Высокочастотный кварцевый резонатор

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано для изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов. Техническим результатом является улучшение моночастотности и увеличение значения динамической индуктивности высокочастотного кварцевого резонатора. Высокочастотный кварцевый резонатор содержит кварцевый кристаллический элемент yxl/+35° (AT-) среза, выполненный в форме обратной (инвертированной) мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность с обеих сторон электродами, выполненными в форме эллипса, большой диаметр которого ориентирован вдоль кристаллографичекой оси ХХ', малый диаметр - вдоль оси ZZ'; при этом диаметры эллипса выбраны согласно выражению, полученному из критерия моночастотности Бэхмана. 2 ил.

 

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано для изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов.

В литературе описываются конструкции высокочастотных кварцевых резонаторов, в которых подавление нежелательных ангармонических резонансов достигается при несоблюдении размеров электродов, полученных из выражения критерия моночастотности Бэхмана.

В качестве аналога можно привести кварцевый резонатор, описанный в авторском свидетельстве №322419 «Фильтровый пьезоэлектрический кварцевый резонатор» [1], описывается применение круглых электродов на вогнутом кристаллическом элементе. Резонаторы с вогнутыми кристаллическими элементами имеют малую активность из-за того, что основная часть акустической энергии основного резонанса рассеивается на краю пьезоэлемента.

Недостатком таких кристаллических элементов является то, что при изготовлении резонаторов с инвертированной мезаструктурой с толщиной рабочей области кристаллического элемента порядка 25 мкм придать вогнутость кристаллическому элементу невозможно.

Наиболее близким решением к предлагаемому в данной заявке является кварцевый резонатор с прямоугольной формой электродов [2]. При этом для получения требуемого значения динамической индуктивности (около 1.5 мГн) необходимо получить площадь электрода, равную 0.2 мм², данную площадь можно получить при размерах прямоугольного электрода, полученных из соотношения констант Мортли C_x/C_z=1.25, т.е. при d_eX×d_eZ=0.4×0.5=0.2 мм², тогда степень понижения по частоте Δf составит величину порядка 1500 кГц. Таким образом, прямоугольная форма электродов позволяет примерно в два раза увеличить толщину электродов относительно резонаторов с круглой формой электродов, при сохранении аналогичных динамических параметров.

Недостатком кварцевых резонаторов с прямоугольной формой электродов является то, что первый побочный резонанс находится на 240 кГц выше основного и ослаблен всего лишь на 25 дБ относительно основного резонанса, что затрудняет изготовление современных фильтровых кварцевых резонаторов.

Задача изобретения - улучшение моночастотности и увеличение значения динамической индуктивности высокочастотного кварцевого резонатора.

Постановленная задача достигается тем, что высокочастотный кварцевый резонатор включает кварцевый кристаллический элемент yxl/+35° (AT-) среза, выполненный в форме обратной (инвертированной) мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность с обеих сторон электродами в форме эллипса, большой диаметр которого ориентирован вдоль кристаллографической оси XX', малый диаметр - вдоль оси ZZ', при этом диаметры эллипса выбраны согласно выражению, полученному из критерия моночастотности Бэхмана где d_exx' - диаметр эллипса, направленный вдоль кристаллографической оси XX'; d_ezz' - диаметр эллипса, направленный вдоль кристаллографической оси ZZ'; С_X - постоянная для подавления колебаний симметричных негармонических обертонов в направлении оси XX', равна 2,75; C_Z - постоянная для подавления колебаний симметричных негармонических обертонов в направлении оси ZZ', равна 2,2; h - толщина кристаллического элемента в рабочей области; Δf=f_s-f_e - степень понижения по частоте за счет изменения массы электродного покрытия; f_s - частота неметаллизированного кристаллического элемента; f_e - частота кристаллического элемента с нанесенными электродами; n - номер механической гармоники; при этом токоподводы на обеих сторонах выполнены под углом, биссектриса которого с кристаллографической осью ZZ' образует угол, равный 27°.

На фигуре 1 показан пьезоэлемент высокочастотного кварцевого резонатора с эллипсообразными электродами, где 1 - кристаллический элемент в форме обратной мезаструктуры, 2 - электрод в форме эллипса, 3 - токоподводы с контактными площадками для крепления пьезоэлемента к арматуре держателя, d_exx' - диаметр эллипса вдоль кристаллографической оси ХХ', d_ezz' - диаметр эллипса вдоль кристаллографической оси ZZ'.

На фигуре 2 показана типично спектральная характеристика высокочастотного кварцевого резонатора с эллипсообразоной формой электродов.

Данная форма электродов позволяет значительно расширить частотный диапазон и значение динамической индуктивности за счет изменения площади электрода с обеспечением требований по моночастотности, вытекающих из критерия моночастотности Бэхмана.

Другим преимуществом эллипсообразных электродов является то, что форма электродов повторяет форму колебаний основной моды резонанса кварцевого кристаллического элемента, что в свою очередь обеспечивает стабильность резонансных колебаний и динамических параметров, а также минимизировано влияние токоподводов на моночастотность и значение динамических параметров за счет того, что они расположены под углом, биссектриса которого с кристаллографической осью ZZ' образует угол, равный 27°, при этом значении обеспечивается минимальное влияние массы металла токоподвода на распространение колебаний основного резонанса в кристаллическом элементе и гарантируется полное его затухание на краю пьезоэлемента.

Экспериментальная проверка приведенных выше выражений была проведена на опытной партии кварцевых резонаторов, работающих на основной моде колебаний на частоту 65114 кГц, изготовленных на кварцевом кристаллическом элементе с инвертированной мезаструктурой и эллипсообразными электродами с диаметрами эллипса d_ex=0.75 и d_eZ=0.5, смонтированном в арматуру типа HC45-U.

Источники информации

1. А.с. 362419 СССР. Фильтровый пьезоэлектрический резонатор / Баржин В.Я. и др. - 30.01.73.

2. «Высокочастотные фильтровые кварцевые резонаторы с алюминиевыми электродами» - Техника радиосвязи. Вып.4, 1998 г. / Кибирев С.Н., Зима В.Н., и др.

Высокочастотный кварцевый резонатор, включающий кварцевый кристаллический элемент yxl/+35° (AT-) среза, выполненный в форме обратной (инвертированной) мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность с обеих сторон электродами, отличающийся тем, что электроды на обеих сторонах выполнены в форме эллипса, большой диаметр которого ориентирован вдоль кристаллографической оси XX', малый диаметр - вдоль оси ZZ', при этом диаметры эллипса выбраны согласно выражению, полученному из критерия моночастотности Бэхмана

где de_XX' - диаметр эллипса, направленный вдоль кристаллографической оси XX';

de_ZZ' - диаметр эллипса, направленный вдоль кристаллографической оси ZZ';

С_X - постоянная для подавления колебаний симметричных негармонических обертонов в направлении оси XX', равна 2,75;

C_Z - постоянная для подавления колебаний симметричных негармонических обертонов в направлении оси ZZ', равна 2,2;

h - толщина кристаллического элемента в рабочей области;

Δf=f_s-f_e - степень понижения по частоте за счет изменения массы электродного покрытия;

f_s - частота неметаллизированного кристаллического элемента;

f_e - частота кристаллического элемента с нанесенными электродами;

n - номер механической гармоники,

при этом токоподводы на обеих сторонах выполнены под углом, биссектриса которого с кристаллографической осью ZZ' образует угол, равный 27°.