Пьезоэлемент

 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к пьезотехнике, и может быть использовано при разработке и изготовлении элементов частотной стабилизации и селекции сигналов. Изобретение решает задачу расширения диапазона частот пьезоэлемента при обеспечении его минимальных размеров. Пьезоэлемент выполнен из кристалла кварца среза y z b / 35°11ʹ± 5ʹ в виде пластины прямоугольной формы с возбуждающими электродами, продольная ось симметрии которой совмещена с кристаллографической осью Zʹ при этом ширина пластины кварцевого пьезоэлемента выбрана в определенном соотношении. Приведен ряд соотношений для ширины пластины. 2 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к пьезотехнике, и может быть использовано при разработке и изготовлении элементов частотной стабилизации и селекции сигналов.

Известны пьезоэлементы монолитных фильтров и резонаторов, содержащие пьезоэлектрическую пластину прямоугольной формы с размещенными на ее рабочих гранях одной или несколькими парами перекрывающихся возбуждающих электродов с выводами, продольная ось симметрии которых совмещена с кристаллографической осью Z' или Х. Известные пьезоэлементы монолитных фильтров и резонаторов работают на принципе захвата энергии в подэлектродной области, что обуславливает наличие участка пьезопластины, равного 12-14 ее толщин без электродного покрытия. Расстояние от торцовой грани пьезопластины до края электродного покрытия определяется допустимым уровнем потерь колебательной энергии у торцовой грани пьезопластины и, следовательно, достаточно большими габаритами как по ширине, так и по длине пьезоэлемента. При реализации фильтров четвертого, восьмого порядков их габариты значительно возрастают, что затрудняет их применение в современной малогабаритной радиоэлектронной аппаратуре [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлемент, выполненный из кристалла кварца среза yzb/+35^о11' ± 5' в виде пластины прямоугольной формы с возможно возбуждающими электродами, продольная ось симметрии которой совмещена с кристаллографической осью Z' пари этом ширина пластины кварцевого пьезоэлемента выбрана в пределах 22,44 Н ≅ W ≅ 22,62 Н, где W - ширина пьезоэлектрической платины, м; Н - толщина пьезоэлектрической пластины, м [2].

На известном пьезоэлементе выполняются фильтры в диапазоне частот от 10 до 12 МГц, в частности фильтры на частоту 10,7 МГц. На частотах ниже 10 МГц габариты пьезоэлемента имеют достаточно большие размеры, а на частотах выше 12 МГц размер по ширине пьезопластины оказывается малым и не обеспечивает условия технологической выполнимости кристаллического элемента, что значительно ухудшает электрические параметры резонаторов, в частности увеличивается динамическое сопротивление и снижается добротность.

Задачей изобретения является расширение диапазона частот пьезоэлемента при обеспечении его минимальных габаритов.

Это достигается за счет того, что в пьезоэлементе, выполненном из кристалла кварца среза yzb /+35^о11'+5' в виде пластины прямоугольной формы с возбуждающими электродами, продольная ось симметрии которой совмещена с кристаллографической осью Z', ширина пластины кварцевого пьезоэлемента выбрана в одном из пределов следующего ряда: 14,7 Н ≅ W ≅ 15 H 18,75 H ≅ W ≅ 19,05 H 25,65 H ≅ W ≅ 25,95 H 28,00 H ≅ W ≅ 28,30 H 38,55 H ≅ W ≅ 38,85 H 42,05 H ≅ W ≅ 42,35 H где W - ширина пьезоэлектрической пластины, м; Н - толщина пьезоэлектрической пластины, м.

Отличия предлагаемого устройства от известного, такие как 14,70 H ≅ W ≅ 15,00 H 18,75 H ≅ W ≅ 19,05 H
обеспечивают уменьшение габаритных размеров пьезопластины по ширине на более низких частотах от 4 до 7 МГц и от 6 до 10 МГц соответственно;
а отличия
25,65 H ≅ W ≅ 25,95 H
28,00 H ≅ W ≅ 28,30 H
38,55 H ≅ W ≅ 38,85 H
42,05 H ≅ W ≅ 42,35 H
обеспечивают оптимальные размеры пьезоэлементов на более высоких частотах, в частности в диапазоне частот от 11 до 23 МГц.

Таким образом, эти отличия обеспечивают расширение диапазона частот пьезоэлемента при обеспечении его минимальных габаритов.

На фиг. 1 представлена конструкция пьезоэлемента в виде звена второго порядка для монолитного пьезоэлектрического фильтра; на фиг.2 - зависимость добротности от отношения W/H и графики зависимости гармоник колебаний изгиба по толщине от того же отношения W/H.

Пьезоэлемент (фиг.1) содержит пьезоэлектрическую пластину 1, входной 2 и выходной 3 сигнальные электроды и низкопотенциальные электроды 4 и 5.

Пьезоэлемент работает следующим образом.

При подаче на электроды 2 и 4 высокочастотного напряжения с частотой, соответствующей основному колебанию сдвига по толщине (или гармоническому колебанию), в подэлектродной области устанавливается сдвиговая стоячая волна. За счет акустической связи между частотными резонаторами, образованными электродами 2, 4 и 3, 5, сдвиговые колебания входного резонатора передаются в подэлектродную область выходного резонатора, образованного электродами 3 и 5, с выводов которых снимается выходной высокочастотный сигнал.

Выбор значения ширины пьезоэлектрической пластины 1 в вышеуказанных пределах, обеспечивает работу частотных резонаторов без захвата энергии нежелательных резонаторов в направлении ее ширины. При этом отсутствие отсоса колебательной энергии близкорасположенными нежелательными видами колебаний обеспечивает не только высокую моночастотность пьезоэлемента, но и приводит к увеличению добротности частотных резонаторов, за счет чего снижается коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики фильтра.

На фиг.2 представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных для пьезоэлементов, изготовленных на частоту 5 МГц с соотношением W/H = 14,85, а с соотношением W/H = 18,9 - на частоту 9 МГц, с соотношением сторон 4,83х16 мм и 8,43х10 мм соответственно. С соотношениями W/H = 25,8, W/H = 28,1, W/H = 38,7 и W/H = 42,20 были изготовлены пьезоэлементы на частоты 12,5, 18, 21,4 и 24 МГц. При этом длина пьезопластины была равна 10,8 и 6 мм, а ширина выбиралась в пределах от 2,14 до 4,69 мм. По оси Х (фиг.2) - отношение W/H, а по оси Y - Θ и N - значения добротности и частотных постоянных для двух видов колебаний (кручение по толщине и изгиб по толщине). Из представленных графиков видно, что определенным значениям, указанным в формуле изобретения, соответствует максимум добротности при отсутствии резонансных частот колебаний изгиба по толщине (места разрыва графика), кроме того, максимум добротности имеет место в точках совпадения частоты кручения по толщине с частотой изгиба по толщине. При отклонении соотношений W/H от указанных выше значений как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения на величину 0,1 - 0,15 снижаются как величина добротности частотных резонаторов, так и величина коэффициента акустической связи. При превышении указанных соотношений на величину ± 0,15 W/H величина добротности резонатора снижается более чем на 50% относительно максимального значения. Выполнять пьезоэлементы с значительно худшими электрическими параметрами нецелесообразно, поскольку при этом снижается не только избирательность фильтра, но и появляются нежелательные колебания изгиба по толщине.

Кроме того, при выборе ширины пьезоэлектрической пластины в соответствии с соотношениями, в частности 25,65 Н ≅ W ≅ 25,95 Н, 28,00 Н ≅ W≅ 28,3 H, 38,55 H и 42,05 Н ≅ W ≅ 42,35 Н, имеется возможность увеличить размеры электродов по ширине. Это также снижает величину динамического сопротивления и увеличивает статическую емкость резонаторов. Последнее снижает величину паразитных емкостей монтажа, а уменьшение динамического сопротивления повышает добротность частотных резонаторов и избирательность фильтра.

Таким образом, выбор ширины пластины кварцевого пьезоэлемента в соответствии с предложенными пределами позволяет расширить диапазон рабочих частот пьезоэлемента как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения при обеспечении его минимальных габаритов и оптимальных электрических параметров.

Формула изобретения

ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ, выполненный из кристалла кварца среза yzb/35^o 11' ± 5' в виде пластины прямоугольной формы с возбуждающими электродами, продольная ось симметрии которой совмещена с кристаллографической осью z', отличающийся тем, что ширина пластины кварцевого пьезоэлемента выбрана в одном из пределов следующего ряда:
14,70H ≅ W ≅ 15,00H;
18,75H ≅ W ≅ 19,05H;
25,65H ≅ W ≅ 25,95H;
28,00H ≅ W ≅ 28,30H;
38,55H ≅ W ≅ 38,85H;
42,05H ≅ W ≅ 42,35H,
где W - ширина пьезоэлектрической пластины, м;
H - толщина пьезоэлектрической пластины, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2