МИНИАТЮРНЫЙ КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР-ТЕРМОСТАТ

Полезная модель относится к области пьезоэлектроники и может быть использована в производстве высокочастотных кварцевых резонаторов, а также опорных генераторов с внутренним термостатированием.
Аналогом устройства является миниатюрный кварцевый резонатор-термостат [1]. Кварцевый резонатор-термостат (КСТ) выполнен в вакуумированном корпусе DIL-14 и содержит кварцевый пьезоэлемент (ПЭ) с пленочным нагревателем, датчик температуры и блок термостатирования с электрической схемой, помещенные на теплопроводящей плате, которая с помощью теплоизолятора установлена на основание корпуса.
-7
КРТ имеет высокую виброустойчивость, ударную прочность и малое энергопотребление (50-80 мВт), однако, стабильность частоты остается на уровне 10 за год. В устройстве используют паяные соединения при сборке конструктивных элементов. При операциях пайки применяют флюсы, содержащие кислотные остатки и глицерин, которые при нагревании (рабочий режим КРТ) разлагаются и попадают на электроды ПЭ.
-8
Ближайшим аналогом является кварцевый резонатор-термостат [2], содержащий ПЭ с пленочным резистивным нагревателем и датчиком температуры, плату (основание) с ПЭ и транзисторным нагревателем. Плата выполнена из диэлектрического материала, например, на основе окиси алюминия, и закреплена при помощи теплоизолирующего держателя (кварцевое стекло). Автору удается снизить нестабильность частоты на порядок (~10), однако ударная прочность изделия не больше 100g при сложных операциях сборки.
-9
Задачей полезной модели является повышение производительности (выхода годных) изделий с высокой стабильностью частоты на уровне 10 за год в составе опорного генератора с сохранением механической прочности (400g) конструкции и с упрощением операций сборки ее элементов.
Поставленная задача решается тем, что миниатюрный КРТ, включающий кварцевый пьезоэлемент с пленочным нагревателем и датчиком температуры, электрическую схему термостатирования с нагревательным транзистором, помещенные на диэлектрической микроплате, которая с помощью стоек-теплоизоляторов установлена на основание вакуумированного корпуса, диэлектрическая микроплата выполнена многослойной, по меньшей мере двухслойной, по технологии LTCC, а тепловые стоки металлизации и внутренние проводники электрической схемы термостатирования расположены между слоями керамики с выходом на поверхности микроплаты через металлизированные отверстия, в которые вклеены стойки-теплоизоляторы, держатели пьезоэлемента и внешние проводники электрической схемы термостатирования.
LTCC - низкотемпературная совместнообжигаемая керамика [3].
На фиг. 1 показана схема клеевого монтажа пьезоэлемента и микроплаты в держатели.
На фиг. 2 показан фрагмент микроплаты LTCC в двух проекциях с установочными отверстиями и теплопроводящим стоком металлизации.
На фиг. 3 - электрическая схема КРТ.
На фиг. 4 показана таблица (а) и графики (б) относительного изменения частоты для типичных конструкций КРТ [1] и [2] с микроплатами из поликора (№1 и №2), а также для предлагаемых КРТ в составе генераторов на 10 МГц с микроплатами LTCC (№3 и №4).
Предлагаемая полезная модель имеет вакуумный корпус и содержит основание 1 (фиг. 1) с изолированными выводами 2 (кожух снят), ПЭ 3 с пленочным нагревателем 4 и датчиком температуры 5, установленный через держатели 6 на многослойную LTCC-микроплату 7 и укрепленный клеем в позициях 8.
Микроплата 7 установлена на основание 1 через стойки-теплоизоляторы 9, соединенные в позициях 10 точечной сваркой с основанием 1, а в позициях 11 использован клеевой монтаж.
Электрическая схема термостатирования 12 (фиг. 1 и фиг. 3) выполнена по толстопленочной технологии (трафаретная печать) на поверхностях микроплаты 7 и дополнительно включает термодатчик 5, нагревательный транзистор 13 и внешние проводники 14, соединенные с выводами 2. Микроплата 7 с отверстиями схематично изображена на фиг. 2: отверстия 15 для вклеивания стоек-теплоизоляторов 9 (фиг. 1), отверстия 16 для клеевого монтажа держателей ПЭ 6, отверстия 17 для вклеивания проводников 14, а 18 - тепловой сток металлизации между слоями керамики с выходом на поверхность микроплаты 7 площадкой 19, на которую приклеивается нагревательный транзистор 13 (фиг. 1). На фиг. 2 также показано сечение микроплаты 7 А-А, и граница 20 между слоями после спекания двухслойной керамики.
Электрическая схема КРТ (фиг. 3) с внешним омическим мостом 21 и операционным усилителем 22 составляют схему терморегулирования КРТ.
Устройство работает следующим образом. В момент его включения напряжение одновременно подается на пленочный нагреватель ПЭ 4 и на схему терморегулирования, которая обеспечивает рабочий температурный режим с заданной стабильностью частоты. При этом датчик температуры 5 (фиг. 1 и фиг. 3), размещенный на ПЭ 3 и включенный в омический мост 21, в начальный момент имеет температуру и сопротивление, отличные от режима термостатирования, вследствие чего на выходе операционного усилителя 22 возникает управляющее напряжение рассогласования, которое после усиления открывает нагревательный транзистор 13; таким образом идет разогрев пленочного нагревателя 4 на ПЭ 3 и транзистора 13. По мере установления теплового баланса на элементах КРТ и нагрева ПЭ 3 до рабочей температуры сопротивление термодатчика 5 изменяется до оптимального уровня, соответствующего рабочему режиму функционирования устройства.
Опытные образцы КРТ на частоту 10 МГц и выполнены в металлостеклянном корпусе DIL-14, модификация 1203. Кварцевый пьезоэлемент ТД-среза имеет серебряное электродное покрытие с подслоем нихрома и пленочный нагреватель также из нихрома - все изготовлено по технологии кварцевого производства.
При сборке элементов КРТ использованы клеи ТОК-2 и К-400, а также контактная сварка золотых константановых перемычек в электрической схеме.
-5
Корпус DIL-14 герметизируется лазерной сваркой основания и кожуха. Вакуумирование корпуса производится через пуклевочное отверстие в кожухе, которое запаивается в вакууме при давлении ≤10 мм рт.ст.
-11
Сравнительные данные испытаний КРТ на фиг. 4 показывают, что предложенная полезная модель имеет ~4-кратное улучшение по стабильности частоты. Следует отметить среднесуточное изменение частоты заявленной конструкции КРТ на уровне 3⋅10. Данная конструкция выдерживает ударные нагрузки до 400g, сравнимые с [1], за счет клеевого монтажа держателей в отверстия микроплаты LTCC. К тому же клеевые соединения обеспечивают равномерное распределение механических напряжений на пятне склейки. КРТ на основе прототипа [2] выдерживает ударные нагрузки только до 100g, так как в них использованы элементы крепления из кварцевого стекла.
На практике выход годных КРТ на основе полезной модели увеличивается в 1, 4 раза по сравнению с прототипом.
Таким образом, положительный эффект достигается изменением конструкции и технологии монтажа элементов при реализации полезной модели. Полностью исключены паяные соединения элементов на микроплате КРТ. Кроме того, микроплата на основе LTCC значительно дешевле, чем поликоровая.
Источники информации:
1. Патент РФ на полезную модель №128042, Н03Н 3/00, 10.05.2013. Миниатюрный кварцевый резонатор (генератор)-термостат.
2. Патент РФ №2236746 С1, н03н 9/08, 20.09.2004. Кварцевый резонатор-термостат.
3. Кондратюк Р. LTCC-низкотемпературная совместнообжигаемая керамика // Наноиндустрия. - 2011. - №2. - С. 26-30.