ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к пьезотехнике, и может быть использована при разработке и изготовлении элементов частотной стабилизации и селекции сигналов.
Известны пьезоэлементы монолитных фильтров и резонаторов, содержащие пьезоэлектрическую пластину прямоугольной формы с размещенными на ее рабочих гранях одной или несколькими парами перекрывающихся возбуждающих электродов с выводами, продольная ось симметрии которых совмещена с кристаллографической осью Z' или X. Известные пьезоэлементы монолитных фильтров и резонаторов работают на принципе захвата энергии в подэлектродной области. Расстояние от торцевой грани пьезопластины до края электродного покрытия определяется допустимым уровнем потерь колебательной энергии у торцевой грани пьезопластины и, следовательно, достаточно большими габаритами как по ширине, так и по длине пьезоэлемента.
Известен пьезоэлемент, содержащий пьезоэлектрическую пластину прямоугольной формы АТ-среза, продольная ось симметрии которой совмещена с кристаллографической осью X кристалла кварца, на главных гранях которой размещены возбуждающие электроды с выводами, при этом со стороны торцов пьезоэлектрической пластины на каждой из противолежащих главных граней симметрично относительно оси Z' выполнены прямоугольные выемки, соотношение глубины каждой из которых с толщиной пьезоэлектрической пластины выбрано равным 0,5 (патент SU 1683477 A3, дата подачи 14.11.1989 г., опубликовано 30.01.1994 г.).
Недостатком известного пьезоэлемента является его неудовлетворительная добротность и низкая технологичность, обусловленная фотолитографическим способом нанесения электродов на пьезоэлектрическую пластину.
Известен кварцевый пьезоэлемент, содержащий кристаллический элемент в виде пластины круглой формы, на передней и задней поверхностях которого нанесены соответственно первый и второй пленочные возбуждающие электроды. Первый пленочный возбуждающий электрод содержит первую центральную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей, первую периферийную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с первой центральной частью, и вторую периферийную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с первой периферийной частью. Второй пленочный возбуждающий электрод содержит вторую центральную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне пересечения его оптической и электрической осей, третью периферийную часть, нанесенную на заднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную со второй центральной частью четвертую периферийную часть, нанесенную на переднюю поверхность кристаллического элемента в зоне, прилегающей к его торцевой поверхности, и электрически соединенную с третьей периферийной частью (патент RU 2582476 С1, дата подачи 02.03.2015 г., опубликовано 27.04.2016 г.).
К недостаткам известного пьезоэлемента можно отнести то, что при увеличении номинальной частоты происходит утончение кварцевой пластины, что не позволит применять ее в аппаратуре, используемой при высоких механических нагрузках или воздействии вибрации. Недостатком является также круглая форма пластины, которая не является универсальной и не обеспечивает взаимозаменяемость элементов в случае отказа. Кроме того, круглая форма пластины приводит к усложнению технологии изготовления пьезоэлементов. Не представляется возможным также применение пластин круглой формы при увеличении порядка таких приборов, как пьезоэлектрические фильтры в прямоугольных металлостеклянных корпусах, поскольку не позволяет устанавливать в эти приборы более одного пьезоэлемента.
В качестве ближайшего аналога выбран пьезоэлемент, выполненный из кристалла кварца среза yzb/35°ll'±5' в виде пластины прямоугольной формы с двумя сигнальными электродами, расположенными на одной поверхности пластины и двумя низкопотенциальными (заземляющими) электродами на противоположной поверхности пластины, причем каждый электрод имеет по одной контактной площадке (выводу) в одной из угловых частей пластины, продольная ось симметрии пластины совмещена с кристаллографической осью Z', а ширина пластины выбрана в определенном соотношении:
14,70Н≅W≅15,00Н;
18,75Н≅W≅19,05Н;
25,65Н≅W≅25,95Н;
28,00Н≅W≅28,30Н;
38,55Н≅W≅38,85H;
42,05Н≅W≅42,35Н, где W - ширина пьезоэлектрической пластины, м; Н - толщина пьезоэлектрической пластины, м (патент RU 2032252 С1, дата подачи 10.08.1992 г., опубликовано 27.03.1995 г.).
Недостатком ближайшего аналога является невозможность выделения верхней или нижней боковой полосы спектра модулированного сигнала.
Технический результат, получаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в выделении верхней или нижней боковой полосы спектра модулированного сигнала при уменьшении динамического сопротивления, повышении добротности частотных резонаторов и избирательности фильтров на основе заявленного пьезоэлемента.
Технический результат достигается тем, что пьезоэлемент, выполненный из кристалла кварца в виде прямоугольной пластины, продольная ось симметрии которой расположена вдоль кристаллографической оси Z', при этом на каждой поверхности пластины расположен, по меньшей мере, один электрод, имеющий по одной контактной площадке в угловой части поверхности, при этом ширина пластины находится в интервале значений: 15×Н≤W≤16×Н, где W - ширина пьезоэлектрической пластины, мм; Н - толщина пьезоэлектрической пластины, мм, согласно полезной модели электрод на одной из поверхностей пластины дополнительно снабжен контактной площадкой, расположенной по диагонали относительно другой контактной площадки электрода, а в оставшихся угловых частях обеих поверхностей дополнительно расположены контактные площадки, при этом каждая контактная площадка, расположенная в каждой угловой части одной поверхности, электрически соединена с контактной площадкой, расположенной под ней на противоположной поверхности, а кристалл кварца имеет срез yzb/(+35°15'…+35°17').
При этом согласно полезной модели электрод, имеющий две контактные площадки, может быть предназначен для заземления.
При этом согласно полезной модели, по меньшей мере, один электрод, расположенный на противоположной поверхности от электрода с двумя контактными площадками, может быть предназначен для возбуждения сигнала.
При этом согласно полезной модели электрод с двумя контактными площадками может иметь две периферийные части и среднюю часть, расположенную между периферийными частями.
При этом согласно полезной модели средняя часть электрода с двумя контактными площадками может быть выполнена более узкой, чем периферийные части.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2, пример выполнения пьезоэлемента, на которых, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения заявленного технического результата. При этом приведенный пример выполнения пьезоэлемента не ограничивает возможностей осуществления полезной модели, не выходящих за рамки формулы полезной модели, и не является исчерпывающим.
На фиг. 1 представлена конструкция пьезоэлемента в виде звена второго порядка для пьезоэлектрического фильтра одной боковой полосы. На фиг. 2 представлен пьезоэлемент с напыленными электродами.
Согласно полезной модели пьезоэлемент выполнен из кристалла кварца со срезом yzb/(+35°15'…+35°17') (иными словами yzb/+35°16'±1') в виде прямоугольной пластины 1, продольная ось симметрии которой расположена вдоль кристаллографической оси Z' (фиг. 1).
На одной из поверхностей пластины 1 расположены электрод 2 и электрод 3, которые могут быть предназначены для возбуждения сигнала (сигнальные электроды). Электрод 2 является входным, электрод 3 выходным. Сигнальные электроды 2 и 3 выполнены с контактными площадками, размещенными в соответствующих угловых частях поверхности пластины 1, - сигнальный электрод 2 имеет контактную площадку (вывод) 5, а сигнальный электрод 3 имеет контактную площадку 7. На этой же поверхности пластины 1 в оставшихся (свободных, незанятых, пустых) угловых частях дополнительно расположены контактные площадки 6 и 8, которые электрически соединены (например, с помощью металлизации в торце пластины) с контактными площадками 9 и 12 на противоположной поверхности пластины 1 (фиг. 1). Контактные площадками 9 и 12 являются частью электрода 4 и расположены по диагонали друг относительно друга.
Электрод 4 может быть предназначен для заземления (заземляющий, низкопотенциальный электрод). При этом заземляющий электрод 4 может содержать две периферийные части а и b и одну среднюю часть с, расположенную между периферийными частями а и b (фиг. 1). В свободных угловых частях этой поверхности пластины 1 расположены дополнительные контактные площадки 10 и 11 (фиг. 1, 2), электрически соединенные с соответствующими контактными площадками 5 и 7 противоположной поверхности пластины 1.
Ширина пластины находится в интервале значений:
15×Н≤W≤16×Н,
где W - ширина пьезоэлектрической пластины, мм;
Н - толщина пьезоэлектрической пластины, мм.
Например, для пьезоэлемента с номинальной частотой 5 МГц толщина составляет 0,3332 мм, соответственно, ширина пьезоэлемента выбирается из диапазона 4,998≤W≤5,3312 мм.
Пьезоэлемент работает следующим образом.
При подаче на контактные площадки 5 и 10 электрода 2 и контактные площадки 9 и 6 периферийной части b электрода 4 высокочастотного напряжения с частотой, соответствующей основному колебанию сдвига по толщине (или гармоническому колебанию), в подэлектродной области устанавливается сдвиговая стоячая волна. За счет акустической связи между частотными входным и выходным резонаторами, образованными, соответственно, электродом 2 и периферийной частью b электрода 4, а также электродом 3 и периферийной частью а электрода 4, сдвиговые колебания входного резонатора передаются в подэлектродную область выходного резонатора, с контактных площадок 7, 8, 11 и 12 которого снимается выходной высокочастотный сигнал.
При создании заявленного пьезоэлемента определялись такие его параметры, как форма кварцевой пластины и ее ширина, ориентация ее осей симметрии, угол среза кристалла кварца, количество электродов, количество контактных площадок и их расположение, которые в совокупности влияют на достижение определенных технологических характеристик. В настоящей полезной модели характеристики следующие: возможность выделения верхней или нижней боковой полосы спектра модулированного сигнала, возможность уменьшения динамического сопротивления, повышения добротности и избирательности фильтров на основе пьезоэлементов.
Совокупность существенных признаков заявленной полезной модели обеспечивает работу частотных резонаторов без захвата энергии нежелательных резонаторов в направлении ее ширины. При этом отсутствие отсоса колебательной энергии близкорасположенными нежелательными видами колебаний обеспечивает не только высокую моночастотность пьезоэлемента, но и приводит к увеличению добротности частотных резонаторов, за счет чего снижается коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики фильтров. Выполнение пьезоэлемента в соответствии с полезной моделью позволяет получить необходимую полосу пропускания, которая в свою очередь после коммутации нескольких пьезоэлементов в электрической схеме фильтра позволит выделить верхнюю или нижнюю боковую полосу спектра модулированного сигнала.
Имеется также возможность увеличить размеры электродов по ширине, что снижает величину динамического сопротивления и увеличивает статическую емкость резонаторов. Последнее снижает величину паразитных емкостей монтажа, а уменьшение динамического сопротивления повышает добротность частотных резонаторов и избирательность фильтра.