СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСТРОЙКИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ, В ТОМ ЧИСЛЕ С МАЛЫМИ РАЗМЕРАМИ ЭЛЕКТРОДОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND DEVICE FOR TUNING HIGH-FREQUENCY PIEZOELECTRIC CELLS, INCLUDING WITH SMALL DIMENSIONS OF ELECTRODES (EMBODIMENTS)

Группа изобретений относится к области пьезоэлектроники, а именно к производству пьезоэлементов, и может быть использована для групповой настройки частот пьезоэлементов разных размеров (от 4,8×3,2 мм до 9×3,5 мм), включая пьезоэлементы с малыми размерами электродов.
Известен способ настройки монолитного пьезоэлектрического фильтра, взятый в качестве прототипа, включающий последовательное снятие слоя материала электродов ионным травлением для выравнивания частот точечных резонаторов и настройки средней частоты фильтра. Между электродами двух точечных резонаторов над кристаллической пластиной устанавливают заслонку перпендикулярно плоскости кристаллического элемента, с двух сторон от которой симметрично под углом 40±15° на расстоянии фокуса ионного источника от электрода точечного резонатора помещают два ионных источника и проводят процесс выравнивания частот точечных резонаторов путем травления точечного резонатора с меньшей частотой с помощью одного ионного источника, расположенного с той же стороны относительно заслонки, что и резонатор, а затем производят настройку средней частоты фильтра ионным травлением обоих точечных резонаторов одновременно двумя ионными источниками (см. патент RU 2089997, Н03Н 3/02, опубл. 10.09.1997).
При сложившейся тенденции к увеличению рабочей частоты фильтров на пьезоэлектриках (кварц, танталат лития и др.), уменьшению размеров фильтров и, соответственно, пьезоэлементов, а также увеличению полосы пропускания фильтров, применение такого способа ионно-плазменной настройки становится малоэффективным.
2
Например, для фильтра на танталате лития с частотой 38 МГц и полосой пропускания 700 кГц размер электродов может составить 0,15×0,3 мм (площадь электрода 0,045 мм), а зазор между электродами 0,08 мм. При таких размерах потребуется сверхточное изготовление заслонок, высокоточное их позиционирование и максимальное приближение заслонок к пьезоэлементу. Однако даже такая технология изготовления не способна обеспечить прецизионность, поскольку расстояние между соседними окнами для настройки будет составлять порядка 0,05-0,2 мм, а необходимый для исключения короткого замыкания и свободного перемещения заслонок зазор между пьезоэлементом и маской для настройки (или заслонкой) должен быть не менее 0,5-1 мм. Таким образом, при наличии зазора поток ионов, пройдя отверстие в маске для настройки или в заслонке, будет постепенно расширяться и, при таких малых размерах, будет обрабатывать и соседние элементы, что резко снизит точность настройки или не позволит осуществить ее в принципе.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении точности настройки группы высокочастотных пьезоэлементов, в том числе с малыми размерами электродов, за один производственный цикл.
Устройство для настройки высокочастотных пьезоэлементов содержит металлические основания и крышки, выполненные с возможностью соединения друг с другом посредством механизма фиксации, при этом основание оснащено направляющими штифтами, на которые надевается крышка при сборке устройства для настройки высокочастотных элементов, защелкой, входящей в состав механизма фиксации с крышкой, и направляющими штифтами, на которые с помощью винтов крепятся металлическая маска для настройки частот резонаторов и выполненные из электроизоляционного материала опорная плата и установочная плата, а крышка оснащена направляющими, обеспечивающими перемещение устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов, направляющими винтами механизма фиксации с основанием и направляющими штифтами, на которые с помощью винтов крепятся выполненные из электроизоляционного материала внешняя плата, промежуточная плата, контактная плата, плата-экран и металлическая маска для настройки разноса частот резонаторов.
Способ настройки высокочастотных пьезоэлементов включает этап снятия слоя материала электродов ионным травлением, перед этим этапом устройство для настройки с установленными в него высокочастотными пьезоэлементами помещают в установку для ионного травления, оснащенную двумя источниками ионно-плазменного излучения, расположенными с двух сторон устройства для настройки, реечным механизмом для перемещения устройства для настройки и шторками-заслонками, расположенными с двух сторон от устройства для настройки - две шторки-заслонки со стороны маски для настройки частот резонаторов и двухпозиционная шторка-заслонка с тремя окошками со стороны маски для настройки разноса частот резонаторов - откачивают воздух до требуемых значений вакуума и открывают подачу инертного газа к плазматронам, опускают две шторки-заслонки со стороны маски для настройки частот резонаторов, направляют ионный поток через отверстия в маске для настройки частот резонаторов и изменяют частоту обоих резонаторов настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента путем снятия слоя материала с поверхности электродов, опускают и перемещают двухпозиционную шторку-заслонку с тремя окошками со стороны маски для настройки разносов частот резонаторов, таким образом, чтобы центральное окошко расположилось напротив центрального отверстия в маске для настройки разносов частот резонаторов, направляют ионный поток через отверстия в маске для настройки разносов частот резонаторов и настраивают разнос частот резонаторов путем снятия слоя материала с внутренних краев электродов, перемещают шторку-заслонку таким образом, чтобы два отверстия в шторке-заслонке расположились напротив двух отверстий в маске для настройки разносов частот резонаторов, направляют ионный поток через отверстия в маске для настройки разносов частот резонаторов и настраивают разнос частот резонаторов путем снятия слоя материала с внешних краев электродов настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента, останавливают подачу инертного газа и перемещают шторки-заслонки, прекращая процесс настройки, перемещают устройство для настройки к следующему настраиваемому высокочастотному пьезоэлементу с помощью реечного механизма перемещения и направляющих и повторяют операцию настройки.
В варианте, относящемся к настройке высокочастотных пьезоэлементов с малыми размерами электродов, для операции настройки частот резонаторов в основание и крышку устройства для настройки устанавливаются щелевые маски для настройки частот резонаторов. Для операции настройки разноса частот резонаторов в основание и крышку устанавливаются щелевые маски для настройки разноса частот резонаторов.
В варианте, касающемся настройки высокочастотных пьезоэлементов с малыми размерами электродов посредством устройства для настройки с установленными в него щелевыми масками для настройки частот резонаторов, устройство для настройки с установленными в него высокочастотными пьезоэлементами помещают в установку для ионного травления, оснащенную двумя источниками ионно-плазменного излучения, расположенными с двух сторон устройства для настройки и реечным механизмом для перемещения устройства для настройки, откачивают воздух до требуемых значений вакуума и открывают подачу инертного газа к плазматронам с двух противоположных сторон устройства для настройки через отверстия в щелевой маске для настройки частот резонаторов, настраивают частоту верхнего резонатора с одной стороны высокочастотного пьезоэлемента и частоту нижнего резонатора - с другой, путем снятия ионным травлением слоя материала с поверхности электродов, останавливают подачу инертного газа, перемещают устройство для настройки к следующему настраиваемому высокочастотному пьезоэлементу с помощью реечного механизма перемещения и направляющих и повторяют операцию настройки.
В варианте, касающемся настройки высокочастотных пьезоэлементов с малыми размерами электродов посредством устройства для настройки с установленными в него щелевыми масками для настройки разноса частот резонаторов, устройство для настройки с установленными в него высокочастотными пьезоэлементами помещают в установку для ионного травления, оснащенную двумя источниками ионно-плазменного излучения, расположенными с двух сторон устройства для настройки и реечным механизмом для перемещения устройства для настройки, откачивают воздух до требуемых значений вакуума и открывают подачу инертного газа к плазматронам с двух противоположных сторон устройства для настройки через отверстия в щелевой маске для настройки разноса частот резонаторов, осуществляют настройку разноса частот резонаторов высокочастотного пьезоэлемента путем снятия слоя материала с внутренних краев электродов с одной стороны высокочастотного пьезоэлемента и снятия слоя материала с внешних краев электродов - с другой, останавливают подачу инертного газа, перемещают устройство для настройки к следующему настраиваемому высокочастотному пьезоэлементу с помощью реечного механизма перемещения и направляющих и повторяют операцию настройки.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображена сборка корпуса основания устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов; на фиг. 2 схематично изображена сборка корпуса крышки устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов малых размеров; на фиг. 3 изображен набор щелевых масок для настройки частот резонаторов пьезоэлементов малых размеров; на фиг. 4 изображен набор щелевых масок для настройки разносов частот пьезоэлементов малых размеров; на фиг. 5 схематично изображен процесс настройки частот резонаторов высокочастотного пьезоэлемента с малыми размерами электродов; на фиг. 6 схематично изображен процесс настройки разносов частот резонаторов высокочастотного пьезоэлемента с малыми размерами электродов.
Заявляемые устройство и способ могут использоваться в вакуумных установках, оборудованных двумя источниками ионно-плазменного излучения, расположенными с двух сторон устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов, реечным механизмом для перемещения устройства для настройки с позиции на позицию и шторками-заслонками без отверстий (на фигурах не показаны) (например, промышленная вакуумная установка «Альфа H1»).
Устройство для настройки высокочастотных пьезоэлементов предназначено для поочередной настройки до восьми высокочастотных пьезоэлементов за один цикл. Для перемещения устройства для настройки в вакуумной установке с одной позиции на другую используется реечный механизм перемещения. Управление механизмом перемещения, источниками питания плазмотронов и шторками-заслонками, находящимися в установке для ионно-плазменного травления, осуществляется с помощью программного обеспечения, установленного на персональном компьютере (далее - ПК).
Устройство для настройки высокочастотных пьезоэлементов имеет варианты исполнения, в зависимости от размеров электродов и, соответственно, способа настройки пьезоэлементов.
Устройство для настройки высокочастотных пьезоэлементов содержит разъемные основание 1 (см. фиг. 1) и крышку 2 (см. фиг. 2). К основанию 1 прикрепляются с помощью направляющих штифтов 3 и винтов (на фигуре не показаны): маска для настройки частот резонаторов 4, опорная плата 5, установочная плата 6. К крышке 2 прикрепляются с помощью направляющих штифтов 3 и винтов (на фигуре не показаны): внешняя плата 7, промежуточная плата 8, контактная плата 9, на которой закреплена группа пружинных контактов 10 и контактная группа 11, плата-экран 12 и маска для настройки разноса частот резонаторов 13.
Основание 1 устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов оснащено направляющими штифтами 14, на которые надевается крышка 2 при сборке, и защелкой 15 механизма фиксации с крышкой 2. Крышка 2 оснащена направляющими винтами 16 механизма фиксации и направляющими 17 для установки устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов в реечный механизм вакуумной установки.
Основание 1, крышка 2 и маски для настройки частот резонаторов 4 и для настройки разноса частот резонаторов 13 выполнены металлическими, остальные элементы выполнены из электроизоляционного материала, например, стеклотекстолита. Такое исполнение устройства для настройки позволяет избежать использования большого количества металлических элементов сложных в изготовлении.
В масках для настройки частот резонаторов 4 и настройки разноса частот резонаторов 13 выполнены отверстия 18.
Маска для настройки частот резонаторов 4 является защитной и используется для настройки центральной частоты резонаторов высокочастотного пьезоэлемента 19, через отверстия 18 в ней ионный поток 20, испускаемый источниками 21 ионно-плазменного излучения, попадает на электроды 22 настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента 19 (см. фиг. 5). На опорную плату 5 устанавливаются высокочастотные пьезоэлементы 19 для настройки. Установочная плата 6 определяет положение настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента 19 в устройстве для настройки. Внешняя плата 7 через выполненные на ней отверстия обеспечивает подвод внешних контактов к контактной группе 11 для снятия частотных параметров и защищает контактную группу 11 от ионного травления. Пружинные контакты 10, расположенные на контактной плате 9, имеют пружинный эффект, при установке высокочастотного пьезоэлемента 19 они изгибаются и сохраняют контакт с ним. Контактная группа 11 расположена на контактной плате 9 и представляет собой четыре контактных элемента, к которым подводятся внешние контакты, снимающие и передающие сигнал с настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента 19 на ПК, для отслеживания настраиваемых частот. Промежуточная плата 8 и плата-экран 12, обеспечивают свободное перемещение внешних контактов для снятия частотных параметров. Маска для настройки разноса частот резонаторов 13 имеет отверстия 18, является защитной и используется для настройки разноса частот резонаторов настраиваемого пьезоэлемента 19.
При малых размерах электродов 22 настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента 19 (от 0,5×0,8 мм) для операции настройки частот резонаторов в основание 1 и крышку 2 устройства для настройки устанавливаются щелевые маски для настройки частот резонаторов 4а (см. фиг. 3). Для операции настройки разноса частот резонаторов в основание 1 и крышку 2 устанавливаются щелевые маски для настройки разноса частот резонаторов 13а (см. фиг. 4). Ширина отверстий 18 щелевых масок до 0,05-0,1 мм.
Устройство для настройки высокочастотных пьезоэлементов, реализующее способ, работает следующим образом.
На основание 1 устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов с малыми размерами электродов с помощью направляющих штифтов 3 и винтов (на фигуре не показаны) крепятся: маска для настройки частот резонаторов 4, поверх нее устанавливается опорная плата 5, настраиваемые пьезоэлементы 19 устанавливают в ячейки опорной платы 5, поверх крепится установочная плата 6.
На крышку 2 устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов с малыми размерами электродов также с помощью направляющих штифтов 3 и винтов (на фигуре не показаны) крепятся: внешняя плата 7, поверх нее крепится промежуточная плата 8, а на нее устанавливается контактная плата 9. Поверх контактной платы 9 крепится плата-экран 12, а поверх нее устанавливается маска для настройки разноса частот резонаторов 13.
После сборки основания 1 и крышки 2 устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов 19 в установочную плату 6 основания 1 закладываются высокочастотные пьезоэлементы 19 для настройки, которые опираются на опорную плату 5, затем сверху устанавливается крышка 2. Высокочастотные пьезоэлементы 19 расположены в устройстве для настройки таким образом, что пружинные контакты 10, расположенные на контактной плате 9, прижимаются к контактным площадкам 23 настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента 19, обеспечивая его надежную фиксацию и снятие электрических параметров. При этом контактные элементы контактной группы 11, расположенные также на контактной плате 9, совмещаются с контактными площадками 23 настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента 19 таким образом, что с помощью внешних контактов они подключаются к ПК для отслеживания параметров настраиваемых частот. Обе маски для настройки частот резонаторов 4 и настройки разноса частот резонаторов 13 устанавливают на расстоянии 1 мм от настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента 19.
После этого основание 1 и крышка 2 соединяются с помощью механизма фиксации: закрываются защелками 15 и скрепляются фиксирующими винтами 16. Затем устройство для настройки высокочастотных пьезоэлементов устанавливают на реечный механизм вакуумной установки с помощью направляющих 17 и закрывают колпак вакуумной установки. Далее следует процесс настройки частот и разноса частот резонаторов путем снятия материала с электродов 22 высокочастотных пьезоэлементов 19.
Аналогичным образом собирается устройство для настройки высокочастотных пьезоэлементов с малыми размерами электродов (от 0,5×0,8 мм). При этом маска для настройки частот резонаторов 4 заменяется на щелевую маску для настройки частот резонаторов 4а, а маска для настройки разноса частот резонаторов 13 - на щелевую маску для настройки разносов частот резонаторов 13а.
Способ настройки высокочастотных пьезоэлементов с размерами электродов 1×1,3 мм и более реализуется следующим образом.
Собранное устройство для настройки высокочастотных пьезоэлементов с установленной в основание 1 маской для настройки частот резонаторов 4 и маской для настройки разноса частот резонаторов 13, установленной в крышку 2, посредством направляющих 17 помещают на первую позицию реечного механизма перемещения вакуумной установки для ионно-плазменного травления. К контактной плате 9 устройства для настройки подводятся внешние контакты для связи с ПК. С двух сторон устройства для настройки располагают источники 21 ионно-плазменного излучения. Между устройством для настройки высокочастотных пьезоэлементов 19 и источником 21 располагаются шторки-заслонки: со стороны маски для настройки частот резонаторов 4 располагают две шторки-заслонки, а со стороны маски для настройки разноса частот резонаторов 13 располагают одну двухпозиционную шторку-заслонку с тремя окошками. Производят откачку воздуха до требуемых значений вакуума и открывают подачу инертного газа (азота или аргона) к плазматронам.
Со стороны маски для настройки частот резонаторов 4 опускают обе шторки-заслонки, направляют ионный поток 20 от источника 21 через отверстия 18 в маске для настройки частот резонаторов 4, и изменяют частоту обоих резонаторов настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента 19 (см. фиг. 5) путем снятия слоя материала с поверхности электродов 22. Либо опускают одну из шторок-заслонок и снимают слой материала с поверхности одного из электродов 22 (когда одну из шторок поднимают, она закрывает один из электродов 22 высокочастотного пьезоэлемента 19, и изменяется частота соседнего резонатора). Затем прекращают подачу инертного газа и поднимают обе шторки-заслонки, прекращая процесс настройки частот резонаторов.
Со стороны маски для настройки разносов частот резонаторов 13 опускают и перемещают двухпозиционную шторку-заслонку с тремя окошками таким образом, чтобы центральное окошко расположилось напротив центрального отверстия 18 в маске для настройки разносов частот резонаторов 13, и была открыта внутренняя область двух соседних электродов 22, прилегающая к межэлектродному зазору. Направляют ионный поток 20 через отверстия 18 в маске для настройки разносов частот резонаторов 13 и настраивают разнос частот резонаторов путем снятия слоя материала с внутренних краев электродов 22 (см. фиг. 6). Перемещают шторку-заслонку так, чтобы два отверстия в шторке-заслонке расположились напротив двух отверстий 18 в маске для настройки разносов частот резонаторов 13, и были открыты внешние края электродов 22. Направляют ионный поток 20 через отверстия 18 в маске для настройки разносов частот резонаторов 13 и настраивают разнос частот резонаторов путем снятия слоя материала с внешних краев электродов 22 настраиваемого высокочастотного пьезоэлемента 19. Для прерывания процесса настройки прекращают подачу инертного газа и поднимают шторки-заслонки. Затем с помощью реечного механизма перемещения и направляющих 17 осуществляют перемещение к следующему настраиваемому высокочастотному пьезоэлементу 19 и повторяют операцию настройки.
В описанном способе шторки-заслонки служат не для травления слоя материала с поверхности электродов, а только для пуска и прерывания процесса настройки, и не требуют высоких точностей в их изготовлении и позиционировании. Для точной настройки используются маски, в этом случае какое-либо побочное воздействие на другой резонатор исключается. Тем самым обеспечивается высокая точность настройки высокочастотных пьезоэлементов.
При малых размерах электродов 22 (0,5×0,8 мм и менее) такой процесс настройки становится менее эффективным. В этом случае шторки-заслонки не используются, а способ настройки осуществляется следующим образом.
В основание 1 и крышку 2 устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов помещают щелевые маски для настройки частот резонаторов 4а (см. фиг. 3). Устанавливают высокочастотные пьезоэлементы 19 в устройство для настройки и посредством направляющих 17 помещают его на первую позицию реечного механизма перемещения вакуумной установки для ионно-плазменного травления. К контактной плате 9 устройства для настройки подводятся внешние контакты для связи с ПК. С двух сторон устройства для настройки располагают источники 21 ионно-плазменного излучения. Производят откачку воздуха до требуемых значений вакуума и открывают подачу азота (или аргона) к плазматронам. Основной ионный поток 20 от источника 21 направляют с двух противоположных сторон устройства для настройки через отверстия 18 в щелевой маске для настройки частот резонаторов 4а. На первом этапе настраивают частоту верхнего резонатора с одной стороны высокочастотного пьезоэлемента 19 и частоту нижнего резонатора - с другой, путем снятия ионным травлением слоя материала с поверхности электродов 22. Прекращают подачу инертного газа к плазмотронам. Затем с помощью реечного механизма перемещения и направляющих 17 осуществляют перемещение к следующему настраиваемому высокочастотному пьезоэлементу 19 и операция настройки повторяется.
На втором этапе настраиваемые высокочастотные пьезоэлементы 19 извлекают из первого устройства для настройки и перекладывают их во второе устройство для настройки, в котором в основание 1 и крышку 2 помещают щелевые маски для настройки разноса частот резонаторов 13а (см. фиг. 4). Устанавливают высокочастотные пьезоэлементы 19 в устройство для настройки и посредством направляющих 17 помещают его на первую позицию реечного механизма перемещения вакуумной установки для ионно-плазменного травления. К контактной плате 9 устройства для настройки подводятся внешние контакты для связи с ПК. С двух сторон устройства для настройки располагают источники 21 ионно-плазменного излучения. Производят откачку воздуха до требуемых значений вакуума и открывают подачу азота (или аргона) к плазматронам. Основной ионный поток 20 от источника 21 направляют с двух противоположных сторон устройства для настройки через отверстия 18 в щелевой маске для настройки разноса частот резонаторов 13а. Путем снятия слоя материала с внутренних краев электродов 22 с одной стороны высокочастотного пьезоэлемента и снятия слоя материала с внешних краев электродов 22 - с другой, осуществляют настройку разноса частот резонаторов высокочастотного пьезоэлемента 19. Прекращают подачу инертного газа к плазмотронам. Затем с помощью реечного механизма перемещения и направляющих 17 осуществляют переход к следующему настраиваемому высокочастотному пьезоэлементу 19 и повторяют операцию настройки.
Плоская конструкция устройства для настройки высокочастотных пьезоэлементов, реечный механизм его перемещения в одной плоскости и использование масок для настройки, позволяют одновременно проводить настройку частот резонаторов и разноса частот. Также заявленный способ настройки увеличивает точность позиционирования, что в итоге позволяет настраивать высокочастотные пьезоэлементы с высокой точностью.