МИНИАТЮРНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТРОВЫЙ КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР С УЛУЧШЕННОЙ МОНОЧАСТОТНОСТЬЮ И МАЛЫМ РАЗБРОСОМ ПО ДИНАМИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ Российский патент 2004 года по МПК H03H9/13 

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

За последнее время достижения в области технологии в кварцевом производстве позволили значительно расширить частотный диапазон кварцевых резонаторов с кристаллическими элементами (КЭ) AT среза, работающих по основной гармонике. Так, серийно освоены резонаторы, работающие по основной гармонике в диапазоне 40... 100 МГц. В экспериментальном производстве изготавливаются резонаторы, работающие на частотах до 1 ГГц. Применение сверхвысокочастотных резонаторов в радиотехнической аппаратуре, особенно в фильтрах, поставило ряд технических вопросов, связанных с их динамическими параметрами. В первую очередь это касается моночастотности резонаторов и разброса динамической индуктивности и динамического сопротивления, которые в некоторых случаях достигают недопустимых величин (до 50%).

Теоретически максимальное подавление нежелательных резонансов может быть обеспечено при строгом соблюдении соотношений размеров кристаллического элемента и электрода, вытекающих из критерия моночастотности Бехмана:

где Δ f=f_s-f_e - разность частот за электродной и под электродной областей пьезоэлемента;

f_s - частота кристаллического элемента;

d_e - диаметр электрода;

h - толщина кристаллического элемента;

С_Z - постоянная, равная 2,2 для нежелательных ангармонических резонансов с образованием стоячей волны в направлении оси ZZ'.

Для нежелательных ангармонических резонансов с образованием стоячей волны в направлении оси XX' значение С_x=2,75.

Толщина кристаллических элементов, работающих на основной гармонике в диапазоне частот 40... 100 МГц, лежит в пределах 0,04... 0,016 мм. Диаметр электродов, как правило, меньше 1 мм. В качестве примера рассчитаем значение Δ f (величина, пропорциональная толщине электродов) для резонаторов с частотой ~65 МГц при диаметре электродов, равном 0,8 мм,

Значение толщины кристаллического элемента найдем из выражения

где N=1660 кГц· мм частотный коэффициент для AT среза

При диаметре электрода, равном 0,5 мм, значение Δ f=820 кГц. Если учесть, что разброс кристаллических элементов по частоте перед нанесением электродов составляет ± 100... 150 кГц, то в реальных условиях производства сверхвысокочастотных резонаторов выполнить условия критерия Бехмана в большинстве случаев невозможно. Кроме того, толщина электродного покрытия при таких значениях Δ f лежит в пределах 0,065... 0,1 мкм и имеет достаточно высокое сопротивление.

Другим недостатком использования традиционных круглых электродов в конструкциях ВЧ резонаторов является невозможность обеспечения заданного значения динамической индуктивности и сопротивления с приемлемым разбросом. Согласно классическим формулам индуктивность и сопротивление связаны с константами кварца и размерами пьезоэлемента следующими соотношениями:

где ρ - плотность кварца;

ε - обобщенный пьезоэлектрический модуль;

α ^m - постоянная затухания;

h - толщина кристаллического элемента;

Se - площадь электрода.

Из приведенных соотношений видно, что значения L_k и R_k прямо пропорциональны кубу толщины КЭ и обратно пропорциональны площади электрода.

Технология изготовления КЭ в настоящее время позволяет получить разброс по толщине менее ± 0,1 мкм. Разброс по динамической индуктивности, обусловленный разбросом по толщине, составляет в этом случае не более 2%. Основной разброс по индуктивности вызван неточностью исполнения геометрических размеров электродов. Например, при разбросе электродов по диаметру ± 0,05 мм, разброс по индуктивности составит около ± 10%. Наибольший вклад в разброс по индуктивности вносит несоосность электродов. Качественная оценка влияния несоосности электродов на величину индуктивности показана на фиг.1.

В конечном счете индуктивность резонатора пропорциональна пьезоэлектрическому току, протекающему в области электродов. Поток электронов, определяющий величину пьезоэлектрического тока, параллелен кристаллографической оси У. Таким образом, могут быть рассмотрены три случая расположения электродов на поверхности кристаллического элемента. На фиг.1а показан случай, когда смещение электродов симметрично относительно оси У, т.е. ось У делит верхний и нижний электроды на две равные части. В этом случае d_e=d_эф (d_эф - эффективный диаметр электродов, определяющий пьезоэлектрический ток). В области электродов протекает максимальный пьезоэлектрический ток, определяющий самое низкое значение динамической индуктивности L_k.

Фиг.1б соответствует соосному расположению электродов. В этом случае эффективный диаметр электрода меньше геометрического, что приводит к увеличению индуктивности.

В третьем случае, показанном на фиг.1в, смещение электродов несимметрично относительно оси У. Эффективный диаметр электрода наименьший, динамическая индуктивность максимальна.

Такая же закономерность наблюдается между величиной динамического сопротивления и характером несоосности электродов.

В литературе известны конструкции высокочастотных фильтровых резонаторов, в которых обеспечивается подавление нежелательных резонансов, при несоблюдении критерия Бехмана. В качестве аналога можно привести резонатор, предложенный в авторском свидетельстве №399045 от 27.03.74 “Высокочастотный пьезоэлектрический резонатор” [1]. В данном случае используется пьезоэлемент с параллельным полем возбуждения колебаний, что, по мнению авторов, позволяет управлять как интенсивностью нежелательных резонансов, так и их разносом по частоте относительно основного колебания. Недостатком таких резонаторов является завышенное значение динамической индуктивности, а также ограниченный диапазон выбора индуктивности, что не всегда приемлемо.

В авторских свидетельствах №362419, №362420 от 30.01.73 “Фильтровый пьезоэлектрический резонатор” [2-3] предлагается использовать вогнутые кристаллические элементы с обычными круглыми электродами. В конструкции по авторскому свидетельству №362420 дополнительно на торец пьезоэлемента наносится поглощающее покрытие.

Резонаторы с вогнутыми кристаллическими элементами, как правило, малоактивны, поскольку в таких конструкциях происходит значительная утечка акустической энергии основного колебания из центральной части пьезоэлемента к его краям. Кроме того, кристаллическим элементам, имеющим форму обратной мезаструктуры с толщиной в рабочей области 0,016... 0,04 мм, придать вогнутость практически невозможно.

Наиболее близким решением к предлагаемому в настоящей заявке является резонатор, изготовленный на основе пьезоэлемента, приведенного в авторском свидетельстве №325690 от 29.11.72 “Пьезоэлектрический элемент” [4].

В рассматриваемом изобретении предлагается наносить на кристаллический элемент, кроме основной пары электродов, образующей основной резонатор, дополнительно систему короткозамкнутых электродов, образующих дополнительные независимые резонаторы. Именно в области этих резонаторов с короткозамкнутыми электродами и происходит рассеивание акустической энергии побочных резонансов. К недостаткам таких резонаторов следует отнести сложность конструкции, требующей настройки нескольких резонаторов, расположенных на одном кристаллическом элементе, что несомненно приведет к уменьшению как производительности, так и процента выхода годных. Можно также ожидать, что на краях электродов дополнительных резонаторов будет происходить рассеивание акустической энергии основного резонанса.

Рассмотренные выше конструкции резонаторов с различными топологиями электродов на кристаллическом элементе обладают еще одним серьезным недостатком. В этих конструкциях не решается проблема разброса по динамической индуктивности и сопротивлению, обусловленным неточностью выполнения геометрических размеров электродных покрытий.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции миниатюрного высокочастотного кварцевого резонатора для фильтров, работающего по основной гармонике в диапазоне частот 40... 100 МГц, с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамической индуктивности и сопротивлению.

Решение задачи достигается использованием пьезоэлемента с нестандартными круглыми или квадратными электродами, а с электродами крестообразной формы, показанными на фиг.2, где 1 - кристаллический элемент, выполненный в форме обратной мезаструктуры; 2 - электроды крестообразной формы; D_a - диаметр области кристаллического элемента, в который вписываются выступы крестообразных электродов; d - расстояние от центра перекрытия до края продольного электрода.

Такая форма электродов позволяет значительно расширить частотный диапазон резонаторов с обеспечением требований по моночастотности, вытекающих из теории захвата энергии.

Следует отметить, что электроды просто квадратной или прямоугольной формы имеют преимущество по сравнению с круглой. Например, для обеспечения заданной динамической индуктивности резонатора, работающего по основной гармонике на частоте 65 МГц, потребовалось использовать круглый электрод диаметром 0,5 мм (площадь электрода равна 0,2 мм²). Из критерия моночастотности следует, что максимальное ослабление побочных резонансов может быть обеспечено при Δ f=820 кГц. При квадратной форме электрода та же площадь реализуется при размерах d_ex× d_ez=0,45× 0,45 мм. При этом оптимальное значение Δ f=1025 кГц. Если использовать прямоугольную форму электродов с отношением сторон, вытекающим из соотношения постоянных С_nх и C_nz, равном 1,25, то заданную площадь электродов можно получить при размерах d_ex×_{dez=0,4× 0,5 мм. При этом значение Δ f будет равно 1282 кГц. Таким образом, прямоугольная форма электродов позволяет увеличить примерно на 50% толщину электродов по сравнению с круглой при сохранении заданных динамических параметров.}

Крестообразная форма электродов позволяет увеличить этот выигрыш по существу в 2 раза по отношению к прямоугольной.

Обоснованно это может быть на основе следующих соображений. Одной из основных величин в критерии моночастотности (1) является величина Δ f=f_s-f_e. При круглой или квадратной (прямоугольной) форме электродов значение f_s соответствует частоте неметаллизированного кристаллического элемента. При крестообразной форме электродов частота f_s соответствует области с нанесенным с одной стороны электродным покрытием. Это и позволяет обеспечить оптимальное значение Δ f при удвоенной толщине электродных покрытий.

Другим преимуществом применения электродов крестообразной формы в конструкциях высокочастотных фильтровых резонаторов является резкое уменьшение разбросов по динамической индуктивности и сопротивлению, поскольку исключается один из основных технологических факторов, связанный с разбросом, несоосность электродов.

Что касается продольных размеров крестообразных электродов, то они могут быть выбраны из широко известного соотношения, на основе которого рассчитывается размер плоского круглого кристаллического элемента для высокочастотного резонатора. Соотношение это имеет вид D/h≥ 60. При таком соотношении диаметра D кристаллического элемента к его толщине h обеспечивается полное затухание на краю пьезоэлемента акустических колебаний основного резонанса, возбуждаемых в области электродов. Это, в свою очередь, обеспечивает стабильность резонансных колебаний и эквивалентных динамических параметров резонатора при воздействии на него различных дестабилизирующих факторов. При крестообразной форме электродных покрытий не должно происходить рассеивание акустической энергии основного резонанса на краях электродных покрытий. Это обеспечивается при выполнении соотношения D_a/h≥ 60, где D_a - диаметр области кристаллического элемента, в который вписываются выступы крестообразных электродов, фиг.2. Таким образом, расстояние от центра перекрытия d до края продольного электрода должно удовлетворять соотношению d/h≥ 30.

Экспериментальная проверка изложенных выше выкладок была проведена на основе резонаторов, работающих на основной гармонике на частоте 65000 кГц, изготовленных на основе пьезоэлементов, имеющих крестообразные электроды с размерами перекрытия 0,5× 0,5 мм и круглые электроды диаметром 0,8 мм.

В таблице 1 приведены значения динамической индуктивности L_k, сопротивления R_k, ослабление нежелательных резонансов Δ а и частотное расстояние Δ F между частотой нежелательного и основного резонансов при значении Δ f=2100... 2300 кГц для резонаторов с крестообразной формой электродов. Как видно из этой таблицы, среднее значение индуктивности L=2,8 мГн, разброс по индуктивности составляет ± 0,1 мГн, что составляет ± 3,6%. Ослабление побочных резонансов составляет 30... 35 дБ. Типичная спектральная характеристика для резонаторов с толщиной электродов, соответствующих Δ f=2100... 2300 кГц, приведена на фиг.3. Главное, что следует отметить, это наличие широкого частотного диапазона (около 1000 кГц), в котором полностью отсутствуют нежелательные резонансы.

На фиг.4 приведена спектральная характеристика резонаторов с крестообразной формой электродов при Δ f=800... 1000 кГц. Ослабление нежелательных резонансов также лежит в пределах 30... 35 дБ. Однако ближайший побочный резонанс отстоит от основного всего на 300 кГц.

В таблице 2 приведены значения тех же динамических параметров для резонаторов с круглой формой электродов диаметром 0,8 мм. Среднее значение индуктивности для этих резонаторов составляет 1,5 мГн. Разброс по индуктивности составляет ± 0,3 мГн, что соответствует ± 20%. Ослабление побочных резонансов составляет всего лишь 10... 20 дБ.

Типичная спектральная характеристика резонаторов с круглыми электродами диаметром 0,8 мм при Δ f=2100... 2300 кГц, приведена на фиг.5. Как видно из фиг.5, частотный диапазон полного отсутствия побочных резонансов сузился до 250 кГц, возросло общее количество побочных колебаний.

Приведенные экспериментальные данные убедительно подтверждают сделанные выводы о преимуществах крестообразной формы электродов. Более чем в 5 раз уменьшился разброс по динамической индуктивности. Ослабление побочных резонансов лежит в пределах 30... 35 дБ, при этом появляется возможность в широких пределах регулировать частотный диапазон полного отсутствия нежелательных резонансов.

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано для изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов для фильтров. Техническим результатом является разработка резонатора, работающего по основной гармонике в диапазоне частот 40...100 МГц, с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамической индуктивности и сопротивлению. Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамической индуктивности и сопротивлению изготовлен на основе арматуры типа НС-45, включает кристаллический элемент, выполненный в виде обратной мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность электродными покрытиями, которые имеют крестообразную форму, причем один электрод направлен по оси ZZ', второй - по оси XX', а поперечные размеры электрода рассчитаны согласно критерию моночастотности при удвоенном значении Δf-величины, пропорциональной толщине электродов, а размер выступов электродов d за пересечение определяется соотношением d/h≥30, где h - толщина рабочей области кристаллического элемента. 5 ил., 2 табл.

Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамической индуктивности и сопротивлению, изготавливаемый на основе арматуры типа НС-45, включающий кристаллический элемент, выполненый в виде обратной мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность электродными покрытиями, отличающийся тем, что электродные покрытия имеют крестообразную форму, причем один электрод направлен по оси ZZ', второй - по оси XX', а поперечные размеры электрода рассчитаны согласно критерию моночастотности при удвоенном значении Δf-величины, пропорциональной толщине электродов, а размер выступов электродов d за пересечение определяется соотношением d/h≥30, где h - толщина рабочей области кристаллического элемента.