Пьезоэлектрический резонатор Советский патент 1992 года по МПК H03H9/15 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в пьезоэлектрических устройствах стабилизации частоты.

Известны конструкции пьезоэлектрических резонаторов (КР). Неотъемлемой составляющей КР является пьезоэлемент (ПЭ). Известные ПЭ, как правило, содержат кварцевую пластину (кристаллический элемент), возбуждающие электроды, токопро- водящие элементы, соединяющие электроды ПЭ с выводами внешней цепью, и элементы крепления в кварцедержателе.

Для уменьшения уходов частоты данных ПЭ, вызванных старением, при их производстве выполняются операции тщательной обработки кварцевых пластин (шлифовка, полировка, травление), уделяется особое внимание нанесению электрического покрытия, креплению ПЭ в кварцедержателе, осуществляется термическая обработка ПЭ. Однако долговременная стабильность известных (даже прецизионных КР), несмотря на все принятые при их производстве меры, остается на уровне, не всегда удовлетворяющем потребителя.

Наиболее близким к предлагаемому является пьезоэлектрический резонатор, содержащий . закрепленныйв кварцедержателе пьезоэлемент с колебаниями сдвига по толщине, выполненный в виде кристаллической пластины круглой формы из монокристалла кварца, на главных гранях которой расположены возбуждающие электроды и пленочные отводы, а на ее боковой поверхности расположены два основных электроконтактных пояска, угол расположения каждого из которых относительно кристаллофизической оси X меньше угла расположения соответствующей точки закрепления пьезоэлемента в кварцедержателе относительно той же кристаллофизической оси, а конец каждого из них совпадает с наиболее удаленным от него краем соответствующего пленочного отвода, с целью повышения долговременной стабильности частоты, ПЭ снабжен двумя дополнительными компенсационными поясками, выполненными из того же материала, что и основные электроконтактные пояски, и расположенными на торцовой грани кристаллической пластины симметрично основным

со

С

4

(А

О

о

электроконтактным пояскам. Однако данные дополнительные компенсационные пояски позволяют компенсировать только уходы частоты, вызываемые релаксацией механических напряжений в электроконтак- тных поясках ПЭ контактного узла КР, и не позволяют компенсировать уходы частоты КР, вызываемые при его старении иными причинами (например, необратимыми процессами в кристалле кварца, металлических пленках и т.п.).

Целью изобретения является повышение долговременной стабильности частоты пьезоэлектрического резонатора.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом резонаторе, содержащем закрепленный в кварцедержателе ПЭ с колебаниями сдвига по толщине, выполненный в виде кристаллической пласти- ны круглой формы из монокристалла кварца, на боковой поверхности которой расположены два диаметрально противоположных предварительно напряженных компенсационных пояска, меньшая из угловых координат середин компенсационных поясков, отсчитываемая от кристаллофизи- ческой оси X , угловой размер и толщина каждого из компенсационных поясков, а также знак тангенциальной составляющей предварительного напряжения в компенса- ционных поясках выбраны из условия

-+У - -CD

О)

б I Kf(V)dV Vo-y

где т/;-текущая угловая координата, отсчи,- тываемая от кристаллофизической оси X , рад;

Kf (ip ) - функция зависимости силового коэффициента частоты пьезоэлемента от текущей угловой координаты чр, м с/Н;

- меньшая из угловых координат середин компенсационных поясков, отсчитываемая от кристаллофизической оси X , рад.;

2у -угловой размер компенсационного пояска, рад.;

д - толщина компенсационного пояска, м;

С - средний относительный уход частоты за фиксированный промежуток времени Т (например, за 1 год) после технологического прогона пьезоэлектрического резонатора с таким же пьезоэлементом, но не содержащим компенсационных поясков;

D - диаметр пьезоэлемента, м;

а - тангенциальная составляющая предварительного напряжения в компенсационных поясках, Н м ; ао.сп .Q5 - средняя величина изменения тангенциальной составляющей механических напряжений в контактных поясках за промежуток времени Т после технологического прогона, зависящая от материала пояска, Н м ; (Дсг 0, если предварительное напряжение о растягивающее, т.е. о 0; Д 0, если предварительное напряжение а сжимающее, т.е. ст 0);

N - частотный коэффициент применяемого в пьезоэлементе среза кварца, м с .

Сущность изобретения состоит в том, что на боковых гранях ПЭ расположены два предварительно напряженных компенсационных пояска, причем меньшая из угловых координат середин компенсационных поясков, отсчитываемая от кристаллофизической оси XI, толщина, угловой размер и знак тангенциальной составляющей предварительного напряжения в компенсационных поясках выбраны из условия (1), что обеспечивает создание в ПЭ таких механических напряжений, релаксация которых приводит за фиксированный промежуток времени Т (например, 1 год) после технологического прогона к уходу частоты, равному по величине, но противоположному по знаку среднему уходу частоты за тот же промежуток времени Т после технологического прогона КР с таким же ПЭ, но без компенсационных поясков. В результате уход частоты существенно уменьшается, и, следовательно, повышается долговременная стабильность частоты пьезоэлектрического резонатора.

На фиг.1 изображен пьезоэлемент КР; на фиг.2 графически показаны силы, воздействующие на поясок; на фиг.З - силы, действующие на пьезоэлемент со стороны пояска.

На фиг.1 обозначены кварцевая пластина ПЭ 1, электроды 2 (изображены напыленными на кварцевую пластину, но в общем случае они могут быть как любой конфигурации, так и выполненными с зазором с кварцевой пластиной), электроконтактные пояски 3, места пайки 4, компенсационные пояски 5.

Элементы 3, 4 определяются конструкцией КР и в общем случае могут отсутствовать.

При выбранном в соответствии с условием (1) знаке величины Асг обеспечивается необходимый знак предварительного напряжения в пояске 5. Следует учесть, что знаки величины Асг и тангенциальной составляющей предварительного напряжения а в компенсационном пояске противоположны. Например, если знаки левой части в формуле (1) и относительного ухода частоты С не совпадают, то 0 , т.е. предварительные тангенциальные напряжения в компенсационном пояске должны быть растягивающими.

Так как величина lAal практически не зависит от уровня предварительного напряжения о в компенсационных поясках, то не требуется высокая точность при создании предварительного напряжения, а требуется лишь, чтобы это предварительное напряжение о имело определенный знак и вызывало пластическую деформацию пояска. Поэтому в качестве нижней границы для1сМ следует выбирать значение 0о,01Предела упругости при е 0,01% ( е-абсолютная величина деформации компенсационного пояска), т.е. величину напряжения, которой отвечает остаточная деформация 0,01%. Для того, чтобы не вызывать слишком большой деформации яска и ограничить локальное механическое воздействие со стороны поясков на кристаллическую пластину, в качестве верхней границы для I а следует выбирать значение (70,05 .

Созданные в компенсационных поясках начальные напряжения стабилизируются после термотренировок. Затем в процесе технологического прогона в режиме возбуждения и температуры, близких к эксплуатационным, происходит снижение начальных напряжений - это первый этап релаксации напряжений (0 г то ), когда оно быстро изменяется. При начинается второй этап релаксации напряжения, на котором скорость уменьшения напряжения уже значительно ниже. Эксплуатация КР начинается при т г TQ.

Уменьшение растягивающих напряжений в пояске эквивалентного приложению дополнительных сил Р со стороны ПЭ (фиг.2). При этом возникают также нормальные усилия q, существование которых вытекает из рассмотрения равновесия пояска, условно отделенного от ПЭ. Из условия равновесия вытекает: I p I Iq I. Соответственно, со стороны пояска на ПЭ действует противоположная дополнительная нагрузка q; (фиг.З).

При релаксации напряжений в предварительно растянутом пояске напряжение сг в нем уменьшается за фиксированный промежуток времени Т: Дсг 0 . В этом случае величина q Aa-h д, где h - толщина ПЭ, - отрицательна, а противоположная величина q положительна, что отвечает растягивающим силам, действующим на ПЭ (фиг.З).

Если же поясок сжат, то при релаксации напряжения lal убывает и Да 0. В результате силы q , действующие на ПЭ, окажутся сжимающими ().

Как показывает расчет, силы Р практически не дают напряжений в центре ПЭ. Поэтому уход частоты определяется только силами q .

Уход частоты КР, вызываемый силами q (фиг.З), определяется выражением

().

т и Vo-y

Здесь f0 - основная частота КР. Так как для ПЭ, имеющего форму круглой пластины, h -т-.то учитывая, что q fo

Да - h д и q -q, окончательно получим:

0

Af -Ьа6Ы fr

%-у

f

D

Для компенсации необходимо, чтобы

,Af

было -г- - С , откуда и получается условие (1).

с Наличие в ПЭ компенсационных поясков, размер и толщина которых, их положение на боковой поверхности кристаллической пластины, а также знак тангенциальной составляющей предварио тельного напряжения в них выбраны из условия (1), обеспечивает компенсацию уходов частоты, вызванных старением КР.

Таким образом, повышается долговременная стабильность кварцевых резонато5 ровДля уменьшения угловых размеров компенсационных поясков их угловое местоположение на боковой поверхности ПЭ следует выбирать в тех областях, где функQ ция Kf(i/) имеет максимальное или минимальное значение. Причем точку минимума функции Kf(i/) выбирают в тех случаях, когда в этой точке Kf(V ) 0 (например, для ПЭ среза AT).

5 Зависимость Kf(V ) у различных срезов кварца, применяемых в ПЭ, может быть различной. Она может изменять знак, а может сохранять знак при всех значениях углов /; В последнем случае для уменьшения угло0 вых размеров компенсационных поясков, их угловое местоположение на боковой поверхности ПЭ выбирают таким, чтобы угол t/b соответствовал максимуму модуля функции Kf(t/ ).

5 При совпадении знаков функции Kf(t/j ) и относительного ухода частоты С Да 0 В этом случае пояски предварительно ежа ты. В процессе релаксации дополнительна нагрузка на поясок соответствует фиг.З, действие пояска на ПЭ - фиг.2. Сжимающисилы q, действующие на ПЭ(фиг.2), приведут к относительному уходу частоты, знак которого противоположен знаку функции Kf(i/) , т е, противоположен и знаку С, как и требуется.

Если же знаки функции К,( ) и относи- тельного ухода частоты С противоположны, то . В этом случае дополнительная нагрузка на ПЭ со стороны пояска в процессе релаксации напряжений (фиг.З) содержит растягивающие силы q , что приводит к ухо- ду частоты, совпадающему по знаку со знаком Kf(i/ ), т.е. противоположному по знаку уходу С.

Выбор величины 1р0 и знака Да,обеспечивающий компенсацию ухода С, следует производить, используя следующее из условия (1) соотношение

)Асг ,(2)

после чего определяют толщину и угловой размер 2$ компенсационного пояска из за- висимости,

V-ti+yг п

6 / W - Tsk Tr з

уже не обращая внимания при расчете на знаки левой и правой частей зависимости

(1).

Если зависимость Kf(i/) знакопеременна, как это имеет место для срезов AT, IT, SC, то для компенсационных поясков мож- но использовать как варианте 0, так и вариант с Да 0 , выбирая угловую координату фо так, чтобы удовлетворялось соотношение (1).

Создать предварительное напряжение нужного знака в компенсационных поясках можно используя для них материал, коэффициент термического расширения ап которого отличен от коэффициента термического расширения кварца (Хкв в точках боковой поверхности ПЭ, отвечающих серединам компенсационных поясков, в тангенциальном направлении. При нанесении пояска на боковую поверхность кристаллической пластины путем вжигания, после остывания в пояске возникнут растягивающие напряжения ( (), если dn «KB и сжимающие напряжения (а 0 ), если «п 2КВ .

В частности, можно использовать мате- риал, широко применяемый при изготовлении КР - серебросодержащую пасту, у которой On «KB При этом, так как а 0 и, значит, Дст 0 , то угловую координату t/Лэ определяют таким образом, чтобы знаки Kf(t/0 и С были противоположными.

При старении КР средний уход (относительный) их частоты С за фиксированное время Т может быть как положительным, так

и отрицательным. Если средний относительный уход частоты С положительный, то угол тро выбирают соответствующим минимуму функции Kf( )), а если средний относительный уход частоты С отрицательный, то угол тро выбирают соответствующим максимуму

ФУНКЦИИ Kf().

Пример. Примем в качестве материала компенсационных поясков серебросодержащую пасту, для которой ап акв.В таких поясках величина . У кварцевых резонаторов, ПЭ которых изготовлены обычным способом (т.е. без компенсационных поясков), после их технологического прогона определяют средний относительный уход частоты С за фиксированный промежуток времени Т (например, за 1 год). Из выражения (2) находится меньшая из угловых координат t/k середин компенсационных поясков, отсчитываемая от кристаллофизической оси X . Из выражения (3) определяется толщна д и угловой размер 2 у компенсационного пояска. На боковой поверхности ПЭ в местах, соответствующих ipo вжигаются пояски, имеющие угловые размеры 2у и толщину 6 .

Формула изобретения Пьезоэлектрический резонатор, содержащий закрепленный в кварцедержателе пьезоэлемент с колебаниями сдвига по толщине, выполненный в виде кристаллической пластины круглой формы из монокристалла кварца, на боковой поверхности которой расположены два диаметрально противоположных предварительно напряженных компенсационных пояска, о т- личающийся тем, что, с целью повышения долговременной стабильности частоты пьезоэлектрического резонатора, меньшая из угловых координат середин компенсационных поясков, отсчитываемая от кристаллофизической оси X , угловой размер и толщина каждого из компенсационных поясков, а также знак тангенциальной составляющей предварительного напряжения в компенсационных поясках выбраны из условия

%+у д / Kf(V)dV Vo-y

где тр -текущая угловая координата, отсчитываемая от кристаллофизической оси X , рад;

KKV ) ФУНКЦИЯ зависимости силового коэффициента, частоты пьезоэлемента от текущей угловой координаты 1/; , м/с/н;

1ро меньшая из угловых координат середин компенсационных поясков, отсчитываемая от кристаллофизической оси X , рад;

2у -угловой размер компенсационного пояска, рад;

С - средний относительный уход частоты за фиксированный промежуток времени Т (например, за 1 год) после технологического прогона пьезоэлектрического резонатора с таким же пьезоэлементом, но не содержащим компенсационных поясков;

D - диаметр пьезоэлемента, м;

а-тангенциальная составляющая предварительного напряжения в компенсационных поясках, Н-м ; (70.01 СГ (70,05

0

Лег - средняя величина изменения тангенциальной составляющей механических напряжений в компенсационных поясках за промежуток времени Т после технологического прогона, зависящая от материала, Н-м ;

Дох 0, если предварительное напряжение а- растягивающее, т.е.

, если предварительное напряжение а - сжимающее, т.е. а 0 ;

N - частотный коэффициент применяемого в пьезоэлементе среза кварца, м с ,

а - толщина компенсационного пояска, м.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в пьезоэлектрических устройствах стабилизации частоты. Цель изобретения - повышение долговременной стабильности частоты пьезоэлектрического резонатора. Сущность изобретения заключается в создании в компенсационных поясках предварительного напряжения нужного диска, для этого используют материал, коэффициент термического расширения которого отличен от коэффициента термического расширения кварца. 3 ил.

Фиг.1