Способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора с улучшенной линейностью

 

Способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора с улучшенной линейностью относится к области пьезотехники и может быть использован при изготовлении высокочастотных кварцевых резонаторов и монолитных кварцевых фильтров. Достигаемый технический результат - уменьшение полосовой и внеполосовой интермодуляции и повышение процента выхода годных кварцевых резонаторов и фильтров. Способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора с улучшенной линейностью заключается в том, что на операциях настройки, контроля динамических параметров и после герметизации в корпусе пьезоэлектрический кварцевый резонатор подвергается электротренировке путем подачи на него резонансного электрического напряжения величиной 5 - 8 В в течение 1 - 2 мин.

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано при изготовлении высокочастотных кварцевых резонаторов и монолитных кварцевых фильтров.

К фильтровым кварцевым резонаторам, кроме требований к динамическим параметрам и стабильности, предъявляются очень жесткие требования к их линейности. Известно, что интермодуляционные искажения вызваны главным образом качеством очистки пьезоэлемента (см. L.Dworsky, R.Kinsman. A Simple Single Model for Guartz Crystal Resonator Low Level Drive Sensitivity and Filter Intermodulation. IEEE on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 1994, vol. 41, N 2, p. 261-268.) С физической точки зрения интермодуляционные искажения связаны с присутствием на поверхности пьезоэлемента посторонних частиц, масляных пленок и других загрязнений. Работу такого пьезоэлемента можно проанализировать на основе модели, состоящей из колеблющегося пьезоэлемента (линейная часть) и связанной с ним нелинейной цепи (частица плюс связь). Наличие нелинейной цепи приводит к появлению в кварцевых резонаторах интермодуляционных искажений двух типов. Так, на частотах выше 30 МГц первый тип связан с сигналами, отстроенными от собственной частоты резонатора до 100 кГц и более (внеполосовая интермодуляция). Второй тип искажений возникает, когда частоты сигналов лежат в пределах резонансной кривой резонатора. При этом, как правило, частота одного сигнала совпадает с частотой резонатора, частота второго - отстроена от первого в пределах 6 кГц (полосовая интермодуляция).

Современные требования по интермодуляции следующие: - полосовая интермодуляция не менее 80 дБ/мкВ; - внеполосовая - не менее 100 дБ/мкВ.

Существующая технология изготовления фильтровых резонаторов, работающих на основной гармонике на частотах выше 30 МГц, включающая шлифовку кристаллических элементов, монтаж, настройку, контроль динамических параметров и герметизацию, не обеспечивает этих требований. В лучшем случае могут быть реализованы следующие значения: - полосовая интермодуляция - (50-60) дБ/мкВ; - внеполосовая - (80-90) дБ/мкВ.

При этом процент выхода годных лежит в пределах не более 70%.

Одна из главных причин столь высоких амплитуд интермодуляционных помех связана с загрязнениями основных поверхностей пьезоэлемента.

Известен способ изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов путем шлифовки кристаллического элемента, очистки его, нанесения электродов, монтажа, настройки, контроля динамических параметров и герметизации в корпус (см. Труды 28 симпозиума по стабилизации частоты). По данному способу поверхность кристаллического элемента перед нанесением электродов очищают ионами аргона с энергией около 1 кэВ и постоянным напряжением 500 В на стойках держателя, при этом не устраняется возможность попадания загрязнений на поверхность пьезоэлемента на операциях нанесения электродов, настройки, контроля динамических параметров и герметизации в корпус. Следовательно, причина появления интермодуляционных искажений не устраняется.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора путем шлифовки кристаллического элемента, очистки его поверхности в химических растворах с применением ультразвука, нанесения электродов, монтажа, настройки, контроля динамических параметров и герметизации в корпус (см. А.Г. Смагин. Пьезоэлетрические резонаторы и их применение. М., 1967, стр. 126-150). Недостаток этого способа связан с применением химических реактивов (кислот, щелочей, растворителей), которые не являются идеально чистыми веществами и сами являются источниками загрязнений поверхности пьезоэлемента. Применение ультразвука улучшает качество очистки поверхности кристаллического элемента, но не обеспечивает чистоту его поверхности на последующих операциях технологического процесса. В процессе нанесения электродов, монтажа пьезоэлемента в держатель, настройки, контроля динамических параметров и герметизации в корпус поверхность пьезоэлемента может загрязниться парами масла (при вакуумном напылении электродов), металлическими частицами стенок технологического оборудования, пылинками из атмосферы и т.п.). В результате после герметизации в корпус высокочастотный кварцевый резонатор, как правило, имеет достаточно высокую амплитуду интермодуляционных искажений.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение линейности кварцевых резонаторов и повышение процента выхода годных.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов путем шлифовки кристаллического пьезоэлемента, очистки его поверхности в химических растворах с применением ультразвука, нанесения электродов, монтажа, настройки, контроля динамических параметров и после герметизации в корпус высокочастотный кварцевый резонатор подвергают электротренировке путем подачи на него резонансного электрического напряжения величиной 5-8 В в течение одной-двух минут. При указанных режимах на границе газовая среда - кристаллический пьезоэлемент образуется ультразвуковое поле, интенсивность которого определяется амплитудой смещения поверхностных частиц пьезоэлемента. Наличие ультразвукового поля обязательно для эффективной очистки поверхности пьезоэлемента. Это подтверждается тем, что попытка улучшить линейность кварцевых резонаторов только за счет увеличения амплитуды механических колебаний, например, для вакуумированных резонаторов, как правило, не обеспечивает стабильных результатов. Присутствующим на поверхности пьезоэлемента частицам и загрязнениям ультразвуковое поле передает импульс движения, и они удаляются с поверхности пьезоэлемента. В результате устраняется причина нелинейности кварцевого резонатора, что ведет к уменьшению интермодуляционных помех и повышению процента выхода годных. Указанные режимы электротренировки позволили уменьшить полосовую и внеполосовую интермодуляцию до значений более 80 дБ/мкВ и 100 дБ/мкВ соответственно, а процент выхода годных кварцевых резонаторов по этим параметрам составлял 100%.

Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что он может быть применен для исправления бракованных, уже загерметизированных резонаторов без изменения их динамических параметров.

Способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора с ослаблением интермодуляционных помех реализуется в такой последовательности. После шлифовки кристаллических элементов, химической очистки их поверхности с применением ультразвука, нанесения электродов, монтажа и настройки, резонаторы подвергаются 100%-ной проверке по требованиям к полосовой и внеполосовой интермодуляции. Кварцевые резонаторы, у которых интермодуляционные помехи выше допустимых, подвергаются электротренировке. Для этого резонатор помещают в камеру с инертным газом, например аргоном, и подают на него резонансное электрическое напряжение величиной 5-8 В в течение 1-2 мин. После выполнения электротренировки интермодуляционные искажения, связанные с загрязнением поверхности кристаллического пьезоэлемента уменьшаются до значений более 100 дБ/мкВ для внеполосовой и более 80 дБ/мкВ для интермодуляции, что соответствует 100%-ному выходу годных резонаторов.

При подаче на высокочастотный кварцевый резонатор резонансного электрического напряжения менее 5 В процент выхода годных при установленных требованиях к ослаблению амплитуды помех 100 дБ/мкВ для внеполосовой и 80 дБ/мкВ для полосовой интермодуляции уменьшается. Связано это с тем, что импульс, передаваемый ультразвуковым полем частицам и загрязнениям на поверхности пьезоэлемента, недостаточен для удаления их с поверхности. Использование резонансного электрического напряжения более 8 В не увеличивает эффективности очистки пьезоэлементов и экономически неоправдано. Кроме того, при высоких напряжениях в пьезоэлементе могут возникнуть микротрещины, что приведет к снижению надежности и стабильности работы кварцевого резонатора.

Электротренировка резонансным электрическим напряжением 5-8 В менее одной минуты также недостаточна для обеспечения стопропроцентного выхода резонаторов с ослаблением интермодуляционных искажений более 100 дБ/мкВ (внеполосовые) и более 80 дБ/мкВ (полосовые). Увеличение времени электротренировки более двух минут также не повышает эффективности очистки и экономически неоправдано.

Следовательно, время в 1-2 минуты вполне достаточно для удаления загрязнений с поверхности кристаллического пьезоэлемента и нет необходимости неоправданно увеличивать трудоемкость данной операции. Если интермодуляционные искажения увеличиваются на последующих операциях, вплоть до герметизации пьезоэлемента в корпус, то электротренировку следует проводить на любой из них и даже тогда, когда пьезоэлемент загерметизирован в корпус.

Таким образом, разработанный способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора с улучшенной линейностью позволяет уменьшить внеполосовую интермодуляционную помеху до значения более 100 дБ/мкВ и полосовую интермодуляционную помеху до значения более 80 дБ/мкВ. При этом процент выхода годных высокочастотных кварцевых резонаторов составляет 100% по этим параметрам.

Формула изобретения

Способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора, включающий шлифовку кристаллического пьезоэлемента, очистку его поверхности в химических растворах с применением ультразвука, нанесение электродов, монтаж в держатель, настройку высокочастотного кварцевого резонатора, контроль динамических параметров и герметизацию в корпус, отличающийся тем, что при настройке, контроле динамических параметров и после герметизации в корпус, высокочастотный кварцевый резонатор, у которого интермодуляционные помехи выше допустимых, подвергают электротренировке в среде с инертным газом путем подачи резонансного электрического напряжения величиной 5 - 8 В в течении 1 - 2 мин.