КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР
QUARTZ-CRYSTAL RESONATOR

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано при разработке высокостабильных кварцевых генераторов.
Известны кварцевые резонаторы, у которых используют термостатированные кварцевые усеченные линзовые пьезоэлементы AT или SC срезов для получения высокостабильных колебаний опорных частот [1]. В такой конструкции пьезоэлемента на его поверхность по краям нанесены пленочные резистивные элементы - нагреватели. Такое решение позволяет в целом уменьшить объем генератора и реализовать ускоренный выход серийного генератора на рабочий режим практически без ухудшения стабильности частоты при незначительном уменьшении добротности кварцевого резонатора (5-7)% относительно неусеченного линзового пьезоэлемента.
Однако такое конструктивное решение имеет ряд недостатков:
1. Отсутствие возможности термокомпенсации стабилизируемой частоты генерируемых колебаний.
2. Отсутствие термокомпенсации по температурно динамическому коэффициенту частоты (ТДКЧ) генератора, что существенно увеличивает время установления его частоты при резких изменениях температуры как в момент включения, так и окружающей среды.
3. Низкие показатели по долговременной стабильности частоты за счет релаксации нанесенных на поверхность кварцевого пьезоэлемента (КП) терморезистивных нагревателей.
Известен также кварцевый резонатор - термостат [2], в котором отсутствует терморезистивная пленка, наносимая на поверхность пьезоэлемента. В таком резонаторе, содержащем вакуумированный корпус, в котором закреплено основание с размещенным на нем транзистором, установленным на металлической пластине, и контактными лепестками, в которых установлен кварцевый пьезоэлемент с нанесенными на него возбуждающими электродами, нагревателем и датчиком температуры, основание выполнено в виде металлического кольца с расположенными на нем местами крепления его в вакуумированном корпусе. Указанные места крепления опорного металлического кольца в корпусе и места крепления металлической пластины на опорном кольце выполнены в виде диэлектрических изоляторов, в которых размещены металлические стержни. Вакуумированный корпус снабжен металлизацией внутренней поверхности. Технический результат заключается в том, что малая масса термостатируемого узла и хорошая тепловая связь между нагревателем, пьезоэлементом и датчиком температуры обеспечивают его быстрый разогрев.
Недостатком данного устройства является также большой градиент температуры между нагревателем, выполненным в виде металлической пластины с расположенным на нем транзистором, и пьезоэлементом. Значительные постоянная времени и потребляемая мощность при выходе на рабочий режим генератора в целом. Отсюда низкий кпд по потребляемой мощности. Отсутствие термокомпенсации по температурно динамическому коэффициенту частоты (ТДКЧ) генератора, что существенно увеличивает время установления его частоты при резких изменениях температуры как в момент включения, так и окружающей среды.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является кварцевый резонатор-термостат [3], содержащий пьезоэлемент с нанесенными на него возбуждающими электродами, пленочным резистивным нагревателем и датчиком температуры, основание с закрепленным на нем пьезоэлементом и транзисторным нагревателем, которое в свою очередь закреплено в корпусе при помощи теплоизолирующего держателя, основание выполнено в виде пластины из диэлектрического материала и имеет теплоемкость, равную теплоемкости пьезоэлемента. На основании закреплен транзисторный нагреватель, в цепь эмиттера которого включен пленочный резистивный нагреватель.
Однако прототип не лишен существенных недостатков.
1. Подобный нагреватель был исследован в [4], что показало непригодность данного решения при серийном производстве в связи со сложностью достижения равенства теплоемкостей пьезоэлемента и диэлектрической пластины.
2. Сохраняется терморезистивная пленка, наносимая на поверхность пьезоэлемента в качестве нагревательного элемента, что ухудшает характеристики долговременной стабильности генератора.
3. Сохраняется высокая постоянная времени резонатора из-за необходимости разогрева дополнительной массы теплоемкой диэлектрической пластины, а отсюда низкий кпд генератора по потребляемой мощности.
4. Невозможность термокомпенсации по температурно динамическому коэффициенту частоты (ТДКЧ) генератора, что существенно увеличивает время установления его частоты при резких изменениях температуры как в момент включения, так и окружающей среды, т.к. здесь сохраняется эффект присоединенной массы в виде теплоемкой диэлектрической пластины.
Задачей изобретения является повышение стабильности частоты за счет: уменьшения постоянной времени при разогреве пьезоэлемента, уменьшения старения и возможности термокомпенсации и регулировки по ТДКЧ пьезоэлемента при сохранении малого времени разогрева резонатора в целом.
Эта цель достигается тем, что для повышения долговременной и температурной стабильностей частоты, уменьшения ТДКЧ и потребляемой мощности при нагреве, постоянной времени выхода на рабочий режим кварцевого резонатора с торцевых сторон усеченного пьезоэлемента нанесены терморезистивные пленки, которые являются нагрузкой двух бескорпусных транзисторов выходных ступеней терморегулятора, размещаемых поверх терморезистивных пленок по центру торцевых сторон пьезоэлемента, причем на периферии пьезоэлемента нормально к первому закреплен второй термодатчик, а сам пьезоэлемент закреплен в корпусе при помощи теплоизолирующего держателя, основание которого выполнено в виде пластины из диэлектрического материала с высоким тепловым сопротивлением.
Новым в изобретении является конструкция нагревателя и конструктивное решение кварцевого резонатора, обеспечивающих всей совокупностью существенных технологических и схемотехнических признаков более высокие метрологические характеристики в сравнении с прототипом.
на чертежах изображено:
- на фиг.1 - конструкция резонатора (без внутренних соединений);
- на фиг.2 - вид А на конструкцию (без корпуса) сверху для усеченного линзового кварцевого пьезоэлемента.
Резонатор (фиг.1-2) содержит вакуумированный корпус 1 с металлизацией внутренней поверхности 8, в котором закреплено термоизоляционное основание 2, пьезоэлемент 3 с нанесенными на него возбуждающими электродами 9, пленочными резистивными нагревателями 6.1, 6.2, транзисторы нагревателя 7.1, 7.2, датчики температуры 10.1, 10.2, в качестве которых используются терморезисторы, закрепленные на периферии пьзоэлемента 3, стойки 11 из материала с низкой теплопроводностью, контактные лепестки 5.1, 5.2, термоотражатель 4.
Кварцевый резонатор работает следующим образом.
При включении кварцевого генератора схема терморегулятора кварцевого резонатора получает информацию с датчика 10.2 о температурном состоянии пьезоэлемента 3 и начинается его прогрев до температуры термостатирования. Выходной каскад схемы терморегулирования представляет собой два бескорпусных транзистора 7.1 и 7.2, включенных в параллель, в коллекторы которых включены соответственно термонагреватели 6.1 и 6.2. На базы транзисторов 7.1 и 7.2 подается управляющее напряжение, представляющее собой результат усиленного совокупного сигнала, получаемого от обоих датчиков 10.1 и 10.2. Терморегулятор построен по пропорционально-интегро-дифференциальной схеме (ПИД-регулятор), в которой включение второго датчика 10.1 обеспечивает возможность вносить поправку регулирования при быстрых изменениях температуры окружающей среды, т.е. корректировать ТДКЧ. При этом ПИД-регулятор построен так, что при значительной разнице температур от температуры статирования включается форсированный режим подогрева. Малым разницам температур соответствует включение подогрева за счет мощности, рассеиваемой на коллекторах транзисторов 7.1 и 7.2, а терморезистивные пленки 6.1. и 6.2 выполняют роль теплового радиатора.
Замена пластины из диэлектрического материала с теплоемкостью, равной теплоемкости пьезоэлемента, на пластину в виде диэлектрического материала с высоким тепловым сопротивлением и размещение выходных транзисторов схемы терморегулирования непосредственно на пьезоэлементе позволяют уменьшить теплоемкость, а значит, величину потребляемой мощности при нагреве кварцевого резонатора в целом и его постоянную времени при переходных процессах во время разогрева, т.е. наличие низкой теплопроводности узлов крепления основания пьезоэлемента и наличие металлизации внутреннего вакуумированного баллона резонатора обеспечивают малые тепловые потери и высокую температурную стабильность частоты. Данное решение позволяет повысить технологичность производства таких кварцевых резонаторов, т.к. не требует подбора от образца к образцу равенства постоянных времени пьезоэлемента и диэлектрической пластины, как это сделано в прототипе.
Источники информации
1. Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник./ Андросова В.Г. и др. Под ред. П.Е.Кандыбы и П.Г.Позднякова. - М.: Радио и связь, 1992. - 392 с.
2. Патент №2155442, Россия, МПК 7 Н03Н 9/19, 9/15. ОАО "Морион". №111816/09; Кварцевый резонатор с внутренним термостатированием. Опубл. 27.08.2000.
3. Патент №2236746, Россия, МПК 7 Н03Н 9/08. ФГУП ОНИИП. №2003100159/09; Кварцевый резонатор - термостат. Опубл. 20.09.2004.
4. Иванченко Ю.С. и др. Прецизионный терморегулятор//Влияние внешних электромагнитных полей на линии железнодорожной связи. Межвузов. тематич. сб. науч. трудов, ОИИЖД, Омск, 1977, т.1. - с.118-121.