Способ изготовления пьезоэлектрических устройств

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к пьезотехнике, и может быть использовано при изготовлении кварцевых резонаторов, кварцевых фильтров и кварцевых генераторов. Технический результат - увеличение долговременной стабильности частоты. Достигается тем, что способ изготовления пьезоэлектрического устройства включает изготовление пьезоблока со смонтированным в держателе пьезоэлементом с последующей тренировкой и герметизацией. Тренировка проводится циклами, в каждом цикле измеряют частоту пьезоблока, в нормальных условиях при фиксированной температуре, вакуумируют объем с помещенным в него пьезоблоком до давления порядка 1·10^-2...1·10^-3 мм рт.ст., нагревают вакуумированный объем до температуры 110±10°С, выдерживают при этой температуре 120 ч, затем понижают температуру и повышают давление вакуумированного объема, далее измеряют частоту пьезоэлектрического устройства и при той же фиксированной температуре нормальных условий определяют изменение частоты пьезоблока за цикл тренировки. Циклы тренировки повторяют до получения изменения частоты за последний цикл тренировки, равного заданной величине нестабильности частоты за срок эксплуатации. Время пребывания пьезоблока вне вакуумированного объема при измерениях частоты не должно превышать 6-8 ч. Изобретение более чем на порядок увеличит долговременную стабильность частоты пьезоэлектрического устройства.

 

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к пьезотехнике, и может быть использовано при изготовлении кварцевых резонаторов, кварцевых фильтров и кварцевых генераторов.

Известен способ изготовления пьезоэлектрических устройств, в котором для обеспечения долговременной стабильности частоты порядка (3-5)·10^-9 за сутки у резонаторов с частотой 5 МГц (по пятой гармонике в круглом холодносварном корпусе) обезгаживание проводят при температуре 300°С в течение 16 ч (Хафнер Е., Блюэр. Кварцевые резонаторы с малым старением. ТИИЭР. 1968, т.56, N 3, c.51-75).

Известен другой способ, при котором для обеспечения суточной стабильности частоты ˜10^-10 за сутки кварцевого резонатора типа BVA с кристаллическим элементом, возбуждаемым в зазоре на частоте 5 МГЦ в круглом холодносварном корпусе обезгаживание производится при температуре 250°С при откачке через штенгель (Besson R.J., Peier U.R., Further Advances on BVA, Quartz Resonators, Proc. 34, AFCS, 1980, p.p.175-182).

Известен способ стабилизации параметров прецизионных резонаторов частотой 5 МГц, возбуждаемых на пятой гармонике в стеклянном круглом корпусе и имеющих стабильность частоты не хуже 5·10^-9 за сутки, при котором во время откачки через штенгель устанавливается температура 350°С, и в этом режиме резонатор выдерживается в течение 2 ч (Ефремов О.Н. Влияние остаточных газов на стабильность частоты вакуумных кварцевых резонаторов. Автореферат диссертации на соискание уч. ст. к.т.н., М., 1985). В этой же работе указано на способ стабилизации состава остаточных газов и контроля величины старения прецизионных кварцевых резонаторов, при котором рекомендуется проводить 10-15-суточную тренировку в рабочем режиме при температуре эксплуатации.

Способ изготовления кварцевых резонаторов, известный из указанного автореферата к диссертации, по совокупности общих признаков наиболее близок к предлагаемому техническому решению.

В отличие от известных технических решений предложенное техническое решение позволит увеличить долговременную стабильность частоты.

Ожидаемый технический результат будет достигнут за счет использования последовательности циклов термотренировки с заменой среды между циклами, которая обеспечит необратимость изменений частоты за счет нарушения баланса процессов сорбции-десорбции, то есть обеспечит последовательное уменьшение концентрации десорбции газообразных составляющих среды, образованных при десорбции. В целом ожидаемый технический результат будет достигнут за счет того, что предложен способ изготовления пьезоэлектрического устройства, при котором изготавливают пьезоблок со смонтированным в держателе пьезоэлементом, тренируют его и герметизируют. Тренировку проводят циклами, в каждом цикле измеряют частоту пьезоблока, в нормальных условиях при фиксированной температуре, вакуумируют объем с помещенным в него пьезоблоком до давления порядка 1·10^-2...1·10^-3 мм рт.ст., нагревают вакуумированный объем до температуры 110±10°С, выдерживают при этой температуре 120 ч, затем понижают температуру и повышают давление вакуумированного объема, далее измеряют частоту пьезоэлектрического устройства и при той же фиксированной температуре нормальных условий определяют изменение частоты пьезоблока за цикл тренировки. Циклы тренировки повторяют до получения изменения частоты за последний цикл тренировки, равного заданной величине нестабильности частоты за срок эксплуатации. Время пребывания пьезоблока вне вакуумированного объема при измерениях частоты не должно превышать 6-8 ч.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Предложенный способ изготовления пьезоэлектрических устройств включает изготовление пьезоблока со смонтированным в держателе пьезоэлементом, тренируют и герметизируют пьезоблок. Особенность предложенного способа изготовления пьезоэлектрического устройства заключается в том, что тренировку проводят в несколько циклов. Каждый цикл включает операцию измерения частоты негерметизированного пьезоустройства (пьезоблока) при выбранной фиксированной температуре нормальных условий. Затем пьезоблок помещают в герметичный объем, в котором понижают давление среды до величины порядка 1·10^-2...1·10^-3 мм рт.ст. и нагревают этот объем до температуры 110±10°С. В таких условиях пьезоблок выдерживают 120 ч. Затем температуру понижают до комнатной, повышают давление в герметичном объеме и извлекают пьезоблок для измерения его частоты. Измерение частоты производят, помещая пьезоблок в объем с выбранной фиксированной температурой. По разнице частот до проведения тренировки и после определяют величину изменения частоты за первый цикл тренировки.

После завершения измерения частоты после первого цикла тренировки вновь размещают пьезоблок в герметичном объеме и устанавливают повышенную температуру и пониженное давление аналогично операциям первого цикла тренировки. Циклы тренировки повторяют до получения изменения частоты за последний цикл тренировки, равного заданной величине нестабильности частоты за срок эксплуатации. После завершения последнего термоцикла пьезоэлектрическое устройство герметизируют. При этом интервал времени между циклами тренировки и между последним циклом и операцией герметизации не должен превышать время 6-8 ч.

Получаемый технический результат и возможность реализации предложенного способа обеспечивается следующим образом.

Практика проведения термоциклирования показывает, что герметизированные пьезоэлектрические устройства (интегральные кварцевые генераторы, интегральные кварцевые фильтры) имеют характеристики изменения частоты во времени в виде спадающей экспоненты.

Известно, что эта среда обычно содержит следующие газы: N₂, CO, Н₂О, H₂, СО₂. При использовании серебра в составе пьезоустройства в объеме содержатся сульфиды серебра, которые при проведении термоциклирования разлагаются, продукты разложения мигрируют по объему и оседают на поверхностях конструкции. Наличие этих продуктов внутри рабочего объема пьезоустройства приводит к хаотичному изменению концентрации адсорбированных молекул на локальных поверхностях конструкции, в том числе и на пьезоэлементе. Это приводит к изменениям частоты пьезоустройства.

Измерения частоты до и после проведения термоцикла позволяют оценить интенсивность хода старения частоты пьезоблока за термоцикл. Замена среды, окружающей пъезоблок после термоцикла, уменьшает концентрацию продуктов десорбции в объеме. При последующих термоциклах процесс адсорбции газовых компонентов из среды менее интенсивен из-за их малой концентрации, происходит дальнейший процесс десорбции газовых составляющих из элементов конструкции, что уменьшает изменения частоты после каждого термоцикла.

Количество продуктов десорбции в общем случае зависит от уровня технологии производства, от качества проведения всех предшествующих операций. Поэтому количество термоциклов при изменении конструктивно-технологических решений меняется. Количество термоциклов меняется от изменения режимов отжигов деталей конструкций, режимов очистки деталей, от субъективных нарушений технологических режимов оператором производства и т.п. Выбор величины изменения частоты за последний цикл тренировки в первом приближении должен быть не более величины прогнозируемого старения за срок эксплуатации пьезоустройства. В этом случае происходит минимизация составляющей старения, которая определяется процессами сорбции-десорбции внутри корпуса пьезоэлектрического устройства. Кроме того, при термическом воздействии на элементы конструкции пьезоэлектрического устройства происходит стабилизация структуры материалов конструкции, снимаются механические напряжения, возникающие, например, при механической обработке материалов (при шлифовке пьезокристалла, при формовке проволочных или пластинчатых держателей и т.д.).

Таким образом, предложенное изобретение обеспечит минимизацию всех составляющих дестабилизирующих факторов, определяющих нестабильность частоты пьезоустройства во времени, т.е. уменьшается старение параметров.

Способ изготовления пьезоэлектрического устройства, при котором изготавливают пьезоблок со смонтированным в держателе пьезоэлементом, тренируют его и герметизируют, отличающийся тем, что тренировку проводят циклами, в каждом цикле измеряют частоту пьезоблока, в нормальных условиях при фиксированной температуре, вакуумируют объем с помещенным в него пьезоблоком до давления порядка 1·10^-2-1·10^-3 мм рт.ст., нагревают вакуумированный объем до температуры 110±10°С, выдерживают при этой температуре 120 ч, затем понижают температуру и повышают давление вакуумированного объема, далее измеряют частоту пьезоэлектрического устройства, и при той же фиксированной температуре нормальных условий определяют изменение частоты пьезоблока за цикл тренировки, а циклы тренировки повторяют до получения изменения частоты за последний цикл тренировки, равного заданной величине нестабильности частоты за срок эксплуатации, причем время пребывания пьезоблока вне вакуумированного объема при измерениях частоты не должно превышать 6÷8 ч.