КВАРЦЕВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ СРЕЗА АТ, ИЗГОТОВЛЕННЫЙ ПО ТРЕТЬЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКЕ НА ЧАСТОТЫ ОТ 20 ДО 120 МГЦ Российский патент 2016 года по МПК H03H9/19 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к кварцевым пьезоэлементам, являющимся основой высокостабильных кварцевых резонаторов или генераторов, а более точно изобретение относится к кварцевым пьезоэлементам среза AT, изготовленным по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц.

Уровень техники

Кварцевые пьезоэлементы среза AT, изготовленные по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, являются основой элементной базы кварцевых резонаторов или генераторов, важнейшими областями применения которых являются: передвижные и стационарные системы радиосвязи, навигационная и радиолокационная аппаратура, спутниковые системы слежения и точного определения местонахождения космических и наземных объектов, бортовые, космические и наземные эталоны частоты и времени, системы кодирования и декодирования, спецтехника, правительственная связь, мобильная радиотелефония. Кварцевые пьезоэлементы также используются в электронных кварцевых часах, в телефонах, компьютерах, телевизорах, радио, модемах, пьезодатчиках температуры, влажности, давления, газоанализаторах и т.д.

В кварцевых резонаторах или генераторах, изготавливаемых на частоты в диапазоне от 20 до 120 МГц, применяют пьезоэлементы среза AT, изготовленные по третьей механической гармонике. Пример конструкции такого пьезоэлемента среза AT раскрыт, например, в Д1 - книга «Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств, авторы - В.А. Мостяев, В.И. Дюжиков, Москва, Ягуар, 1993 год, стр. 122, рис. 4.5, позиция а). Авторы изобретения считают, что упомянутый выше пьезоэлемент по Д1 является ближайшим аналогом (прототипом) по отношении к пьезоэлементу среза AT, изготовленному по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц и являющемуся предметом изобретения в рамках настоящей патентной заявки.

Ближайший аналог, т.е. кварцевый пьезоэлемент среза AT, изготовленный по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, по Д1, содержит

кристаллический элемент в виде пластины, на передней и задней поверхностях которого нанесены соответственно два, первый и второй, пленочных возбуждающих электрода;

упомянутый первый пленочный возбуждающий электрод содержит

первую центральную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей;

упомянутый второй пленочный возбуждающий электрод содержит

вторую центральную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей.

Любой кварцевый резонатор при расчетах электрических схем может быть представлен эквивалентным электрическим колебательным контуром

где L₁, С₁, R₁ - эквивалентные индуктивность, емкость, сопротивление, С₀ - статическая емкость.

Существенным недостатком кварцевого резонатора с пьезоэлементом среза AT по Д1, работающего на 3-й механической гармонике в схеме генератора, является перескок частоты на 1-ю механическую гармонику. Перескок обусловлен различием величин эквивалентных параметров при возбуждении на 1-й и на 3-й механических гармониках. В частности, величина эквивалентного сопротивления резонаторов на 1-й гармонике в несколько раз меньше по сравнению с 3-й гармоникой. Емкостный коэффициент С₀/С₁, определяющий пределы перестройки частоты в схеме генератора, на 1-й гармонике приблизительно на порядок меньше по сравнению с 3-й гармоникой. Чем он меньше, тем больше пределы перестройки частоты. Существенное значение имеют также такие параметры, как эквивалентная индуктивность (чем она меньше, тем лучше) и добротность. Для обеспечения устойчивости работы генератора на 3-й гармонике приходится усложнять его схему: применять дополнительные резисторы, избирательные контуры и т.д. В результате, усложняется схема генератора, а также технология его изготовления. Увеличиваются его габаритные размеры и стоимость.

Таким образом, перед авторами изобретения встала задача создания кварцевого пьезоэлементам среза AT, изготовленного по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, которому не был бы присущ вышеупомянутый недостаток, а именно перескок частоты на 1-ю механическую гармонику в процессе эксплуатации генератора или резонатора.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения положена задача создания кварцевого пьезоэлемента среза AT, изготовленного по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, такой конструкции, которая обеспечивала бы устойчивую работу генератора или резонатора в процессе эксплуатации, исключающую перескоки частоты на первую механическую гармонику в процессе эксплуатации генератора или резонатора.

Эта задача решена в кварцевом пьезоэлементе среза AT, изготовленном по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, конструкция которого предусматривает наличие кристаллического элемента в виде пластины, на передней и задней поверхностях которого нанесены соответственно два, первый и второй, пленочных возбуждающих электрода; при этом упомянутый первый пленочный возбуждающий электрод содержит первую центральную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей,

первую периферийную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с первой центральной частью, и

вторую периферийную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с первой периферийной частью; а

упомянутый второй пленочный возбуждающий электрод содержит

вторую центральную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей,

третью периферийную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную со второй центральной частью,

четвертую периферийную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с третьей периферийной частью.

В заявленном в рамках настоящей патентной заявки кварцевом пьезоэлементе среза AT, изготовленном по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, описанной выше конструкции исключается перескок частоты на первую механическую гармонику, и таким образом обеспечивается устойчивая работа генератора или резонатора в процессе эксплуатации, который содержит такие кварцевые пьезоэлементы.

Это достигается за счет того, что заявленный пьезоэлемент сконструирован таким образом, что на периферийных частях его пленочных возбуждающих электродов заряды одинаковые в области активных колебаний на первой механической гармонике. В результате создаются неблагоприятные условия для работы пьезоэлемента на первой механической гармонике, т.е. перескок исключается.

В качестве иллюстрации в Таблице 1 приведены параметры двух резонаторов, т.е. резонатора на основе пьезоэлемента-прототипа (Тип П-П) и резонатора на основе пьезоэлемента, выполненного согласно изобретению (Тип П-И), работающих на третьей механической гармонике на частоте 50,0 МГц (Тип П-П) и на частоте 49,95 МГц (Тип П-И). Сравнение показывает, что параметры сравниваемых резонаторов практически одинаковы.

Однако, при возбуждении этих же резонаторов на первой механической гармонике на частотах 16,66 МГц (Тип П-П) и 16, 64 МГц (Тип П-И) их параметры существенно различаются:

где

F - частота применяемого пьезоэлемента;

R₁ - эквивалентное сопротивление резонатора;

С₀ - статическая емкость резонатора;

C₁ - динамическая емкость резонатора;

C₀/C₁ - емкостный коэффициент резонатора;

Q - добротность резонатора;

L₁ - эквивалентная индуктивность резонатора.

Из Таблицы 1 следует, что эквивалентное сопротивление R₁ резонатора с пьезоэлементом Типа П-П, т.е. с пьезоэлементом-прототипом, в 24 раза меньше, чем у резонатора с пьезоэлементом Типа П-И, т.е. пьезоэлементом, выполненным по изобретению;

динамическая емкость C₁ резонатора с пьезоэлементом Типа П-П примерно в два раза больше, чем у резонатора с пьезоэлементом Типа П-И;

емкостный коэффициент C₀/C₁ у резонатора с пьезоэлементом Типа П-И примерно в полтора раза больше;

добротность Q у резонатора с пьезоэлементом Типа П-И в 12 раз больше;

эквивалентная индуктивность L₁ резонатора с пьезоэлементом Типа П-П меньше приблизительно в 3 раза.

Генераторы с пьезоэлементами, являющимися предметом настоящего изобретения, устойчиво работают на третьей механической гармонике в процессе эксплуатации, без перескоков частоты на первую механическую гармонику.

Следовательно, применение пьезоэлемента, являющегося предметом изобретения, создает оптимальные условия для работы генератора на третьей механической гармонике резонатора. Таким образом, отпадает необходимость подавления первой гармоники различными способами, например, применением дополнительного резистора, избирательного контура и т.д. В результате нет необходимости в усложнении схемы генератора и технологии его изготовления. Уменьшаются габаритные размеры, вес и стоимость генератора. Это же относится и к резонаторам.

Было бы целесообразно, чтобы в кварцевом пьезоэлементе, выполненном согласно изобретению, центральная часть пленочных возбуждающих электродов имела бы прямоугольный контур, вытянутый вдоль электрической оси кристаллического элемента. Выполнение пьзоэлемента вышеописанным образом позволяет уменьшить габаритные размеры как самого пьезоэлемента, так в конечном итоге габаритные размеры резонатора или генератора, в котором такой кварцевый пьезоэлемент установлен.

Возможны различные модификации заявленного пьезоэлемента, т.е. как вариант кварцевый пьезоэлемент, выполненный согласно изобретению, может иметь кристаллический элемент с контуром, повторяющий контур круга, а контуры периферийных частей пленочных возбуждающих электродов могут повторять контур сегмента круга.

Такая конструкция обеспечивает значительное упрощение технологии изготовления пьезоэлементов.

Однако стоит понимать, что в зависимости от технического задания, технических условий эксплуатации и т.д., возможны и другие формы пьезоэлементов и его отдельных элементов. Например, возможен вариант, при котором кристаллический элемент кварцевого пьезоэлемента имеет контур в виде прямоугольника, а контуры периферийных частей пленочных возбуждающих электродов также являются прямоугольниками. Такой вариант особенно целесообразен при создании микроминиатюрных конструкций резонаторов или генераторов.

Было бы очень разумно, чтобы кварцевый пьезоэлемент имел бы пленочные возбуждающие электроды, которые были бы геометрически конгруэнтны между собой, и особенно было бы целесообразно, чтобы такая конгруэнтность была бы относительно электрической оси кристаллического элемента и/или оптической оси кристаллического элемента кварцевого пьезоэлемента.

Такое исполнение значительно уменьшает разброс эквивалентных параментров резонаторов. Кроме этого, такое исполнение пленочных возбуждающих электродов очень технологично с точки зрения их изготовления.

В дальнейшем настоящее изобретение, а именно кварцевый пьезоэлемент среза AT, изготовленный по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, будет описан более детально со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых

Фиг. 1 изображает кварцевый пьезоэлемент среза AT, изготовленный по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, выполненный согласно изобретению, изображен схематично в увеличенном масштабе, первый вариант выполнения, вид спереди;

Фиг. 2 - кварцевый пьезоэлемент на Фиг. 1, вид сзади;

Фиг. 3 - кварцевый пьезоэлемент на Фиг. 1, вид сбоку;

Фиг. 4 - разрез кварцевого пьезоэлемента на Фиг. 1, по его оптической оси Z-Z;

Фиг. 5 - вариант выполнения, второй вариант выполнения, вид спереди.

Выполненный согласно изобретению кварцевый пьезоэлемент среза AT, изготовленный по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, содержит кристаллический элемент 1, выполненный в виде пластины (см. Фиг. 1 и Фиг. 2).

На передней и задней поверхностях 2 и 3 кристаллического элемента 1 нанесены соответственно два, первый и второй, пленочные возбуждающие электрода 4 и 5.

Упомянутый первый пленочный возбуждающий электрод 4 (см. Фиг. 1), тот, который нанесен на переднюю поверхность 2 кристаллического элемента 1, содержит первую центральную часть 6, эта центральная часть 6 нанесена в зоне пересечения оптической и электрической осей Z′-Z′ и Х-Х кристаллического элемента 1, первую периферийную часть 7, нанесенную на переднюю поверхность 2 кристаллического элемента 1 в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности 8, и вторую периферийную часть 9 (см. Фиг. 2), нанесенную на заднюю поверхность 3 кристаллического элемента 1 в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности 8.

Первая периферийная часть 7 первого пленочного возбуждающего электрода 4 электрически соединена с его первой центральной частью 6 полосой 10, выполненной на передней поверхности 2 кристаллического элемента 1.

Вторая периферийная часть 9 первого пленочного возбуждающего электрода 4 электрически соединена с его первой периферийной частью 7 полоской 11 (см. Фиг. 3), нанесенной на торцевую поверхность 8 кристаллического элемента 1.

Упомянутый второй пленочный возбуждающий электрод 5 (см. Фиг. 2) выполнен аналогично первому пленочному возбуждающему электроду 4, т.е. электрод 5 также содержит вторую центральную часть 12, нанесенную на заднюю поверхность 3 кристаллического элемента 1 в зоне пересечения его оптической и электрической осей Z′-Z′ и Х-Х, третью периферийную часть 13, нанесенную на заднюю поверхность 3 кристаллического элемента 1 в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности 8, и четвертую периферийную часть 14 (см. Фиг. 1), нанесенную на переднюю поверхность 2 кристаллического элемента 1 в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности 8.

Третья периферийная часть 13 второго пленочного возбуждающего электрода 5 (см. Фиг. 2) электрически соединена полосой 15, выполненной на задней поверхности 3 кристаллического элемента 1, с его второй центральной частью 12.

Четвертая периферийная часть 14 второго пленочного возбуждающего электрода 5 электрически соединена с его третьей периферийной частью 13 полоской 15 (см. Фиг. 4), нанесенной на торцевую поверхность 8 кристаллического элемента 1.

Возможны различные формы кварцевого пьезоэлемента, выполненного согласно изобретению, а так же элементы, входящие в состав такого кварцевого пьезоэлемента, также могут иметь различные формы.

Как вариант - кварцевый пьезоэлемент такой, что его кристаллический элемент 1 имеет контур, повторяющий контур круга, центральные части 6 и 12 пленочных возбуждающих электродов 4 и 5, соответственно, имеют прямоугольный контур, вытянутый вдоль электрической оси Х-Х кристаллического элемента 1, а контуры периферийных частей 7, 9, 13, 14 пленочных возбуждающих электродов 4, 5 повторяют контур сегмента круга, все это показано на Фиг. 1 и Фиг. 2.

Однако возможен и другой вариант выполнения кварцевого пьезоэлемента (см. Фиг. 5), при котором его кристаллический элемент 16 имеет контур в виде прямоугольника, центральные части 17 пленочных возбуждающих электродов имеют прямоугольный контур, вытянутый вдоль электрической оси Х-Х кристаллического элемента 16, а контуры периферийных частей 18 пленочных возбуждающих электродов также являются прямоугольниками, все это показано на Фиг. 5.

Кварцевый пьезоэлемент может быть выполнен таким образом, что пленочные возбуждающие электроды геометрически конгруэнтны между собой, как вариант они могут быть конгруэнтны относительно электрической оси Х-Х и/или оптической оси Z′-Z′ кристаллического элемента.

Пьезоэлемент, выполненный согласно изобретению, сконструирован таким образом, что на периферийных частях возбуждающих электродов образуются одинаковые заряды в области активных колебаний (см. Фиг. 4). Одинаковые заряды на периферийных частях электродов создают неблагоприятные условия для работы пьезоэлемента на первой механической гармонике. В результате исключаются перескоки частоты генератора, работающего на третьей гармонике, на первую механическую гармонику.

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к кварцевым пьезоэлементам, являющимся основой высокостабильных кварцевых резонаторов или генераторов, а более точно изобретение относится к кварцевым пьезоэлементам среза AT, изготовленным по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц. Сущность: пьезоэлемент содержит кристаллический элемент в виде пластины, на передней и задней поверхностях которого нанесены соответственно первый и второй пленочные возбуждающие электроды. Первый пленочный возбуждающий электрод содержит первую центральную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей, первую периферийную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с первой центральной частью, и вторую периферийную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с первой периферийной частью. Второй пленочный возбуждающий электрод содержит вторую центральную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей, третью периферийную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную со второй центральной частью четвертую периферийную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с третьей периферийной частью. Технический результат: исключение перескока частоты на 1-ю механическую гармонику в процессе эксплуатации. 7 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Кварцевый пьезоэлемент среза AT, изготовленный по третьей механической гармонике на частоты от 20 до 120 МГц, содержащий
кристаллический элемент в виде пластины, на передней и задней поверхностях которого нанесены два, соответственно - первый и второй, пленочных возбуждающих электрода;
упомянутый первый пленочный возбуждающий электрод содержит
первую центральную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей,
первую периферийную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с первой центральной частью, и
вторую периферийную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с первой периферийной частью;
упомянутый второй пленочный возбуждающий электрод содержит
вторую центральную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей,
третью периферийную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную со второй центральной частью,
четвертую периферийную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с третьей периферийной частью.

2. Кварцевый пьезоэлемент по п. 1, отличающийся тем, что центральные части пленочных возбуждающих электродов имеют контур, вытянутый вдоль электрической оси кристаллического элемента.

3. Кварцевый пьезоэлемент по п. 2, отличающийся тем, что центральные части пленочных возбуждающих электродов имеют контур в виде прямоугольника.

4. Кварцевый пьезоэлемент по п. 1, отличающийся тем, что его кристаллический элемент имеет контур, повторяющий контур круга.

5. Кварцевый пьезоэлемент по п. 4, отличающийся тем, что контуры периферийных частей пленочных возбуждающих электродов повторяют контур сегмента круга.

6. Кварцевый пьезоэлемент по п. 1, отличающийся тем, что его кристаллический элемент имеет контур в виде прямоугольника, а контуры центральных и периферийных частей пленочных возбуждающих электродов также являются прямоугольниками.

7. Кварцевый пьезоэлемент по п. 1, отличающийся тем, что пленочные возбуждающие электроды геометрически конгруэнтны между собой.

8. Кварцевый пьезоэлемент по п. 7, отличающийся тем, что пленочные возбуждающие электроды геометрически конгруэнтны между собой относительно электрической оси и/или оптической оси кристаллического элемента.