Пьезоэлектрический резонатор

 

Изобретение относится к изделиям пьезотехники и может быть использовано при создании электроакустических устройств. Задача изобретения - уменьшение габаритов пьезоэлемента и резонатора в целом за счет конструктивного изменения кристаллического элемента, при котором обеспечивается более глубокая локализация акустической энергии в его центральной части. Одновременно уменьшается трудоемкость изготовления резонаторов при сохранении их моночастотности и высокой добротности. Это достигается тем, что в пьезоэлектрическом резонаторе, содержащем держатель, кристаллический элемент в виде круглой пластины с локальным выступом в центральной части и возбуждающие электроды, симметричные локальному выступу, выступ в центре пластины выполняют в форме шарового сегмента на одной или обеих сторонах. Шаровой сегмент может быть смоделирован в виде ступенчатой структуры с числом ступеней равным или больше трех. При этом диаметр основания шарового выступа d_c задают в пределах 1/3·D ≅ d_c ≅ 2/3·D , где D - диаметр КЭ, а радиус сферы сегмента R выбран в соответствии с выражением где h - толщина плоского кристаллического элемента, соответствующая заданной частоте, 2 ил.

Изобретение относится к изделиям пьезотехники и может быть использовано при создании электроакустических устройств.

Известны резонаторы в которых кристаллический элемент (КЭ) совершает колебания сдвига по толщине и выполнен в виде диска с цилиндрическим выступом в центре. Оптимальные характеристики такого резонатора задаются эмпирическим выражением, связывающим размеры КЭ и выступа.

Однако при этом соотношение секторов КЭ очень критично, что не позволяет получить стабильную повторяемость результатов по моночастотности. При этом возможны провалы активности резонаторов и полный срыв колебаний в рабочем интервале температур за счет изменения условий отражения акустических волн на границе выступа.

Известны конструкции резонаторов с крестообразной формой кристаллического элемента. При двухступенчатой крестообразной форме КЭ улучшается моночастотность и добротность резонаторов за счет обеспечения более оптимальных условий захвата энергии.

Рассматриваемые резонаторы имеют следующие недостатки. В кристаллических элементах, совершающих колебания сдвига по толщине, нежелательные резонансы представляют собой ангармонические колебания, частота которых определяется соотношением ширины КЭ к толщине, или длины к толщине, поэтому влияние на подавление и частоту нежелательных резонансов можно оказывать либо через колебания, связанные с шириной, либо с длиной кристаллического элемента. В этом основной недостаток рассматриваемой конструкции.

Наиболее близким к изобретению является резонатор, в котором КЭ имеет форму двояко или плоско-выпуклой линзы. На частотах ниже 5 МГц основные преимущества линзовых пьезоэлементов по сравнению с плоскими: уменьшение поперечных размеров и хорошая спектральная характеристика.

С точки зрения теории захвата энергии наиболее неудобными являются диапазоны частот от 3,5 до 10 МГц. Использование плоских КЭ невыгодно из-за их больших габаритов. Так, при частоте 5 МГц толщина КЭ равна h = 0,32 мм. Для удовлетворения требования D/h > 75 диаметр D должен быть не менее 24 мм. Использование же линзообразных кристаллических элементов при их толщине 0,5 мм и менее не оправдывается с технической точки зрения - велика трудоемкость и трудно обеспечить ориентацию основных плоскостей относительно кристаллографических осей. Кроме того, габариты линзообразных КЭ остаются достаточно большими.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение габаритов пьезоэлемента и резонатора в целом за счет конструктивного изменения кристаллического элемента, при котором обеспечивается более глубокая локализация акустической энергии в его центральной части. Одновременно уменьшается трудоемкость изготовления резонаторов при сохранении их моночастотности и высокой добротности.

Задача решается тем, что в пьезоэлектрическом резонаторе, содержащем держатель, кристаллический элемент в виде круглой пластины с локальным выступом в центральной части и возбуждающие электроды, симметричные локальному выступу, согласно изобретению, выступ в центре пластины выполняют в форме шарового сегмента на одной или обеих сторонах. При этом диаметр основания шарового выступа d/c задают в пределах 1/30 ≅ dc ≅ 2/3D, где D - диаметр КЭ; а радиус сферы сегмента R выбран в соответствии с выражением где h - толщина плоского кристаллического элемента, соответствующая заданной частоте.

Дополнительно шаровой выступ на одной или обеих сторонах КЭ смоделирован в виде ступенчатой структуры с числом ступеней равным или больше трех.

Предлагается пьезоэлектрический резонатор с совершенно новой формой кристаллического элемента, изготовление которого можно осуществить по известной технологии. КЭ в форме диска с локальной сферой в центре по технической сущности должен рассматриваться в одном ряду с линзообразной и плоской формой. Самостоятельное место его применения - диапазон частот от 3 до 10 МГц, де использование как плоских, так и линзообразных КЭ малоэффективно по тем или иным причинам. Габариты кварцевых резонаторов, работающих в этом диапазоне частот по основной гармонике, определяются размерами пьезоэлемента и, в частности, диаметром для круглых пластин. Оптимизация пьезоэлементов в форме линз позволяет определить минимальные размеры пластин, например, диаметр кварцевого КЭ для резонатора на 5 МГц должен быть не меньше 11 мм. Предлагаемая конструкция позволяет уменьшить этот размер до 6 мм.

Положительный эффект, заключающийся в уменьшении габаритов резонатора при сохранении его спектральной характеристики, обнаруживается уже при использовании КЭ с локальным сферическим выступом, смоделированным трехступенчатой структурой.

На фиг. 1 изображен общий вид пьезоэлектрического резонатора; на фиг.2 - сечение пьезоэлемента резонатора с локальными шаровыми выступами на КЭ.

Пьезоэлектрический резонатор состоит из металлического держателя 1, кристаллического элемента 2 в виде плоской пластины пьезоэлектрика с локальным шаровым выступом 3, возбуждающих электродов 4, соединенных с токовыводами 5 (фиг.1). Выступ 3 выполнен с одной или с двух сторон пластины в форме шарового сегмента с диаметром основания dc и радиусом кривизны R. Поверхность локальных выступов 3 сферическая или имеет ступенчатую структуру, моделирующую поверхность сферы (фиг.2).

Предлагаемый резонатор работает, как правило, на основной резонансной частоте, имеет малые габариты и хорошую спектральную характеристику (больше 200 кГц до ближайшего побочного резонанса при уровне его подавления 50 - 55 Дб).

Граничные значения радиуса кривизны шарового сегмента установлены на основании теоретического расчета.

Согласно теории захвата энергии тонкий, плоский кристаллический элемент с электродами можно представить как систему, состоящую из двух областей с различными резонансными частотами (неметаллизированная и область под электродом). Для такой системы получено соотношение, на основе которого рассчитываются оптимальные размеры электродов.

где f_s - частота неметаллизированного КЭ; f_e - частота подэлектродной области; d_e - диаметр электрода;
h - толщина КЭ;
c - константа.

Кристаллический элемент, предложенный в заявке, можно также представить в виде системы, состоящей из двух областей с различными частотами, тогда можно использовать выражение (1).

В такой постановке удобнее выбрать другие символические обозначения.

где
h_n - толщина плоской части КЭ.

f_n - частота КЭ, имеющего толщину h_n,
d_c - диаметр основания шарового сегмента,
f_c - частота области КЭ, ограниченной шаровым сегментом.

Поскольку частота КЭ обратно пропорциональна толщинам, то выражение (2) можно преобразовать к следующему виду:

где
Δh = h_c-h_n - высота шарового сегмента.

Полагая, что h_c ≈ h_n, получим:

Радиус сферы R сегмента приближенно может быть выражен через его высоту уравнением

Используя выражение (4), значения R найдем в следующем виде:

Выражение (1) получено для тонкого КЭ бесконечных размеров и справедливо для большинства практических случаев, когда отношение его диаметра к толщине достаточно велико (D/h > 75). Знак неравенства в (1) указывает на то, что в этом случае оптимальными являются такие размеры электродов, при которых захват энергии сдвиговых колебаний меньше определенной величины. При значении постоянной C = 2,2 диаметр активной (колеблющейся) области КЭ примерно в 1,25 раз больше диаметра электрода, рассчитанного из выражения (1), как из равенства.

В решаемой задаче, связанной с миниатюризацией, отношение D/h < 75, поэтому необходимо обеспечить более глубокий захват энергии основного колебания, что реализуется при меньших значениях радиуса шарового сегмента, а следовательно, соответствующий знак неравенства должен быть поставлен и в выражении (6).

Кроме того, поскольку задача достаточно критична, значение C должно быть не постоянным, а функцией размеров D и d_c; C = C(D,d_c).

Окончательно выражение (6) можно записать так

Предварительные экспериментальные исследования позволяют представить функцию C (D,d_c) в таком виде

Выражение (7) в этом случае примет следующий вид:

где
A = 1,8 · 10^-2.

Расчет выполнен для КЭ с односторонним выступом показывает, что радиус шарового сегмента связан с диаметром его основания, с диаметром и толщиной КЭ, границы которых определены в признаках формулы изобретения.

Для диаметра основания d_c шарового сегмента граничные значения выбраны на основании теоретического анализа и опытным путем с учетом технологических особенностей изготовления КЭ в пределах 1/3 · D ≅ dc ≅2/3 · D. Например, для частоты 4 МГц и диаметра пластины кварца AT-среза, равном 8 мм, минимальный диаметр основания сегмента равен 2,7 мм. Выражение (9) позволяет определить радиус сферического сегмента R ≅ 36 мм. При этом высота сегмента достигает 25,4 мм. Для обеспечения хорошего захвата энергии следует уменьшить R, например, до значения 25 мм. Тогда высота сегмента превысит 36 мм. Самая критическая величина высоты сегмента 55,8 мкм имеет место при выполнении КЭ резонатора частотой 3,5 МГц на кварцевой пластине диаметром 6 мм.

Таким образом, чтобы изготовить шаровой выступ в три ступеньки, необходимо в этих случаях сформировать ступеньки высотой от 8 до 18 мкм. Технологические полирующие травители на основе плавиковой кислоты позволяют провести такое травление за 30 - 40 мин. Это предельное время, которое могут выдержать маскирующие покрытия из металлических или фоторезистивных пленок с высокой надежностью. Поэтому нижняя граница величины d_c установлена равной третьей части диаметра пластины. Кроме того, по теоретическим расчетам [8] для эквивалентной линзы удается получить резонатор 4 МГц с хорошими динамическими параметрами при условии R_э ≥ 1,5·r_o, где R_э - радиус электродов; r_o - частотный радиус линзы. Для выбранного примера (R = 25 мм) r_o = 0,9 мм, а диаметр электрода - 2,7 мм совпадает с минимальным диаметром основания шарового сегмента. Кроме того, удалось получить качественные резонаторы в опытных партиях при выполнении условия d_c ≥ 1/3 · D.

Верхняя граница для диаметра основания шарового сегмента установлена с учетом распределения амплитуды колебания U в кварцевой линзе по известному закону

где
U_o - начальная амплитуда колебаний;
r - радиальная координата.

Практически установлено, что эффективной считается радиальная область колебаний в центре кристаллического элемента, в которой амплитуда затухает не более, чем в 10 раз. Для размеров КЭ предлагаемого резонатора диаметр этой области не превышает 2/3 · D. Из таких соображений установлена зависимость d_c≅ 2/3 · D, которая подтверждается хорошими параметрами опытных резонаторов. Таким образом: 1/3 · D ≅ d_c ≅ 2/3 · D.

Опытные партии резонаторов на частоты 4, 5, 8 МГц изготовлены на основе кристаллических элементов из кварца AT-среза в форме круглой пластины, предварительно отшлифованной до заданной толщины абразивом М5. Диаметр пластины равнялся 8 мм для резонаторов на 4 и 5 МГц и 6 мм для резонаторов на 8 МГц. Далее проводилась химическая полировка в технологическом растворе на основе плавиковой кислоты с поверхностно активными добавками. Затем в центре пластин с двух сторон формировались выступы ступенчатой структуры, моделирующей шаровой сегмент. Ступеньки получены поэтапным нанесением на пластины защитного металлического покрытия различного диаметра и травлением в растворе HF на расчетную глубину. В качестве защиты используются пленки Cr-Cu, полученные вакуумным испарением, а также иттрия, нанесенного методом магнетронного напыления. После формирования выступов на кристаллические элементы наносят серебрянные электроды. Изготовленные таким образом пьезоэлементы монтируют в арматуру типа "М".

По описанной технологии, кроме того, были изготовлены кварцевые резонаторы на частоту 5 МГц, в которых пьезоэлементы выполнены в виде плоских пластин диаметром 14 мм.

Для сравнения опытные резонаторы с различными параметрами изготавливались в количестве от 5 до 10 шт. в партии. Например, у резонаторов на 5 МГц, имеющих КЭ с двухсторонними выступами в форме шарового сегмента, диаметр основания которого 3,6 мм, а число ступенек равно 3, динамическое сопротивление 30 - 70 Ом, расстояние до побочного резонанса 200 кГц при его ослаблении 40 - 55 Дб. Подобный результат получен для количества ступенек от 3 до 7 и при изменении радиуса основания шарового сегмента в пределах 0,33 - 0,67 радиуса пластины. Оптимальные пределы выбранных условий для резонаторов на 4 и 8 МГц вблизи к указанным на 5 МГц.

Изготовлены резонаторы на 5 МГц с двухступенчатым выступом и диаметром основания 3,6 мм. Эти изделия имеют меньшее расстояние от основного до побочного резонанса, причем их динамическое сопротивление увеличилось почти в 2 раза, по сравнению с вариантами в 3 ступеньки и более.

Пьезоэлементы с числом ступенек больше семи экономически не оправданы, так как велика норма времени при их изготовлении. Однако, с увеличением числа ступенек, моделирующих шаровой выступ на КЭ, добротность резонаторов повышается.

В таблице приведены характеристики заявляемого и аналоговых пьезоэлектрических резонаторов: f - частота последовательного резонанса; Rg, Lg - динамические сопротивление и индуктивность; Q - добротность; Δf - расстояние до ближайшего побочного резонанса; η - ослабление побочных резонансов; U - объем резонаторов; N - процент выхода годных с указанной добротностью.

Конечно, существует принципиальная возможность изготовления линзовых пьезоэлементов для резонаторов в диапазоне выше 5 МГц. Однако, их производство будет нетехнологичным, т.к. потребует индивидуальную шлифовку линз. В заявленном техническом решении на всех этапах изготовления резонаторов используются групповые методы с большим выходом годных и с меньшими размерами изделий.

В серийных условиях может быть значительно уменьшена трудоемкость изготовления резонаторов на частоты 3 - 6 МГц. Как указывалось выше, шлифовка сфер при толщине пластины 0,3 - 0,5 мм производится поштучно вручную. Если на каждую пластину в среднем будет затрачено по 10 мин, то в смену максимальная выработка на одного шлифовщика составит 50 шт. кристаллических элементов. Изготовление КЭ с локальными сферами производится по групповой технологии. В зависимости от мощности вакуумной установки одновременно могут напыляться защитные покрытия на 500 - 1000 шт. заготовок. Если учесть, что одновременно на установке травления могут обрабатываться 100 пластин, то пропускная способность на этой операции составит примерно 1000 шт. в смену. Таким образом, производительность изготовления предлагаемой конструкции на этапе формирования сфер примерно в 30 раз выше, чем при шлифовке линз.

Резонаторы с локальными сферами имеют еще одно преимущество по сравнению с резонаторами с чисто линзообразными КЭ. При шлифовке линзы очень трудно обеспечить требуемую ориентацию основных плоскостей относительно кристаллографических осей. Это обстоятельство приводит к тому, что даже при средних требованиях к стабильности частоты в температурном интервале выход негодных резонаторов по температурно-частотным характеристикам составляет достаточно высокий процент. Для резонаторов с локальными сферами этой проблемы, по существу, нет.

Данные опытной проверки изобретения убедительно доказывают преимущества заявляемого объекта по сравнению с известными. Использование пьезоэлементов с локальным шаровым выступом позволяет уменьшить объем резонаторов на 4,5 и 8 МГц более, чем в 5 раз, по отношению к резонаторам с плоскими пьезоэлементами. Даже если выполнить КЭ резонатора на 5 МГц в виде линзы, то диаметр его будет не менее 11 мм, а объем такого резонатора почти в два раза больше заявленного. Кроме того, увеличение производительности позволяет снизить трудоемкость изготовления резонаторов.

Использование в предлагаемом изобретении всей совокупности отличительных признаков обеспечивает достижение поставленной задачи и технического результата по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический резонатор, содержащий держатель, кристаллический элемент в виде круглой пластины с локальным выступом в центральной части и возбуждающие электроды, симметрично нанесенные на поверхности пластины и выступа, отличающийся тем, что выступ расположен на одной или обеих сторонах пластины и имеет форму шарового сегмента, диаметр основания которого d_c лежит в пределах
1/3D ≅ d_c ≅ 2/3D,
где D - диаметр кристаллического элемента,
а радиус сферы сегмента R выбран в соответствии с выражением

где h - толщина плоского кристаллического элемента, соответствующего заданной частоте.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3