ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТРОВЫЙ КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР АТ-СРЕЗА
HIGH-FREQUENCY FILTER AT CUT CRYSTAL RESONATOR

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано для изготовления кварцевых звеньев в высокочастотных фильтрах.
Аналогом изобретения является высокочастотный кварцевый резонатор [1], который содержит кристаллический элемент АТ-среза в форме обратной мезаструктуры с нанесенными на его поверхности с обеих сторон эллиптическими электродами, токоотводами и контактными площадками в местах крепления кристаллического элемента в арматуру типа НС-45; при этом большие диаметры электродов ориентированы вдоль кристаллографической оси X, малые диаметры ориентированы вдоль оси Z', где Z' - проекция кристаллографической оси Z на плоскость кристаллического элемента, а отношение диаметров равно 1,25. Электроды в форме эллипса действительно позволяют эффективно реализовать колебания основной моды кристаллического элемента (КЭ), обеспечивая стабильность динамических параметров. Однако в описании к патенту [2] проведен анализ геометрических размеров и формы электродов и влияния их на параметры резонаторов. Установлено, что несоосность круглых и эллиптических электродов по диаметрам ±0,05 мм, характерная для производственных условий, приводит к разбросу значений динамического сопротивления и индуктивности ±10%.
Ближайшим аналогом является миниатюрный высокочастотный кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамическим параметрам [2]. Резонатор изготовлен на основе арматуры НС-45 и включает кристаллический элемент, выполненный в виде обратной мезаструктуры с нанесенными на его поверхности крестообразными электродами, причем один электрод направлен по оси X, а второй - по проекции оси Z на плоскость КЭ, а размер выступов электродов за пересечение d определяется соотношением d/h≥30, где h - толщина рабочей области КЭ. В такой конструкции удалось расширить частотный диапазон до 100 МГц с обеспечением требований по моночастотности исходя из теории захвата энергии, а также резко уменьшить разбросы по индуктивности и сопротивлению, которые связаны с несоосностью электродов.
Основным недостатком рассмотренных аналоговых устройств является отсутствие связи ориентации электродов, токоотводов и контактных площадок с профилем обратной мезаструктуры. Это не позволило авторам указанных изобретений получить стабильность динамических параметров фильтровых кварцевых резонаторов, например, в диапазоне 100-400 МГц.
Задачей изобретения является разработка серийной конструкции фильтрового кварцевого резонатора AT-среза с улучшенной моночастотностью и динамическими параметрами, работающего как в диапазоне до 100 МГц, так и выше 100 МГц по основной моде. Практически - повышение выхода годных изделий и их качества.
Для решения поставленной задачи предложен высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор AT-среза, включающий кристаллический элемент, выполненный в виде обратной мезаструктуры с нанесенными на его поверхность крестообразными электродами, токоотводами и контактными площадками в местах крепления в арматуру НС-45, причем размер выступов крестообразных электродов за пересечение d определяется соотношением d/h≥30, где h - толщина рабочей области КЭ, а отношение размера области пересечения электродов в направлении кристаллографической оси Х к размеру в направлении Z' равно 1,25, и при этом область пересечения электродов имеет форму ромба, большая диагональ которого совпадает с направлением оси X, малая диагональ совпадает с направлением Z', выступающие концы электродов повернуты в сторону положительного направления оси X, а электроды, токоотводы и контактные площадки расположены в одной плоскости с каждой стороны КЭ.
На фиг.1 изображен пьезоэлемент резонатора в трех проекциях.
На фиг.2 - фрагмент крестообразных электродов.
На фиг.3 показана схема поэтапного изготовления КЭ в форме обратной мезаструктуры: а - круглая пластина кварца AT-среза, ориентированная сегментным скосом по +Х; б - после предварительного жидкостного химического травления; в - с двусторонним защитным покрытием; г - после формирования обратной мезаструктуры полирующим травлением; д - после удаления защитного покрытия.
На фиг.4 изображен профиль травления КЭ из кварца AT-среза в растворе NaOH.
На фиг.5 - подобный профиль в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Пьезоэлемент предложенного резонатора (фиг.1) содержит кварцевый КЭ АТ-среза в форме обратной мезаструктуры 1, ориентированный по оси X, например, сегментным скосом 2, крестообразные электроды 3, токоотводы 4 и контактные площадки 5 в местах крепления пьезоэлемента в арматуру НС-45. Крестообразные электроды 3 имеют область пересечения в форме ромба ABCD (фиг.2), большая диагональ АС которого совпадает с направлением оси X, малая диагональ BD - с направлением Z', отношение диагоналей AC/BD=1,25, а выступающие концы электродов 3 повернуты в сторону положительного направления оси X. При этом крестообразные электроды 3, токоотводы 4 и контактные площадки 5 получены вакуумным напылением серебра с адгезионным подслоем нихрома и расположены в одной плоскости на каждой из сторон КЭ 1. На контактных площадках 5 условно овалами обозначены места крепления, обычно - клеевой монтаж.
Электроды с рабочей областью в форме ромба позволяют максимально использовать преимущества крестообразных электродов с размером выступов d (фиг.2), показанные в техническом решении [2], и в то же время близки по эффективности захвата колебательной энергии к электродам с эллипсообразной формой [1].
Технологический процесс изготовления кварцевого КЭ схематично показан на фиг.3. На первом этапе полированные кварцевые пластины (фиг.3а) диаметром 5 мм и толщиной 80-90 мкм (зависит от поставки) подвергают предварительному травлению до толщины 50-60 мкм в 80% водном растворе NaOH, при температуре (195±2)°С по аналогии с [3]. Травление осуществляют на установке, изготовленной по патенту [4] и дополнительно оборудованной блоком нагрева и стабилизации температуры в пределах 80-250°С. В результате поверхности пластин остаются полированными, однако образуются фаски 6 (фиг.3б) с двух сторон как проявление анизотропных свойств раствора NaOH. На втором этапе на кварцевых пластинах формируют защитное покрытие 7 (фиг.3в) определенной формы, например, вакуумным напылением меди с адгезионным подслоем нихрома. Пластины снова травят при температуре (195±2)°С и получают КЭ 1 (фиг.3г) в форме обратной мезаструктуры. На последнем этапе удаляют защитное покрытие 7 (фиг.3д), растворяя пленки меди и нихрома. Далее готовые КЭ 1 (фиг.3д) передают на финишные операции изготовления кварцевых резонаторов: вакуумное напыление электродов, токоотводов и контактных площадок; крепление в корпус арматуры НС-45; настройка на рабочую частоту и герметизация корпуса.
Изготовлены опытные партии фильтровых кварцевых резонаторов AT-среза на частоту 130 МГц и 234-237 МГц по основной гармонике. Установлены форма и размеры КЭ для этих резонаторов. Размеры получены с помощью интерферометра МИИ-4 с применением стандартных калибров. На фиг.4 показан профиль травления КЭ для резонатора на 130 МГц в виде сечения по диаметру пластины, совпадающему с осью X. Цифрами на чертеже указаны размеры в микрометрах. Анализ чертежа позволяет сделать следующие заключения.
Профиль травления имеет характер зеркального изображения по вертикали относительно центра О. В направлении +Х, кроме упомянутых фасок 6 на внешней кромке КЭ, образуются пологие склоны протяженностью до 25 мкм, наклон которых совпадает с нормалью к линии PP. В направлении -X пологие участки склонов (7 мкм) переходят в отвесные. Очевидно, что причиной появления и пологих, и отвесных склонов на профиле обратной мезаструктуры является анизотропия, т.е. более высокая скорость травления кварца в направлении нормали к линии РР в плоскости чертежа.
С одной стороны, фаски и пологие склоны удобны для ориентации пластин по направлениям -X и +Х даже в производственных условиях. Например, поступила партия пластин из 1000 штук. Обычно сегментный скос 2 на пластинах (фиг.3) задает только направление оси X. Пробное травление одной или нескольких пластин в растворе NaOH уже за 15 мин выявляет фаски 6 (фиг.3), которые задают направление +Х для всей партии, относительно которого ориентируют маски для напыления защитного покрытия 7 (фиг.3в и 3г) и электродов 3 (фиг.1).
d
d
С другой стороны, образование отвесных склонов на профиле травления нарушает электрическую связь электродов с контактными площадками в резонаторах. В опыте изготовлено 10 резонаторов на 130 МГц. В каждом из последующих резонаторов, начиная со второго, диаметрально противоположные токоотводы и контактные площадки развернуты на 30° по окружности относительно предыдущего. При этом разброс величины динамического сопротивления R резонаторов имеет пределы 20-400 Ом. Нанесение электропроводящего клея на профиль КЭ с крутыми склонами выравнивает R этой партии до 20-30 Ом. По этой же причине авторы [3] изготовили КЭ в форме обратной мезаструктуры с одной стороны пластин кварца AT-среза, а токоотводы от круглых электродов на контактные площадки строго сориентировали по оси +Х, где получен пологий склон на профиле травления.
d
Однако в результате несовмещения круглых электродов в партии из 10 резонаторов на частоту 139,26 МГц разброс по динамической индуктивности превышает 11% от среднего значения, а по R разброс достигает 24% (табл.1 в работе [3]).
Оптимальным является условие, когда электроды, токоотводы и контактные площадки находятся на одной плоскости с каждой стороны КЭ, что и реализовано в предложенной конструкции резонатора (фиг.1).
Дополнительное подтверждение можно увидеть на чертежах фиг.5а и 5б, где изображены сечения КЭ для резонатора на 250 МГц в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: вдоль оси Х и в направлении Z'. Здесь глубина травления (22 мкм) с каждой стороны КЭ сравнима с аналогичной глубиной (19 мкм) в изделиях [3]. Совпадают и отношения а/b (фиг.5а), и ориентация пологих склонов профиля травления в направлении +Х. В направлении -X склон профиля травления имеет отрицательный угол наклона; в направлениях Z' (фиг.5б) наблюдаются отвесные склоны и склоны с отрицательным углом наклона. Вот причина ослабления или разрыва электрической связи между электродами, токоотводами и контактными площадками в резонаторах без строгой ориентации их относительно профиля травления.
Следует заметить, что авторы [1] и [2] для травления КЭ из кварца AT-среза использовали полирующий раствор плавиковой кислоты и бутанола при 80°С. Анизотропия при этом тоже проявляется, а профили травления качественно подобны изображенным на фиг.4 и фиг.5 и отличаются только размерами. Поэтому использование указанных технических решений не гарантирует высокую производительность и качество изделий при серийном изготовлении фильтровых резонаторов, например, в диапазоне частот 100-400 МГц.
В заявленной конструкции резонатора выступающие концы электродов повернуты в сторону +Х (фиг.1). Выбор сделан по результатам опытов. При такой геометрии электродов число годных резонаторов на 130 МГц с допустимым разбросом динамических параметров увеличивается на 15% по сравнению с обратным направлением электродов. Причиной и объяснением этого, вероятно, является анизотропность кварца. Например, в работе [5] при глубоком травлении кварцевых пластин AT-среза скорости растворения кварца в направлениях -m и -n (фиг.1) почти в 2 раза выше, чем в направлениях +m и +n. Возможно, и условия распространения акустических колебаний в этих направлениях тоже отличаются.
d
d
В таблице 1 приведены параметры резонаторов на 130 МГц: F - частота основной моды; R, L - динамическое сопротивление и индуктивность; Q - добротность.
Таблица 1
F, кГц
R<sub>d</sub>, OM
L<sub>d</sub>, мГн
Q
Q·F, Гц
130430,5
22
1,0
37250
5,1·10<sup>12</sup>
130430,5
23
1,1
39194
130431,4
23
1,0
35631
130432,1
21
1,1
39195
130432,4
23
1,1
39195
130431,4
21
1,0
39025
130432,8
23
1,0
35632
130430,6
24
1,0
34146
130431,3
20
1,0
40976
130431,3
20
1,0
40976
Резонаторы имеют вакуумное исполнение и герметизированы в арматуре НС-45 контактной сваркой. Электроды резонаторов шириной 0,3 мм выполнены термическим напылением серебра с толщиной, соответствующей сдвигу частоты 6000 кГц. Анализ показывает, что при высокой добротности на частоте 130 МГц разброс динамических параметров существенно ниже, чем в прототипе. Побочный резонанс сдвинут относительно основного на 2000 кГц и имеет ослабление 10 дБ.
Предложенный резонатор имеет добротность в два раза выше, чем аналогичный резонатор на 139,26 МГц (см. табл.1 в работе [3]). Побочный резонанс в аналоговом резонаторе сдвинут всего на 600 кГц при ослаблении 10 дБ.
В таблице 2 приведены параметры резонаторов на 234-237 МГц, выполненные согласно заявленному техническому решению, но без настройки частоты. Исполнение аналогичное, как для резонаторов на 130 МГц.
Добротность резонаторов в табл.2 имеет тот же уровень, что и на частоте 130 МГц. Это указывает на оптимальную реализацию в заявленной конструкции акустических свойств кварца AT-среза.
Таблица 2
F, МГц
R<sub>d</sub>, OM
L<sub>d</sub>, мГн
Q
Q·F, Гц
234,65
8,0
0,15
27708
6,4·10<sup>12</sup>
234,91
7,9
0,14
26156
236,04
8,0
0,14
25954
236,10
7,9
0,15
28166
236,13
8,3
0,15
26812
236,39
8,0
0,14
25992
237,55
8,1
0,15
27640
237,63
7,8
0,15
28712
Эффективность реализации акустической энергии оценивается фактором Q·F, где F измеряется в Гц. Например, в условиях серийного производства [6] известно для высокочастотных резонаторов:
12
F=139 МГц→Q·F=3·10
12
F=220 МГц→Q·F=3,7·10.
Для резонаторов из табл.1 и табл.2 средние величины Q·F:
12
F=130 MГц→Q·F=5,1·10
12
F=237 МГц→Q·F=6,4·10,
что подтверждает высокое качество резонаторов в предложенном изобретении.
Источники информации
1. Патент России 2264029 С1, 27.04.2004, Н03Н 9/22, 9/54.
2. Патент России 2232461 С2, 08.04.2002, Н03Н 9/13.
th
3. High Frequency Quartz Resonators Manufactured by Chemical Process. G.Pentovelis, P.Collet, 8 European Frequency and Time Forum with Exhibition, Germany, vol.1, march 9-11, 1994, p.263-272.
4. Патент России 2296417 С2, 30.05.2005, Н03Н 3/02.
th
5. Micromachining of Quartz Crystals: Experiments and Three-Dimensional Simulation of Etched Shapes. C.R.Teller and D.Benmessaouda, 8European Frequency and Time Forum with Exhibition, Germany, vol.1, march 9-11, 1994, p.245-255.
th
6. An Industrial Quartz Manufacturing Process by Chemical Etching. O.Cambon at all, 8 European Frequency and Time Forum with Exhibition, Germany, vol.1, march 9-11, p.261.