.0 ล้าน ค่า Q จะคำนวณเฉพาะในบริเวณ z เท่านั้น ผลึกที่มีบริเวณอื่นอาจได้รับผลกระทบในทางลบ ตัวบ่งชี้คุณภาพอีกอย่างหนึ่งคือความหนาแน่นของช่องกัด เมื่อผลึกถูกกัดจะเกิดช่องรูปท่อตามแนวข้อบกพร่องเชิงเส้น สำหรับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการกัด เช่น ผลึกส้อมเสียงของนาฬิกาข้อมือ ความหนาแน่นของช่องกัดต่ำเป็นที่ต้องการ ความหนาแน่นของช่องกัดสำหรับควอตซ์แบบกวาดอยู่ที่ประมาณ 10⁻¹⁰ และมากกว่านั้นอย่างมากสำหรับควอตซ์แบบไม่กวาด การมีอยู่ของช่องกัดและหลุมกัดทำให้ค่า Q ของเรโซเนเตอร์ลดลงและทำให้เกิดความไม่เป็นเชิงเส้น^[²⁹^]

การผลิต

สามารถเพาะเลี้ยงผลึกควอตซ์เพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะได้

ผลึกสำหรับตัดแบบ AT-cutเป็นแบบที่ใช้กันมากที่สุดในการผลิตวัสดุออสซิลเลเตอร์จำนวนมาก รูปทรงและขนาดได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้ได้ผลผลิตเวเฟอร์ ที่ต้องการ ในปริมาณสูง ผลึกควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงนั้นถูกปลูกโดยมีปริมาณอะลูมิเนียม โลหะอัลคาไล และสิ่งเจือปนอื่นๆ ต่ำเป็นพิเศษ และมีข้อบกพร่องน้อยที่สุด ปริมาณโลหะอัลคาไลที่ต่ำช่วยเพิ่มความต้านทานต่อรังสีไอออนไนซ์ผลึกสำหรับนาฬิกาข้อมือ สำหรับการตัดผลึกส้อมเสียง 32768 เฮิรตซ์นั้น ถูกปลูกโดยมีความหนาแน่นของช่องกัดเซาะต่ำมาก

ผลึกสำหรับ อุปกรณ์ SAWนั้นปลูกในลักษณะแบน โดยใช้เมล็ดขนาดใหญ่รูปตัว X ที่มีความหนาแน่นของช่องกัดเซาะต่ำ

ผลึก Q สูงพิเศษ สำหรับใช้ในออสซิลเลเตอร์ที่มีเสถียรภาพสูง จะถูกปลูกด้วยความเร็วคงที่ช้าๆ และมีการดูดซับอินฟราเรดต่ำคงที่ตลอดแกน Z ทั้งหมด ผลึกสามารถปลูกได้เป็นแบบ Y-bar โดยใช้ผลึกต้นแบบรูปทรงแท่งและยาวไปตามแกน Y หรือเป็นแบบ Z-plate โดยปลูกจากผลึกต้นแบบรูปทรงแผ่นที่มีความยาวตามทิศทางแกน Y และความกว้างตามแกน X ^{[ 27 ]}บริเวณรอบๆ ผลึกต้นแบบมีข้อบกพร่องของผลึกจำนวนมากและไม่ควรนำไปใช้สำหรับเวเฟอร์

ผลึกเติบโตแบบไม่เป็นไอโซ โทรปิ ก การเติบโตตามแกน Z เร็วกว่าการเติบโตตามแกน X ถึง 3 เท่า ทิศทางและอัตราการเติบโตยังมีอิทธิพลต่ออัตราการดูดซับสิ่งเจือปน ด้วย ^{[ 30 ]}ผลึกรูปแท่ง Y หรือผลึกรูปแผ่น Z ที่มีแกน Y ยาว มีบริเวณการเติบโตสี่บริเวณ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่า +X, −X, Z และ S ^{[ 31 ]}การกระจายตัวของสิ่งเจือปนระหว่างการเติบโตไม่สม่ำเสมอ บริเวณการเติบโตที่แตกต่างกันมีระดับของสารปนเปื้อนที่แตกต่างกัน บริเวณ Z มีความบริสุทธิ์มากที่สุด บริเวณ S ที่มีขนาดเล็กและพบได้เป็นครั้งคราวมีความบริสุทธิ์น้อยกว่า บริเวณ +X มีความบริสุทธิ์น้อยกว่า และบริเวณ -X มีระดับของสิ่งเจือปนสูงสุด สิ่งเจือปนเหล่านี้ส่งผลเสียต่อความทนทานต่อรังสีความไวต่อการเกิดแฝด การสูญเสียตัวกรอง และความเสถียรในระยะยาวและระยะสั้นของผลึก^{[ 32 ]}เมล็ดที่ตัดต่างกันในทิศทางที่แตกต่างกันอาจให้บริเวณการเติบโตประเภทอื่นได้^{[ 33 ]}อัตราการเติบโตของทิศทาง −X ช้าที่สุดเนื่องจากผลของการดูดซับโมเลกุลน้ำบนพื้นผิวผลึก อะลูมิเนียมเจือปนจะยับยั้งการเติบโตในอีกสองทิศทาง ปริมาณอะลูมิเนียมต่ำที่สุดในบริเวณ Z สูงกว่าใน +X สูงกว่าใน −X และสูงที่สุดใน S ขนาดของบริเวณ S ก็เติบโตขึ้นตามปริมาณอะลูมิเนียมที่เพิ่มขึ้น ปริมาณไฮโดรเจนต่ำที่สุดในบริเวณ Z สูงกว่าในบริเวณ +X สูงกว่าในบริเวณ S และสูงที่สุดใน −X ^{[ 34 ]}อะลูมิเนียมที่เจือปนจะเปลี่ยนเป็นศูนย์กลางสีเมื่อได้รับรังสีแกมมา ทำให้ผลึกมืดลงตามสัดส่วนของปริมาณและระดับของสิ่งเจือปน การมีอยู่ของบริเวณที่มีความมืดต่างกันแสดงให้เห็นถึงบริเวณการเติบโตที่แตกต่างกัน

ข้อบกพร่อง ที่สำคัญ ในผลึกควอตซ์คือการแทนที่ อะตอม Si(IV )ด้วย ไอออน Al(III )ในโครงผลึก ไอออนอะลูมิเนียมจะมีตัวชดเชยประจุแทรกอยู่ใกล้เคียง ซึ่งอาจเป็น ไอออน H ⁺ (เกาะกับออกซิเจนที่อยู่ใกล้เคียงและก่อตัวเป็นกลุ่มไฮดรอกซิลเรียกว่าข้อบกพร่อง Al−OH) ไอออน Li ⁺ไอออนNa ⁺ไอออนK ⁺ (พบน้อยกว่า) หรืออิเล็กตรอนโฮลที่ติดอยู่ในวงโคจรของอะตอมออกซิเจนที่อยู่ใกล้เคียง องค์ประกอบของสารละลายที่ใช้ในการเจริญเติบโต ไม่ว่าจะเป็นสารประกอบอัลคาไลลิเธียมหรือโซเดียม จะเป็นตัวกำหนดไอออนชดเชยประจุสำหรับข้อบกพร่องของอะลูมิเนียม ไอออนเจือปนเหล่านี้เป็นสิ่งที่น่ากังวล เนื่องจากไม่ได้ยึดติดแน่นและสามารถเคลื่อนที่ผ่านผลึก ทำให้ความยืดหยุ่นของโครงผลึกในบริเวณนั้นและความถี่เรโซแนนซ์ของผลึกเปลี่ยนแปลงไป สิ่งเจือปนอื่นๆ ที่น่ากังวล ได้แก่ เหล็ก(III) (แทรกตัว), ฟลูออรีน, โบรอน(III), ฟอสฟอรัส(V) (แทนที่), ไทเทเนียม(IV) (แทนที่ พบได้ทั่วไปในควอตซ์ที่เกิดจากกระบวนการแมกมา พบน้อยในควอตซ์ที่เกิดจากกระบวนการไฮโดรเทอร์มอล) และเจอร์มาเนียม(IV) (แทนที่) ไอออนของโซเดียมและเหล็กสามารถทำให้เกิดการรวมตัวของ ผลึก แอกไนต์และอีเลมูไซต์ได้ การรวมตัวของน้ำอาจพบได้ในผลึกที่เติบโตเร็ว โมเลกุลของน้ำที่แทรกตัวอยู่มีจำนวนมากใกล้กับเมล็ดผลึก ข้อบกพร่องที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือข้อบกพร่องในการเติบโตที่มีไฮโดรเจน เมื่อแทนที่จะเป็นโครงสร้าง Si−O−Si จะเกิดกลุ่ม Si−OH HO−Si ขึ้น ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือพันธะไฮโดรไลซ์ ผลึกที่เติบโตเร็วจะมีข้อบกพร่องของไฮโดรเจนมากกว่าผลึกที่เติบโตช้า ข้อบกพร่องในการเติบโตเหล่านี้เป็นแหล่งของไอออนไฮโดรเจนสำหรับกระบวนการที่เกิดจากรังสีและการก่อตัวของข้อบกพร่อง Al-OH สิ่งเจือปนของเจอร์มาเนียมมีแนวโน้มที่จะดักจับอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นระหว่างการฉายรังสี จากนั้นไอออนบวกของโลหะอัลคาไลจะเคลื่อนที่ไปยังศูนย์กลางที่มีประจุลบและก่อตัวเป็นสารเชิงซ้อนที่ช่วยให้เกิดความเสถียร นอกจากนี้ยังอาจมีข้อบกพร่องในเมทริกซ์ เช่น ช่องว่างของออกซิเจน ช่องว่างของซิลิคอน (โดยปกติจะถูกชดเชยด้วยไฮโดรเจน 4 อะตอม หรือไฮโดรเจน 3 อะตอมและโฮล) หมู่เพอร์ออกซี เป็นต้น ข้อบกพร่องบางอย่างสร้างระดับเฉพาะที่ในแถบต้องห้าม ซึ่งทำหน้าที่เป็นกับดักประจุ โดยทั่วไป Al(III) และ B(III) จะทำหน้าที่เป็นกับดักโฮล ในขณะที่ช่องว่างของอิเล็กตรอน อะตอมของไทเทเนียม เจอร์มาเนียม และฟอสฟอรัส ทำหน้าที่เป็นกับดักอิเล็กตรอน ตัวพาประจุที่ถูกดักจับสามารถปลดปล่อยได้โดยการให้ความร้อน การรวมตัวกันใหม่ของพวกมันเป็นสาเหตุของการเกิดเทอร์โมลูมิเนสเซนซ์

การเคลื่อนที่ของไอออนแทรกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก ไอออนไฮโดรเจนสามารถเคลื่อนที่ได้จนถึง 10 K แต่ไอออนโลหะอัลคาไลจะเคลื่อนที่ได้เฉพาะที่อุณหภูมิประมาณ 200 K ขึ้นไปเท่านั้น ข้อบกพร่องของไฮดรอกซิลสามารถวัดได้ด้วยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดใกล้ รูที่ถูกดักจับสามารถวัดได้ด้วยเรโซแนนซ์สปินอิเล็กตรอน ข้อบกพร่อง Al−Na ⁺แสดงเป็นยอดการสูญเสียเสียงเนื่องจากการเคลื่อนที่ที่เกิดจากความเครียด ข้อบกพร่อง Al−Li ⁺ไม่สร้างบ่อศักย์จึงไม่สามารถตรวจจับได้ด้วยวิธีนี้^{[ 35 ]}ข้อบกพร่องที่เกิดจากรังสีบางส่วนในระหว่างการอบด้วยความร้อนทำให้เกิดเทอร์โมลูมิเนสเซนซ์ ข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับอะลูมิเนียม ไทเทเนียม และเจอร์มาเนียมสามารถแยกแยะได้^{[ 36 ]}

ผลึกแบบกวาด (Swept crystals) คือผลึกที่ผ่านกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ ด้วยการแพร่ กระจายไฟฟ้า ในสถานะของแข็ง การกวาดเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่ผลึกที่อุณหภูมิสูงกว่า 500 °C ในบรรยากาศที่ปราศจากไฮโดรเจน โดยมีแรงดันไฟฟ้าอย่างน้อย 1 kV/cm เป็นเวลาหลายชั่วโมง (โดยปกติมากกว่า 12 ชั่วโมง) การเคลื่อนที่ของสิ่งเจือปนและการแทนที่ไอออนโลหะอัลคาไลด้วยไฮโดรเจน (เมื่อกวาดในอากาศ) หรืออิเล็กตรอนโฮล (เมื่อกวาดในสุญญากาศ) อย่างค่อยเป็นค่อยไป ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าอ่อนๆ ไหลผ่านผลึก การลดลงของกระแสไฟฟ้านี้จนถึงค่าคงที่บ่งบอกถึงจุดสิ้นสุดของกระบวนการ จากนั้นปล่อยให้ผลึกเย็นลงในขณะที่รักษาสนามไฟฟ้าไว้ สิ่งเจือปนจะกระจุกตัวอยู่ที่บริเวณแคโทดของผลึก ซึ่งจะถูกตัดออกและทิ้งในภายหลัง^{[ 37 ]}ผลึกแบบกวาดมีความต้านทานต่อรังสีเพิ่มขึ้น เนื่องจากผลกระทบของปริมาณรังสีขึ้นอยู่กับระดับของสิ่งเจือปนโลหะอัลคาไล จึงเหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์ที่สัมผัสกับรังสีไอออนไนซ์ เช่น เทคโนโลยีนิวเคลียร์และอวกาศ^{[ 38 ]}การกวาดภายใต้สุญญากาศที่อุณหภูมิสูงขึ้นและความแรงสนามสูงขึ้นทำให้ได้ผลึกที่ทนต่อรังสีได้มากขึ้น^{[ 39 ]}ระดับและลักษณะของสิ่งเจือปนสามารถวัดได้ด้วยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรด^{[ 40 ]}ควอตซ์สามารถกวาดได้ทั้งในเฟส α และ β การกวาดในเฟส β จะเร็วกว่า แต่การเปลี่ยนเฟสอาจทำให้เกิดการแฝด การแฝดสามารถลดลงได้โดยการทำให้ผลึกอยู่ภายใต้แรงกดในทิศทาง X หรือสนามไฟฟ้ากระแสสลับหรือกระแสตรงตามแนวแกน X ในขณะที่ผลึกเย็นตัวลงผ่านช่วงอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟส^{[ 39 ]}

การกวาดยังสามารถใช้เพื่อนำสิ่งเจือปนชนิดหนึ่งเข้าไปในผลึกได้อีกด้วย ผลึกที่ผ่านการกวาดด้วยลิเธียม โซเดียม และไฮโดรเจน ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาพฤติกรรมของควอตซ์ เป็นต้น

ผลึกขนาดเล็กมากสำหรับความถี่โหมดพื้นฐานสูงสามารถผลิตได้โดยใช้โฟโตลิโทกราฟี^{[ 29 ]}

การตัดแต่ง

สามารถปรับความถี่ของผลึกให้แม่นยำได้ด้วยการตัดแต่งด้วยเลเซอร์เทคนิคที่ใช้ในวงการวิทยุสมัครเล่นเพื่อลดความถี่ของผลึกเล็กน้อยอาจทำได้โดยการนำผลึกที่มีขั้วไฟฟ้าเงินไปสัมผัสกับไอระเหยของไอโอดีนซึ่งจะทำให้มวลบนพื้นผิวเพิ่มขึ้นเล็กน้อยโดยการสร้างชั้นบางๆ ของซิลเวอร์ไอโอไดด์อย่างไรก็ตาม ผลึกดังกล่าวมีปัญหาเรื่องความเสถียรในระยะยาว อีกวิธีหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปคือการเพิ่มหรือลดความหนาของขั้วไฟฟ้าเงินด้วยวิธีทางเคมีไฟฟ้า โดยการจุ่มตัวเรโซเนเตอร์ลงในลาพิสลาซูลีที่ละลายในน้ำ กรดซิตริกในน้ำ หรือน้ำที่มีเกลือ และใช้ตัวเรโซเนเตอร์เป็นขั้วไฟฟ้าหนึ่ง และขั้วไฟฟ้าเงินขนาดเล็กเป็นอีกขั้วหนึ่ง

โดยการเลือกทิศทางของกระแสไฟฟ้า เราสามารถเพิ่มหรือลดมวลของอิเล็กโทรดได้ รายละเอียดได้รับการตีพิมพ์ในนิตยสาร "Radio" (3/1978) โดย UB5LEV

ไม่แนะนำให้เพิ่มความถี่โดยการขูดส่วนต่างๆ ของอิเล็กโทรดออก เนื่องจากอาจทำให้คริสตัลเสียหายและลดค่า Q ลงได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ตัวปรับค่า ความจุ (capacitor trimmer)ในการปรับความถี่ของวงจร oscillator ได้อีกด้วย

วัสดุอื่นๆ

นอกจากควอตซ์แล้ว ยังสามารถใช้วัสดุเพียโซอิเล็กท ริก อื่นๆ ได้อีก ด้วย เช่น ผลึกเดี่ยวของ ลิเธียมแทนทาเลต ลิเธียมไนโอ เบ ตลิเธี ยมโบเรต เบอร์ลินไน ต์ แกลเลียมอา ร์ เซไน ด์ลิเธียมเตตระโบเรต อะลูมิเนียม ฟอสเฟต บิสมัทเจอร์มา เนียมออกไซด์ เซรามิกเซอร์โคเนียมไท ทาเนตแบบผลึกหลายเหลี่ยม เซรามิกอะลูมินาสูง สารประกอบ ซิลิคอน - ซิงค์ออกไซด์หรือไดโพแทสเซียมทาร์เทรต [ ⁴¹^]^[⁴²^]^{วัสดุ}บางชนิดอาจเหมาะสมกว่าสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน ผลึกออสซิลเลเตอร์ยังสามารถผลิตได้โดยการฝากวัสดุเรโซเนเตอร์ลงบนพื้นผิวชิปซิลิคอน^[⁴³^]ผลึกของแกลเลียมฟอสเฟตลังกาไซต์ลังกาไนต์และลังกาเตตสามารถดึงได้มากกว่าผลึกควอตซ์ที่สอดคล้องกันประมาณ 10 เท่า และใช้ในออสซิลเลเตอร์ VCXO บางชนิด^[⁴⁴^]

ความเสถียร

ความเสถียรของความถี่ถูกกำหนดโดย ค่าคุณภาพ (Q factor) ของผลึกซึ่งแปรผกผันกับความถี่ และค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับลักษณะการเจียระไนเฉพาะ ปัจจัยอื่นๆ ที่มีอิทธิพลต่อค่า Q ได้แก่ โอเวอร์โทนที่ใช้ อุณหภูมิ ระดับการขับเคลื่อนของผลึก คุณภาพของการตกแต่งพื้นผิว ความเครียดทางกลที่กระทำต่อผลึกจากการเชื่อมและการติดตั้ง รูปทรงเรขาคณิตของผลึกและอิเล็กโทรดที่ติดอยู่ ความบริสุทธิ์ของวัสดุและข้อบกพร่องในผลึก ชนิดและความดันของก๊าซในตู้ การรบกวนของคลื่น และการมีอยู่และปริมาณรังสีไอออนและนิวตรอนที่ถูกดูดซับ

ความเสถียรของคริสตัลแบบ AT จะลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น เพื่อให้ได้ความแม่นยำในความถี่สูงมากขึ้น ควรใช้คริสตัลที่มีความถี่พื้นฐานต่ำกว่า ซึ่งทำงานที่ความถี่ฮาร์มอนิก

วงจรออสซิลเลเตอร์ที่ออกแบบไม่ดีอาจเริ่มสั่นด้วยความถี่โอเวอร์โทน อย่างกะทันหัน ในปี พ.ศ. 2515 รถไฟในเมืองฟรีมอนต์ รัฐแคลิฟอร์เนียประสบอุบัติเหตุเนื่องจากออสซิลเลเตอร์ทำงานผิดปกติ ค่าของตัวเก็บประจุในแทงค์ที่ไม่เหมาะสมทำให้คริสตัลในแผงควบคุมทำงานเกินกำลัง กระโดดไปยังความถี่โอเวอร์โทน และทำให้รถไฟเร่งความเร็วขึ้นแทนที่จะชะลอความเร็วลง^{[ 45 ]}

อุณหภูมิ

อุณหภูมิมีผลต่อความถี่ในการทำงาน จึงมีการชดเชยหลายรูปแบบ ตั้งแต่การชดเชยแบบอนาล็อก (TCXO) และการชดเชยด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCXO) ไปจนถึงการรักษาเสถียรภาพของอุณหภูมิด้วยเตาอบคริสตัล (OCXO) คริสตัลมีปรากฏการณ์ฮิสเทอรีซิส ของอุณหภูมิ กล่าวคือ ความถี่ที่อุณหภูมิที่กำหนดซึ่งได้จากการเพิ่มอุณหภูมิจะไม่เท่ากับความถี่ที่อุณหภูมิเดียวกันซึ่งได้จากการลดอุณหภูมิ ความไวต่ออุณหภูมิขึ้นอยู่กับลักษณะการตัดเป็นหลัก การตัดที่ชดเชยอุณหภูมิจะถูกเลือกเพื่อให้ความถี่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิน้อยที่สุด สามารถทำการตัดแบบพิเศษที่มีลักษณะเชิงเส้นตามอุณหภูมิได้ การตัดแบบ LC ใช้ในเทอร์โมมิเตอร์ควอตซ์ ปัจจัยอื่นๆ ที่มีอิทธิพล ได้แก่ โอเวอร์โทนที่ใช้ การติดตั้งและอิเล็กโทรด สิ่งเจือปนในคริสตัล ความเครียดทางกล รูปทรงเรขาคณิตของคริสตัล อัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ประวัติความร้อน (เนื่องจากฮิสเทอรีซิส) รังสีไอออน และระดับการขับเคลื่อน

โดยทั่วไปแล้วผลึกมักแสดงความผิดปกติในลักษณะความถี่/อุณหภูมิและความต้านทาน/อุณหภูมิ ซึ่งเรียกว่าการลดลงของกิจกรรม (activity dips) การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เป็นการลดลงของความถี่หรือการเพิ่มขึ้นของความต้านทานเล็กน้อยที่เกิดขึ้นเฉพาะที่อุณหภูมิบางช่วง โดยตำแหน่งของอุณหภูมิจะขึ้นอยู่กับค่าของตัวเก็บประจุที่ต่อกับโหลด

ความเค้นเชิงกล

ความเค้นทางกลยังมีผลต่อความถี่ด้วย ความเค้นเหล่านี้อาจเกิดขึ้นจากการติดตั้ง การยึดติด และการใช้งานอิเล็กโทรด จากการขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันของการติดตั้ง อิเล็กโทรด และตัวผลึกเอง จากความเค้นทางความร้อนที่แตกต่างกันเมื่อมีอุณหภูมิไล่ระดับ จากการขยายตัวหรือการหดตัวของวัสดุยึดติดระหว่างการอบแห้ง จากความดันอากาศที่ถ่ายโอนไปยังความดันบรรยากาศภายในกล่องผลึก จากความเค้นของโครงสร้างผลึกเอง (การเติบโตที่ไม่สม่ำเสมอ สิ่งเจือปน การเคลื่อนตัว) จากความไม่สมบูรณ์และความเสียหายของพื้นผิวที่เกิดขึ้นระหว่างการผลิต และจากแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลของผลึก ดังนั้นความถี่จึงอาจได้รับอิทธิพลจากตำแหน่งของผลึก ปัจจัยอื่นๆ ที่ก่อให้เกิดความเค้นแบบไดนามิก ได้แก่ แรงกระแทก การสั่นสะเทือน และเสียงรบกวน การตัดบางแบบมีความไวต่อความเค้นน้อยกว่า ตัวอย่างเช่น การตัดแบบ SC (stress-compensated) การเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศยังสามารถทำให้เกิดการเสียรูปในตัวเรือน ซึ่งส่งผลต่อความถี่โดยการเปลี่ยนแปลงค่าความจุไฟฟ้าแฝง

ความชื้นในบรรยากาศส่งผลต่อคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนของอากาศ และสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพลาสติกได้โดยการแพร่ของโมเลกุลน้ำเข้าไปในโครงสร้าง ทำให้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและค่าการนำไฟฟ้า เปลี่ยนแปลง ไป^{[ 46 ]}

ปัจจัยอื่นๆ ที่มีผลต่อความถี่ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ ความต้านทานของโหลด สนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้า (ในกรณีของการตัดที่ไวต่อสนามไฟฟ้า เช่น การตัด SC) การมีอยู่และปริมาณรังสีแกมมาและรังสีไอออนไนซ์ที่ถูกดูดซับ และอายุของผลึก

ความชรา

ผลึกจะค่อยๆ เปลี่ยนแปลงความถี่ไปตามกาลเวลา ซึ่งเรียกว่าการเสื่อมสภาพ มีกลไกหลายอย่างที่เกี่ยวข้อง การติดตั้งและการสัมผัสอาจคลายความเครียดที่สะสมอยู่ โมเลกุลของสิ่งปนเปื้อนไม่ว่าจะมาจากบรรยากาศที่เหลืออยู่ ก๊าซที่ระเหยออกมาจากผลึก อิเล็กโทรด หรือวัสดุบรรจุภัณฑ์ หรือที่เข้ามาในระหว่างการปิดผนึกตัวเรือน สามารถถูกดูดซับบนพื้นผิวของผลึก ทำให้มวลของผลึกเปลี่ยนแปลงไป ผลกระทบนี้ถูกนำไปใช้ในเครื่องชั่งไมโครคริสตัลควอตซ์องค์ประกอบของผลึกสามารถเปลี่ยนแปลงไปทีละน้อยได้จากการระเหยของก๊าซ การแพร่กระจายของอะตอมของสิ่งเจือปน หรือการเคลื่อนย้ายจากอิเล็กโทรด หรือโครงสร้างผลึกอาจเสียหายจากรังสี ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ อาจเกิดขึ้นบนหรือภายในผลึก หรือบนพื้นผิวด้านในของตัวเรือน วัสดุอิเล็กโทรด เช่น โครเมียมหรืออะลูมิเนียม สามารถทำปฏิกิริยากับผลึก ทำให้เกิดชั้นของโลหะออกไซด์และซิลิคอน ชั้นเชื่อมต่อเหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาได้ ความดันภายในตัวเรือนสามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากความดันบรรยากาศ อุณหภูมิ การรั่วไหล หรือการระเหยของก๊าซจากวัสดุภายใน ปัจจัยภายนอกตัวผลึกเอง เช่น การเสื่อมสภาพของวงจรออสซิลเลเตอร์ (และการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุ) และการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของเตาอบผลึก องค์ประกอบของบรรยากาศภายนอกยังสามารถส่งผลต่อการเสื่อมสภาพได้ไฮโดรเจนสามารถแพร่ผ่านตัวเรือนนิกเกิลได้ ฮีเลียมสามารถก่อให้เกิดปัญหาที่คล้ายกันได้เมื่อแพร่ผ่านกล่องแก้วของมาตรฐานรูบิเดียม^{[ 47 ]}

ทองคำเป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่นิยมใช้สำหรับเรโซเนเตอร์ที่มีอายุการใช้งานต่ำ การยึดเกาะกับควอตซ์นั้นแข็งแรงพอที่จะรักษาการสัมผัสได้แม้ภายใต้แรงกระแทกทางกลที่รุนแรง แต่ก็อ่อนแอพอที่จะไม่รองรับการไล่ระดับความเครียดที่สำคัญ (ต่างจากโครเมียม อะลูมิเนียม และนิกเกล) นอกจากนี้ ทองคำยังไม่ค่อยเกิดออกไซด์ มันดูดซับสารปนเปื้อนอินทรีย์จากอากาศ แต่สารเหล่านี้สามารถกำจัดออกได้ง่าย อย่างไรก็ตาม ทองคำเพียงอย่างเดียวอาจเกิดการหลุดลอกได้ ดังนั้นบางครั้งจึงใช้ชั้นโครเมียมเพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะ เงินและอะลูมิเนียมมักใช้เป็นอิเล็กโทรด อย่างไรก็ตาม ทั้งสองชนิดจะเกิดชั้นออกไซด์เมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งจะเพิ่มมวลของผลึกและลดความถี่ เงินสามารถทำให้เกิดการพาสซิเวชันได้โดยการสัมผัสกับไอโอดีนทำให้เกิดชั้นของซิลเวอร์ไอโอไดด์อะลูมิเนียมออกซิไดซ์ได้ง่ายแต่ช้า จนกระทั่ง มีความหนาประมาณ 5 นาโนเมตร อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นระหว่างการเร่งอายุเทียมไม่ได้เพิ่มความเร็วในการเกิดออกไซด์อย่างมีนัยสำคัญ สามารถสร้างชั้นออกไซด์หนาได้ในระหว่างการผลิตโดยการทำอะโนไดซ์^{[ 48 ]}

แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่จ่ายระหว่างขั้วไฟฟ้าสามารถเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพเริ่มต้นได้ ซึ่งอาจเกิดจากการแพร่ของสิ่งเจือปนผ่านผลึก การวางตัวเก็บประจุแบบอนุกรมกับผลึกและตัวต้านทานขนาดหลายเมกะโอห์มแบบขนานสามารถลดแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวได้

การเสื่อมสภาพจะลดลงแบบลอการิทึมตามเวลา โดยการเปลี่ยนแปลงที่มากที่สุดจะเกิดขึ้นไม่นานหลังจากการผลิต การเร่งอายุของผลึกโดยการเก็บรักษาเป็นเวลานานที่อุณหภูมิ 85 ถึง 125 องศาเซลเซียส สามารถเพิ่มความเสถียรในระยะยาวได้

ความเสียหายทางกล

ผลึกมีความไวต่อแรงกระแทก ความเครียดทางกลทำให้ความถี่ของออสซิลเลเตอร์เปลี่ยนแปลงในระยะสั้นเนื่องจากความไวต่อความเครียดของผลึก และอาจทำให้ความถี่เปลี่ยนแปลงอย่างถาวรเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของการติดตั้งและความเครียดภายในที่เกิดจากแรงกระแทก (หากเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่นของชิ้นส่วนทางกล) การดูดซับสิ่งปนเปื้อนจากพื้นผิวผลึก หรือการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของวงจรออสซิลเลเตอร์ แรงกระแทกที่มีขนาดสูงอาจทำให้ผลึกหลุดออกจากการติดตั้ง (โดยเฉพาะในกรณีของผลึกความถี่ต่ำขนาดใหญ่ที่แขวนอยู่บนลวดบางๆ) หรือทำให้ผลึกแตก ผลึกที่ปราศจากความไม่สมบูรณ์ของพื้นผิวจะทนต่อแรงกระแทกได้สูงการขัดเงาทางเคมี สามารถผลิตผลึกที่สามารถทนต่อแรงกระแทก ^ได้หลายหมื่นg [ ^{49 ]}

ผลึกไม่มีกลไกการล้มเหลวโดยธรรมชาติ บางชนิดทำงานในอุปกรณ์มานานหลายทศวรรษ อย่างไรก็ตาม อาจเกิดความล้มเหลวได้จากข้อบกพร่องในการเชื่อมต่อ ตัวเรือนรั่ว การกัดกร่อน การเปลี่ยนแปลงความถี่เนื่องจากอายุ การแตกของผลึกเนื่องจากแรงกระแทกทางกลสูงเกินไป หรือความเสียหายที่เกิดจากรังสีเมื่อใช้ควอตซ์ที่ไม่ผ่านกระบวนการกวาด^{[ 50 ]}ผลึกยังอาจเสียหายได้จากการใช้งานเกินกำลัง

ความผันผวนของความถี่

ผลึกยังได้รับผลกระทบจากความผันผวนของความถี่ในระยะสั้นเล็กน้อยด้วย สาเหตุหลักของเสียงรบกวนดังกล่าว ได้แก่เสียงรบกวนจากความร้อน (ซึ่งจำกัดระดับเสียงรบกวน) การกระเจิงของโฟนอน (ได้รับอิทธิพลจากข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึก) การดูดซับ/การคายตัวของโมเลกุลบนพื้นผิวของผลึก เสียงรบกวนของวงจรออสซิลเลเตอร์ แรงกระแทกและการสั่นสะเทือนทางกล การเปลี่ยนแปลงความเร่งและทิศทาง ความผันผวนของอุณหภูมิ และการคลายความเครียดทางกล ความเสถียรในระยะสั้นวัดได้จากพารามิเตอร์หลักสี่ตัว ได้แก่ค่าความแปรปรวนของอัลลัน (ค่าที่พบได้บ่อยที่สุดที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลของออสซิลเลเตอร์) เสียงรบกวนเฟส ความหนาแน่นสเปกตรัมของการเบี่ยงเบนเฟส และความหนาแน่นสเปกตรัมของการเบี่ยงเบนความถี่เศษส่วน ผลกระทบของความเร่งและการสั่นสะเทือนมักจะเด่นกว่าแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนอื่นๆ อุปกรณ์คลื่นเสียงพื้นผิวมีแนวโน้มที่จะไวต่อการสั่นสะเทือนมากกว่าอุปกรณ์คลื่นเสียงปริมาตร (BAW) และการตัดที่ชดเชยความเครียดจะมีความไวต่อการสั่นสะเทือนน้อยกว่า ทิศทางสัมพัทธ์ของเวกเตอร์ความเร่งเทียบกับผลึกมีอิทธิพลอย่างมากต่อความไวต่อการสั่นสะเทือนของผลึก สามารถใช้การติดตั้งแยกการสั่นสะเทือนทางกลสำหรับผลึกที่มีความเสถียรสูงได้

สัญญาณรบกวนเฟสมีบทบาทสำคัญใน ระบบ สังเคราะห์ความถี่โดยใช้การคูณความถี่ การคูณความถี่ด้วย N จะเพิ่มกำลังของสัญญาณรบกวนเฟสเป็น N² ^การคูณความถี่ด้วย 10 เท่าจะเพิ่มขนาดของข้อผิดพลาดเฟสเป็น 10 เท่า ซึ่งอาจส่งผลร้ายแรงต่อระบบที่ใช้เทคโนโลยีPLLหรือFSK

สนามแม่เหล็กมีผลกระทบต่อผลึกควอตซ์น้อยมาก เนื่องจากควอตซ์เป็นสารไดอะแมกเนติกอย่างไรก็ตามกระแสไหลวนหรือแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับสามารถเหนี่ยวนำเข้าไปในวงจรได้ และชิ้นส่วนแม่เหล็กของตัวยึดและตัวเรือนอาจได้รับผลกระทบ

หลังจากเปิดเครื่องแล้ว ผลึกจะใช้เวลาหลายวินาทีถึงหลายนาทีในการ "อุ่นเครื่อง" และรักษาระดับความถี่ให้คงที่ OCXO ที่ควบคุมด้วยเตาอบมักต้องใช้เวลา 3–10 นาทีในการอุ่นเครื่องเพื่อให้ถึงสมดุลทางความร้อน ในขณะที่ออสซิลเลเตอร์ที่ไม่มีเตาอบจะเสถียรในเวลาไม่กี่วินาที เนื่องจากพลังงานไม่กี่มิลลิวัตต์ที่กระจายอยู่ในผลึกทำให้เกิดความร้อนภายในในระดับเล็กน้อยแต่สังเกตได้^{[ 51 ]}

ระดับการขับขี่

ต้องมีการขับเคลื่อนคริสตัลในระดับที่เหมาะสม คริสตัลความถี่ต่ำ โดยเฉพาะคริสตัลโหมดดัดงอ อาจแตกหักได้หากใช้ระดับการขับเคลื่อนสูงเกินไป ระดับการขับเคลื่อนจะระบุเป็นปริมาณพลังงานที่กระจายในคริสตัล ระดับการขับเคลื่อนที่เหมาะสมอยู่ที่ประมาณ 5 μW สำหรับโหมดดัดงอได้ถึง 100 kHz, 1 μW สำหรับโหมดพื้นฐานที่ 1–4 MHz, 0.5 μW สำหรับโหมดพื้นฐาน 4–20 MHz และ 0.5 μW สำหรับโหมดโอเวอร์โทนที่ 20–200 MHz ^{[ 52 ]} ระดับการขับเคลื่อนที่ ต่ำเกินไปอาจทำให้เกิดปัญหาในการเริ่มต้นออสซิลเลเตอร์ ระดับการขับเคลื่อนต่ำจะดีกว่าสำหรับความเสถียรที่สูงขึ้นและการใช้พลังงานที่ต่ำลงของออสซิลเลเตอร์ ในทางกลับกัน ระดับการขับเคลื่อนที่สูงขึ้นจะช่วยลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนโดยการเพิ่ม อัตราส่วนสัญญาณต่อ สัญญาณรบกวน^{[ 53 ]}

การเจียระไนคริสตัล

แผ่นเรโซเนเตอร์สามารถตัดจากผลึกต้นแบบได้หลายวิธี ทิศทางการตัดมีผลต่อลักษณะการเสื่อมสภาพ ความเสถียรของความถี่ คุณสมบัติทางความร้อน และพารามิเตอร์อื่นๆ ของผลึก การตัดเหล่านี้ทำงานที่คลื่นเสียงแบบปริมาตร (BAW) สำหรับความถี่ที่สูงกว่าจะใช้อุปกรณ์คลื่นเสียงแบบพื้นผิว (SAW)

ภาพตัดผลึกหลายแบบ^{[ 54 ]}

ตัด	ช่วงความถี่	โหมด	มุม	คำอธิบาย
ที่	500 kHz – 300 MHz	การเฉือนตามความหนา ( โหมด $c$ , การเฉือนกึ่งช้า)	35°15′, 0° (< 25 MHz) 35°18′, 0° (> 10 MHz)	การตัดที่พบได้บ่อยที่สุด พัฒนาขึ้นในปี 1934 แผ่นประกอบด้วย แกน $x$ ของผลึก และเอียง 35°15′ จาก แกน $z$ (เชิงแสง) เส้นโค้งความถี่-อุณหภูมิเป็นเส้นโค้งรูปไซน์ที่มีจุดเปลี่ยนที่ประมาณ25~35 °Cมีค่าคงที่ความถี่ 1.661 MHz⋅mm ^{[ 55 ]}ผลึกส่วนใหญ่ (ประมาณมากกว่า 90%) เป็นแบบแปรผันนี้^{[ 56 ]}ใช้สำหรับออสซิลเลเตอร์ที่ทำงานในช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น สำหรับช่วงความถี่ 500 kHz–200 MHz และยังใช้ในออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยเตาอบ^{[ 57 ]}ไวต่อความเครียดทางกล ไม่ว่าจะเกิดจากแรงภายนอกหรือการไล่ระดับอุณหภูมิ ผลึกเฉือนความหนาโดยทั่วไปทำงานในโหมดพื้นฐานที่ 1–30 MHz โอเวอร์โทน ที่ 3 ที่ 30–90 MHz และโอเวอร์โทนที่ 5 ที่ 90–150 MHz ^[⁵⁸^]ตามแหล่งข้อมูลอื่น พวกมันสามารถผลิตเพื่อการทำงานในโหมดพื้นฐานได้ถึง 300 MHz แม้ว่าโหมดนั้นมักจะใช้เพียง 100 MHz ^[⁵⁹^]และตามแหล่งข้อมูลอื่นอีก ขีดจำกัดสูงสุดสำหรับความถี่พื้นฐานของการตัด AT นั้นจำกัดอยู่ที่ 40 MHz สำหรับแผ่นเปล่าที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก^[⁵⁵^]สามารถผลิตได้ทั้งในรูปแบบแผ่นกลมทั่วไปหรือในรูปแบบเรโซเนเตอร์แบบแถบ ซึ่งแบบหลังช่วยให้มีขนาดเล็กกว่ามาก ความหนาของแผ่นควอตซ์เปล่าอยู่ที่ประมาณ (1.661 มม.)/(ความถี่ใน MHz) โดยความถี่จะเลื่อนไปบ้างจากการประมวลผลเพิ่มเติม^[⁶⁰^]โอเวอร์โทนที่สามอยู่ที่ประมาณ 3 เท่าของความถี่พื้นฐาน โอเวอร์โทนจะสูงกว่าค่าทวีคูณที่เทียบเท่าของความถี่พื้นฐานประมาณ 25 kHz ต่อโอเวอร์โทน คริสตัลที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานในโหมดโอเวอร์โทนจะต้องได้รับการประมวลผลเป็นพิเศษสำหรับความขนานของระนาบและการตกแต่งพื้นผิวเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดที่ความถี่โอเวอร์โทนที่กำหนด^[⁵²^]
เอสซี	500 kHz – 200 MHz	ความหนาเฉือน	35°15′, 21°54′	การตัดแบบพิเศษ (ชดเชยความเครียด) ที่พัฒนาขึ้นในปี 1974 เป็นการตัดแบบหมุนสองแกน (35°15′ และ 21°54′) สำหรับออสซิลเลเตอร์ที่เสถียรด้วยเตาอบที่มี สัญญาณ รบกวนเฟส ต่ำ และคุณลักษณะการเสื่อมสภาพที่ดี มีความไวต่อความเครียดทางกลน้อยลง มีความเร็วในการอุ่นเครื่องที่เร็วขึ้น $ค่า Q$ สูงขึ้น สัญญาณรบกวนเฟสใกล้เคียงดีขึ้น มีความไวต่อการวางแนวเชิงพื้นที่เทียบกับเวกเตอร์ของแรงโน้มถ่วงน้อยลง และมีความไวต่อการสั่นสะเทือนน้อยลง^{[ 61 ]}ค่าคงที่ความถี่คือ 1.797 MHz⋅mm โหมดคู่ควบแย่กว่า การตัดแบบ AT ความต้านทานมีแนวโน้มสูงขึ้น ต้องใช้ความระมัดระวังมากขึ้นในการแปลงระหว่างโอเวอร์โทน ทำงานที่ความถี่เดียวกันกับ การตัดแบบ AT เส้นโค้งความถี่-อุณหภูมิเป็นพาราโบลาลงลำดับที่สามที่มีจุดเปลี่ยนที่ 95 °C และมีความไวต่ออุณหภูมิน้อยกว่าการตัดแบบ AT มาก เหมาะสำหรับ OCXO ในระบบอวกาศและ GPS เป็นต้น มีจำหน่ายน้อยกว่า การตัดแบบ AT ผลิตได้ยากกว่า การปรับปรุงพารามิเตอร์ในระดับลำดับขนาดถูกแลกเปลี่ยนกับความคลาดเคลื่อนในการวางแนวผลึกที่แน่นขึ้นในระดับลำดับขนาด^{[ 62 ]} คุณลักษณะการเสื่อมสภาพ ดีกว่าการตัด AT ประมาณ 2-3 เท่า ไวต่อระดับการขับเคลื่อนน้อยลง มีการลดลงของกิจกรรมน้อยลง ไวต่อรูปทรงของแผ่นน้อยลง ต้องใช้เตาอบ ทำงานได้ไม่ดีที่อุณหภูมิแวดล้อมเนื่องจากความถี่ลดลงอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิต่ำ มีความจุในการเคลื่อนที่ต่ำกว่าการ ตัด AT ที่สอดคล้องกันหลายเท่า ลดความเป็นไปได้ในการปรับความถี่ของผลึกโดยใช้ตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อ ซึ่งจำกัดการใช้งานในอุปกรณ์ TCXO และ VCXO ทั่วไป และแอปพลิเคชันอื่นๆ ที่ต้องปรับความถี่ของผลึกได้^{[ 63 ]}^{[ 61 ]}ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสำหรับความถี่พื้นฐานแตกต่างจากโอเวอร์โทนที่สาม เมื่อผลึกถูกขับเคลื่อนให้ทำงานบนทั้งสองความถี่พร้อมกัน ความถี่บีตที่ได้สามารถใช้สำหรับการตรวจจับอุณหภูมิในออสซิลเลเตอร์ผลึกที่ชดเชยด้วยไมโครคอมพิวเตอร์ เป็นต้น ไวต่อสนามไฟฟ้า ไวต่อการลดทอนของอากาศ เพื่อให้ได้ $ค่า Q$ ที่เหมาะสมที่สุด จะต้องบรรจุในสุญญากาศ^{[ 48 ]}ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสำหรับ โหมด $b$ คือ− 25 ppm/°Cสำหรับโหมดคู่คือ 80 ถึงมากกว่า 100 ppm/°C ^[⁶⁴^]
บีที	500 kHz – 200 MHz	การเฉือนความหนา ( โหมด $b$ , การเฉือนกึ่งเร็ว)	−49°8′, 0°	การตัดแบบพิเศษ คล้ายกับ การตัดแบบ AT ยกเว้นแผ่นจะถูกตัดที่มุม 49° จาก แกน $z$ ทำงานในโหมดเฉือนความหนา ใน โหมด $b$ (เฉือนกึ่งเร็ว) มีลักษณะเฉพาะที่เป็นที่รู้จักและทำซ้ำได้^{[ 65 ]}มีค่าคงที่ความถี่2.536 MHz⋅mmมีลักษณะอุณหภูมิที่แย่กว่า การตัดแบบ AT เนื่องจากค่าคงที่ความถี่ที่สูงกว่า จึงสามารถใช้กับผลึกที่มีความถี่สูงกว่า การตัดแบบ AT ได้ สูงถึงกว่า50 MHz ^{[ 55 ]}
มัน		ความหนาเฉือน		เป็นการตัดแบบพิเศษ เป็นการตัดแบบหมุนสองทิศทางที่มีคุณสมบัติที่ดีขึ้นสำหรับออสซิลเลเตอร์ที่เสถียรในเตาอบ ทำงานในโหมดเฉือนความหนา เส้นโค้งความถี่-อุณหภูมิเป็นพาราโบลาลงลำดับที่สามโดยมีจุดเปลี่ยนความชันที่78 °Cไม่ค่อยได้ใช้ มีประสิทธิภาพและคุณสมบัติคล้ายกับ การตัดแบบ SC แต่เหมาะสมกว่าสำหรับอุณหภูมิที่สูงกว่า
เอฟซี		ความหนาเฉือน		การตัดแบบพิเศษ การตัดแบบหมุนสองรอบที่มีคุณลักษณะที่ดีขึ้นสำหรับออสซิลเลเตอร์ที่เสถียรด้วยเตาอบ ทำงานในโหมดเฉือนความหนา เส้นโค้งความถี่-อุณหภูมิเป็นพาราโบลาลงลำดับที่สามที่มีจุดเปลี่ยนที่52 °Cไม่ค่อยได้ใช้ ใช้ในออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยเตาอบ สามารถตั้งอุณหภูมิเตาอบให้ต่ำกว่า การตัดแบบ AT/IT/SC ได้ โดยตั้งไว้ที่จุดเริ่มต้นของส่วนราบของเส้นโค้งอุณหภูมิ-ความถี่ (ซึ่งกว้างกว่าการตัดแบบอื่นด้วย) เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมถึงบริเวณนี้ เตาอบจะปิดลงและคริสตัลจะทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อม ในขณะที่ยังคงรักษาความแม่นยำที่เหมาะสม การตัดแบบนี้จึงรวมคุณสมบัติการประหยัดพลังงานที่อนุญาตให้ใช้อุณหภูมิเตาอบที่ค่อนข้างต่ำเข้ากับความเสถียรที่เหมาะสมที่อุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้น^{[ 66 ]}
เอเค		ความหนาเฉือน		การตัดแบบหมุนคู่ที่มีลักษณะอุณหภูมิ-ความถี่ที่ดีกว่า การตัดแบบ AT และ BT และมีความทนทานต่อการวางแนวผลึกสูงกว่าการตัดแบบ AT, BT และ SC (คำนวณได้เป็นปัจจัย 50 เมื่อเทียบกับ การตัดแบบ AT มาตรฐาน) โดยทำงานในโหมดเฉือนความหนา^{[ 62 ]}
ซีที	300 – 900 kHz	กรรไกรตัดหน้า	38°, 0°	กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความถี่และอุณหภูมิมีลักษณะเป็นพาราโบลาคว่ำลง
ดีที	75 – 800 kHz	กรรไกรตัดหน้า	−52°, 0°	คล้ายกับ การตัด CT เส้นโค้งความถี่-อุณหภูมิเป็นพาราโบลาคว่ำ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำกว่า การตัด CT เมื่อช่วงความถี่อนุญาต DT จึงเป็นที่ต้องการมากกว่า CT ^{[ 55 ]}
ส.ล.		เฟซ-เชียร์	−57°, 0°
จีที	100 kHz – 3 MHz	ขยายความกว้าง	51°7′	ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิระหว่าง− 25 ... +75 °C มีค่าใกล้ศูนย์ เนื่องมาจากผลของการหักล้างกันระหว่างสองโหมด^{[ 55 ]}
E , 5°X	50 – 250 kHz	ตามยาว		มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำพอสมควร นิยมใช้สำหรับตัวกรองคริสตัลความถี่ต่ำ^{[ 55 ]}
เอ็มที	40 – 200 kHz	ตามยาว
อีที			66°30′
เอฟที			−57°
เอ็นที	8 – 130 kHz	การดัดงอตามความยาวและความกว้าง (การโค้งงอ)
XY , ส้อมเสียง	3 – 85 kHz	การดัดงอตามความยาวและความกว้าง		คริสตัลความถี่ต่ำที่โดดเด่น เนื่องจากมีขนาดเล็กกว่าคริสตัลความถี่ต่ำชนิดอื่น ราคาถูกกว่า มีอิมพีแดนซ์ต่ำ และอัตราส่วน C 0 / C 1 ต่ำการ $ใช้$ หลัก $คือ$ RTC 32.768 kHz ความถี่โอเวอร์โทนที่สองของมันอยู่ที่ประมาณหกเท่าของความถี่พื้นฐาน^{[ 52 ]}
ชม	8 – 130 kHz	การดัดงอตามความยาวและความกว้าง		ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับตัวกรองแบบแถบความถี่กว้าง สัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นแบบเชิงเส้น
เจ	1 – 12 kHz	การดัดงอตามความยาวและความหนา		J cut คือแผ่นควอตซ์สองแผ่นที่เชื่อมติดกัน โดยเลือกแผ่นควอตซ์เหล่านั้นเพื่อให้เกิดการเคลื่อนที่แบบกลับเฟสสำหรับสนามไฟฟ้าที่กำหนด
อาร์ที				การตัดแบบหมุนสองรอบ
เอสบีทีซี				การตัดแบบหมุนสองรอบ
ทีเอส				การตัดแบบหมุนสองรอบ
X 30°				การตัดแบบหมุนสองรอบ
แอลซี		ความหนาเฉือน	11.17° / 9.39°	การตัดแบบหมุนคู่ ("สัมประสิทธิ์เชิงเส้น") ที่มีการตอบสนองอุณหภูมิ-ความถี่เชิงเส้น สามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์ในเทอร์โมมิเตอร์คริสตัลได้^{[ 67 ]}สัมประสิทธิ์อุณหภูมิคือ35.4 ppm/°C ^{[ 64 ]}
เอซี			31°	ไวต่ออุณหภูมิ สามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์ได้ โหมดเดี่ยวที่มีลักษณะความถี่-อุณหภูมิที่ชัน^{[ 68 ]}สัมประสิทธิ์อุณหภูมิคือ20 ppm/°C ^{[ 64 ]}
บีซี			−60°	ไวต่ออุณหภูมิ^{[ 68 ]}
เอ็นแอลเอสซี				ไวต่ออุณหภูมิ^{[ 68 ]}ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิประมาณ14 ppm/°C ^{[ 64 ]}
วาย				ไวต่ออุณหภูมิ สามารถใช้เป็นเซนเซอร์ได้ โหมดเดี่ยวที่มีลักษณะความถี่-อุณหภูมิที่ชัน^{[ 68 ]}ระนาบของแผ่นตั้งฉากกับ แกน $y$ ของผลึก^{[ 69 ]}เรียกอีกอย่างว่าขนานหรือ30 องศาค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิประมาณ90 ppm/°C ^{[ 64 ]}
X				ใช้ในออสซิลเลเตอร์คริสตัลตัวแรกๆ ในปี พ.ศ. 2464 โดย WG Cady และเป็น ออสซิลเลเตอร์ 50 kHz ในนาฬิกาคริสตัลตัวแรกโดย Horton และ Marrison ในปี พ.ศ. 2460 ^{[ 70 ]}ระนาบของแผ่นตั้งฉากกับ แกน $x$ ของคริสตัล เรียกอีกอย่างว่าตั้งฉาก ปกติคิวรีมุมศูนย์หรืออัลตราโซนิก^[⁷¹^]

ตัวอักษร 'T' ในชื่อการตัดบ่งบอกถึงการตัดที่ชดเชยอุณหภูมิ ซึ่งเป็นการตัดที่วางแนวเพื่อให้ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของโครงสร้างผลึกมีค่าน้อยที่สุด การตัดแบบ FC และ SC ก็เป็นการตัดที่ชดเชยอุณหภูมิเช่นกัน

ตัวตัดความถี่สูงจะถูกยึดด้วยขอบ โดยปกติจะใช้สปริง ความแข็งของสปริงต้องเหมาะสม เพราะหากแข็งเกินไป แรงกระแทกทางกลอาจส่งผ่านไปยังคริสตัลและทำให้แตกได้ และหากความแข็งน้อยเกินไป อาจทำให้คริสตัลชนกับด้านในของบรรจุภัณฑ์เมื่อได้รับแรงกระแทกทางกลและแตกได้ ตัวเรโซเนเตอร์แบบแถบ โดยปกติจะเป็น แบบตัด AT จะมีขนาดเล็กกว่าและจึงไวต่อแรงกระแทกทางกลน้อยกว่า ที่ความถี่และโอเวอร์โทนเดียวกัน แถบจะมีแรงดึงน้อยกว่า มีความต้านทานสูงกว่า และมีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสูงกว่า^{[ 72 ]}

การตัดความถี่ต่ำจะถูกติดตั้งที่จุดซึ่งแทบจะไม่มีการเคลื่อนไหวเลย ลวดบางๆ จะถูกยึดไว้ที่จุดดังกล่าวในแต่ละด้านระหว่างคริสตัลและตัวนำ มวลขนาดใหญ่ของคริสตัลที่แขวนอยู่บนลวดบางๆ ทำให้ชุดประกอบไวต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนทางกล^{[ 55 ]}

โดยปกติแล้วผลึกจะถูกบรรจุอยู่ในกล่องแก้วหรือโลหะที่ปิดสนิท ซึ่งบรรจุด้วยบรรยากาศแห้งและเฉื่อย เช่น สุญญากาศ ไนโตรเจน หรือฮีเลียม อาจใช้กล่องพลาสติกได้เช่นกัน แต่กล่องพลาสติกจะไม่ปิดสนิท และต้องสร้างระบบปิดผนึกเพิ่มเติมรอบผลึกอีกชั้นหนึ่ง

นอกจากวิธีแบบดั้งเดิมในการต่อสายไฟเข้ากับคริสตัลโดยตรงแล้ว ยังสามารถกำหนดค่าตัวเรโซเนเตอร์ได้หลายแบบ เช่นตัวเรโซเนเตอร์ BVA (Boîtier à Vieillissement Amélioré, Enclosure with Improved Aging) ^{[ 73 ]}ที่พัฒนาขึ้นในปี 1976 ชิ้นส่วนที่ส่งผลต่อการสั่นสะเทือนนั้นถูกกลึงจากคริสตัลชิ้นเดียว (ซึ่งช่วยลดความเครียดในการติดตั้ง) และอิเล็กโทรดไม่ได้ถูกวางบนตัวเรโซเนเตอร์เอง แต่ถูกวางบนด้านในของแผ่นคอนเดนเซอร์สองแผ่นที่ทำจากชิ้นส่วนควอตซ์ที่อยู่ติดกันจากแท่งเดียวกัน ทำให้เกิดโครงสร้างแบบแซนด์วิชสามชั้นโดยไม่มีความเครียดระหว่างอิเล็กโทรดและองค์ประกอบที่สั่น ช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดและตัวเรโซเนเตอร์ทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุอนุกรมขนาดเล็กสองตัว ทำให้คริสตัลมีความไวต่ออิทธิพลของวงจรน้อยลง^[⁷⁴^]สถาปัตยกรรมนี้ช่วยขจัดผลกระทบของการสัมผัสพื้นผิวระหว่างอิเล็กโทรด ข้อจำกัดในการเชื่อมต่อการติดตั้ง และปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนย้ายไอออนจากอิเล็กโทรดเข้าไปในโครงสร้างผลึกขององค์ประกอบที่สั่น^[⁷⁵^]โครงสร้างที่ได้นั้นมีความแข็งแรง ทนทานต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน ทนทานต่อการเร่งความเร็วและรังสีไอออนไนซ์ และมีคุณสมบัติการเสื่อมสภาพที่ดีขึ้นโดยทั่วไปจะใช้การตัดแบบ AT แม้ว่าจะมีแบบตัดแบบ SC ด้วยเช่นกัน ตัวเรโซเนเตอร์ BVA มักใช้ในงานยานอวกาศ^[⁷⁶^]

ในช่วงปี 1930 ถึง 1950 เป็นเรื่องปกติที่ผู้คนจะปรับความถี่ของผลึกโดยการเจียรด้วยมือ ผลึกจะถูกเจียรโดยใช้สารขัดถูละเอียด หรือแม้แต่ยาสีฟัน เพื่อเพิ่มความถี่ การลดลงเล็กน้อย 1–2 kHz เมื่อเจียรผลึกมากเกินไปสามารถทำได้โดยการ ^ทำ เครื่องหมายบนหน้าผลึกด้วยไส้ดินสอ ซึ่งจะทำให้ค่า $Q$ ลดลง [ ^{77 ]}

ความถี่ของคริสตัลสามารถปรับได้เล็กน้อย ("pullable") โดยการปรับเปลี่ยนค่าความจุที่เชื่อมต่อ วารักเตอร์ซึ่งเป็นไดโอดที่มีค่าความจุขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ป้อน มักใช้ในออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VCXO) การตัดคริสตัลมักจะเป็นแบบ AT หรือบางครั้งเป็นแบบ SC และทำงานในโหมดพื้นฐาน ปริมาณการเบี่ยงเบนความถี่ที่มีอยู่จะแปรผกผันกับกำลังสองของจำนวนโอเวอร์โทน ดังนั้นโอเวอร์โทนที่สามจึงมีความสามารถในการดึงเพียงหนึ่งในเก้าของโหมดพื้นฐาน การตัดแบบ SC แม้ว่าจะเสถียรกว่า แต่ก็ดึงได้น้อยกว่าอย่างมาก^{[ 78 ]}

สัญลักษณ์และตัวย่อของวงจร

ในแผนภาพวงจรไฟฟ้าคริสตัลจะถูกกำหนดด้วยตัวอักษรY (Y1, Y2 เป็นต้น) ออสซิลเลเตอร์ ไม่ว่าจะเป็นออสซิลเลเตอร์คริสตัลหรืออื่นๆ จะถูกกำหนดด้วยตัวอักษรG (G1, G2 เป็นต้น) ^{[ 79 ]}^{[ 80 ]}คริสตัลอาจถูกกำหนดในแผนภาพวงจรด้วยXหรือXTAL (ตัวย่อตามหลักการออกเสียง คล้ายกับการใช้XmasสำหรับChristmas ) หรือออสซิลเลเตอร์คริสตัลด้วยXO

ประเภทของออสซิลเลเตอร์คริสตัลและตัวย่อ:

ATCXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลควบคุมอุณหภูมิแบบอนาล็อก
CDXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลคู่แบบปรับเทียบแล้ว
DTCXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลชดเชยอุณหภูมิแบบดิจิทัล
EMXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลขนาดเล็กแบบสุญญากาศ
GPSDO — ตัวกำเนิดสัญญาณแบบมีระเบียบของระบบกำหนดตำแหน่งทั่วโลก
MCXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลชดเชยไมโครคอมพิวเตอร์
OCVCXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบควบคุมอุณหภูมิด้วยเตาอบ
OCXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลควบคุมด้วยเตาอบ
RbXO — ออสซิลเลเตอร์คริสตัล รูบิเดียม (RbXO) คือออสซิลเลเตอร์คริสตัล (อาจเป็น MCXO) ที่ซิงโครไนซ์กับ มาตรฐานรูบิเดียมในตัวซึ่งจะทำงานเป็นครั้งคราวเท่านั้นเพื่อประหยัดพลังงาน
TCVCXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลควบคุมแรงดันไฟฟ้า แบบชดเชยอุณหภูมิ
TCXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลชดเชยอุณหภูมิ
TMXO – ออสซิลเลเตอร์คริสตัลขนาดเล็กแบบยุทธวิธี^{[ 70 ]}
TSXO — ออสซิลเลเตอร์คริสตัลตรวจจับอุณหภูมิ ซึ่งเป็นการดัดแปลงมาจาก TCXO
VCTCXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าและชดเชยอุณหภูมิ
VCXO — ออสซิเลเตอร์คริสตัลควบคุมแรงดันไฟฟ้า

ดูเพิ่มเติม

เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกา
การเบี่ยงเบนของนาฬิกา – การวัดการเบี่ยงเบนของนาฬิกาในออสซิเลเตอร์คริสตัลสามารถนำมาใช้สร้างเครื่องกำเนิดเลขสุ่มได้
ตัวกรองคริสตัล
เออร์ฮาร์ด คีทซ์ผู้ซึ่งทำงานเกี่ยวกับส้อมเสียงอิเล็กทรอนิกส์และผลึกควอตซ์สำหรับความถี่สัญญาณที่แม่นยำ
ไอแซค โคกะ – ผู้คิดค้นทรงผมโคกะแบบ R1 ที่ทนต่ออุณหภูมิได้ดี
ออสซิลเลเตอร์เพียร์ซ
เครื่องตรวจสอบความหนาของฟิล์มบาง
ออสซิลเลเตอร์ความถี่แปรผัน (VFO)

อ่านเพิ่มเติม

Poddar, AK; Rohde, Ulrich L. (19 ตุลาคม 2555). "ออสซิลเลเตอร์คริสตัล". สารานุกรมวิศวกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ของ Wiley . หน้า1–38 . doi : 10.1002/047134608X.W8154 . ISBN 978-0471346081.
Rohde, Ulrich L. (สิงหาคม 1997). เครื่องสังเคราะห์สัญญาณไมโครเวฟและไร้สาย: ทฤษฎีและการออกแบบ . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-52019-1.
Poddar, AK; Rohde, Ulrich L. (21–24 พฤษภาคม 2012). "เทคนิคลดสัญญาณรบกวนเฟสในวงจรออสซิเลเตอร์คริสตัล". เอกสารประกอบการประชุมวิชาการควบคุมความถี่ระดับนานาชาติ IEEE ปี 2012.การประชุมวิชาการควบคุมความถี่ (FCS), 2012 IEEE International. IEEE. หน้า1–7 . doi : 10.1109/FCS.2012.6243701 . ISBN 978-1-4577-1820-5.
Poddar, AK; Rohde, UL; Apte, AM (2013-08-30). "How Low Can They Go?: Oscillator Phase Noise Model, Theoretical, Experimental Validation, and Phase Noise Measurements". IEEE Microwave Magazine . 14 (6). IEEE: 50– 72. doi : 10.1109/MMM.2013.2269859 . S2CID 22624948 .
Rohde, Ulrich L.; Poddar, AK; Apte, AM (2013-08-30). "การวัดค่า: เทคนิคและข้อจำกัดในการวัดสัญญาณรบกวนเฟสของออสซิลเลเตอร์" IEEE Microwave Magazine . 14 (6). IEEE: 73– 86. doi : 10.1109/MMM.2013.2269860 . S2CID 40924332 .
Rohde, Ulrich L. (31 พฤษภาคม – 2 มิถุนายน 1978). การวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์และการออกแบบออ สซิลเลเตอร์ 100 MHz ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำมากพร้อมตัวจำกัดแบบดิฟเฟอเรนเชียลและความเป็นไปได้ในมาตรฐานความถี่ . รายงานการประชุมสัมมนาประจำปีครั้งที่ 32 เรื่องการควบคุมความถี่. แอตแลนติกซิตี, นิวเจอร์ซีย์. หน้า 409––. doi : 10.1109/FREQ.1978.200269 .
นอยบิก, แบรนด์; บรีส, โวล์ฟกัง (1997) Das große Quarzkochbuch [ The Crystal Cookbook ] (PDF) (ในภาษาเยอรมัน) ( ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 1) เฟลด์เคียร์เชิน, เยอรมนี: Franzis Verlag . ไอเอสบีเอ็น 978-3-7723-5853-1เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อวันที่ 23 กุมภาพันธ์ 2019 เรียกดูเมื่อวันที่ 23 กุมภาพันธ์ 2019(ไฟล์ดาวน์โหลดทางเลือก: QSL : - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . AXTAL ZIP : - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 .)

ลิงก์ภายนอก

บทนำเกี่ยวกับมาตรฐานความถี่ควอตซ์
"อุปกรณ์คริสตัลควอตซ์คืออะไร?" . QIAJ . สมาคมอุตสาหกรรมคริสตัลควอตซ์แห่งประเทศญี่ปุ่น. 2007 . สืบค้นเมื่อ10 สิงหาคม 2551 .
Marvin E., Frerking (1996). "ความก้าวหน้าห้าสิบปีในมาตรฐานความถี่ของผลึกควอตซ์" . Proc. 1996 IEEE Frequency Control Symposium . Institute of Electrical and Electronics Engineers. หน้า33–46 . เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2009-05-12 . สืบค้นเมื่อ2009-03-31 .
ความบิดเบี้ยวในออสซิลเลเตอร์คริสตัล
ตัวเรโซเนเตอร์และออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์
บทสรุปหลายหน้าเกี่ยวกับผลึกควอตซ์และออสซิลเลเตอร์ ตัวกรอง ฯลฯ ที่เกี่ยวข้อง

1

2

3

[

[ 5 ]

[

[

[

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[

[

[ 26 ]

[ 27 ]

[ 28 ]

[

[ 30 ]

[ 31 ]

[ 32 ]

[ 33 ]

[ 34 ]

[ 35 ]

[ 36 ]

[ 37 ]

[ 38 ]

[ 39 ]

[ 40 ]

41

42

[

[

[ 45 ]

[ 46 ]

[ 47 ]

[ 48 ]

ได้

[ 50 ]

[ 51 ]

[ 52 ]

[ 53 ]

[ 54 ]

[ 55 ]

[ 56 ]

[ 57 ]

[

[

[

[ 61 ]

[ 62 ]

[ 63 ]

[

[ 65 ]

[ 66 ]

[ 67 ]

[ 68 ]

[ 69 ]

[ 70 ]

[

[ 72 ]

[ 73 ]

[

[

[

ทำ

[ 78 ]

[ 79 ]

[ 80 ]