ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 2005 года по МПК H03H9/15 H03H9/17 

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано при изготовлении микроминиатюрных пьезоэлектрических резонаторов, предназначенных для применения в радиоэлектронных устройствах, при изготовлении устройств селекции и стабилизации частоты, а также в других устройствах, работающих на объемных акустических волнах в диапазоне частот от 600 кГц до 25 МГц.

Работа таких приборов основана на использовании пьезоэлектрического эффекта, связанного с преобразованием механических напряжений пьезоэлектрического кристалла в электрический сигнал, снимаемый с противоположных граней кристалла и, наоборот. Для того чтобы снять сигнал или, наоборот, приложить к кристаллу, на противоположных гранях кристалла формируют электроды. При подаче электрического напряжения на электроды в пьезоэлектрическом кристалле возбуждаются сдвиговые колебания, оказывающие частотно-стабилизирующее и селективное влияние на подводимое переменное электрическое напряжение. Вследствие анизотропии пьезокристалла скорости распространения акустической волны вдоль кристаллофизических осей Х и Z различны и зависят от упругих модулей пьезокристалла. Для обеспечения синхронности возвращения фронтов акустической волны в область возбуждения после отражения от краев кристаллической пластины предъявляются требования к соотношению длины и ширины пластины. Это предотвращает появление нежелательных биений и ухудшение энергетических характеристик. Кроме того, размеры пьезоэлектрической пластины определяют габариты резонаторов, работающих в диапазоне частот ниже 5 МГц на основной гармонике.

Известен пьезоэлектрический резонатор контурно-сдвиговых колебаний, содержащий ориентированную относительно кристаллофизических осей кварцевую пластину ДТ-среза, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого много меньше его ширины и длины, а отношение ширины к длине находится в пределах от 0,385 до 0,395 (А.с. 391705, кл. Н 03 Н 9/15, 1973 г.). Длинные ребра параллелепипеда ориентированы вдоль электрической оси Х кристалла кварца, а главные плоскости составляют с оптической осью кварца Z угол в диапазоне от -51° до -53° . Такое выполнение пьезоэлектрического резонатора обеспечивает расширение предела допустимых значений мощности рассеяния при не более чем 20%-ном изменении динамического сопротивления. Основными недостатками такого резонатора является ограничение частотного диапазона его использования (не выше 500 кгц) и высокое сопротивление на этой частоте.

Известен кварцевый пьезоэлектрический резонатор толщинно-сдвиговых колебаний, содержащий ориентированную пластину пьезоэлектрика, кристаллофизическая ось Х в котором направлена вдоль его длины, а кристаллофизическая ось Z составляет острый угол с его шириной (SU, 1811349, кл. Н 03 Н 9/19, 1990 г.). На главных гранях пластины расположены возбуждающие электроды и контактные площадки. Соотношение длины и ширины пьезоэлектрической пластины связано с упругими модулями пьезокристалла, отнесенными к повернутым кристаллофизическим осям.

Известные резонаторы имеют следующие недостатки. В пьезоэлектрических пластинах, совершающих колебания сдвига по толщине, нежелательные резонансы представляют собой колебания, частота которых определяется соотношением ширины пластины к ее толщине или длины к толщине, поэтому влияние на подавление и частоту этих нежелательных резонансов можно оказывать изменением размеров либо по ширине, либо по длине пластины. Несоблюдение этого требования приводит к большому увеличению динамического сопротивления, емкостного коэффициента и нерегулярности температурно-частотных характеристик.

Известно, что на частотах ниже 5 МГц линзовые пьезоэлементы имеют преимущество по сравнению с плоскими: уменьшение поперечных размеров и хорошая спектральная характеристика. Габариты резонаторов, работающих в этом диапазоне частот на основной гармонике, определяются размерами пластины и, в частности, диаметром для круглых пластин.

Известен пьезоэлектрический резонатор, содержащий круглую пьезоэлектрическую пластину с локальным выступом в форме шарового сегмента в ее центральной части и возбуждающие электроды, симметричные относительно локального выступа (RU, 2107987, кл. Н 03 Н 9/15, 1998 г.). Граничные значения радиуса кривизны шарового сегмента установлены на основании теоретического расчета. Изготовление пьезоэлектрических пластин с локальными сферическими выступами производят по групповой технологии. Известный резонатор работает, как правило, на основной резонансной частоте, имеет малые габариты и хорошую спектральную характеристику. Однако такие резонаторы обладают большим емкостным отношением Со/С, большим динамическим сопротивлением R, а также недостаточной миниатюрностью.

Известны пьезоэлектрические резонаторы, содержащие ориентированную относительно кристаллофизических осей пьезоэлектрическую пластину в форме прямоугольного параллелепипеда с расположенными на ее противоположных гранях электродами. При этом пьезоэлектрическая пластина с электродами соединена в центральных точках боковых граней с четырьмя проволочными держателями, служащими одновременно токоотводами. (А.с. 683478, кл. Н 03 Н 9/15, 1982 г.). Увеличение отношения ширины кварцевой пластины к ее длине до 0,3 позволяет увеличить отношение объема пластины к ее поверхности и тем самым снизить удельный вес поверхностных потерь. Влияние этих факторов на электрические параметры особенно сильно для микроминиатюрных резонаторов. Однако увеличение отношения ширины пластины к ее длине приводит к необходимости изменения ее кристаллографической ориентации, так как от соотношения геометрических размеров пластины пьезокристалла зависит положение экстремума темпепературно-частотной характеристики (ТЧХ) резонатора. Однако минимальный температурный коэффициент частоты (ТКЧ) при такой ориентации пластины (боковые грани пластины наклонены относительно кристаллофизических осей Y и Z) может быть получен не для всех существующих значений отношения толщины к ширине пластины.

Недостатками известных резонаторов являются большие габариты и невысокая эксплуатационная надежность, обусловленная недостаточной устойчивостью их параметров к внешним механическим воздействиям, недостаточная температурная стабильность частоты.

Известен пьезоэлектрический резонатор, содержащий ориентированную относительно кристаллофизических осей пьезоэлектрическую пластину, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда из пьезоэлектрика с контактными площадками и электродами на его противоположных главных гранях (JP, 7226647 А, кл. Н 03 Н 9/02, 1995). В известном устройстве пьезоэлектрическая пластина имеет толщину t, ширину w, длину n, при этом выполняются следующие соотношения между указанными выше размерами пластины, мм: 0,12<t<1,25; 1,6<w/t<5,2; 8,0<n<42. Недостаток известного устройства состоит в том, что указанная пластина обеспечивает возможность изготовления резонатора, работающего в узком диапазоне частот (1,33-13,9 МГц), при этом не позволяет оптимизировать размеры пластины на конкретные частоты. Кроме того, кристаллические элементы, размеры которых рассчитаны по рекомендуемым соотношениям, имеют большие значения. Так, например, на частоту 1,33 МГц ширина пьезоэлектрической пластины будет составлять 2 мм, длина 12 мм, что позволяет сделать вывод об отсутствии достижения миниатюрности устройства. Кроме того, не обеспечивается также регулярность температурно-частотных характеристик, воспроизводимость таких электрофизических параметров, как сопротивление, емкостное отношение Со/С.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является пьезоэлектрический резонатор, содержащий ориентированную относительно кристаллофизических осей пластину пьезоэлектрика класса симметрии 32, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда с электродами и контактными площадками на его противоположных гранях (US, 3072806, кл. 310-9, 1963 г.). Известный резонатор содержит кварцевую пластину с так называемым SL-срезом, принадлежащим к группе пьезоэлементов, получаемых вращением Y-среза пластины относительно кристаллофизических осей. Этот срез отличается от других срезов тем, что отношение ширины пластины к длине у него значительно меньше единицы, при этом резонатор предназначен для работы в диапазоне 150-1200 кГц. Размеры пластины обозначены при помощи символов t, l и w для толщины, длины и ширины соответственно. Длина пьезоэлемента для частот ниже 600 кГц определяется из соотношения l=K/f (кГц), при этом величина коэффициента К зависит от отношения w/l, a также от того, является ли колебание резонатора комбинацией основных частот поверхностно-сдвигового и продольно-поперечного типов или комбинацией основной частоты поверхностно-сдвигового типа и обертона продольно-поперечного типа. Для комбинации основных частот и w/l=0,40 величина коэффициента К=181,5. Главное достоинство этих типов вибраторов состоит в том, что они обладают относительно низким эквивалентным сопротивлением, а также лучшими температурно-частотными характеристиками при высоких температурах.

Недостатком известного резонатора является невысокая технологичность и большие габариты устройства.

В рамках данной заявки решается задача повышения его технологичности и уменьшения габаритов пьезоэлектрического резонатора за счет конструктивного изменения формы пластины пьезоэлектрика, при которой обеспечивается моночастотность и высокая добротность в диапазоне частот 600 кГц - 25 МГц.

Поставленная задача достигается тем, что в пьезоэлектрическом резонаторе, содержащем ориентированную относительно кристаллофизических осей пластину пьезоэлектрика класса симметрии 32, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда с электродами и контактными площадками на его противоположных гранях, размер пластины вдоль электрической оси Х удовлетворяет соотношению l_х=l_onk, где n - целое число, к - безразмерный коэффициент, равный 1,45-1,55; l_о - размер пластины вдоль оси Y’ для колебаний сдвига по толщине либо размер пластины вдоль оси Z’ для колебаний сдвига по контуру.

Сущность данного технического решения состоит в оптимизации формы пьезоэлектрической пластины, задаваемой эмпирическим выражением, связывающим длину пластины вдоль электрической оси Х с толщиной (размер пластины вдоль оси Y’) либо шириной пластины (размер пластины вдоль оси Z’) в зависимости от типа колебаний и безотносительно к ее ориентации.

Данное соотношение между геометрическими размерами пьезоэлектрической пластины было установлено авторами эмпирически для диапазона частот 600 кГц - 25 МГц. Оно связывает размеры пластины безотносительно к ее ориентации для получения оптимальных характеристик миниатюрных пьезоэлектрических резонаторов. Практическое применение данного соотношения при определении размеров пьезоэлектрической пластины подтвердило его справедливость для всех пьезокристаллов с классом симметрии 32.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на фиг.1 и фиг.2 приведен общий вид пьезоэлектрической пластины относительно кристаллофизических осей X, Y’, и Z’ для резонаторов с колебаниями сдвига по толщине и колебаний по контуру соответственно.

Пример 1. Для изготовления пьезоэлектрического резонатора на частоту f=1,5 МГц из монокристалла кварца (класс симметрии 32) среза DT, совершающего колебания контурного сдвига, используют пьезоэлектрическую пластину кварца прямоугольной формы со следующими размерами согласно заявленному соотношению

lo=l_z’=N/f=1700 [кГц мм]/1500 [кц]=1,133 [мм]

l_x=l_z’(1,49 n=1,133 1,49 3=5,064 [мм], где k=1,49.

При этих размерах кварцевой пластины получают резонатор с подавлением побочных резонансов 20 дБ, величина динамического сопротивления R₁<800 ом.

Пример 2. Для изготовления кварцевого резонатора на частоту f=12 МГц с использованием прямоугольной пьезоэлектрической пластины (пьезоэлемента) среза AT, совершающего колебания сдвига по толщине, используют пластину кварца со следующими размерами:

l_о=l_y’=N/f=1667 [кГц мм]/12000 [кГц]=0,13892 [мм]

l_x=l_у’·_{1,49 n=0,13892 1,49 8=1,111 [мм].}

При этих размерах пластины кварца AT среза получают резонатор, динамическое сопротивление которого не превышает 60 Ом.

Пример 3. Для изготовления резонатора из монокристалла лангасита (класс симметрии 32) на частоту 10,7 МГц, совершающего колебания сдвига по толщине, используют прямоугольную пластину лангасита Y-среза со следующими размерами согласно заявленному соотношению:

l_o=l_y’=N/f=1380 [кГц мм]/10700 [кГц]=0,129 [мм]

l_x=l_y’·_{1,49 n=0,129 1,49 8=1,032 мм, где k=l,49}

Динамическое сопротивление R₁ пьезоэлектрического резонатора с использованием данной пластины лангасита, размеры которой удовлетворяют заявленному соотношению, не превышает 15 Ом.

Данное устройство может быть использовано при производстве пьезоэлектрических резонаторов, которые могут находить применение в качестве миниатюрных радиоэлектронных приборов на объемных акустических волнах. Изобретение предусматривает получение оптимальных размеров и формы пьезоэлектрической пластины безотносительно к ее срезу. Это приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая возможность улучшения электрофизических параметров резонаторов при одновременном повышении технологичности его изготовления.

Изобретение относится к изделиям пьезотехники и может быть использовано при создании устройств на объемных акустических волнах в диапазоне частот 600 кГц - 25 МГц. Техническим результатом является уменьшение габаритов пьезоэлектрических резонаторов. Это достигается за счет оптимизации формы пьезоэлектрической пластины, задаваемой эмпирическим выражением, связывающим длину пластины вдоль электрической оси Х и ее размером вдоль оси Y’ для колебаний сдвига по толщине либо ее размером вдоль оси Z’, для колебаний сдвига по контуру безотносительно к ориентации пластины. 2 ил.

Пьезоэлектрический резонатор, содержащий ориентированную относительно кристаллофизических осей пластину пьезоэлектрика класса симметрии 32, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда с электродами и контактными площадками на его противоположных гранях, отличающийся тем, что размер пластины вдоль электрической оси Х удовлетворяет соотношению 1_х=l_onk, где n - целое число, k - безразмерный коэффициент, равный 1,45-1,55; l_о - размер пластины вдоль оси Y’ для колебаний сдвига по толщине либо размер пластины вдоль оси Z’ для колебаний сдвига по контуру.