СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ С ЛИНЕЙНОЙ ТЕМПЕРАТУРНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ
METHOD OF MAKING QUARTZ-CRYSTAL RESONATORS WITH LINEAR TEMPERATURE-FREQUENCY CHARACTERISTIC

Изобретение относится к области технологии изготовления пьезоэлектрических резонаторов и может быть использовано в пьезотехнике для изготовления кварцевых термочувствительных пьезоэлектрических датчиков-измерителей, применяемых в качестве прецизионных измерителей.
Известен способ изготовления кварцевых пьезоэлектрических резонаторов, в котором при измерении внешней температуры пропорционально изменяется собственная частота колебаний (См. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М., Энергия, 1978, стр.129-130).
Однако при измерениях знакопеременных значений температур, особенно в широких пределах, например, -80°C→+240°C→+80°C, наблюдается нецикличность температурно-частотной характеристики (ТЧХ) кварцевых резонаторов или, так называемый, гистерезис измерений, когда при одних и тех же значениях температуры внешней среды собственная частота колебаний имеет разную величину. Такое явление эквивалентно возникновению значительной погрешности измерений.
Для уменьшения нецикличности ТЧХ при измерениях термочувствительным кварцевым резонатором проводят десятикратную термотренировку путем выдержки таких резонаторов попеременно при температуре кипения жидкого азота -195,8°С и в вакуумной нагревательной печи при температуре +150°С в течение часа. После такой термотренировки кварцевые резонаторы на частоте собственных колебаний подвергаются возбуждению повышенного уровня при увеличении напряжения возбуждения в 1,5-2 раза. Погрешность измерений температуры из-за нецикличности после таких воздействий может быть уменьшена в три раза.
Недостатками известного способа изготовления термочувствительных кварцевых резонаторов являются: сложность технологии изготовления, нелинейность и неидентичность измерительных характеристик ТЧХ термочувствительных кварцевых резонаторов, обусловленные ориентацией двухповоротного угла среза, отсутствием достаточно точной и четкой привязки к атомным плоскостям кварца, погрешностью рентгеногониометра и неконтролируемым уходом углов срезов в процессе изготовления пьезопластин механической шлифовкой.
Известен способ изготовления пьезоэлектрических кварцевых резонаторов, взятый за прототип, включающий нанесение металлических электродов на поверхность пьезопластины, монтаж полученного пьезоэлемента на основание, настройку резонансной частоты пьезовибратора и после каждой операции термообработку в изопропиловом спирте при температуре жидкого азота и монтаж пьезовибратора в корпус. (См. авторское свидетельство Н.Д.Дронова-Дувалджи, Боева В.П. и Мосевниной Н.Д. № 1103778 МПК H03H 3/02 "Способ изготовления пьезоэлектрических резонаторов" от 26.02.1982.) Применение такого способа изготовления пьезоизделий позволяет упростить технологию термообработки и полностью исключить нецикличность или гистерезис измерительной ТЧХ кварцевых резонаторов.
Недостатками указанного способа изготовления термочувствительных пьезоэлектрических резонаторов с линейной и идентичной ТЧХ является сложность технологии изготовления пьезопластин с требуемым специальным срезом, поскольку при рентгеновских измерениях углов отсутствует достаточная точная и четкая привязка к атомным плоскостям кварца. Кроме того, наименьшая погрешность современных рентгеногониометров при определении необходимых углов срезов кварца составляет от ±15″ до ±30″, а неконтролируемые уходы углов срезов в процессе изготовления пьезопластин механической шлифовкой могут быть еще более значительными, что резко снижает процент выхода годных пьезорезонаторов с идентичными и линейными ТЧХ.
Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение качества изготовления пьезоэлектрических резонаторов, упрощение и удешевление технологического процесса, повышение выхода годных, при групповом способе изготовления пьезоизделий с температурно-частотной характеристикой, обладающей высокой линейностью, идентичностью и повторяемостью для каждого термочувствительного резонатора.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления кварцевых резонаторов с линейной температурно-частотной характеристикой, включающем нанесение металлических электродов на поверхность пьезопластины АТ-среза, монтаж полученного пьезоэлемента на основание, настройку резонансной частоты пьезовибратора и после каждой операции термообработку в изопропиловом спирте при температуре жидкого азота, и монтаж пьезовибратора в корпус, после охлаждения пьезовибратор нагревают в герметичной капсуле с подачей элегаза под давлением.
Причем с повышением температуры нагрева пьезовибратора со скоростью 1,5 -2°С /сек в капсулу подают элегаз под давлением 5 МПа до достижения температуры 163 -180°С, при которой выдерживают капсулу в течении 30 мин, а затем осуществляют нагрев с такой же скоростью с увеличением давления элегаза до 7 МПа до температуры 225-235°С, при которой выдерживают капсулу в течение 30 мин, после чего продолжают нагрев со скоростью не более 1°С/сек при давлении элегаза 8,5 МПа до температуры 242-255°С, при которой осуществляют выдержку 20 мин, а затем отключают нагрев и охлаждают капсулу вместе с оборудованием при давлении элегаза 8,5 МПа до температуры 147 -157°С, при которой включают нагрев со скоростью 1,5 -2°С/сек при сохранении давления элегаза 8,5 Мпа до температуры 242 -255°С, при которой осуществляют выдержку при том же давлении элегаза в течении 40 мин, а затем осуществляют нагрев со скоростью не выше 1,5°С/сек до температуры выше точки Кюри 573 -600°С при увеличении давления элегаза до 10 МПа, выдерживают капсулу при этой температуре и давлении в течении одного часа, после чего отключат нагрев и осуществляют охлаждение капсулы вместе с оборудованием с сохранением давления элегаза в капсуле 10 МПа до комнатной температуры.
Монокристаллический кварц в зависимости от температуры и давления окружающей среды обладает свойством постепенного изменения внутренней кристаллической структуры при фазовых переходах II-го рода, при этом для монокристаллического кварца высокотемпературная фаза обладает большей степенью симметрии, чем низкотемпературная.
Такой ряд превращений позволяет выявить узловые значения температур для технологии термообработки кварца. Кварц γ превращается в кварц α при температуре - 182°С, тридимит δ превращается в тридимит γ при температуре 117°С, тридимит α - в кристобалит α при температуре 147°С, тридимит γ - в тридимит β при температуре 163°С, тридимит β - в тридимит α при температуре 225°С, кристобалит β - в кристобалит α при температуре 242°С, кварц β превращается в кварц α при температуре точки Кюри 573°С.
Поскольку теплота превращения кварца при температуре 242°С наибольшая, то перекристаллизация структуры при этой температуре является наиболее энергоемкой, что определяет сложность температурных переходов в сочетании с изменением давления элегаза при температуре 242°С в технологии термообработки пьезоизделий.
6
Элегаз имеет химическую формулу SF (гексафторид серы) и является инертным химически стойким газом до 800°С с высокой теплопроводимостыо, равной гелию, с очень близкими свойствам к идеальному газу.
В основе создания изобретения лежит экпериментальный факт превращения ТЧХ резонаторов АТ-среза ух1/+35°, при нагреве выше точки Кюри по предлагаемой технологии с наложением давления элегаза, в одну прямую линию, имеющие обычно ТЧХ до термообработки нагреванием в виде графика кубической параболы с разбросом параметров, зависимых от величины разброса угла среза при заводском изготовлении пьезоэлементов.
Неоднократная экспериментальная проверка для разных номинальных частот колебаний от 3 МГц до 27 МГц не выявила каких-либо изменений этого факта, за исключением явного брака. Все ТЧХ совпадали друг с другом, процент выхода годных пьезовибраторов увеличивался. В каждой партии кварцевые резонаторы обладали свойством взаимозаменяемости независимо от того, на какой гармонике по частоте осуществлялось их возбуждение.
Благодаря групповой технологии термообработки в герметичной капсуле при повышенном давлении элегаза нагревом пьезовибраторов с пьезоэлементами АТ-среза, температурно-частотные характеристики пьезоэлементов превращаются в идентичную, совпадающую для каждого пьезовибратора, линейную повторяющуюся пропорциональную зависимость частоты собственных колебаний пьезоэлементов от температуры внешней среды.
Кварцевые резонаторы, полученные по такой технологии термообработкой, имели все одинаковую, совпадающую и повторяющуюся линейную ТЧХ, не отличающуюся друг от друга от температуры - 262,6°С (температура кипения жидкого водорода) до температуры +290°С (точка кипения глицерина).
Эксперименты проводились на вакуумной нагревательной установке типа "Рогун", в которой в стенке вакуумной камеры были выполнены два герметичных ввода из нержавеющей стали трубками диаметром 10 мм для соединения в вакуумной камере с герметичной капсулой, а снаружи один ввод предназначен для герметичного соединения с баллоном элегаза через газовый редуктор с регулировкой давления, а другой ввод - снаружи имел на выходе игольчатый вакуумный вентиль.
Герметичная капсула представляла цилиндрический сосуд из нержавеющей стали диаметром 180 мм, высотой 100 мм, с толщиною стенки 8 мм и крышкой, сочленяющей с цилиндром через вакуумное уплотнение из медной шайбы 8-ю болтами М6. Ввод газа в капсулу осуществлялся через отрезок трубки из нержавеющей стали, вваренной в стенку цилиндра, с байонетным разъемом для соединения с трубчатым вводом газа в вакуумную камеру. Другой ввод в капсулу также осуществлялся через отрезок трубы, вваренный в стенку цилиндра капсулы, с байонетным разъемом для соединения с трубчатым вводом в вакуумную камеру. Второй ввод в капсулу располагался как можно выше первого.
Пример. В капсуле описанной конструкции на стальной кольцевой подставке размещались 30 пьезовибраторов на основаниях варианта корпуса типа Б, для герметизации холодной сваркой с вертикально расположенными серийными пьезоэлементами АТ-среза с полированной пьезопластиной диаметром 10 мм и нанесенными электродами из серебра.
H
Н
-6
Номинальная частота параллельного резонанса (f=7126 кГц) была выбрана с учетом увеличения частоты собственных колебаний после термообработки по предлагаемой технологии. Точность вакуумной настройки пьезоэлементов резистивным нанесением серебра составляла 7126 кГц ±0,5·10·f. Капсула с герметично завернутыми пробками на вводных трубках заливалась изопропиловым спиртом до покрытия полностью пьезовибраторов слоем жидкости около 15-20 мм и герметично, через медную прокладку, соединялась болтами с крышкой, помещалась в цилиндрический сосуд большего размера.
В этот цилиндрический сосуд заливался из дьюара жидкий азот до покрытия полностью капсулы жидким азотом. В жидком азоте капсула выдерживалась 15 минут, затем извлекалась, выдерживалась при комнатной температуре 40-50 мин до полного растаивания льда спирта, вскрывалась, из изопропилового спирта извлекались пьезовибраторы вместе с кольцевой подставкой и помещались в вытяжной шкаф для просушки от изопропилового спирта.
Н
Н
-6
После просушки у пьезовибраторов измерялась собственная частота колебаний f и динамическое сопротивление. Если частота колебаний уменьшалась больше точности настройки ±0,5·10·f в 6-8 раз, т.е. на 22-30 Гц, то такой пьезовибратор изымался из партии резонаторов и отправлялся на серийное изготовление кварцевых резонаторов АТ-среза.
При увеличении частоты колебаний больше точности настройки пьезовибратор подстраивался до номинальной частоты. Если динамическое сопротивление пьезовибратора увеличилось с 5 Ом до 20-30 Ом, то пьезовибратор также изымался из партии и отправлялся для изготовления серийного резонатора АТ-среза.
Далее, оставшиеся после разбраковки пьезовибраторы снова устанавливались на кольцевую подставку, которая помещалась с ними в высушенную от спирта капсулу. Капсула герметизировалась крышкой через новую медную прокладку стяжкой болтов, помещалась в вакуумную камеру установки нагрева типа "Рогун", тщательно соединялась с трубчатыми вводами в вакуумную камеру, а снаружи к вводу подсоединялся герметично баллон с гексафторидом серы с редуктором и манометром. Второй ввод в камеру установки запирался игольчатым вентилем.
Вакуумная камера включалась на откачку и проверялась герметичность капсулы и ее соединений по вакуумметру камеры и манометру на баллоне. Все соединения должны быть надежно герметичными, поскольку подвергаются в процессе термообработки воздействию повышенной температуры и давления.
В капсулу после открытия вентиля баллона через редуктор подавалось давление элегаза не более 0,3 атм, игольчатый клапан второго ввода открывался на 3-4 минуты и включался ускоренный нагрев вакуумной камеры до 50°С. После промывки капсулы элегазом в течение 3-4 минут игольчатый вентиль закрывается, редуктором в капсуле поднимается давление элегаза до 5 МПа и включался нагрев вакуумной камеры со скоростью 1,5 -2°С/сек до температуры 163-180°С.
При достижении этой температуры при этом же давлении элегаза проводилась выдержка капсулы в вакуумной камере в течение 30 мин, после которой увеличивалось давление элегаза в капсуле до 7 Мпа с помощью редуктора и продолжался нагрев до температуры 225 -235°С с такой же скоростью. При достижении 225 -235°С при давлении 7 МПа производилась выдержка в течение 30 минут, после которой скорость нагрева уменьшалась до 1°С/сек (не более) и увеличивалось давление элегаза в капсуле до 8,5 МПа.
Нагрев камеры продолжался до температуры 242 -255°С, при которой выдерживалась капсула под давлением элегаза 8,5 МПа в течение 20 минут. После такой выдержки нагрев вакуумной камеры отключали, и капсула охлаждалась вместе с камерой с сохранением давления в ней элегаза 8,5 МПа до температуры 147 -157°С.
При достижении такой температуры включался нагрев камеры со скоростью 1,5-2°С/сек при сохранении давления элегаза 8,5 МПа до температуры 242 -255°С, при которой осуществлялась выдержка при том же давлении элегаза в течение 40 мин, а затем осуществлялся нагрев со скоростью не выше 1,5°С/сек до температуры выше точки Кюри 573-600°С при увеличении давления элегаза до 10 МПа. Капсула выдерживалась при этой температуре и давлении в течение одного часа, после чего отключался нагрев и осуществлялось охлаждение капсулы вместе с оборудованием с сохранением давления элегаза в капсуле 10 МПа до комнатной температуры.
После выполнения такой технологии термообработки в результате перекристаллизации пьезопластин из монокристаллического кварца частота собственных колебаний пьезовибраторов увеличивалась из-за увеличения частотной постоянной N=1760 кГц·мм для АТ-среза и становилась равной N=2470 кГц·мм для структуры кварца после перекристаллизации, если считать, что толщина пьезопластин оставалась неизменной.
f
Диапазон рабочих температур при сохранении линейности, идентичности и повторяемости ТЧХ каждого кварцевого резонатора в партии в корпусах типа Б, герметизируемых холодной сваркой и заполненных элегазом, согласно авт. свид. Дронова-Дувалджи Н.Д., Иванова В.Я., Шварцштейна Г.Н. и Боева В.П. №810043 от 03.11.1980 г., МПК Н03Н 3/02 "Герметизируемый кварцевый резонатор", составлял от - 195,8°С до +290°С (температура кипения глицерина марки ОСЧ при нормальном давлении). Коэффициент термочувствительности C=2663 Гц/°С по первой гармонике. При температуре +290°С рабочая частота кварцевого резонатора составляла 10705,6 кГц, для температуры - 195,8°С - составляла 95218,5 кГц. Брак пьезовибраторов после термообработки отсутствовал.
Использование предлагаемого способа обеспечивает, по сравнению с существующими, следующие преимущества:
- сокращение времени проведения производственного цикла изготовления термочувствительных кварцевых резонаторов с использованием пьезопластин для серийных резонаторов АТ-среза, поскольку основным производственным участкам нет необходимости менять технологические операции изготовления, кроме участка термообработки;
- улучшение качества пьезоизделий за счет получения линейных, идентичных и повторяющихся ТЧХ с большим процентом выхода годных;
- упрощение и удешевление технологического процесса изготовления термочувствительных кварцевых резонаторов за счет отказа от изготовления кварцевых пьезопластин специальных срезов и упрощения технологии настройки.