O que é Quartzo: Noções Básicas
O quartzo é amplamente utilizado na indústria eletrônica para fornecer ressonadores de alto desempenho altamente estáveis com valores de Q extremamente altos.
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Tutorial sobre Cristais de Quartzo, inclui:
Cristais de quartzo: xtals | O que é quartzo | Como um cristal funciona | Operação da sobretensão do cristal | Puxamento da frequência do cristal de quartzo | Cortes de cristal de quartzo | Envelhecimento do quartzo | Fabricação de ressonadores de cristal | Como especificar um cristal de quartzo | VCXO | TCXO | OCXO | Filtro de cristal | Filtro de cristal monolítico | Ressonador e filtro cerâmico | Especificações do filtro cerâmico
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O quartzo é uma forma cristalina de diodo de silício, SiO 2 . O nome Quartzo é derivado da palavra alemã ‘quaz’, embora outros acreditem que a origem da palavra seja da palavra saxônica Querkluftertz, que significa minério de veio cruzado.
O quartzo é amplamente utilizado na eletrônica, onde os ressonadores de quartzo são usados como ressonadores de alto desempenho para uso em filtros e osciladores.
Nos projetos de circuitos eletrônicos, o quartzo é capaz de fornecer componentes eletrônicos ressonantes com níveis excepcionalmente altos de Q para uso em filtros e osciladores.
Noções básicas de quartzo
O quartzo é um mineral duro e cristalino composto de átomos de silício e oxigênio. Os átomos estão ligados em uma estrutura contínua de SiO 4 tetraedros de silício-oxigênio, com cada oxigênio sendo compartilhado entre dois tetraedros, dando uma fórmula química geral de SiO 2 . O quartzo é o segundo mineral mais abundante na crosta continental da Terra, atrás do feldspato.
O quartzo pertence ao que é chamado de sistema de cristal trigonal. A forma ideal do cristal é um prisma de seis lados terminando com pirâmides de seis lados em cada extremidade. No entanto, isso raramente é visto na natureza porque os cristais tendem a crescer entre si, com outros cristais de quartzo e até mesmo com outros minerais. Isso significa que o quartzo natural geralmente não possui a forma cristalina do livro didático. Normalmente, os cristais de melhor formato cresceram em um ambiente onde foram capazes de crescer em um vazio, ou seja, sem tocar outros cristais de quartzo ou minerais diferentes, etc.
No entanto, os cristais de quartzo usados para a fabricação de ressonadores de quartzo estão disponíveis em áreas muito limitadas. Em vista da escassez, o quartzo usado para componentes eletrônicos como ressonadores de alto Q é fabricado sinteticamente.
Existem várias propriedades interessantes que podem ser atribuídas ao quartzo:
- Propriedades piezoelétricas: O quartzo exibe o efeito peizoelétrico. Neste, se uma tensão é colocada no cristal, então uma força eletromotriz é produzida e isso pode ser detectado colocando eletrodos em sua superfície. É esse atributo que permite que os cristais de quartzo sejam usados em projetos de circuitos eletrônicos.
- Ponto de fusão: O ponto de fusão do quartzo é superior a 1700°C.
- Temperatura Curie – quartzo alfa e beta: A temperatura Curie para o quartzo é de 573°C. Abaixo desta temperatura a forma sai e tem suas propriedades piezoelétricas. Acima de 573°C, a maioria de suas propriedades piezoelétricas são perdidas e é referido como quartzo beta.
Dessas propriedades, é o efeito piezoelétrico combinado com as ressonâncias mecânicas Q muito altas que tornam o quartzo praticamente único.
Embora algumas cerâmicas especializadas também exibam propriedades semelhantes de piezoeletricidade e ressonâncias mecânicas de alto Q, seu desempenho não é tão bom quanto o do quartzo, embora tenham um custo de fabricação menor, ainda são amplamente utilizados em muitos projetos de RF onde o desempenho muito alto de ressonadores de quartzo não são necessários.
Produção de quartzo
O quartzo ocorre naturalmente, sendo as principais fontes de quartzo cristalino encontradas no Brasil. Aqui foram encontrados cristais de muitas formas e tamanhos.
Com seu uso generalizado na indústria eletrônica, os suprimentos começaram a se esgotar nas décadas de 1940 e 1950.
A diminuição da oferta levou ao desenvolvimento de métodos de fabricação para criar quartzo sintético para que o quartzo pudesse ser usado para ressonadores em projetos de circuitos eletrônicos.
O processo de fabricação do quartzo sintético consiste na dissolução do diodo de silício bruto, SiO 2, em uma solução de água alcalina a cerca de 400°C e sob alta pressão.
Os cristais podem então ser cultivados. Este é um processo muito lento e, muitas vezes, as taxas de crescimento são de apenas 1 mm por dia. No entanto, esta taxa lenta fornece alta pureza e geralmente cristais de alta qualidade. A qualidade é tão boa quanto a encontrada naturalmente.
Ter controle do crescimento permite que os cristais cresçam para atender aos requisitos dos fabricantes de cristais. Permite a produção de diferentes dimensões e orientações.
Propriedades do cristal de quartzo
Existem várias propriedades-chave que os cristais de quartzo possuem que são úteis:
- Forma do cristal: Os cristais de quartzo naturais e sintéticos têm uma seção transversal hexagonal com as extremidades em forma de pirâmide de seis lados. As direções dentro dos cristais são de grande importância para a fabricação do ressonador e são identificadas como eixos X, Y e Z. O eixo Z corre longitudinalmente entre as extremidades através do centro do cristal, e a direção de maior sensibilidade elétrica é identificada como o eixo X. O eixo Y une duas faces opostas. Como existem seis faces no cristal, existem três eixos X e Y.
- Quartzo para destros e canhotos: O quartzo é denominado enantiomorfo. Isso significa que ele tem versões para destros e canhotos. Essa diferença aparece na rotação óptica, embora outras propriedades entre as duas versões sejam idênticas. Geralmente cristais de quartzo destros são usados para fabricação de ressonadores.
- O quartzo é anisotrópico: muitas das propriedades do quartzo dependem da orientação da barra de quartzo e, mais importante, da rede dentro do cristal. Em termos de uso em ressonadores de cristal de quartzo, um dos aspectos importantes e sensíveis à sua direção é o efeito peizo elétrico. Como resultado, a direção na qual os blocos individuais de cristal de quartzo são cortados determina muitas de suas propriedades. Diferentes modos de vibração são excitados por impulsos elétricos dependentes da direção do corte.
Formas de cristal de quartzo
Existem muitas formas de quartzo além dos cristais usados para ressonadores eletrônicos. O quartzo é o segundo mineral mais abundante na crosta continental da Terra, atrás do feldspato.
| TIPO DE QUARTZO | DESCRIÇÃO |
|---|---|
| Pedra de cristal | Incolor e claro |
| Ametista | Roxo e transparente |
| Quartzo rosa | rosa e transparente |
| cornalina | Laranja avermelhado e translúcido |
| Ágata | Multicolorido e semitranslúcido |
| Ônix | Uma forma de ágata onde as bandas são retas |
| Jaspe | Vermelho a marrom e opaco |
| citrino | Amarelo passando por laranja avermelhado a marrom e transparente |
| Prasiolita | Verde menta e transparente |
Efeito piezoelétrico em quartzo
A principal razão para a utilização do quartzo em componentes eletrônicos decorre do efeito piezoelétrico. Embora o quartzo tenha muitas outras propriedades que atraem muitos para uso em joalheria, são as propriedades elétricas e, em particular, o efeito piezoelétrico que significam que o quartzo é particularmente útil em projetos de circuitos eletrônicos e, em particular, em muitos projetos de RF. Como componente eletrônico, o quartzo é capaz de produzir um desempenho notavelmente alto como elemento ressonante.
Em particular, o efeito piezoelétrico se manifesta pelo aparecimento de um potencial elétrico nas faces de um cristal ao qual ele é submetido a tensões mecânicas.
Da mesma forma, quando um potencial é colocado através do cristal, uma leve deformação pode ser vista.
A razão para isso é que a rede cristalina para diferentes materiais é construída de maneiras ligeiramente diferentes. Pois, para qualquer substância cristalina, a rede consiste em um grande número de repetições dos mesmos blocos atômicos básicos ou células unitárias como são chamados, arranjados de maneira ordenada.
Na maioria das redes cristalinas, a célula unitária é simétrica, mas para materiais piezoelétricos não é assim.
Para um material piezoelétrico, o cristal é eletricamente neutro porque suas cargas elétricas estão perfeitamente equilibradas: uma carga positiva em um local cancela uma carga negativa nas proximidades.
No entanto, se o cristal piezoelétrico for deformado, isso aproxima alguns dos átomos e outros podem se afastar. Isso perturba o equilíbrio de cargas positivas e negativas e faz com que cargas elétricas líquidas apareçam. Esse efeito ocorre em toda a estrutura do cristal, dando origem a cargas líquidas positivas e negativas nas faces externas opostas.
O efeito piezoelétrico realmente opera em ambas as direções – se o cristal for deformado, os potenciais aparecem nas faces e, da mesma forma, se um potencial for colocado no cristal, ele se deformará.
Ao operar como um ressonador de cristal de quartzo, os impulsos elétricos do circuito elétrico são convertidos em vibrações mecânicas que aparecem no próprio cristal. Essas vibrações são afetadas pelas ressonâncias mecânicas Q muito altas do cristal e, em seguida, o efeito é refletido novamente no domínio elétrico.
O efeito líquido disso é que as ressonâncias mecânicas Q muito altas podem ser usadas para atuar efetivamente sobre os sinais elétricos.
O quartzo é um material muito especial. Embora muitos cristais possam parecer muito bonitos e sejam usados em formas de joalheria, os aspectos elétricos também são muito importantes e permitem que ressonadores elétricos de Q muito alto sejam feitos e usados. Estes são desiguais por qualquer outro componente eletrônico analógico.
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