СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КВАРЦЕВЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПЬЕЗОУСТРОЙСТВ С ПЬЕЗОВИБРАТОРАМИ СРЕЗОВ yx1/+45° И yx1/-45°
MANUFACTURING METHOD OF QUARTZ CRYSTAL ELEMENTS FOR PIEZO-DEVICES WITH PIEZOELECTRIC VIBRATORS OF CUTS OF yx1/+45° AND yx1/-45°

Настоящее изобретение относится к области радиотехники, в частности к пьезотехнике, и может быть использовано при изготовлении кварцевых резонаторов и кварцевых вибраторов для интегральных кварцевых генераторов, используемых в радиотехнической аппаратуре различного назначения.
Известен способ ориентировки и разметки кристаллов кварца по фигурам астеризма с помощью прибора-астероскопа. При этом наблюдают отраженный от кристалла луч света или свет точечного источника, проходящий через кристалл. По световым фигурам определяют направления кристаллографических осей кристалла кварца X, Y, Z с точностью до 2-3° (см. Л.И.Глюкман. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы, 3-е изд., переработанное и дополненное. М.: Радио и связь, 1981, с.88).
Данный способ определения ориентации кварцевых кристаллических элементов относительно кристаллографических осей имеет ограниченное применение, поскольку в современной практике производства пьезоэлектрических устройств требуется более высокая точность определения ориентации кварцевых кристаллов. В этом случае контроль угловой ориентации заготовок (углов среза) осуществляют на специальных установках (рентгеногониометрах), позволяющих измерять эти углы до долей минуты.
Известен способ изготовления кварцевых кристаллических элементов для кварцевых пьезоэлементов для пьезоустройств. В этом случае резка кристаллов обязательно сопровождается контролем углов среза заготовок и вырезанных блоков и при необходимости коррекцией плоскости среза соответствующим поворотом суппорта распиловочного станка. После разрезки блоков на заготовки измеряют углы среза последних, производят сортировку, и заготовки, углы среза которых выходят за пределы допуска, подвергают соответствующей коррекции путем подшлифовки. После механической обработки заготовок получают кристаллические элементы заданной геометрической формы. В процессе производства производят очистку заготовок и кристаллических элементов различными растворителями и водой. Последней операцией обработки кристаллических элементов является травление. Кварц травят в плавиковой кислоте или ее соединениях. Пластины подвергают отжигу при температуре 450°C и медленному охлаждению. Затем кристаллические элементы передают на дальнейшие операции: очистку, металлизацию, настройку, монтаж и т.д. (см. Справочник, Пьезоэлектрические резонаторы, под ред. П.Е.Кандыбы и П.Г.Позднякова. М.: Радио и связь, 1992, с.100-101). На стадии проектирования пьезоустройства для формирования заданных параметров выбирают размеры сечения кварцевого стержня в соответствии с известными зависимостями (см. фиг.1).
Указанный выше способ изготовления кристаллических элементов имеет наибольшее количество существенных признаков, общих с предложенным способом, поэтому данное техническое решение следует принять за прототип.
При изготовлении кристаллических элементов брускового типа используют срезы yx1/+45° и yx1/-45°. В процессе производства кристаллических элементов одного из указанных срезов возникает вероятность получения кристаллических элементов одной партии обоих срезов. Брак по этому признаку чаще составляет 1÷10%, но бывают ситуации, когда брак составляет 100%. В настоящее время указанный брак выявляется только на финишных операциях после контроля температурно-частотных характеристик.
Проведение всего цикла технологических операций с заведомо бракованными кристаллическими элементами приводит к увеличению расхода материалов, к увеличению времени изготовления, к удорожанию производства. Внешних отличий кристаллических элементов срезов yx1/+45° и yx1/-45° не существует. Контроль габаритных размеров кристаллических элементов, измерение угловой ориентации кристаллических элементов на рентгеногониометре не позволяют выявить брак.
В связи с этим предложено введение дополнительной операции контроля спектральных характеристик кристаллического элемента.
При этом предложенное техническое решение реализует способ изготовления кристаллических элементов срезов yx1/+45° и yx1/-45°, при котором после отжига и медленного охлаждения, перед передачей кристаллических элементов на дальнейшие операции (очистку, металлизацию, монтаж, настройку, контроль параметров т.д.), контролируют спектральные характеристики кристаллического элемента. Резонансные частоты определяют с помощью анализатора частотных характеристик при возбуждении кристаллических элементов в поле накладных угловых электродов (см. фиг.4). При этом определяют величину отношения значения более высокой частоты fв к меньшей fн.
Если указанное отношение больше некоторой величины М, то кристаллический элемент имеет отрицательный угол среза yx1/-45°. Если указанное отношение меньше величины М, то кристаллический элемент имеет положительный угол среза yx1/+45°.
Величина М изменяется в небольших пределах при изменении размеров сечения кварцевого стержня, поскольку при изменении сечения изменяются частотные коэффициенты (см. фиг.2). Экспериментально получено, что для кварцевых стержней квадратного сечения с размерами 4×4 мм величина М равна 1,517. Величина погрешности измерений (дисперсия) для выборки из 15 образцов составила 0,001. Учитывая сказанное, установлен следующий предел изменений величины М=1,513÷1,521. Практически отношение измеренных частот fв/fн значительно отличается от указанного интервала изменений величины М, поэтому на практике легко проверить неравенства fв/fн>1,521 или fв/fн<1,513 и соответственно определить знак угла среза кристаллического элемента yx1/-45° или yx1/+45°.
Ниже приведены данные расчетов отношения частот fв/fн для различных сечений «s/b» стержневых кристаллических элементов. Экспериментальные данные могу отличаться от приведенных расчетных
s/b
fв/fн для среза yx1/+45°
fв/fн для среза yx1/-45°
1,00
1,517
1,517
0,95
1,441
1,597
0,90
1,365
1,686
0,85
1,289
1,785
0,80
1,214
1,896
0,75
1,138
2,023
0,70
1,061
2,167
соотношений из-за погрешности измерений. Однако эти погрешности не перекрывают интервал между измеренными значениями отношения fв/fн и установленными числовыми критериями 1,513 и 1,521.
На фиг.1 приведены зависимости положения точки нулевого значения ТКЧ (То) от отношения размеров сечения кварцевого стержня «s/b».
f
На фиг.2 приведены зависимости частотных коэффициентов K от отношения размеров сечения кварцевого стержня «s/b».
На фиг.3 представлен чертеж кристаллического элемента для пьезоэлемента брускового типа среза yx1/+45°. Здесь показана ориентация граней относительно кристаллографических осей кварцевого кристалла Z, X и Y.
На фиг.4 показано положение угловых накладных электродов при контроле спектральных характеристик.
Предложенное техническое решение реализуется следующим образом. После разрезки блоков кварцевого сырья на заготовки измеряют углы среза последних, производят сортировку и заготовки, углы среза которых выходят за пределы допуска, подвергают соответствующей коррекции путем подшлифовки. После распиловки и операции шлифовки производят очистку кристаллических элементов различными растворителями и водой. Обработку кристаллических элементов заканчивают травлением их в плавиковой кислоте. Затем кристаллические элементы подвергают отжигу при повышенной температуре и медленно охлаждают. Перед передачей кристаллических элементов на дальнейшие операции (очистку, металлизацию, монтаж, настройку и т.д.) их поочередно возбуждают в поле накладных электродов и с помощью спектроанализатора измеряют частоты наиболее активных резонансов (частоты толщинно-сдвиговых колебаний). Затем определяют отношение более высокой резонансной частоты fв к более низкой частоте fн и сравнивают измеренное отношение частот с интервалом значений 1,513÷1,521. При величине отношения fв/fн меньше значения 1,513 кристаллический элемент заготовка имеет угол среза yx1/+45°, при величине отношения fв/fн больше значения 1,521 заготовка имеет угол среза ух1/-45°. На дальнейшие операции пропускают кристаллические элементы заданного в документации угла среза.
Техническая эффективность предложенного технического решения заключается в создании возможности распознавания углов среза yx1/+45° и yx1/-45° кристаллических элементов. Это позволяет не пропускать кристаллические элементы с ошибочным углом среза на последующие операции, что позволяет исключить материальные затраты на изготовление заведомо бракованных изделий, уменьшить трудозатраты, снизить стоимость изготовления пьезоизделий.