Прецизионный кварцевый резонатор Советский патент 1982 года по МПК H03H9/00 H03H9/08 

(54) ПРЕЦИЗИОННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР ,Изобретение относится к технике ст стабилизации частоты к может быть использовано в аппаратуре службы времени и частоты и в измерительной технике. Известно, что дешьнейшее сокращение времени установления частоты квар цевого генератора возможно при уменьшении массы термостатируемого объекта С этой точки зрения наиболее перспективным является применение в генераторе-резонатора,в котором в едином вакуумированном баллоне совмещены пьезоэлемент, нагреватель и термодатчик, а термостатируемым объектом выступает непосредственно кварцевая плас тина, подогреваемая нанесенным на нее .пленочным нагревателем 1. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является кварцевый резонатор, снабженный двумя расположенными в вакуумном баллоне излучателями тепловой энергии, выполненными в виде сферических зеркал с напыленными на их внутренних поверхностях пленочными нагревателями, образующими полость, внутри которой расположен пьезоэлемент с возбуждаюдими электродами, на торцовой поверхности которого з.акреплен датчик температуры С2 3. Недостатком прототипа является низкая технологичность сборки конструкции и относительно большое время установления частоты и потребление энергии. Цель изобретения - уменьшение времени установления частоты и потребления энергии. Поставленная цель достигается тем, что прецизионный кварцевый резонатор, содержащий терморегулятор, вакуумированный баллон, в котором помещены термодатчик, излучатели тепловой энергии, выполненные в виде .зеркал с отражающими электропроводящими поверхностями и с размещенными на их внутренних поверхностях пленочными нагревателями, образующих полость, внутри которой расположен пьезоэлемент с возбуждающими электродг1ми, снабжен опорным диском с размещенными на его поверхностях участками -электропроводящей отражающей пленки, отражающие электропроводящие поверхности зеркал выполнены в виде разделенных областей, пьезоэлемент жестко соединен в узловых точках с пленочным нагревателем по крайней мере одного из зеркал, а зеркала жестко соединены между собой на участках, расположенных на периферийных частях их поверхностей, дополнительными пленочными контактными площадками и прикреплены держателями к опорному диску, причем возбуждающие электроды .пьезоэлемента, пленочный нагреватель |и тёрмодатчик соединены с выводами кварцевого резонатора через участки электропроводящей отражающей пленки опорного диска, а внутренняя поверхность вакуумированного баллона выпол нен.а с электропроводящей отража ощей пленкой, опорный диск и зеркала выполнены из кварца с ориентацией крис таллографических осей, аналогичной пьезоэлементу. На чертеже приведена конструкция прецизионного кварцевого резонатора. Резонатор содержит вакуумированный баллон 1, на внутреннюю поверхносЬгь которого нанесена зеркальная, отражающая тепловые лучи, электропроводящая пленка 2, пьезрэлемент 3, верхнее зеркало 4 излучателя тепловой энергии, нижнее зеркало 5 излучателя тепловой энергии, структурные пленочные контактные площадки б для крепления пьезлэлемента 3 к пленочному нагревателю, структурные пленоч ные контактные площадки 7 для крепле ния зеркал излучателя тепловой энергии между собой, отражающие электропроводящие пленки 8 поверхностей зер кал излучателей тепловой энергии, выполненные в виде разделенных, облас тей, участки отражающих электропроводящих пленок 9 поверхностей зеркал излучателей тепловой энергии, служащие одновременно возбуждающими элект родами пьезоэлемента 3, пленочные нагреватели 10, пленочные термодатчи ки 11, теплоизолирующий слой 12 зеркал, опорный диск 13, з.еркальная электропроводящая пленка 14 отражающих поверхностей опорного 13., выполненная в виде разделенных участ ков, участки зеркальной.электропроводящей пленки 15 поверхности опорно го диска 13, служащие одновременно для соединения выводов возбуждающих электродов 9, нагревателя 10 и термо датчика 11 с выводами прецизионного кварцевого резонатора, технологические щели 16 для обеспечения вакуумирования пьезоэлемента 3, держателя 17 зеркал излучателя тепловой энергии, пружины 18 держателя 17 опорного диска 13, выводы 19 прецизионного кварцевого резонатора, вожженое серебро 20 для крепления держателей 17 зеркал излучателя тепловой энерги Опорный диск 13 выполнен в виде плоскопараллельной линзы из кварца, ориентация кристаллографических осей которого аналогична пьезоэлементу 3. На поверхности плоскости опорного диска 13, обращенной в сторону расположения нижнего зеркала 5 излучателя тепловой энергии, нанесены участки зеркальной электропроводящей пленки 14. С этой же стороны к опорному диску 13 закреплены держатели 17 зеркал излучателя тепловой энергии, выполненные, например, из сплава платинида, которые, проходя сквозь опорный диск 13, соединяют электрически выводы возбуждающих электродов 9 пьезоэлемента 3, пленочного нагревателя 10 и пленочного термодатчика 11, через последовательно включенные участки зеркальной электропроводящей пленки 15, с выводами -19 прецизионного кварцевого резонатора. Соединение выводов возбуждающих электродов 9, пленочного нагревателя 10 и пленочного термодатчика 11 с выводами 19 прецизионного кварцевого резонатора через посредство участков зеркальных- электропроводящих пленок 15 позволяет уменьшить утечку тепла из объема вакуумированного баллона 1. Уменьшение воздействия акустической энергии на прочность соединения пьезоэлемента 3 с пленочным нагревателем 10 обеспечивается предварительным расчетом пьезоэлемента по методу захвата акустической энергии, позволяющим свести колебательную скорость в его узловых точках близкую к нулю. Для уменьшения потерь тепловой энергии инфракрасного спектра излучения на наружные поверхности зеркал 4 и 5 излучателя тепловой энергии наносится вакуумным напылением пленка 12 моноокиси германия. С этой же целью на внутреннюю поверхность вакуумированного баллона 1 наносится методом химического осаждения зеркальная электропроводящая пленка 2 серебра. Термокомпрессионный технологический метод жесткого закрепления пьезоэлемента 3 к поверхности пленочного нагревателя 10 нижнего зеркала 5 и скрепления между собой зеркал 4 и 5 излучателя тепловой энергии позволяет использовать экономичный групповой автоматизированный способ сборки элементов и обеспечить высокую вос:производительность электрических параметров серийно изготавливаелшх прецизионных кварцевых резисторов. Это, в свою очередь, позволяет заранее путем расчета величин площадей участков отражающих электропроводящих пленок 9 зеркал 4 и 5, служащих одновременно возбуждающими электродами пьезоэлемента, и величин зазоров между ними и поверхностями активной области пьезоэлемента 3 обеспечить заданные параметры прецизионного кварцевого резонатора - номинальное значение частоты, добротность и т.д.

В предлагаемой конструкции прецизионного кварцевого резонатора можно легко реализовать без ухудшения его электрических параметров введение дополнительных возбуждающих электродов что позволит обеспечить управление известными способами его частотой и более точную установку номинального значения его частоты.

Прецизионный кварцевый резрнатор работает следующим образом.

При включении ток терморегулятора прецизионного кварцевого резонатора нагревает пленочный нагреватель 10, тепловая энергия которого погло цается объемом монолитной конструкции излучателя (4 и 5) тепловой энергии с пьезоэлементом 3, в основном, как через тепловое излучение инфракрасного спектра от повеохности пленочного нагревателя 10, многократно отраженногозеркалами 4 и 5 излучателя тепловой энергий, так и непосредственно через теплопроводность структурных пленочных площадок 6 и .7 соединяквдих между собой в тепловом отнетнении тшеночный нагреватель 10 с пьезоэлементом 3 и зеркала излучателя тепловой энергии.

Ток в пленочном нагревателе 10 регулируется терморегуляторе, связанным с пленочным термодатчиксял 11. Терморегулятор содержит, например, термозависимый мост, детектор, усилитель постоянного тока и усилитель мощности, в нагрузку которого включен пленочный нагреватель 10 прецизионного кварцевого резонатора. В свою очередь, термозависимый мост содержит резонансный контур, настроенный на частоту 10-15 кГц, к вторичным обмоткам которого подключены соответственно пленочный термодатчик 11 и регулировочный резистор установки величины температуры термостатирования. Общая точка резонансного контра образует через конденсатор обратную связь.

После включения терморегулятора прецизионного кварцевого резонатора в De vjtbTaTe оазболанса сопротивлений термозависимого моста появляется Сигнал переменного напряжения.

Термозависимый мост выполнен таким образом, что при температуре Б объеме монолитной конструкции излучателя (4 и 5} тепловой энергии с пьезоэлементом 3 ниже заданной, обратная связь - положительная. В схем возникают колебания, амплитуда которых изменяется в обратной зависимости от температурь в объеме монолитной конструкции излучателя (4 и 5) тепловой энергии с пьезоэлементом 3, При температуре выше заданной обратная связь - отрицательная и генератор термозависимого моста не возюуждается. Генерируемый термозависимым мостом сигнал переменного напряжения поступает на вход детектора, Детектор преобразует сигнал переменного напряжения в сигнал постоянного напряжения. С выхода детектора сигнаш постоянного напряжения после усиления в устройствах усилителей постоянного тока и мсидности поступает на пленочный пагреватель 10 прецизионного кварцевого резонатора.

0

По мере разогрева объема монолитной конструкции излучателя (4 и 5) тепловой энергии с пьезоэлементс 3 до температуры термостатирования, определяемой значением TQ пьезоэлемента, ток протекающий через пленоч5ный нагреватель 10 прецизионного кварцевого резонатора, уменьшается до величины, установленной балансом термозависимого моста,

Предлагаемая конструкция дает

0 иное результирующее тепловое сопротивление между пьезоэлементом прецизионного кварцевого резонатора и окружающей средой. Для ускорения установления частоты и уменьшения потреб5ления энергии целесообразно повысить это сопротивление как можно больше.

Результирующее тепловое сопротивление между пьезоэлементом 3 и возбуждающими электродами, с одной сторо0ны, и баллоном 1, с другой стороны, для уменьшения тепловых потерь в предлагаемой конструкции прецизионного кварцевого резонатора увеличено. Это увеличение результирующего тепло5вого сопротивления достигается путем использования в качестве возбуждающих электродов пьезоэлемента разделенных частей отражающих электропроводящих пленок зеркал излучателя теп0ловой энергии, расположенных с зазором от поверхностей активной области пьезоэлемента, нанесением на внутреннюю поверхность баллона зеркальной электропроводящей пленки серебра, на5 ,несением на поверхность опорного Диска зеркальной электропроводящей пленки сшюминия, соединения зеркальных электропроводящих пленок баллона и опорного диска в электрическом и тепловом отношениях и соединением выво0дов возбуждающих электродов, пленочных нагревателя и термодатчика с выводами прецизионного кварцевого резонатора через посредство разделенных участков пленки зеркальной элект5ропроводящей поверхности опорного диска..

Большая величина результирующего теплового сопротивления позволяет обеспечить лучшую равномерность рас0пределения температур, что, в свою очередь, повышает кратковременную стабильность частоты.

Если температура стабилизации соответствует экстремальной точке ТЧХ

5 пьезоэлемента прецизионного кварцево