Некоторые вещи, к которым мы совсем привыкли, а иногда считаем очень устаревшими и простыми — при ближайшем рассмотрении могут быть гораздо сложнее, чем кажется.
На мой взгляд самыми неожиданно сложными, пусть и кажущимися устаревшими вещами являются кварцевые часы и пленочные фотоаппараты. Доступными их сделали сотни лет развития мирового индустриального производства и многие миллиарды потраченные на R&D.
Кварцевыми часами в этот раз мы и займемся. В качестве пациента — наручные часы Луч Белорусского производства, которые мне подарили в незапамятные времена.
Сами часы выглядят просто и аскетично. Провода — это уже моя самодеятельность, результаты которой будут в конце статьи:
На обратной стороне — видим микросхему, которая из 32кГц кварца генерирует 0.5Гц меандр. Меандр подается на катушку с диким количеством витков (сопротивление 2.5кОм), который и приводит в движение механику. Движение в обе стороны продвигает стрелку на 1 секунду.
Ближе. Шестеренки с шагом 200мкм. Тут их еще вероятно выдавливали штампом, а самый писк технологий — вырезать шестерни ионным травлением, по той-же технологии, по которой MEMS производят:
Конечно взглянем по-ближе на микросхему (кликабельно). На первый взгляд в самом низу — осциллятор для кварца, далее основной цифровой фарш — делитель на 65536, роль «змеек» в верхней части до конца пока не понятна.
Если кто-то захочет для тренировки полную схему восстановить (уверен, трюков, наработанных десятилетиями тут много) — пишите, сниму еще и метал для удобства, тут он толстый и через него почти ничего не видно.
Остался сам кварц: классический tuning-fork в металлическом корпусе. Корпус запечатан стеклом. На сам кристалл напылены электроды:
На краю кварца видна какая-то непонятная черточка… Взглянем по-ближе (кликабельно):
Enhance 224-176:
Enhance 34-36:
Определенно, частоту кварца подстраивали импульсным лазером. До лазеров — на заводах аккуратно и по чуть-чуть механически полировали пока не попадут (с допуском ошибки не более 0.004% — то еще было занятие...).
Но что это за пирамидки по всей площади? Часовой кварц пилят так, чтобы срез был по плоскости XY кристаллографической ориентации, а при любых операциях (травлении, механической обработке) — кристаллы любят разрушаться по направлениям своей кристаллической решетки, в данном случае — оставляя пирамидки в направлении Z.
Управление плоскостью среза кварца — и позволило ему завоевать мир (вместе с наличием пьезоэлектрического эффекта). Выбирая направление среза кристаллической решетки кварца — можно управлять зависимостью ошибки частоты резонанса от температуры. При срезе по XY у tuning-fork — «нулевая» перетяжка графика ошибки частоты получается в районе 25-30°С, что обеспечивает почти нулевую ошибку при ношении на руке.
Выбирая более сложное направление среза кварца — можно найти варианты с двумя пересечениями нуля, что дает мЕньшую ошибку в широком температурном диапазоне. Так появились популярные срезы — AT (99% кварцев такие) и SC (лучше подходит для сверх-стабильных генераторов с «печкой», имеет ровную «полку» в области повышенных температур).
Механические же осцилляторы полностью механических часов имеют гораздо бОльший температурный коэффициент (да и много от чего еще зависят — силы завода, направления вектора гравитации, магнитного поля).
Как ни удивительно, мир совершил полный виток — и возвращается к механическим MEMS осцилляторам со всеми их недостатками и зависимостями от внешнего мира. С температурной зависимостью борются жесточайшей калибровкой и цифровой компенсацией. Для достижения высокой добротности — эти высокотехнологичные механические осцилляторы работают в вакууме, что делает их работу ненадежной в атмосфере Гелия, который может проходить сквозь кремниевый корпус (эта проблема на слуху из-за нашумевшей неработоспособности последних iPhone в атмосфере 2% гелия). Все это затеяли ради меньших габаритов (особенно толщины) и бОльшей технологичности производства.
Но кварц из-за своих уникальных свойств (низкий КТР, пьезоэффект, управление формой графика резонансной частоты от температуры направлением среза кристалла, jitter) останется незаменимым во многих применениях в обозримом будущем.
В качестве курьеза
Конечно попробовал разогнать часы, подключив к генератору сигналов. Если на штатной частоте часы идут при амплитуде всего 1В, то ускорение в 394x требует уже 4.8V, 507.4x — 7V и наконец 582x — 10V.
600x, чтобы 10 минут за 1 секунду пролетало — не удалось дожать никак, но и 582 движения в секунду — уже немало.
Эти высокие частоты — «резонансные», есть всего несколько герц, где часы будут подхватывать такую задающую частоту. И если отступить от нее на 1-2 Гц вниз — часы пойдут в обратную сторону:
Cамое сложное в этой статье оказалось — не вытравить микросхему в кипящей кислоте, а записать видео так, чтобы тикание часов слышно было. Очень уж современный мир приучает к шуму. А тут даже пришлось генератор сигналов в соседнюю комнату относить — иначе гул трансформатора все глушил.
Если статья понравилась — можете поддержать проект на Patreon и — читайте более короткие заметки о вскрытиях микросхем на zeptobars.com.
Автор: Михаил Сваричевский
