Dao động tinh thể, nhiều bạn có hỏi Ad rằng học những kiến thức vật lý sâu xa này để làm gì, liệu nó có thật sự cần thiết và ứng dụng được gì trong cuộc sống không? Ad không dám chắc, ứng dụng được hay không tùy thuộc vào trình độ của người học về nó, nhưng có một điều Ad chắc chắn, rằng kiến thức không bao giờ vô dụng và nếu như những tiền nhân của chúng ta không nghiên cứu về chúng, có lẽ giờ đây bạn sẽ không có máy tính, smartphone, những máy móc hiện đại để sử dụng. Đó sẽ là một thực tại khác xa với thế giới bây giờ.
1. Khái niệm:
Quay trở lại vấn đề. Dao động tinh thể là một khái niệm cơ bản và quan trọng trong ngành linh kiện điện tử nói chung và công nghệ phần cứng máy tính nói riêng. Bộ tạo dao động tinh thể là một mạch dao động điện tử sử dụng cộng hưởng cơ học của tinh thể dao động của vật liệu áp điện để tạo ra tín hiệu điện với tần số chính xác .Tần số này thường được sử dụng để theo dõi thời gian, như trong đồng hồ đeo tay thạch anh , để cung cấp tín hiệu đồng hồ ổn định cho các mạch tích hợp kỹ thuật số và để ổn định tần số cho các máy phát và thu sóng vô tuyến .
Loại cộng hưởng áp điện phổ biến nhất được sử dụng là tinh thể thạch anh , do đó các mạch dao động kết hợp chúng được gọi là dao động tinh thể, nhưng các vật liệu áp điện khác bao gồm gốm đa tinh thể cũng được sử dụng trong các mạch tương tự.
2. Hiệu ứng áp điện:
Những tinh thể thạch anh đầu tiên được sử dụng bởi chúng có tính chất “áp điện”, có nghĩa là chúng chuyển các dao động cơ khí thành điện áp và ngược lại, chuyển các xung điện áp thành các dao động cơ khí. Hiệu ứng áp điện (tiếng Anh là piezoelectric phenomena) là một hiện tượng vật lý được nhà khoáng vật học người Pháp phát hiện đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhà Pierre và Jacques Curie nghiên cứu chi tiết vào năm 1880.
Hiện tượng xảy ra như sau: người ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) và nó có hiệu ứng thuận nghịch: khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng, và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra điện tích trên bề mặt xác định.
Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại. Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch: tác động hiệu thế vào vật thì sẽ sinh ra công biến dạng làm biến đổi lực. Một vật được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb, zorconi, titan) sẽ có tính chất áp điện. (VD: thạch anh).
Ngày nay hiện tượng áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ, hiện nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu như máy bay bay đập cánh như côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh, hầu hết các máy in hiện nay… một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo.
3. Dao động tinh thể và ứng dụng:
Một đặc tính quan trọng của tinh thể thạch anh là nếu tác động bằng các dạng cơ học đến chúng (âm thanh, sóng nước…) vào tinh thể thạch anh thì chúng sẽ tạo ra một điện áp dao động có tần số tương đương với mức độ tác động vào chúng, do đó chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn kiểm soát những sự rung động trong các động cơ xe hơi để kiểm soát sự hoạt động của chúng.
Lần đầu tiên Walter G. Cady ứng dụng thạch anh vào một bộ kiểm soát dao động điện tử vào năm 1921. Ông công bố kết quả vào năm 1922 và đến năm 1927 thì Warren A. Marrison đã ứng dụng tinh thể thạch anh vào điều khiển sự hoạt động của các đồng hồ.
Ngày nay, mọi máy tính dù hiện đại nhất cũng vẫn sử dụng các bộ dao động tinh thể để kiểm soát các bus, xung nhịp xử lý.
4. Đồng hồ tinh thể thạch anh:
Bây giờ, chúng ta hãy cụ thể hóa bằng cách lấy một ví dụ về ứng dụng của tinh thể thạch anh trong công nghệ đồng hồ.
Đồng hồ thạch anh là gì? Là một loại đồng hồ với cơ chế hoạt động bằng một “tinh thể thạch anh hình chữ U”. Tinh thể dao động khi được đặt trong một điện trường, nhờ pin cung cấp năng lượng để cho đồng hồ hoạt động. Nói tóm lại, nó hoạt động được nhờ pin cung cấp năng lượng cho bộ nam châm điện và tạo cho hệ thống bánh răng chuyển động theo một chu kỳ nhất định do một IC điều khiển.
Cách hoạt động:
Bước 1: Pin sẽ gửi điện cho các tinh thể thạch anh thông qua vi mạch điện tử.
Bước 2: Tinh thể thạch anh dao động ở tần số cố định, cụ thể là 32768 rung động mỗi giây.
Bước 3: Mạch điện tử đếm số rung động và sử dụng chúng để tạo ra các xung điện, mỗi lần trong một giây.
Bước 4: Các xung điện có thể hiển thị trên màn hình LCD. Nếu đồng hồ chạy bằng kim thì xung điện sẽ thu vào động cơ bàn đạp.
Bước 5: Động cơ bàn đạp sẽ làm xoay bánh răng.
Bước 6: Bánh răng xoay các kim trên mặt số.
Với sự dao động “tương đối ổn định” của đồng hồ thạch anh, đồng hồ sẽ đếm thời gian khá chính xác. Tuy nhiên, độ chính xác vẫn chưa phải là toàn mỹ vì các yếu tố môi trường. Hơn nữa, theo tiêu chuẩn điều hướng không gian, đồng hồ pha lê thạch anh không ổn định. Chỉ sau một giờ, ngay cả các bộ dao động thạch anh hoạt động tốt nhất cũng có thể sai lệch một nano giây (một phần tỷ của một giây). Sau sáu tuần, nó có thể sai lệch một phần nghìn giây, điều đó sẽ gây ra một lỗi khoảng cách khoảng 185 dặm (300 km). Đây được coi là tác động rất lớn trong việc đo lường vị trí của một tàu vũ trụ di chuyển nhanh.
Chính vì vậy, trong các nhu cầu đời thường, các vi mạch điện tử, thạch anh vẫn rất được ưa chuộng. Tuy nhiên, trong các ngành khoa học, kỹ thuật cấp cao, chúng ta sẽ sử dụng một loại đồng hồ khác. Ad sẽ tiếp tục có bài trong thời gian tới.
Nguồn: Bài viết được thực hiện, tổng hợp và dịch thuật bởi đội ngũ Science Realm.
Để lại bình luận