ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 2008 года по МПК H03H9/15 

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано при производстве пьезоэлектрических резонаторов, работающих на объемных акустических волнах с толщинно-сдвиговыми колебаниями и предназначенных для применения в радиоэлектронных устройствах стабилизации и селекции частоты.

По указанному назначению различают пьезоэлектрические резонаторы генераторные и фильтровые, конструктивно генераторные и фильтровые резонаторы различаются техническими характеристиками настроечных слоев.

Работа таких приборов основана на использовании пьезоэлектрического эффекта, связанного с преобразованием механических напряжений пьезокристаллического элемента (пьезоэлемента) в электрическое напряжение, снимаемое с противоположных граней пьезоэлемента, который изготовлен из монокристаллических материалов: кварца, танталата или ниобата лития, лангасита, лангата и др. Для того чтобы снять это напряжение или подвести к пьезоэлементу, на его противоположных гранях конденсацией паров нанесены электроды из металла, обладающего малым электрическим сопротивлением.

Известны пьезоэлектрические резонаторы, состоящие из пьезоэлектрического вибратора (пьезовибратора) и корпуса, герметично соединенного с основанием пьезовибратора. В корпусе, для защиты конструкции от внешних воздействий, на электрических выводах, проходящих через герметичные стеклянные изоляторы основания пьезовибратора, смонтирован держатель пьезоэлемента, на боковые грани которого нанесены электроды из металла, гальванически соединенные с электрическими выводами [см., например, «Справочник. Пьезоэлектрические резонаторы, под ред. П.Е.Кандыбы и П.Г.Позднякова. Москва, «Радио и связь», 1992, стр.15, 21, 46, 47, 53, 54, 67, 68, 102, 103].

У генераторных пьезоэлектрических резонаторов с толщинно-сдвиговыми колебаниями при возбужденном пьезоэлементе с серебряными электродами настроечный слой выполнен путем изменения массы электродов нанесением или снятием с электрода тонкого слоя серебра на специальном технологическом оборудовании.

Однако все известные настройки пьезоэлектрических резонаторов с толщинно-сдвиговыми колебаниями, посредством нанесения или снятия массы проводящих покрытий электродов, сопровождаются изменением и ухудшением спектральных характеристик этих приборов. Это является общим и главным недостатком настроенных таким образом известных генераторных резонаторов.

Нанесение дополнительной массы серебра на электрод пьезоэлемента в каждом резонаторе происходит индивидуально через сопло, либо в виде щели, либо отверстия по размеру электрода. Это увеличивает расход серебра, что приводит к удорожанию производства пьезоэлектрических изделий из-за высокой стоимости серебра в качестве драгметалла.

У известных генераторных пьезоэлектрических резонаторов настроечный слой алюминиевых электродов выполнен посредством наращивания окисной пленки Al₂O₃ анодированием [см., например, С.С.Пашков, Е.Ф.Першина, A.M.Севостьянов, В.В.Иванов, А.Р.Карпина. Некоторые особенности настройки высокочастотных резонаторов с алюминиевыми электродами. Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты, вып. 3(52), 1983, стр.52...55].

Эта пленка при увеличении толщины ухудшает стабильность и надежность настроенных резонаторов, поскольку такая пленка растворяется в воде и в ней возникают дефекты из-за больших по амплитуде механических напряжений, причинами появления которых является значительная разность температурных коэффициентов линейного расширения алюминия и окиси алюминия.

Кроме этого, известны фильтровые кварцевые резонаторы с колебаниями сдвига по толщине, настроечный слой которых выполнен диэлектрическими пленками: из моноокиси германия GeO, либо из моноокиси кремния SiO, либо из дифторида свинца PbF₂ [см., например, Шкляр А.Н., Сивоконь А.А., Бочков A.M. Настройка диэлектрическими пленками высокочастотных фильтровых кварцевых резонаторов. - Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты, 1974, вып.4, с.74-78].

Эти диэлектрические пленки растворяются в воде, гигроскопичны, материалы разлагаются до расплавления и их испарение и конденсация на подложках происходит с нарушением стехиометрического состава, поэтому в пленках отсутствует воспроизводимость, повторяемость свойств и параметров исходного материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является пьезоэлектрический резонатор по патенту Франции МПК Н03Н 9/00, № 2021806, опубликованному 24 июля 1970 года.

Известный пьезоэлектрический резонатор содержит круглый кварцевый с серебряными электродами пьезоэлемент, совершающий колебания сдвига по толщине, в котором настроечный слой в виде диэлектрической пленки из дифторида свинца PbF₂ нанесен на боковую грань пьезоэлемента, смонтированного в держателе на основании пьезовибратора, соединенный герметично с корпусом.

Настроечный слой из дифторида свинца в виде пленки имеет невысокий предел прочности, равный 20 Дж/см², и также малопригоден для настройки пьезоэлектрических резонаторов из-за достаточно высокой растворимости в воде и массового образования дефектов в них.

Технической задачей изобретения является увеличение стабильности и повышение надежности пьезоэлектрических резонаторов, а также снижение себестоимости их изготовления.

Поставленная задача достигается тем, что в пьезоэлектрическом резонаторе, содержащем пьезоэлемент со сдвиговыми колебаниями по толщине при его подключении к переменному напряжению, с нанесенными на его боковые грани металлическими электродами и настроечным слоем с высоким электрическим сопротивлением, настроечный слой выполнен двойным в виде пленки интерметаллического соединения типа А^IIВ^VI со слабо выраженной металлической связью, причем первый защитный слой нанесен толщиной не более 10 ангстрем на все грани пьезоэлемента.

В таком пьезоэлектрическом резонаторе настроечный слой может быть выполнен в виде пленки из селенида цинка, с шириной запрещенной зоны 2,58 эВ, или селенида кадмия, с шириной запрещенной зоны 1,68 эВ, или же он выполнен в виде пленки из смеси селенидов цинка и кадмия произвольного состава.

Благодаря тому, что настроечный слой выполнен двойным, причем первый защитный слой, нанесен толщиной не менее 10 ангстрем на все грани пьезоэлемента из пленки интерметаллического соединения с высоким удельным электрическим сопротивлением, достигается эффект увеличения стабильности, повышения надежности и снижения себестоимости изготовления пьезоэлектрических резонаторов за счет получения улучшенных параметров и технических свойств таких пленок.

Сущность предлагаемого решения объясняется свойством возникновения высокого удельного электросопротивления у некоторых бинарных систем (из двух металлов) интерметаллических соединений с кристаллической решеткой типа флюорита (кубическая), [см., например, Г.Шульце. Металлофизика. Пер. с нем. А.К.Натансона под ред. Я.С.Уманского. Издательство "Мир", Москва, 1971, стр.18, примеч. 2, 327...333].

В нижеследующей таблице приведены для сравнения характеристики соединений, используемых в настоящее время и предлагаемых для настройки пьезоэлектрических резонаторов с толщинно-сдвиговыми колебаниями.

Из таблицы видно, что предлагаемое вещество селенид цинка или селенид кадмия, нанесенное в виде пленки пяти-десяти ангстрем на все грани пьезоэлемента и элементы его конструкции, способно защитить пьезоэлемент резонатора от воздействия внешней среды, поскольку пленки из этих соединений при указанных толщинах уже являются герметичными.

После нанесения настроечного слоя селенидами цинка, или кадмия, или их смесью отжиг пленок не требуется, так как практически в осажденных пленках отсутствуют механические напряжения.

ТАБЛИЦА 1№ п.п.ХарактеристикиМоноок. германия GeOМоноок. кремния, SiOФторид свинца, PbF₂
Куб.Селенид кадмия CdSe
Куб.Селенид цинка ZnSe
Куб.1.Симметрия кристаллаКуб. Куб.2.Плотность, г/см³5,22,27,763,255,423.Температура плавления, С°11501600855123915204.Растворимость в водераств.раств.раств.нераств.нераств.5.Избирательный травителькислотыкислотыкислотыспиртспирт6.Гигроскопичность пленокгигроск.гигроск.гигроск.негигр.негигр.7.Тепловое расширение, α·10^-6K^-12723,78,687,78.Теплопроводность, Вт·см^-1·°С^-10,0170,0130,020,0430,199.Твердость пленок по Моосу6623,25410.Температура Дебая, прибл., К°36037035020028412.Диэлектрическая постоянная5,984,53,6108,813.Электропроводность удельная, Ом^-1·см^-1.10^-1010^-1110^-1010^-610^-714.Температура, при которой вливается давление10^-2 мм рт.ст. и 10^-4 ммсразлож.сразлож.сразлож.конгр. конгр. 1120150087993410551250135091979891915.Ширина запрещенной зоны, эВ>3>3>31,682,5816.Скорость упругих волн, 10⁵ м/с≈1,97≈2,1≈2,23,6417.Радиац. стойкость, кЭВ≈150≈180≈21032024018.Температура отжига пленок,°С≈130≈130≈120>100>10019.Напряжения в пленках, растяжения +, сжатия -++- до 1500 ангс свыше +.нетнет20.Температура нагрева подложек при осаждениипленок, °С≈120≈120≈120не треб.не треб.21.Макс.допустимые скорос. нанесения пленок. Å/с≈10≈20≈151222.Токсичностьнетокс.нетокс.токсич.нетокс.нетокс.

Пример 1. Селенидом цинка была проведена настройка пьезоэлектрических кварцевых резонаторов типа Р_к-101 "Призыв 93,5" с серебряными электродами на частоту 93488 кГц по 5-й гармонике. Затем резонаторы, как пьезовибратры, смонтированные на основаниях, были поставлены в обеспыленный шкаф при комнатной температуре на двое суток. По истечении этого времени резонаторы были загерметизированы.

Параллельно пьезоэлектрические резонаторы такого же типа были настроены дифторидом свинца, отжигались при температуре 120°С в вакуумной печи в течение 10 часов и затем были загерметизированы. Обе партии резонаторов были поставлены на сравнительные испытания.

Ускоренные испытания, проведенные по группе КТ3-4 с выдержкой при температуре 100°С показали, что кварцевые резонаторы, настроенные селенидом цинка имели уверенную стабильность во времени, минимальные уходы частоты и динамического сопротивления после температурных воздействий. О запасе надежности кварцевых резонаторов, настроенных селенидом цинка, можно судить по уходам частоты при температурных воздействиях 100°С и времени испытаний 3000 часов, составляющих по величине не более ±3·10^-6·f_H.

Особенностью резонаторов, настроенных селенидом цинка, является отсутствие изменений и ухудшений спектральных характеристик, наблюдалось лишь только их улучшение. Резонаторы, настроенные дифторидом свинца, оказались менее устойчивы по частоте, поскольку изменение спектральных характеристик их оказалось пропорционально изменению частоты, которое составило в среднем 0,002% (как в прототипе) или в принятых величинах точности настройки ±20·10^-6·f_H, где f_H=93488.000 кГц.

Пример 2. Селенидом кадмия была проведена настройка (резонаторы типа РЛ-001) пьезовибраторов, с пьезоэлементом из лангасита с колебаниями сдвига по толщине. Пьезоэлементы этого типа резонаторов содержат прямоугольную пьезокристаллическую пластину с алюминиевыми электродами с номинальной частотой колебаний f_H=18530 кГц по первой гармонике и динамическим сопротивлением не более 15 Ом.

Пьезовибраторы настраивались испарением селенида кадмия из трубчатого никелевого испарителя через подвижную шторку с щелевым зазором по размеру пьезоэлемента на установке настройки типа "Альфа-Н". Настройка проводилась с точностью ±0,5·10^-6·f_H и прекращалась по достижению требуемой частоты нажатием кнопки электропривода шторки. После настройки пьезовибраторы оставались двое суток в обеспыленном шкафу при комнатной температуре, накрытые корпусами типа НС-49.

После герметизации резонаторы прошли разбраковку и выборку в количестве 20 штук для испытаний. Интервал рабочих температур резонаторов составлял от -40° до +85°С, но испытания проводились как ускоренные при температуре +100°С по группе КТ3-4. После 3000 часов выдержки резонаторов при такой температуре, максимальный уход частоты составил ±5·10^-6·f_H, динамическое сопротивление уменьшилось до величины не более 12 Ом.

Проведенные испытания пьезоэлектрических резонаторов, настроенных селенидами цинка или кадмия, описанные в примерах, показали значительные преимущества технических характеристик пленок настроечных слоев этих интерметаллических соединений перед пленками проводящих и диэлектрических материалов, применяемых целевым назначением до настоящего времени в пьезотехнике.

Применение селенидов цинка и кадмия в конструкциях пьезоэлектрических резонаторов позволяют производить изделия с повышенной стабильностью и надежностью, с улучшенными параметрами и техническими характеристиками за счет осаждаемых пленок настроечных слоев, обладающих отмеченными уникальными свойствами. Наличие для пленок указанных соединений избирательного травителя - спирта позволяет исправлять ошибки настройки и технологически восстанавливать брак, повышая тем самым выход годных изделий. Ни один из применяемых в настоящем в пьезотехнике настроечных материалов не позволяет применять такую простую технологическую операцию по восстановлению брака с соблюдением требований электровакуумной гигиены.

Замена настройки серебром настройкой селенидом цинка или кадмия позволяет уменьшить себестоимость резонаторов за счет применения более дешевых, чем серебро, интерметаллических соединений цинка и кадмия. Кроме этого, уменьшение температурных режимов настройки предлагаемыми материалами позволяет улучшить эксплуатационную надежность оборудования для настройки, снизить затраты на производство пьезоизделий, повысить выход годных изделий за счет воспроизводимости и повторяемости свойств настроечных пленок и исправления брака настройки пьезоэлектрических изделий.

Главным достоинством настроечных слоев в виде пленок, предлагаемых к использованию в производстве пьезоэлектрических изделий, согласно предлагаемому изобретению, являются получаемые стабильные и легко воспроизводимые технические характеристики их, которые могут обеспечить все требования, предъявляемые к материалам для настройки пьезоэлектрических резонаторов со сдвиговыми колебаниями по толщине.

Аналогичные результаты технических характеристик пьезоэлектрических резонаторов достигаются и у настроечных слоев в виде пленок из смеси селенидов цинка и кадмия произвольного состава, поскольку предлагаемые материалы обладают незначительными различиями в физических свойствах.

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано при производстве пьезоэлектрических резонаторов, работающих на объемных акустических волнах с толщинно-сдвиговыми колебаниями и предназначенных для применения в радиоэлектронных устройствах стабилизации и селекции частоты. Техническим результатом изобретения является увеличение стабильности и повышение надежности пьезоэлектрических резонаторов, а также снижение себестоимости их изготовления. Технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом резонаторе, содержащем пьезоэлемент со сдвиговыми колебаниями по толщине при его подключении к переменному напряжению, с нанесенными на его боковые грани металлическими электродами и настроечным слоем с высоким электрическим сопротивлением. Упомянутый настроечный слой выполнен двойным в виде пленки интерметаллического соединения типа А^IIB^IV со слабо выраженной металлической связью, причем первый защитный слой нанесен толщиной не менее 10 ангстрем на все грани пьезоэлемента. Настроечный слой может быть выполнен в виде пленки из селенида цинка, с шириной запрещенной зоны 2,58 эВ, или селенида кадмия, с шириной запрещенной зоны 1,68 эВ, или - в виде пленки из смеси селенидов цинка и кадмия произвольного состава. 3 з.п. ф-лы. 1 табл.

1. Пьезоэлектрический резонатор, содержащий пьезоэлемент со сдвиговыми колебаниями по толщине при его подключении к переменному напряжению, с нанесенными на его боковые грани металлическими электродами и настроечным слоем с высоким электрическим сопротивлением, отличающийся тем, что настроечный слой выполнен двойным в виде пленки интерметаллического соединения типа А^IIВ^IV со слабо выраженной металлической связью, причем первый защитный слой нанесен толщиной не менее 10Å на все грани пьезоэлемента.2. Пьезоэлектрический резонатор по п.1, отличающийся тем, что настроечный слой выполнен в виде пленки селенида цинка с шириной запрещенной зоны 2,58 эВ.3. Пьезоэлектрический резонатор по п.1, отличающийся тем, что настроечный слой выполнен в виде пленки селенида кадмия с шириной запрещенной зоны 1,68 эВ.4. Пьезоэлектрический резонатор по п.1, отличающийся тем, что настроечный слой выполнен в виде пленки смеси селенидов цинка и кадмия произвольного состава.