КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР
QUARTZ-CRYSTAL RESONATOR

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при разработках кварцевых резонаторов двухповоротных срезов для генераторов высокостабильных электрических колебаний.
Резонаторы традиционных одноповоротных срезов, таких как AT и ВТ, почти полностью вытеснены кварцевыми резонаторами двухповоротных срезов ТД (SC) в высокостабильных кварцевых генераторах. Это связано с рядом параметров, наиболее актуальных именно для высокостабильных генераторов. Однако резонаторы срезов ТД (SC), кроме рабочей температурно-стабильной моды C, имеют нежелательный резонанс, расположенный по частоте на 8-10% выше и имеющий в 1,4-1,7 раз меньшее сопротивление, обусловленный температурно-нестабильными колебаниями моды B. Таким образом, при использовании генераторных схем без избирательных контуров генератор может возбудиться на нестабильной моде B. Введение избирательных контуров в конструкцию генератора усложняет его схему, увеличивает его габаритные размеры и ухудшает стабильность.
Наиболее близким к предлагаемому является резонатор [1], содержащий пьезокварцевый элемент толщинно-сдвиговых колебаний, в котором центры возбуждающих электродов на пьезоэлементе смещены относительно оси Y′ на 60° и от оси X′ на 25° по направлению, соответствующему направлению вектора поляризации при колебаниях моды C.
Недостатком устройства прототипа является небольшое отношение сопротивлений мод B и C, равное 1,6…2,7, не позволяющее полностью отказаться от избирательных контуров в схеме кварцевого генератора.
Задачей изобретения является значительное увеличение сопротивления моды B резонатора без существенного изменения сопротивления моды C, что позволит полностью отказаться от избирательных контуров в схеме кварцевого генератора и в итоге приведет к улучшению стабильности и уменьшению уровня шумов кварцевого генератора.
Поставленная задача достигается путем придания электродам возбуждения кварцевого резонатора двухповоротного среза особой формы. Электроды на каждой стороне пластины имеют форму сегмента круга с выемкой, находящейся в зоне максимума поверхностной плотности тока колебаний моды B. Площадь данного сегмента составляет 60-70% от площади круга. Конфигурации электродов на одной и другой стороне резонатора являются центрально симметричными относительно центра резонатора.
Предлагаемый кварцевый резонатор представлен на чертеже.
Он представляет собой кварцевый пьезоэлемент 1 двухповоротного среза с двумя электродами 2 и 3 для возбуждения перпендикулярным полем толщинно-сдвиговых колебаний рабочей моды C. Область максимальной амплитуды колебаний моды B показана цифрой 3 на чертеже. Угол A на чертеже может составлять 50-70 градусов в зависимости от угла среза и формы кварцевой пластины.
Работа заявляемого кварцевого резонатора основана на том, что электроды 2 и 3 полностью покрывают область колебаний рабочей моды C, за исключением выемок, расположенных в области максимальной амплитуды колебаний моды B. Данная конструкция практически не изменяет сопротивление моды C, но при правильном выборе размеров выемки значительно увеличивает сопротивление моды B за счет электрического исключения ее основной области колебаний.
Для определения областей колебаний можно применить несколько методов, расчетный (математический расчет зон колебаний мод B и C), рентгеновский (снятие рентгеновских снимков колебаний мод C и B) и зондовый (снятие зондовых характеристик).
Пример
Были изготовлены кварцевые резонаторы среза ТД (yxbl/23°25′/34°) с плосковыпуклыми прямоугольными пьезоэлементами размером 9×12 мм с частотой колебаний третьего порядка моды C 10 МГц, в которых электроды нанесены в соответствии с формулой изобретения. Для правильного напыления таких электродов достаточно с помощью зонда найти максимум зоны колебаний мод C и B и соответствующим образом ориентировать пластину в кассете для напыления.
После изготовления были произведены измерения динамических сопротивлений мод B и C полученных резонаторов. Значения этих параметров представлены в таблице, где для сравнения приведены соответствующие параметры подобных резонаторов с традиционными электродами и конструкцией [1]. Также указано отношение сопротивлений мод. Из таблицы следует, что предлагаемое техническое решение обеспечивает наилучшее отношение сопротивлений мод B и C.
Электроды
Динамическое сопротивление, Ом
Отношение сопротивлений
Мода B
Мода C
Традиционные
70
120
0,6
Смещенные
240
100
2,4
Предлагаемые
650
120
5,4
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2276455. Опубл. 10.05.2006, бюл. №13.