Кварцевый резонатор

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к кварцевым резонаторам, являющимся основой высокостабильных генераторов, применяемых в устройствах стабилизации частоты, в связной аппаратуре и навигационной аппаратуре. Технический результат - снижение относительной спектральной плотности мощности фазовых шумов, увеличение пределов перестройки частоты резонатора, улучшение стабильности частоты резонатора. Предложенный кварцевый резонатор SC-среза, изготовленный по 3-й механической гармонике на частоты от 40 МГц до 100 МГц, содержит кварцевую пластину, заключенную между электродами, геометрические размеры кварцевой пластины и электродов определены заданными соотношениями. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к кварцевым резонаторам, являющимися основой высокостабильных кварцевых генераторов.

Предшествующий уровень техники

Одной из проблем, возникающих при изготовлении высокостабильных кварцевых генераторов, является высокая относительная спектральная плотность мощности фазовых шумов - в дальнейшем относительная СПМ фазовых шумов кварцевых резонаторов.

Величина относительной СПМ фазовых шумов кварцевых резонаторов зависит от многих факторов: частоты резонатора (толщины кварцевой пластины); качества применяемого кварца; качества обработки поверхности пластины; качества электродов (шумы с поверхности раздела между электродом и кварцевой пластиной, неоднородности по толщине электрода, подпыление материала электродов на их краях); влияния монтажной системы; наличия загрязнений на поверхности пьезоэлемента; качества газа внутри корпуса; качества герметизации [И.К.Йонг, Дж.Р.Виг «Загрязнение поверхности резонатора - причина флуктуации частоты?». Материалы 42 Симпозиума по стабилизации частоты, США, 1988 г., стр.397; Gagnepain J. Fundamental noise studies of quartz crystal resonators, 30 Annual Frequency Control Symposium. 1976, p.84; Carlson E.E., Wickard T. A study on the measured correlation of drive level dependency and phase noise of quartz crystal resonators. 55 Annual Frequency Control Symposium. 2001. p.338].

Существует неоднозначное мнение относительно взаимосвязи между относительной СПМ фазовых шумов и величиной площади электродов кварцевого пьезоэлемента. Авторы работы [И.К.Йонг, Дж.Р.Виг «Загрязнение поверхности резонатора - причина флуктуации частоты?». Материалы 42 Симпозиума по стабилизации частоты, США, 1988 г., стр.397] утверждают, что при уменьшении электродов относительная СПМ фазовых шумов увеличивается, а в работе [Gagnepain J. Fundamental noise studies of quartz crystal resonators. 30 Annual Frequency Control Symposium. 1976. p.84] приведены данные об уменьшении относительной СПМ фазовых шумов при уменьшении площади электродов.

В заявке 2009110644 RU, опубликованной 27.10.2009 для кварцевых резонаторов, содержащих металлические электроды и заключенную между ними пластину пьезоэлемента, с целью уменьшения относительной СПМ фазовых шумов выбрано отношение диаметра электрода к толщине пластины пропорциональным десятичному логарифму частоты резонатора в мегагерцах. При этом для резонаторов SC-среза коэффициент пропорциональности выбирается равным 13 с допуском ±5%.

Следовательно, показано, что для резонаторов SC-среза [В.А.Мостяев, В.И.Дюжиков «Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. - М., Ягуар, 1993 г., с.280] относительная СПМ фазовых шумов зависит не только от величины площади электродов, но и от толщины пластины, а также от соотношения величин площади электродов и толщины пластины.

Предложенное условие соотношения геометрических размеров элементов кварцевого резонатора позволило уменьшить относительную СПМ фазовых шумов в полосе анализа 1 Гц при отстройке от несущей 100 Гц, но при этом не достигается оптимизация эквивалентного сопротивления и индуктивности, так как они могут увеличиваться, одновременно уменьшая перестройку частоты.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом предложенного кварцевого резонатора SC-среза, изготовленного по 3-й механической гармонике на частоты f от 40 МГц до 100 МГц, является снижение относительной спектральной плотности мощности фазовых шумов (далее - относительная СПМ фазовых шумов) при оптимальных величинах эквивалентного сопротивления (R1) и эквивалентной индуктивности (L1) резонатора, увеличение пределов перестройки частоты резонатора в схеме генератора, улучшение стабильности частоты резонатора, уменьшение трудоемкости изготовления, увеличение процента выхода годных и снижение стоимости изделия.

В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложенный кварцевый резонатор SC-среза, изготовленный по 3-й механической гармонике на частоты f от 40 МГц до 100 МГц, содержит кварцевую пластину пьезоэлемента, заключенную между электродами. Определены соотношения геометрических размеров кварцевой пластины и электродов, изменяющиеся в следующих диапазонах значений. Так, отношение диаметра D_э, мм, каждого из электродов к толщине t_пл, мм, кварцевой пластины равно коэффициенту пропорциональности K₁, мм, изменяющемуся от 18 до 26; отношение толщины t_э, мм, каждого из электродов к толщине t_пл, мм, кварцевой пластины, умноженное на десять в третьей степени, равно коэффициенту пропорциональности К₂, мм, изменяющемуся от 1,58 до 4,0; диаметр D_пл, мм, кварцевой пластины не менее чем в 2,5 раза превышает диаметр D_э, мм, электрода.

Существенное отличие предложенного нового кварцевого резонатора основано на выборе оригинальных соотношений геометрических размеров кварцевой пластины и электродов, являющихся фундаментальным условием достижения заявленного технического результата.

Предложенное решение весьма актуально, так как выяснено, что при уменьшении величины диаметра электродов относительная СПМ фазовых шумов уменьшается, но одновременно увеличиваются эквивалентное сопротивление (R₁) и эквивалентная индуктивность (L₁) резонаторов. При этом, начиная с некоторой величины электродов, при их дальнейшем уменьшении относительная СПМ фазовых шумов уменьшается незначительно, а величины R₁ и L₁ возрастают в разы. Это приводит к ухудшению стабильности частоты резонаторов и генераторов и резкому уменьшению пределов перестройки частоты резонаторов в схеме генераторов. Уменьшение перестройки частоты резонатора приводит к ужесточению допуска на точность его настройки, а следовательно, к увеличению трудоемкости изготовления, к уменьшению процента выхода годных, к значительному росту стоимости.

При увеличении диаметра электродов относительная СПМ фазовых шумов увеличивается. Начиная с некоторой величины диаметра электродов, значительно увеличивается величина близлежащих негармонических колебаний сдвига по толщине и влияние монтажной системы резонатора на колебания на рабочей частоте. В результате появляются перескоки частоты на паразитные колебания, ухудшаются температурно-частотные характеристики, механическая устойчивость резонатора и его долговременная стабильность.

Уменьшение толщины электродов эквивалентно увеличению их диаметра. Начиная с некоторой величины, также наблюдается ухудшение вышеперечисленных параметров резонаторов.

Увеличение толщины электродов эквивалентно уменьшению их диаметра. Пределы перестройки частоты резонаторов уменьшаются, величины R₁ и L₁ увеличиваются. Кроме того, происходит увеличение амплитуды близлежащих колебаний сдвига по толщине, что приводит к перескокам частоты резонатора в интервале температур.

Предложенные нами оригинальные соотношения геометрических размеров кварцевой пластины и электродов позволили исключить описанные выше последствия для параметров резонаторов при несогласованных изменениях диаметров и толщин как кварцевой пластины, так и каждого из электродов. Коэффициенты K₁ и K₂ зависят от частоты f. Нами выяснены диапазоны изменения коэффициентов K₁ и K₂ внутри рекомендуемого диапазона частот. Уменьшение отношения D_пл к D_э менее 2,5 эквивалентно увеличению диаметра электродов или уменьшению их толщины, относительная СПМ фазовых шумов увеличивается, а остальные характеристики резонаторов ухудшаются.

Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, от 40 МГц до 50 МГц коэффициент K₁ имеет значения не менее 18 и не более 20, а коэффициент K₂ имеет значения не менее 1,58 и не более 2,0,

Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, свыше 50 МГц до 60 МГц имеются значения коэффициента K₁ более 20 и не более 22, а коэффициента K₂ более 2,0 и не более 2,38.

Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, свыше 60 МГц до 70 МГц имеются значения коэффициента K₁ более 22 и не более 24, а коэффициента K₂ более 2,38 и не более 2,77.

Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, свыше 70 МГц до 85 МГц имеются значения коэффициента K₁ более 24 и не более 25, а коэффициента K₂ более 2,77 и не более 3,3.

Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, свыше 85 МГц до 100 МГц имеются значения коэффициента K₁ более 25 и не более 26, а коэффициента K₂ более 3,38 и не более 4,0.

Анализ патентных материалов и технической литературы показал, что совокупность представленных существенных отличительных признаков изобретения нова, обладает изобретательским уровнем.

Технологическая реализация предложенных в настоящем изобретении оригинальных соотношений параметров электродов и кварцевой пластины основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется фигурами 1 и 2.

На фиг.1 схематически изображен вид сверху предложенного пьезоэлемента кварцевого резонатора SC-среза.

На фиг.2 схематически изображено поперечное сечение предложенного пьезоэлемента кварцевого резонатора SC-среза.

Осуществление изобретения

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций кварцевого резонатора не являются единственными и предполагают наличие других реализаций (в том числе в известных диапазонах длин волн), особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.

Пример 1. Для кварцевого резонатора (см. фиг.1 и 2) на частоту 84 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D_пл, равным 5,0(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и шлифовкой с последующей полировкой ее толщина t_пл доведена до 0,062(±0,001) мм. Методом вакуумного напыления нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D_э, равным 1,5(±0,05) мм, и толщиной t_э, равной 0,21×10^-3(±5%) мм. В данном случае отношение D_э к t_пл, а именно коэффициент пропорциональности K₁ равен 24,2, т.е. удовлетворяет диапазону 24…25 для K₁. Отношение t_э к t_пл, умноженное на 10³, а именно коэффициент пропорциональности K₂ равен 3,22, т.е. удовлетворяет диапазону 12,77…3,88 для K₂. Кроме того, отношение D_пл к D_э равно 3,3, т.е. больше, чем 2,5.

В таблице 1 приведены примеры зависимости относительной СПМ фазовых шумов, эквивалентного сопротивления R₁ и эквивалентной индуктивности L₁ от соотношения D_э к t_пл, равного K₁, для кварцевых резонаторов на частоту 84 МГц.

В данном случае величина K₁ равна 24,2.

При ее уменьшении до 15,2 относительная СПМ фазовых шумов изменяется на -3 дБ/Гц от -130 дБ/Гц до -133 дБ/Гц. Величина эквивалентного сопротивления увеличивается от 48 Ом до 85 Ом, а величина эквивалентной индуктивности - от 15 мГн до 38 мГн.

При увеличении K₁ от 24,2 до 39,3 относительная СПМ фазовых шумов изменяется от -130 дБ/Гц до -102 дБ/Гц, т.е. почти на 30 дБ/Гц, эквивалентное сопротивление R₁ уменьшается от 48 Ом до 35 Ом, а эквивалентная индуктивность L₁ также уменьшается от 15 мГн до 9 мГн. Таким образом, изменение относительной СПМ фазовых шумов значительно превышает изменение R₁ и L₁.

Зависимость относительной СПМ фазовых шумов R₁ и L₁ от величины K₁ получена при величине K₂ равной $$\frac{t_{э}}{t_{пл}}\cdot {10}^3=\mathrm{3,22}$$ . Отклонение от этой величины более чем ±25% приводит к изменению относительной СПМ фазовых шумов на 5…8 дБ/Гц.

Величина отношения D_пл к Ds на частоте 84 МГц равняется 3,3.

Как было показано ранее, величины коэффициентов K₁ и K₂ зависят от частоты резонатора. Для упрощения изготовления определены конкретные величины коэффициентов K₁ и K₂ внутри рекомендуемого диапазона частот, которые приведены в таблице 2.

Выполнение соотношения D_пл к D_э не менее 2,5 зависит от габаритных размеров резонатора.

Пример 2. Для кварцевого резонатора на частоту 45 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D_пл, равным 5,5(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и толщиной t_пл, равной 0,117(±0,001) мм. Нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D_э, равным 2,2(±0,05) мм, и толщиной t_э, равной 0,2×10^-3(±5%) мм. В данном случае отношение D_э к t_пл равно 18,8, т.е. удовлетворяет диапазону не менее 18 и не более 20 для K₁. Отношение t_э к t_пл, умноженное на 10³, равно 1,71, т.е. удовлетворяет диапазону не менее 1,58 и не более 2,0 для K₂. Кроме того, отношение D_пл к D_э равно 2,5. В результате получены оптимальные величины эквивалентной индуктивности, эквивалентного сопротивления и низкие значения относительной СПМ фазовых шумов. Средние значения в партии резонаторов, соответственно, равны L₁=46,7 мГн, R₁=58,0 Ом, относительная СПМ фазовых шумов: -130,1 дБ/Гц при отстройке 100 Гц; -151,5 дБ/Гц при отстройке 1000 Гц; -161,2 дБ/Гц при отстройке 10000 Гц.

Пример 3. Для кварцевого резонатора на частоту 55 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D_пл, равным 5,5(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и толщиной t_пл, равной 0,096(±0,001) мм. Нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D_э, равным 2,0(±0,05) мм, и толщиной t_э, равной 0,2×10^-3(±5%) мм. В данном случае отношение D_э к t_пл равно 20,8, т.е удовлетворяет диапазону более 20 и не более 22 для K₁. Отношение t_э к t_пл, умноженное на 10³, равно 2,08, т.е. удовлетворяет диапазону более 2,0 и не более 2,38 для K₂. Кроме того, отношение D_пл к D_э равно 2,75, т.е. больше 2,5. В результате получены оптимальные величины эквивалентной индуктивности, эквивалентного сопротивления и низкие значения относительной СПМ фазовых шумов. Средние значения в партии резонаторов, соответственно, равны L₁=36,3 мГн, R₁=48,1 Ом, относительная СПМ фазовых шумов: -130,2 дБ/Гц при отстройке 100 Гц; -151,7 дБ/Гц при отстройке 1000 Гц; -162,3 дБ/Гц при отстройке 10000 Гц.

Пример 4. Для кварцевого резонатора на частоту 65 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D_пл, равным 5,5(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и толщиной t_пл, равной 0,08(±0,001) мм. Нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D_э, равным 1,9(±0,05) мм, и толщиной t_э, равной 0,2×10^-3(±5%) мм. В данном случае отношение D_э к t_пл равно 23,7, т.е. удовлетворяет диапазону более 22 и не более 24 для K₁. Отношение t_э к t_пл, умноженное на 10³, равно 2,62, т.е. удовлетворяет диапазону более 2,38 и не более 2,77 для K₂. Кроме того, отношение D_пл к D_э равно 2,9, т.е. больше, чем 2,5. В результате получены оптимальные величины эквивалентной индуктивности, эквивалентного сопротивления и низкие значения относительной СПМ фазовых шумов. Средние значения в партии резонаторов, соответственно, равны L₁=19,2 мГн, R₁=50,2 Ом, относительная СПМ фазовых шумов: -131,0 дБ/Гц при отстройке 100 Гц; -150,3 дБ/Гц при отстройке 1000 Гц; -161,2 дБ/Гц при отстройке 10000 Гц.

Пример 5. Для кварцевого резонатора на частоту 95 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D_пл, равным 5,0(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и толщиной t_пл, равной 0,056(±0,001) мм. Нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D_э, равным 1,4(±0,05) мм, и толщиной t_э, равной 0,19×10^-3(±5%) мм. В данном случае отношение D_э к t_пл равно 25, т.е удовлетворяет диапазону более 25 и не более 26 для K₁. Отношение t_э к t_пл, умноженное на 10³, равно 3,39, т.е. удовлетворяет диапазону более 3,38 и не более 4,0 для K₂. Кроме того, отношение D_пл к D_э равно 3,57, т.е. больше, чем 2,5. В результате получены оптимальные величины эквивалентной индуктивности, эквивалентного сопротивления и низкие значения относительной СПМ фазовых шумов. Средние значения в партии резонаторов, соответственно, равны L₁=13,6 мГн, R₁=49,3 Ом, относительная СПМ фазовых шумов: -129,1 дБ/Гц при отстройке 100 Гц; -148,7 дБ/Гц при отстройке 1000 Гц; -160,0 дБ/Гц при отстройке 10000 Гц.

Предложенные кварцевые резонаторы позволили получить низкие значения относительной СПМ фазовых шумов при оптимальных величинах эквивалентного сопротивления (R₁) и эквивалентной индуктивности (L₁) резонатора. Увеличиваются также пределы перестройки частоты резонатора в схеме генератора, улучшается стабильность частоты резонатора, уменьшается трудоемкость изготовления, увеличивается процент выхода годных и снижается стоимость изделия.

Промышленная применимость

Кварцевые резонаторы используются в высокостабильных кварцевых генераторах, применяемых в устройствах стабилизации частоты, в связной аппаратуре и навигационной аппаратуре.

Таблица 1
Dэ/tпл=K1, ед.	15,2	20,3	24,2	29	35,1	39,3
Относительная СПМ фазовых шумов при отстройке от несущей частоты 100 Гц, дБ/Гц	-133	-132	-130	-122	-113	-102
Эквивалентное сопротивление R1, Ом	85	71	48	42	38	35
Эквивалентная индуктивность L1, мГн	38	26	15	12	10	9

Таблица 2
Диапазон частот, МГц	от 40 до 50	св. 50 до 60	св. 60 до 70	св. 70 до 85	св. 85 до 100
Величина коэффициента K1, ед.	от 18 до 20	св. 20 до 22	св. 22 до 24	св. 24 до 25	св. 25 до 26
Величина коэффициента K2, ед.	от 1,58 до 2,0	св. 2,0 до 2,38	св. 2,38 до 2,77	св. 2,77 до 3,38	св. 3,38 до 4,0

1. Кварцевый резонатор SC-среза, изготовленный по 3-й механической гармонике на частоты f от 40 МГц до 100 МГц, содержащий кварцевую пластину, заключенную между электродами, отличающийся тем, что диапазоны соотношений геометрических размеров кварцевой пластины и электродов определены следующими, так отношение диаметра D_Э, мм, каждого из электродов к толщине t_пл, мм, кварцевой пластины равно коэффициенту пропорциональности K₁, изменяющемуся в диапазоне значений от 18 до 26, отношение толщины t_э, мм, каждого из электродов к толщине t_пл, мм, кварцевой пластины умноженное на десять в третьей степени равно коэффициенту пропорциональности К₂, мм, изменяющемуся в диапазоне значений от 1,58 до 4,0, а диаметр D_пл, мм, кварцевой пластины не менее чем в 2,5 раза превышает диаметр D_Э, мм, электрода.

2. Кварцевый резонатор по п.1, отличающийся тем, что в диапазоне частот, f, от 40 МГц до 50 МГц коэффициент K₁ имеет значения не менее 18 и не более 20, а коэффициент К₂ имеет значения не менее 1,58 и не более 2,0.

3. Кварцевый резонатор по п.1, отличающийся тем, что в диапазоне частот, f, свыше 50 МГц до 60 МГц имеются значения коэффициента K₁ более 20 и не более 22, а коэффициента К₂ более 2,0 и не более 2,38.

4. Кварцевый резонатор по п.1, отличающийся тем, что в диапазоне частот, f, свыше 60 МГц до 70 МГц имеются значения коэффициента K₁ более 22 и не более 24, а коэффициента К₂ более 2,38 и не более 2,77.

5. Кварцевый резонатор по п.1, отличающийся тем, что в диапазоне частот, f, свыше 70 МГц до 85 МГц, имеются значения коэффициента K₁ более 24 и не более 25, а коэффициента К₂ более 2,77 и не более 3,38.

6. Кварцевый резонатор по п.1, отличающийся тем, что в диапазоне частот, f, свыше 85 МГц до 100 МГц имеются значения коэффициента K₁ более 25 и не более 26, а коэффициента К₂ более 3,38 и не более 4,0.