МИНИАТЮРНЫЙ КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР (ГЕНЕРАТОР)-ТЕРМОСТАТ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для производства высокостабильных кварцевых резонаторов и генераторов с внутренним термостатированием.
Известны малогабаритные кварцевые резонаторы-термостаты (КРТ) и генераторы-термостаты (КГТ), в которых пленочный нагреватель и датчик температуры расположены на кварцевом пьезоэлементе (ПЭ) [1]. Пьезоэлемент через проволочные стойки держателя крепится либо непосредственно на основание корпуса, либо на промежуточную плату с дополнительной схемой терморегулирования на базе транзистора. На промежуточной плате размещается часть электронной схемы КГТ.
Такие устройства в стеклянных баллонах имеют недостаточную механическую прочность, а в металлостеклянных корпусах - сложный цикл изготовления и сборки элементов конструкции.
Ближайшим аналогом является серийный генератор [2]. Генератор выполнен в вакуумированом корпусе DIP-14 и содержит кварцевый пьезоэлемент с пленочным нагревателем и датчиком температуры, которые вместе с электрической схемой блоков термостатирования и автогенерации размещены на теплопроводящей плате, которая через стеклянные колонки теплоизолятора приклеена на основание корпуса.
-7
Генератор имеет малые габариты (22×12×5), высокую стабильность частоты (<10 за год) и малое энергопотребление (50-70 мВт), однако, по техническим условиям механическая стойкость конструкции к одиночным ударам на уровне 100g. Стеклянные колонки изготавливались по сложной технологии размерной шлифовки и обработки поверхностей для приклейки к плате и основанию корпуса.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение механической прочности конструкций с одновременным упрощением технологий изготовления и сборки ее элементов.
Поставленная задача решается тем, что в КРТ или КГТ, включающем кварцевый пьезоэлемент с пленочным нагревателем, датчик температуры и блок термостатирования с электрической схемой, помещенные на теплопроводящей плате, которая с помощью теплоизолятора установлена на основании вакуумированного корпуса, теплоизолятором являются стойки, выполненные из металлических, например, нихромовых полосок в форме крючков с отогнутыми в разные стороны концами, образующими на разных уровнях площадки с взаимно параллельными плоскостями, причем нижняя площадка приварена к основанию корпуса точечной сваркой, а на верхнюю площадку приклеена плата на «клеевой замок».
На фиг.1 показана конструкция КРТ (КГТ) в корпусе DIP-14.
На фиг.2 показан эскиз металлической стойки теплоизолятора.
На фиг.3 представлена структурная схема термостатированния КРТ.
Предлагаемое устройство имеет вакуумированный корпус и содержит основание 1 (фиг.1) с изолированными выводами 2, кожух 3, пьезоэлемент 4 с пленочным нагревателем 5, напылеными на периферийную часть ПЭ 4, и датчиком температуры 6, держатели 7, теплопроводящую плату 8 и блок термостатирования 9 с электрической схемой 10, связанной золотыми проводниками 11 с выводами 2 и держателями 7.
Плата 8 установлена на основании 1 через стойки теплоизолятора 12 (фиг.1,2), соединенные в позиции 13 точечной сваркой с основанием 1, а в позиции 14 использован клеевой монтаж термостойким клеем, например К-400. Блок термостатирования 9 (фиг.3) содержит дополнительный нагреватель-транзистор 15, омический мост 16 и операционный усилитель 17, а вместе с пленочным нагревателем 5 и датчиком температуры 6 обеспечивает терморегулирование КРТ.
Устройство работает следующим образом. В момент его включения напряжение одновременно подается на пьезоэлемент 4 и на схему терморегулирования, которая обеспечивает рабочий режим с заданной стабильностью частоты. При этом датчик температуры 6 (фиг.1), размещенный на ПЭ 4 и включенный в омический мост 16 (фиг.3) в начальный момент имеет температуру и сопротивление отличные от режима термостатирования, вследствие чего на выходе операционного усилителя 17 возникает управляющее напряжение рассогласования, которое после усиления открывает транзистор 15; таким образом идет разогрев пленочного нагревателя 5 и дополнительного нагревателя-транзистора 15. По мере установления теплового баланса на элементах КРТ (КГТ) и нагрева ПЭ 4 до рабочей температуры, сопротивление датчика 6 изменяется до оптимального уровня, соответствующего рабочему режиму функционирования устройства.
Опытные образцы КРТ и КГТ на частоту 10 МГц выполнены в прямоугольном металлическом корпусе типа DIP-14.
Кварцевый пьезоэлемент ТД-среза имеет серебряное электродное покрытие с подслоем нихрома и пленочный нагреватель из нихрома -изготовлены по стандартной технологии кварцевого производства.
Блок термостатирования КРТ смонтирован на поликоровой плате. Использованы групповые операции для поверхностного монтажа резисторов Р1-12 и многослойных конденсаторов типоразмеров 0805 и 0603, а также транзисторов и диодов в корпусах SOT-23.
Кроме того, на плате размещен дополнительный нагреватель на базе транзистора 2Т831 В1 и держатели ПЭ, к которым приклеивается пьезоэлемент токопроводящим клеем ТОК-2. Клеем К-400 к ПЭ приклеен датчик температуры СТ1-18. Недостающие соединения схемы КРТ осуществляют золотыми проводниками с помощью точечной сварки.
На поликоровой плате КГТ кроме схемы терморегулирования размещена схема автогенератора [2].
В заявленном устройстве плату с элементами КРТ или КГТ приклеивают на четыре стойки теплоизолятора, размещая клей К-400 на верхней площадке А-Б (фиг.2) стоек так, чтобы он охватывал торцы платы, образуя «клеевой замок» (фиг.1). Стойки теплоизолятора предварительно привариваются к основанию корпуса точечной сваркой по площадке С-Д.
Стойки для опытных партий изготовлены прокатом нихромовой проволоки диаметром 0,4 мм до сечения 0,2×0,6 мм. Далее металлические полоски изгибаются в пресс-форме за один проход пресса. Высота внутренней полости корпуса DIP-14 3 мм. Отсюда выбрана высота стоек - 2,8 мм. Следует отметить, что тепловой путь каждой стойки теплоизолятора равен ~5,4 мм. Это обеспечивает тепловые потери, например, КГТ на 10 МГц, сравнимые с потерями в аналогах и прототипе, 50-70 мВт при температуре 25°С.
-5
Корпус DIP-14 герметизируется рельефной контурной сваркой. Финишное вакуумирование корпуса производится через пуклевочное отверстие в кожухе при разрежении 2*10 мм.рт.ст. с последующей запайкой пуклевочного отверстия в вакууме [3].
Тепловые потери можно уменьшить выбором корпуса большей высоты, а следовательно большей высоты стоек; выбором материала с меньшей теплопроводностью, например, сплавы титана; или выбором количества стоек. Так КРТ в круглом корпусе ТО-8 удобно монтировать на 3х стойках теплоизолятора.
Опытные партии серийных генераторов (прототип) и генераторов заявленной конструкции испытаны на виброустойчивость и ударную прочность. Согласно техническим условиям все образцы устойчивы к низкочастотным вибрациям. Не обнаружено деформации элементов конструкции. Также все образцы выдержали ударные нагрузки с ускорением 150g. При нагрузках 200g получили механические повреждения и потеряли работоспособность серийные генераторы (прототип). Конструкция заявленной полезной модели выдерживает ударные нагрузки до 400g.
Таким образом положительный эффект достигается изменением конструкции, технологии изготовления и монтажа стоек теплоизолятора при реализации полезной модели. Механическая прочность конструкции КГТ (одиночные удары) возрастает в 2,5 раза по сравнению с прототипом. Более чем в 10 раз снижается трудоемкость изготовления стоек теплоизолятора и монтажа на них элементов генератора.
Источники информации.
1. Справочник. Пьезоэлектрические резонаторы. Под ред. П.Е.Кандыбы и П.Г.Позднякова. М.: Радио и связь. 1992. с 307-380.
2. Генератор кварцевый М32017 УИЯД.433532.019, ОАО НИИ Приборостроения, 2006 г., г. Омск.
3. Патент РФ №2349025, НОЗН 3/00, 10.03.2009. Способ изготовления миниатюрного кварцевого генератора (резонатора) - термостата.