Гикпорн наручных кварцевых часов «Луч» — и немного оверклокинга

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 32768 Гц 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. Зубчатые колеса с шагом 200мкм. Тут их еще вероятно выдавливали штампом, а самый писк технологий - вырезать их 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.


После травления металла:

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 поближе (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.