Thạch anh trong điện tử: vì sao áp điện, nuôi thuỷ nhiệt và cắt lát ra sao

Thạch anh giữ nhịp cho gần như mọi thiết bị điện tử vì cấu trúc tinh thể của nó không có tâm đối xứng: bóp nhẹ một lát thạch anh, hai mặt lát sinh ra điện tích; đặt điện áp vào, lát thạch anh co giãn. Lát cắt đúng hướng sẽ rung ở một tần số rất ổn định, và mạch điện chỉ việc đếm. Thạch anh dùng trong điện tử hôm nay gần như toàn bộ là thạch anh nuôi trong nồi hấp áp suất cao, không phải đá đào từ mỏ.

Cấu trúc nào làm nên hiệu ứng áp điện

Thạch anh là SiO₂: mỗi nguyên tử silic nằm giữa bốn nguyên tử oxy thành một khối tứ diện, các tứ diện nối đỉnh với nhau thành mạng ba chiều. Ở nhiệt độ thường, thạch anh thuộc hệ ba phương, gọi là thạch anh alpha. Các tứ diện xếp thành những đường xoắn ốc chạy dọc trục chính của tinh thể (trục c), xoắn trái hoặc xoắn phải. Vì vậy thạch anh có hai "tay": thạch anh trái và thạch anh phải, giống hai bàn tay soi gương.

Điều quan trọng là mạng tinh thể ấy thiếu tâm đối xứng. Khi bị nén theo một số hướng nhất định, trọng tâm điện tích dương (silic) và âm (oxy) trong mỗi ô mạng bị kéo lệch khỏi nhau, cộng dồn lại thành điện tích trên hai mặt tinh thể. Đó là hiệu ứng áp điện thuận. Ngược lại, đặt một điện trường vào, mạng tinh thể biến dạng: hiệu ứng áp điện nghịch. Muối ăn có tâm đối xứng nên bóp mạnh mấy cũng không sinh điện theo cách này.

Hai anh em Pierre và Jacques Curie công bố hiệu ứng áp điện năm 1880, khi đo điện tích trên các tinh thể thạch anh, tourmaline và muối Rochelle bị nén. Năm 1881 Gabriel Lippmann suy ra về lý thuyết rằng phải có hiệu ứng nghịch, và anh em Curie xác nhận bằng thí nghiệm ngay sau đó.

Thạch anh alpha chỉ bền dưới 573 °C. Vượt ngưỡng đó, nó chuyển sang thạch anh beta với cách xếp tứ diện đối xứng hơn; khi nguội lại, tinh thể dễ sinh song tinh và mất tính đồng nhất. Vì thế các lát thạch anh cho điện tử được gia công và hàn lắp ở nhiệt độ thấp hơn nhiều.

Từ sonar đến đồng hồ: thạch anh vào công nghệ

• 1917: Paul Langevin dùng tấm thạch anh rung để phát và thu siêu âm dưới nước, tiền thân của sonar.
• 1921: Walter Cady ở Mỹ dùng tinh thể thạch anh để ổn định tần số một mạch dao động điện.
• 1927: Warren Marrison và J. W. Horton ở Phòng thí nghiệm Bell chế tạo đồng hồ thạch anh đầu tiên, to cỡ một tủ thiết bị, mở đường cho những chuẩn thời gian vượt đồng hồ quả lắc.
• Thập niên 1940: vô tuyến điện quân sự cần rất nhiều tinh thể định tần; thạch anh tự nhiên chất lượng cao, chủ yếu từ Brazil, trở thành nguyên liệu chiến lược.
• 1969: đồng hồ đeo tay thạch anh đầu tiên được bán ra ở Nhật Bản.
• Từ thập niên 1970: thạch anh nuôi cấy thay thế phần lớn thạch anh tự nhiên trong điện tử; bộ dao động thạch anh rẻ đến mức có mặt trong đồ chơi, lò vi sóng, máy tính, điện thoại.

Vì sao thạch anh mỏ không đủ dùng

Người chơi khoáng vật nhìn một tinh thể thạch anh trong vắt thấy đẹp. Người làm linh kiện nhìn thấy vấn đề. Thạch anh tự nhiên thường có bao thể lỏng, vết nứt và nhất là song tinh: hai phần tinh thể cùng chất nhưng định hướng khác nhau, ghép chung một khối. Song tinh kiểu Brazil ghép thạch anh trái với thạch anh phải; song tinh kiểu Dauphiné ghép hai phần lệch nhau một góc quanh trục c. Mắt thường thường không thấy, nhưng hai phần đó cho điện tích ngược dấu khi bị nén, triệt tiêu nhau và làm lát cắt rung kém.

Đây là bài học quen thuộc với thợ giác đá: một viên đá đẹp chưa chắc là một tinh thể đồng nhất. Trong điện tử, mỗi lát cắt phải là một đơn tinh thể sạch, định hướng chính xác, và phải sản xuất đồng loạt hàng tỷ chiếc.

Nuôi thạch anh trong nồi hấp thuỷ nhiệt

Thạch anh trong tự nhiên nhiều khi mọc từ nước nóng giàu silica trong khe nứt đá. Phương pháp thuỷ nhiệt bắt chước đúng điều đó, chỉ là nhanh và sạch hơn:

1. Nồi hấp là một ống thép dày, đứng thẳng, chịu được áp suất từ vài trăm đến hơn một nghìn bar.
2. Đáy nồi chứa nguyên liệu là mảnh thạch anh tự nhiên vụn, giới làm nghề gọi là lascas. Nồi được đổ đầy phần lớn bằng dung dịch kiềm loãng (natri hydroxit hoặc natri cacbonat), giúp silica hoà tan.
3. Phía trên treo các tấm mầm: lát thạch anh đơn tinh thể cắt theo hướng định sẵn.
4. Gia nhiệt: vùng đáy nóng hơn vùng trên một chút, ở mức khoảng ba trăm mấy chục độ C. Silica tan ở vùng nóng, dòng đối lưu mang dung dịch lên vùng mát hơn, ở đó dung dịch quá bão hoà và silica bám lên mầm theo đúng mạng tinh thể của mầm.
5. Thời gian: một mẻ kéo dài vài tuần đến vài tháng. Tinh thể lấy ra có hình dạng do mầm quyết định, thường là những thỏi dẹt dài chứ không phải lăng trụ đầu nhọn như trong hốc đá.

Ưu điểm lớn nhất: tinh thể con thừa hưởng định hướng và "tay" của mầm, nên gần như không có song tinh. Nhà sản xuất còn đánh giá chất lượng qua độ hấp thụ hồng ngoại, vì nhóm OH lọt vào mạng làm tăng tổn hao khi rung. Nhiều nơi cho thạch anh nuôi qua bước "quét điện" (sweeping) ở nhiệt độ cao để đẩy bớt ion tạp như natri ra khỏi mạng, giúp linh kiện bền với bức xạ, dùng cho vệ tinh.

Cắt lát: góc cắt quyết định tất cả

Một lát thạch anh rung ở tần số nào, nhạy với nhiệt độ ra sao, phụ thuộc vào hướng cắt so với các trục tinh thể. Đây là chỗ tinh thể học trở thành kỹ thuật thuần tuý.

Với lát cắt AT, tần số tỉ lệ nghịch với bề dày: lát rung ở 10 MHz chỉ dày khoảng 0,17 mm. Đổi góc cắt vài phút cung đã làm đường cong tần số theo nhiệt độ thay đổi rõ, nên góc cắt được kiểm tra bằng nhiễu xạ tia X, cùng nguyên lý định luật Bragg mà các nhà tinh thể học dùng để đọc mạng nguyên tử. Sau khi cắt, lát được mài, đánh bóng, tráng hai điện cực kim loại mỏng, rồi tinh chỉnh tần số bằng cách bốc hoặc phủ thêm một lớp kim loại cực mỏng.

Con số 32.768 Hz và chiếc âm thoa tí hon

Mở một chiếc đồng hồ thạch anh, bạn sẽ thấy một ống kim loại hình trụ nhỏ cỡ hạt gạo. Bên trong là âm thoa thạch anh, thường rung 32.768 lần mỗi giây. Con số ấy bằng 2¹⁵ (2 mũ 15). Mạch đếm nhị phân chia đôi tần số 15 lần liên tiếp là ra đúng một xung mỗi giây để đẩy kim hoặc đổi chữ số. Tần số này cũng nằm trên ngưỡng nghe của tai người (khoảng 20.000 Hz) và đủ thấp để mạch đếm tiêu ít điện, cho phép một viên pin cúc chạy vài năm.

Âm thoa cắt theo kiểu này có tần số cao nhất ở khoảng 25 °C và hạ dần khi lạnh hơn hoặc nóng hơn, theo đường gần như parabol. Chênh 20 °C so với điểm đỉnh, đồng hồ có thể chậm cỡ một giây mỗi ngày. Đeo trên cổ tay, gần thân nhiệt ổn định, đồng hồ chạy đều hơn để trên bàn trong phòng lạnh. Sai số thông dụng của đồng hồ thạch anh phổ thông là vài giây đến khoảng mười lăm giây mỗi tháng; mỗi phần triệu sai lệch tần số tương ứng khoảng 2,6 giây mỗi tháng.

Khi cần chính xác hơn, kỹ sư bù nhiệt bằng mạch điện (gọi là TCXO) hoặc đặt cả lát thạch anh vào một "lò" nhỏ giữ nhiệt độ cố định (OCXO), dùng trong trạm phát sóng di động, thiết bị đo lường, máy thu định vị vệ tinh.

Góc nhìn hôm nay: tìm thạch anh trong đồ dùng quanh nhà

Trên bo mạch của một chiếc điều khiển từ xa hỏng hay máy tính cũ, tìm linh kiện vỏ kim loại hình bầu dục hoặc chữ nhật, ký hiệu trên mạch thường là X hoặc Y kèm số, in một con số tần số như 4.000, 12.000 hay 32.768. Đó là tinh thể thạch anh. Cạnh nhau trên cùng một bo mạch là hai lối dùng: lát cắt AT rung hàng triệu lần mỗi giây cho vi xử lý, và âm thoa 32.768 Hz giữ giờ khi máy tắt.

Lưu ý an toàn khi tháo đồ điện tử cũ: rút điện, tháo pin trước; không tự mở pin sạc phồng; cất pin cúc xa tầm tay trẻ nhỏ vì nuốt phải pin cúc là cấp cứu y tế. Nếu muốn so sánh, hãy đặt cạnh nhau một tinh thể thạch anh mỏ có song tinh nhìn thấy được và một lát thạch anh trong linh kiện: cùng SiO₂, nhưng chỉ một loại đạt yêu cầu của ngành điện tử. Sách tham khảo tốt cho người muốn đi sâu là các giáo trình về bộ cộng hưởng áp điện và tài liệu lịch sử của IEEE về đồng hồ thạch anh.