Некоторые результаты экспериментальных исследований по совершенствованию изделий пьезотехники

Некоторые результаты

экспериментальных исследований по совершенствованию изделий пьезотехники

Данная статья открывает цикл публикаций, посвященных пьезоэлектронным изделиям (кварцевые резонаторы, микрорезонаторы, новые типы широкополосных фильтров, пьезоэлектрические генераторы и др.), разрабатываемым и производимым московской группой предприятий пьезоэлектроники.

Андрей Мацак

(095) 963 26 63

Семь предприятий пьезоэлектроники («Пьезо», «Фомос-технолоджи», «Микросистема», «БМГ-кварц», «БМГ-плюс», «Пьезотрон», «Камертон-М») объединили свои усилия с целью сохранения производственного и научного потенциала, возможности участия в международных выставках, конференциях, организациях.

Несмотря на серьезные экономические трудности, на предприятиях группы «Пьезо» производились за счет собственных средств работы, направленные на совершенствование конструкций и технологий в производстве пьезоэлектронных изделий. Результаты этих исследований позволили создать экспериментальные образцы новых типов пьезоэлектрических резонаторов, микрогенераторов, монолитных фильтров. Параметры созданных изделий соответствуют, а в некоторых случаях и превышают современный мировой уровень. Это позволило нашим предприятиям повысить конкурентоспособность производства и в несколько раз увеличить объемы реализации. Высокий технический уровень созданных экспериментальных образцов обеспечил их применение не только в аппаратуре народнохозяйственного назначения, но и в приборах, устройствах и оборудовании спецтехники. Они используются более чем на 40 предприятиях России.

Основными направлениями в совершенствовании наших изделий явились:

• микроминиатюризация;

• повышение надежности;

• совершенствование параметров и эксплуатационных характеристик, а также их воспроизводимости;

• снижение себестоимости.

Одним из важных направлений деятельности в решении этих задач явилась разработка критериев отбора монокристаллов, технологических и конструкционных материалов, комплектующих деталей [1].

Для высокостабильных и высокочастотных устройств пьезоэлектроники используются кристаллические элементы из высококачественного электро-

очищенного кварца. С целью обеспечения разработок и производства новых типов широкополосных фильтров и управляемых по частоте генераторов были проведены исследования по созданию технологии выращивания высококачественных монокристаллов лангасита и танталата лития [2, 3].

Разработка и усовершенствование ряда технологических операций позволила нам повысить температурную и долговременную стабилизацию частоты кварцевых резонаторов в диапазоне от 3,5 до 150 МГц в стандартных корпусах миниатюрной серии (МД-ОСТ 11338.810-81) [4, 5]. Введенный на предприятии процесс абразивной резки ленточными пилами обеспечивает получение кристаллических заготовок с точностью операции не хуже ±1', что, в свою очередь, позволяет нам получать резонаторы с пьезоэлементами среза АТ, обладающими температурной стабильностью не хуже ±5х10-6 в интервале температур -10...+60 °С. Использование высококачественных абразивных материалов, применение высокопроизводительных и надежных методов настройки и герметизации позволило снизить долговременную нестабильность частоты резонаторов до ±(1—3)х10-6 в год.

Резонаторы в стандартных корпусах имеют объем порядка 0,7 см3. Применение микроминиатюрных корпусов серии ММ[4] или СИ 04 (А, В, С, Д) [5] позволяет снизить объем резонатора до 0,17-0,076 мм. Экспериментальные образцы резонаторов на частоты 25-350 МГц, изготовленные на нашем предприятии, имеют объем 0,02-0,01 см3.

Проведенными исследованиями зависимости электрических параметров и эксплуатационных характеристик пьезоэлектрических резонаторов и фильтров от геометрических форм и размеров кристаллических элементов и электродов установлены возможности не только миниатюризации этих изделий, но и пути их совершенствования по стабильности и воспроизводимости, новые возможности вариации любых параметров.

В основном исследовались вибраторы в форме брусков, полосок и обратных меза-структур (ОМС). Установлена возможность изготовления миниатюрных и малогабаритных резонаторов в современных [5] стандартных корпусах на частоты 15 кГц - 1000 МГц. Мы готовы принять к разработке такие резонаторы.

Особый интерес представляют пьезоэлектрические резонаторы на объемных акустических волнах толщинного сдвига с возбуждением на основной частоте, поскольку они обладают небольшим динамическим сопротивлением и широким резонансным промежутком, обеспечивающим возможность перестройки частоты генератора или создания широкополосных фильтров. Наше предприятие является единственным в России, на котором разработан и используется в производстве высокопроизводительный процесс жидкостного химического фрезерования кристаллических элементов в форме ОМС [6].

В области частот 3,5-30 МГц перспективны микрорезонаторы с полосковыми кристаллическими элементами. Они обладают повышенной механической прочностью, высокой технологической и эксплутационной надежностью, хорошей воспроизводимостью основных параметров и характеристик [7, 8]. Объем такого резонатора не превышает 0,25 см3.

На частоты от 15 до 3500 кГц могут быть изготовлены резонаторы с пьезоэлементом в форме бруска, в котором можно возбуждать колебания изгиба, кручения, продольные, контурного и толщинного сдвига в зависимости от требуемой частоты. За последние 10 лет на предприятиях группы «Пьезо» создана большая теоретическая и экспериментальная база для проектирования и производства малогабаритных и миниатюрных пьезоэлектрических монолитных фильтров на основе объемных акустических волн из монокристаллов кварца, танталата лития и лангасита. Монолитные фильтры обладают следующими преимуществами по сравнению с фильтрами навесного монтажа:

• высокая надежность;

• меньшие габариты и вес;

• высокая технологичность (малооперационная и групповая технология);

• более низкая трудоемкость и себестоимость.

Сегодня нами выпускается более 50 типо-

номиналов монолитных фильтров в диапазоне частот 1,9-93,5 МГц. Они отличаются объ-

емами корпуса (от 0,1 до 1,5 см3), относительной шириной полосы пропускания (от 1х10-4 до 2х10-2), порядком фильтра (от 2 до 10), диапазоном рабочих температур, затуханием в побочных полосах пропускания, максимальным затуханием в полосе задерживания, коэффициентом прямоугольности и другими параметрами.

Более 40 предприятий России и других стран используют при проектировании и производстве своей радиоэлектронной аппаратуры наши фильтры.

Пьезоэлектрические генераторы, разработанные предприятиями группы «Пьезо», применяются в переносной радиосвязной аппаратуре, видеокамерах, устройствах цифровой передачи данных, низовой радиосвязи, приборах и устройствах вычислительной техники, охранной сигнализации, синтезаторах речи, микропроцессорной технике, в телекоммуникационном и навигационном оборудовании и многих других областях науки и техники. При их изготовлении используется современная технология и оборудование, новейшая база и методы тестирования, отвечающие требованиям международных стандартов. Используемые корпуса (в основном типа DIL-14) соответствуют стандартам МЭК. Наши предприятия выпускают пьезоэлектрические генераторы трех классов:

• простые (ПГ);

• управляемые напряжением (УНПГ);

• термокомпенсационные (ТКПГ).

Диапазон частот разрабатываемых и изготавливаемых нами генераторов составляет (0,02-600 МГц); пределы перестройки (±80...±300)х10-6 °С; температурная стабильность (±0,5...±80)х10-6 °С — в зависимости от типа генератора и рабочего интервала температур. Наши предприятия сегодня выпускают более 20 типов генераторов трех перечисленных выше классов, которые применяются практически 35 предприятиями России. По температурной и эксплуатационной стабильности, старению, линейности модуляционной характеристики наши генераторы соответствуют требованиям международных стандартов [9].

В последующие годы самыми высокими темпами развивается рынок высокочастотных резонаторов и генераторов для связной аппаратуры (особенно в аппаратах абонентов), а также в микропроцессорных СБИС, в которых они служат источниками тактовой частоты. Этот рынок сбыта резонаторов и генера-

торов становится достаточно стабильным. Однако для успешного функционирования производства необходимо обеспечить решение следующих проблем:

• развитие прикладных и фундаментальных исследований, направленных на создание новых материалов, микроминиатюрных и высокостабильных пьезоэлектрических резонаторов, фильтров и генераторов;

• опережающий рост объема производства высококачественных монокристаллов кварца, лангасита, танталата лития;

• совершенствование существующих технологий, оборудования и контрольно-измерительной техники;

• подготовка высококвалифицированных научных кадров, инженеров и операторов. Достижению перечисленных выше успехов

способствовала эффективная работа научного коллектива, насчитывающего более 40 сотрудников, в том числе 8 кандидатов и доктор наук. Научные труды сотрудников группы предприятий «Пьезо» широко известны российским и зарубежным специалистам: более 200 работ опубликовано ими в отечественных изданиях и около 50 докладов сделано на международных конференциях. Мы тесно сотрудничаем с Международной электротехнической комиссией: два наших специалиста работают в международных экспертных группах (Грузиненко В. Б. — в рабочей группе «Пьезоэлектрические резонаторы», Медведев А. В. — в рабочей группе «Пьезоэлектрические материалы»). иш

Литература:

1. Мацак А. Н., Сергеев Н. Е. Проблемы совершенствования системы контроля качества продукции пьезотехники. Труды конференции «Пьезо-2000». М., 2000.

2. Медведев А. В. Лангасит — перспективная новинка в семействе пьезоэлектрических материалов. «Наука и технологии в промышленности», № 2. М., 2000.

3. Сахаров С. А. и др. «Пьезоэлемент», пат. России № 2073952 от 27.04.95.

4. Отраслевой стандарт ОСТ 113338.810-81.

5. 1ЕС-49/60 122-3. Кварцевые резонаторы.

6. Каландадзе Д. И. Выпуск кварцевых резонаторов нового поколения. «Наука и технологии в промышленности» № 2. М., 2000.

7. Мацак А. Н., Грузиненко В. Б., Каландад-зе Д. И. Миниатюрные резонаторы с полосковыми пьезоэлементами. Труды конференции «Пьезо-2000». М., 2000.

8. 1ЕС — 49/60 679-1. Генераторы кварцевые.

9. Павлик В. Я. Управляемые кварцевые генераторы. Труды конференции «Пьезо-2000», М., 2000.