ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 1995 года по МПК H03H9/15 

Изобретение относится к изделиям пьезотехники и может использоваться в устройствах микроэлектроники.

Известны конструкции кварцевых резонаторов, резонирующий участок которых представляет собой тонкую кварцевую пластину, закрепленную в держателях.

Недостатком такой конструкции являются сколы поддерживающих частей, появляющиеся в процессе монтажа, что резко снижает выход годных резонаторов.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является кварцевый резонатор с контурными колебаниями. В этом резонаторе кристаллический элемент (КЭ) также представляет собой тонкую кварцевую пластину Y-среза, повернутую относительно X на 45-65^о и в главной плоскости на 40-50^о. Пластина имеет прямоугольную форму с двумя опорными частями, соединенными через монолитные перемычки с короткими гранями пластины, электроды на противоположных сторонах КЭ и держатель (рамку) с токовыводами, на котором укреплены внешние концы опорных частей.

КЭ резонатора изготавливают методом литографии с едиными колеблющейся и опорными частями. Опорные части и перемычки являются развязывающими узлами пьезоэлемента и обеспечивают акустическую развязку колеблющейся пластины и держателя в резонаторе.

Для монтажа пьезоэлемента вместо основания используется специальная рамка (держатель). Сам же КЭ также подвержен механическим повреждениям, особенно на перемычках узлов развязки, имеющих размеры 0,1-0,2 мм при толщине 0,03-0,08 мм. Здесь же имеют место механические разрушения при операциях травления и монтажа. С увеличением рабочей частоты, например более 2 МГц, резко снижается выход годных резонаторов из-за малой надежности развязывающих узлов кристаллического элемента.

В основу настоящего технического решения положена задача так конструктивно выполнить кристаллический элемент резонатора, чтобы увеличить его механическую прочность, исключить систематические разрушения элементов развязывающих узлов в процессе изготовления КЭ, нанесения электродных покрытий и монтажа и тем самым обеспечить повышение выхода годных резонаторов.

Поставленная задача решается тем, что в пьезоэлектрическом резонаторе, содержащем кристаллический элемент в виде прямоугольной пластины с узлами развязки, соединенными через свои перемычки с короткими гранями пластины, электроды на противоположных сторонах кристаллического элемента и держатель, согласно изобретению, кристаллический элемент дополнительно снабжен несущей рамкой. При этом прямоугольная пластина, являющаяся рабочей областью КЭ, развязывающие узлы и несущая рамка представляют собой цельную конструкцию, выполненную из единой заготовки за единый технологический процесс. Несущая рамка полностью охватывает кристаллический элемент и крепится в держателе, а ее толщина выбрана равной или больше толщины рабочей области кристаллического элемента.

В данной конструкции резонатора кристаллический элемент (КЭ) с несущей рамкой выполнен посредством фотолитографии и травления. Соединяя неколеблющиеся части развязывающих узлов пьезоэлемента, несущая рамка не влияет на рабочие параметры резонатора и в то же время увеличивает механическую прочность конструкции. Рамка защищает развязывающие узлы и колеблющуюся часть КЭ от воздействия инструмента при его изготовлении и монтаже в держатель. Толщина несущей рамки должна быть, как правило, больше, чем толщина колеблющихся частей КЭ, например, для резонаторов с частотой выше 2 МГц. В таких резонаторах толщина рабочей области КЭ меньше 50 мкм, а высокая надежность всей конструкции обеспечивается при толщине несущей рамки не менее 80 мкм. В целом выполнение КЭ с несущей рамкой значительно увеличивает выход годных резонаторов в диапазоне частот выше 1 МГц при заданных параметрах.

Указанные размеры и параметры относятся к кварцевым резонаторам с GT-срезом. Однако заявленная конструкция резонатора может быть использована для разработки устройств на других пьезоэлектриках, имеющих контурные колебания, или на кварце с другими углами среза, например 5о относительно оси X.

На фиг. 1 изображена конструкция кварцевого резонатора (без держателя) с GT-срезом, согласно изобретению; на фиг. 2 показан вариант резонатора, в котором КЭ имеет топологию обратной мезаструктуры.

Пьезоэлектрический резонатор содержит кристаллический элемент в виде прямоугольной пьезоэлектрической пластины 1, два развязывающих узла 2, расположенных со стороны коротких граней пластины 1 и соединенных с ней своими перемычками 3. Развязывающие узлы 2 имеют неколеблющиеся части 4, которые соединены в монолитную конструкцию несущей рамкой 5. Рамка 5 выполнена из материала пьезоэлектрика, окружает кристаллический элемент и крепится в держателе резонаторов в любой своей части. На противоположных сторонах пластины 1, развязывающих узлов 2 и рамки 5 сформированы металлические пленочные электроды 6. В конструкцию пьезоэлектрического резонатора входят описанный пьезоэлемент и держатель (не показан), в котором пьезоэлемент управляется клеевым монтажом или пайкой. Заявленный пьезоэлектрический резонатор работает следующим образом.

При подаче на электроды 6 высокочастотного сигнала рабочая область кристаллического элемента 1 в результате обратного пьезоэффекта начинает совершать механические колебания на собственной частоте. Благодаря наличию развязывающих узлов 2 и несущей рамки 5 энергия этих колебаний по существу не рассеивается в местах крепления КЭ в держателе, что обуславливает высокую добротность и стабильность резонатора. Наличие несущей рамки 5 дополнительно улучшает эксплуатационные характеристики резонатора.

Амплитудно-частотная характеристика резонатора является оптимальной на частоте, которая определяется углом среза пьезоэлектрика и относительными размерами рабочей области КЭ. Несущая рамка не искажает АЧХ резонатора, так как соединена с неколеблющимися частями развязывающих узлов. Поэтому внешние размеры рамки можно не ограничивать, согласуя их только с критериями миниатюризации. Внутренние размеры несущей рамки задают для выбранной частоты резонатора, исходя из размеров рабочей области КЭ и развязывающих узлов. Согласно экспериментальной статистике оптимальной является ширина рамки 0,8-1,0 мм при толщине не менее 0,08 мм. При таких размерах надежность рамки относительно механического разрушения близка к 100%
Опытные партии резонаторов на частоту 1,1 МГц изготовлены на пластинах кварца с GT-срезом методом литографии. Первая партия получена групповым методом на пластинах размером 16х18 мм, которые предварительно доводились механической шлифовкой до толщины 100 мкм. Далее толщина этих заготовок доводилась до 50-70 мкм химическим травлением в растворах, содержащих плавиковую кислоту. Из одной заготовки выходит 9 кристаллических элементов.

Другая партия резонаторов на частоту 1,1 МГц изготовлена по предложенному техническому решению на пластинах 6х7 мм с указанными выше толщиной и последовательностью обработки поверхности. Ширина несущей рамки по всему периметру выбрана равной 0,8 мм.

Маскирующий рисунок на поверхности пластин получен вакуумным напылением металлических слоев и фотолитографией. По такой же технологии напылялись электроды из серебра с подслоем нихрома.

Третья партия резонаторов изготовлена на частоту 2,2 МГц согласно изобретению. Механически обработанные пластины размером 6х6 мм и толщиной 80 мкм травились через маски для формирования контура несущей рамки КЭ. При этом получена топология обратной мезаструктуры с толщиной мембраны 50 мкм. Фотолитографией и сквозным химическим травлением на мембране сформированы рабочая область и развязывающие узлы КЭ, а затем на их поверхности нанесены электроды из серебра. Ширина несущей рамки не ограничивалась по контуру заготовок и равнялась 1 мм.

Готовые пьезоэлементы монтировались в держатель с помощью электропроводящего клея.

Сравнение готовых изделий по выходу годных для аналоговой партии и заявленных конструкций показывает следующее. На этапах механической обработки пластин-заготовок до толщины 100 мкм отбраковывается на 50-60% заготовок больше с размерами 16х18 мм, чем с размерами 6х6 и 6х7 мм.

Далее две первые партии доводились до толщины порядка 60 мкм химическим травлением и сквозным травлением из пластин получены КЭ. На операциях сквозного травления, нанесения электродов на КЭ и монтажа в держатель потери в первой партии составляют около 60% от исходных 100 мкм заготовок. Потери во второй партии КЭ с несущей рамкой при этом не более 20%
В третьей партии резонаторов, в которых КЭ имеет несущую рамку толщиной 80 мкм, выход годных на заключительных операциях превышает 95%
Данный пьезоэлектрический резонатор обеспечивает повышенный выход годных пьезоэлектрических резонаторов с GT-срезом. Кроме того, надежность конструкции заявленного резонатора при испытаниях значительно выше.

Конструкция может быть использована для производства микроминиатюрных пьезоэлектрических резонаторов на частоты 1-3 МГЦ и выше.

Изобретение относится к пьезотехнике и может использоваться в устройствах микроэлектроники. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в увеличении механической прочности резонатора и повышении выхода годных резонаторов. Пьезоэлектрический резонатор содержит кристаллический элемент в виде прямугольной пьезоэлектрической пластины 1, два развязывающих узла 2, расположенных со стороны коротких граней пластины 1 и соединенных с ней перемычками 3. Развязывающие узлы 2 имеют неколеблющиеся части 4, которые соединены в монолитную конструкцию несущей рамкой 5. Рамка 5 выполнена из материала пьезоэлектрика, окружает кристаллический элемент и крепится в держателе резонатора в любой части. На противоположных сторонах пластины 1, развязывающих узлов 2 и рамки 5 сформированы металлические пленочные электроды 6. 2 ил.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР, содержащий кристаллический элемент, включающий рабочую область прямоугольной формы, развязывающие узлы, соединенные через перемычки с боковыми гранями рабочей области, возбуждающие электроды, нанесенные на главные поверхности рабочей области, и держатель, отличающийся тем, что кристаллический элемент содержит дополнительно несущую рамку, соединенную с развязывающими узлами и составляющую с ними и рабочей областью цельную монолитную конструкцию, выполненную из одной заготовки за единый технологический цикл, причем толщина несущей рамки больше или равна толщине рабочей области кристаллического элемента.