Литвинов В.П., Богуславский С.В., Каландадзе Д.И.
Московский государственный открытый университет, ООО «БМГ-Кварц»
Известны герметичные и вакуумные пьезоэлектрические резонаторы в металлических и стеклянных корпусах самых различных видов и типов, конструкции которых представлены в [1]. Все конструкции резонаторов, описанные в Справочнике, для соединения электродов пьезоэлемента с внешней электрической цепью имеют гибкие или жесткие электрические выводы, выполненные через корпус, который состоит из двух частей: основания и крышки (кожуха, колпачка, баллона) корпуса. Чтобы обеспечить стабильность частоты, современные резонаторы имеют, как правило, герметичные корпуса, надежно защищающие их от действия влажности, изменений внешнего атмосферного давления и быстрых изменений температуры. Материалы элементов корпуса и материалы, используемые для соединения его частей, также как и все внутренние детали резонатора, не должны быть источниками даже ничтожных загрязнений пьезоэлемента. Внутренний объем корпуса заполняют сухим инертным газом или воздухом при давлении, близком к атмосферному, или создают внутри него разрежение не менее 10 Па. В первом случае резонаторы являются герметичными, во втором – вакуумными.
Качество резонаторов в значительной мере определяется способом соединения частей корпуса и конструкцией выводов. В металлических корпусах основание с крышкой соединяют пайкой мягкими припоями, контактной, плазменной, лазерной или холодной сваркой. Любая из перечисленных сварок обеспечивает вакуум – плотность. Использование же пайки с флюсами отрицательно отражается на стабильности частоты во времени. Поэтому обычно используют бесфлюсовую пайку токами высокой частоты или сварные соединения, которые не только более надежны, но и обеспечивают меньшее старение резонаторов. Однако на старение резонаторов большое влияние оказывают также выводы резонаторов. В стеклянных корпусах металлические выводы непосредственно вваривают в стеклянное основание корпуса, а в металлических или другого типа токопроводящих корпусах выводы делают с изоляторами, как правило, стеклянными, вместе с которыми уже закрепляют в металлическом основании корпуса. С течением времени на резонатор воздействуют различные температуры (нагрев – охлаждение) и за счет разных температурных коэффициентов расширения токопроводящего вывода и стеклянного основания или изолятора, в последних образуются микротрещины, и нарушается герметизация корпуса. Это приводит к проникновению внутрь корпуса различных газов и влаги, которые вызывают окисление электродов и изменение частоты резонатора и других его параметров со временем.
Известен также пьезоэлектрический резонатор, содержащий стеклянный вакуумированный баллон с проволочными выводами с нанесенными на его внутреннюю и внешнюю поверхности металлизированными слоями, образующими первый и второй конденсаторы, и с расположенными внутри баллона в держателе пьезоэлементом с двумя металлопленочными электродами, при этом внутренние металлизированные слои соединены с соответствующими электродами пьезоэлемента, а внешние – с выводами резонатора [2]. Достоинством этого резонатора являются улучшенные характеристики старения, за счет устранения возможности притока воздуха в баллон в местах формирования выводов резонатора. Однако он имеет ряд недостатков, таких как крайне низкая технологичность, большие габариты и большое влияние последовательно включенных емкостей на параметры резонатора. Низкая технологичность обусловлена большой трудностью нанесения пленочных электродов на внутреннюю поверхность цилиндрического стеклянного корпуса резонатора с достаточно малым диаметром, а тем более двух электродов. Чтобы обеспечить минимальное влияние подключенных конденсаторов С1 и С2 на параметры резонатора должно выполняться условие, что С1 и С2 много больше С0, где С0 – статическая емкость кварцевого резонатора. Однако для обеспечения этого условия необходимо увеличивать площадь электродов и уменьшать толщину баллона корпуса резонатора. Уменьшать толщину нельзя, поскольку нарушается надежность резонатора, а увеличивать нецелесообразно, т.к. при этом растут габариты, что также недопустимо. Кроме того следует отметить, что невозможно в представленном техническом решении выполнить конденсаторы С1 и С2 больше статической емкости С0, более чем в 5-6 раз, а это означает, что последовательно емкости С0 подключена емкость максимально величиной всего в 3 раза большая С0, т.к. конденсаторы С1 и С2 включены последовательно. В результате подключенные емкости оказывают значительное влияние на параметры резонатора, в частности сужают межрезонансный промежуток и ухудшают управляемость частоты резонатора.
Поэтому была разработана конструкция бесконтактного пьезоэлек-трического резонатора, обеспечивающая повышение технологичности, при одновременном уменьшении габаритов и снижении влияния емкостей выводов на параметры резонатора. Элементы конструкции резонатора показаны на рис. 1 – 4. На рис. 1 представлен пьезоэлемент, на котором показана пьезоэлектрическая пластина 1 с электродами 2 и 3 и соответственно выводами 4 и 5. На рис. 2, 3, и 4 представлено основание корпуса резонатора без крышки и пьезоэлемента, показанного на рис 1. Рис. 2 – вид основания корпуса сверху, рис. 3 – вид сбоку с вырезом, рис. 4 – вид снизу (с внешней стороны основания корпуса). На основании корпуса выполнены два конденсатора, первые обкладки которых 6 и 7 размещены на его внутренней грани и соединены соответственно с выводами электродов 4 и 5, а вторые обкладки 8 и 9 размещены на внешней грани основания корпуса и соединены соответственно с выводами резонатора 10 и 11.
Высокочастотный сигнал на пьезоэлемент 1 поступает через конденсаторы. Отсутствие электрических проводников, проходящих через корпус резонатора и соединяющих выводы резонатора с выводами электродов, обеспечивает полную герметизацию пьезоэлектрического резонатора, которая со временем не нарушается. Поэтому в предложенном техническом решении обеспечивается снижение старения пьезоэлектрического резонатора и повышение его долговременной стабильности с течением времени. Однако выполнение корпуса из материала с большой диэлектрической проницаемостью, состоящим из раздельных основания и крышки прямоугольной формы, значительно повышают технологичность конструкции, поскольку на плоской поверхности легко выполнить конденсаторы требуемой величины, значительно больше статической емкости резонатора. Кроме того, данная конструкция резонатора позволяет легко обеспечить малую толщину крышки и основания, что также способствует увеличению подключенных емкостей и уменьшению габаритов резонатора.
Высокочастотный сигнал поступает на пьезоэлемент 1 через последовательно подключенные конденсаторы соответственно с обкладками 6, 8 и 7, 9. Чтобы обеспечить работоспособность пьезоэлектрического резонатора и не ухудшить его параметры, в частности, не уменьшить управляемость по частоте, емкость подключаемых конденсаторов должна быть не менее чем на порядок больше его статической емкости С0. Для высокочастотных резонаторов статическая емкость С0 обычно находится в пределах от 2.2 до 4 пФ. Если принять ее равной 3 пФ, то емкость подключаемых конденсаторов должна быть не менее 30 — 40 пФ. Изолятором, между обкладками конденсатора, является материал основания или крышки корпуса. Для получения большой емкости первого и второго конденсаторов основание корпуса должно быть выполнено из диэлектрика с достаточно большой диэлектрической проницаемостью, например керамики. Диэлектрическая проницаемость керамики обычно находится в пределах 80 – 100. Проверим возможность реализации конденсаторов для малогабаритного пьезоэлектрического резонатора в металлокерамическим корпусе с габаритами 12 х 8 х 1 мм.
Из [3] известно, что величина емкости плоского конденсатора равна
где k — коэффициент, зависящий от выбора системы единиц
k = 1 (СИ), = 1/4 πε0 (СГСЭ);
ε0 — электрическая постоянная;
ε — диэлектрическая проницаемость изолятора, находящегося между обкладками;
S – площадь обкладки;
d – расстояние между обкладками.
Примем: S = 0,25 см2 ; ε = 80; d = 0,025.
После подстановки k =1/4 πε0 и вышепринятых значений S , ε и d в формулу для С получим
С = ε S/4π d = 80*0,25 / 4*3,14*0,025 = 64 см.
С учетом, что 1 пФ = 0,9 см, имеем С = 71 пФ, что значительно больше требуемых 30 – 40 пФ.
При выполнении первого и второго конденсаторов на основании корпуса крышка корпуса может быть выполнена из металла. Однако возможно выполнение конденсаторов на крышке или одного из конденсаторов на основании, а другого на крышке, в этом случае крышка также должна быть выполнена из керамики.
Литература:
1. Справочник по кварцевым резонаторам. Под ред. П.Г. Позднякова. – М.: Связь, 1978., стр. 54 – 72.
2. Авторское свидетельство СССР №845267, МПК: НО3Н 9/15, 1779.
3. Морев А.И. и Белов Г.В. Конспект курса элементарной физики. Пособие для поступающих в ВУЗы. — М.: ВЗПИ, 1974, стр.95.
4. Патент на изобретение РФ №2310977, МПК: Н03Н 9/15, 2006.
_______________________________________________________________________________________