КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
QUARTZ OSCILLATOR

Настоящее изобретение относится к области электровакуумных приборов, в частности к области приборов кварцевой стабилизации частоты, а именно к кварцевым генераторам, и может использоваться для стабилизации частоты.
Для обеспечения стабильности частоты в настоящее время широко используются кварцевые генераторы. Одной из распространенных конструкций кварцевого генератора является конструкция, состоящая из металлического вакуумированного корпуса, в котором размещены керамическая подложка со смонтированными радиоэлементами (электрическая схема генератора) и некорпусированный кварцевый пьезоэлемент [1].
Достоинством данной конструкции являются малые габариты генератора из-за отсутствия отдельного корпуса для кварцевого пьезоэлемента.
Недостатком данной конструкции является недостаточная долговременная стабильность частоты кварцевого генератора - во время работы, особенно при повышенных температурах, происходит десорбция остаточных газов из объема радиоэлементов и внутренней поверхности корпуса. Эту десорбцию можно значительно уменьшить за счет длительного отжига в вакууме компонентов кварцевого генератора, однако это не дает гарантии того, что в течение нескольких лет эксплуатации долговременная стабильность генератора останется на первоначальном уровне. Опыт эксплуатации кварцевых генераторов, имеющих подобную конструкцию, показал, что уход частоты может наблюдаться после 4-5 лет эксплуатации. Это связано со снижением степени вакуума в объеме корпуса кварцевого генератора.
Известно техническое решение по снижению давления остаточных газов путем применения газопоглотителя [2]. В металлическом корпусе размещаются некорпусированный кварцевый пьезоэлемент, элементы крепления и нераспыляемый газопоглотитель. За счет применения газопоглотителя обеспечивается долговременная работа кварцевого пьезоэлемента. Недостатками такой конструкции являются: увеличенный объем корпуса из-за необходимости размещения внутри газопоглотителя, необходимость в дополнительных электрических вводах для подачи напряжения на нагреватель газопоглотителя с целью его активации, необходимость в защитных экранах от теплового излучения газопоглотителя в момент его активации. Температура активации газопоглотителя лежит в пределах от 350°С до 1000°С в зависимости от его состава. При использовании внутри корпуса электронных компонентов (полупроводниковых приборов, конденсаторов и резисторов), образующих электрическую схему генератора, выход теплового излучения во время активации газопоглотителя может повредить или модифицировать характеристики электронных компонентов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является вакуумированная конструкция детектирующего элемента [3]. В данном прототипе газопоглотитель не встраивается во внутренний объем корпуса, а размещается на наружной поверхности основания корпуса. Внутренний объем газопоглотителя связан с внутренним объемом корпуса прибора - детектирующего элемента - отверстием. Перед герметизацией элемент размещают в специальную вакуумную камеру. В вакуумной камере происходит одновременная откачка и дегазация внутреннего пространства прибора и высокотемпературная активация внутреннего пространства газопоглотителя, выполненного в виде отдельного корпуса с закрепленной внутри, например, таблеткой газопоглотителя. Причем корпус прибора и отдельный корпус с газопоглотителем в момент обезгаживания и активации находятся на некотором удалении друг от друга, таком, что тепловое излучение от газопоглотителя не повреждало электронные компоненты внутри прибора.
На основании корпуса прибора выполнено углубление с кольцеобразной областью, покрытой припоем. На корпусе газопоглотителя также имеется кольцеобразная область с золотым покрытием. После окончания процесса активации и обезгаживания корпус газопоглотителя своей кольцевой областью соединяется с кольцевой областью на корпусе прибора. Припой смачивает золотое покрытие и после выключения подогрева происходит вакуумплотное соединение основания корпуса с корпусом газопоглотителя. Достоинство данного технического решения - газопоглотитель не увеличивает размеры прибора, не требуются дополнительные электрические вводы для активации газопоглотителя, инфракрасное излучение при активации газопоглотителя не повреждает электронные компоненты, находящиеся внутри корпуса прибора.
Недостатком данной конструкции прибора, в котором полость в основании прибора выполнена в виде углубления, в которое встраивается корпус с газопоглотителем, с дном со стороны внутреннего объема прибора и отверстием в дне для сообщения объемов газопоглотителя и внутреннего объема прибора, а по периметру дна выполняется кольцевая проточка, покрытая припоем, являются:
1 - высота корпуса газопоглотителя с газопоглотителем внутри, а следовательно, и его объем ограничены глубиной полости в основании прибора, распространяющейся до дна в основании прибора, что уменьшает объем газа, поглощаемым этим газопоглотителем, а следовательно, и срок службы прибора;
2 - для надежного соединения пайкой корпуса газопоглотителя с основанием прибора, кольцевая проточка должна иметь достаточную ширину (1-2 мм), тем самым занимается полезная площадь на основании прибора, что в ряде случаев неприемлемо.
Задача изобретения - упрощение конструкции кварцевого генератора.
Эта задача достигается следующим образом. Кварцевый генератор представляет собой конструкцию, состоящую из металлического вакуумированного корпуса, в котором размещены керамическая подложка со смонтированными электронными компонентами (электрическая схема генератора) и некорпусированнный кварцевый пьезоэлемент. Металлический корпус выполнен в виде основания с герметичными электрическими вводами и металлической крышки, соединенной с основанием методами сварки, пайки или при помощи клея. В основании корпуса генератора выполняется отверстие в виде конуса, и, соответственно, корпус газопоглотителя с газопоглотителем внутри выполняется в виде конусообразной детали, причем стенки отверстия в основании генератора покрываются припоем, а боковые поверхности корпуса газопоглотителя - золотым покрытием с подслоем титан-никель или тонким слоем припоя, а для удержания расплавленного припоя на боковых поверхностях выполнены кольцевые проточки. Эта конструкция позволяет более точно (без зазоров) производить соединение корпуса газопоглотителя с корпусом генератора.
На фиг. 1 показана конструкция кварцевого генератора с отверстием в корпусе в виде конуса и корпусом газопоглотителя также в виде конусообразной детали.
Здесь: 1 - основание корпуса генератора, 2 - крышка, 3 - керамическая подложка со смонтированными электронными компонентами (электрическая схема генератора), 4 - кварцевый пьезоэлемент, 5 - замкнутая полость генератора, 6 - вводы в основании корпуса, 7 - корпус газопоглотителя, 8 - газопоглотитель, 9 - кольцеобразная область на основании корпуса (конусообразное отверстие), покрытая припоем - область соединения основания корпуса генератора с корпусом газопоглотителя.
На фиг. 2 показана конструкция корпуса газопоглотителя с газопоглотителем в сборе. Здесь: 7 - корпус газопоглотителя, 8 - газопоглотитель, 10 - кольцевые проточки. Проточки необходимы для удержания расплавленного припоя на поверхности конусообразной детали корпуса газопоглотителя.
На фиг. 3 показан фрагмент конструкции корпуса с дополнительным тепловым экраном. Здесь: 1 - основание корпуса генератора, 11 - тепловой экран с отверстиями 12.
Устройство работает следующим образом (фиг. 1). Соединение основания корпуса генератора 1 с основанием газопоглотителя 8 осуществляется следующим образом. В специальной вакуумной камере производится обезгаживание (предварительный прогрев при температуре до 150°С в течение от нескольких минут до десятков часов) корпуса генератора 1 и корпуса газопоглотителя 7 со смонтированным газопоглотителем 8, после чего производится активация газопоглотителя 8 при соответствующей температуре, присущей данному применяемому газопоглотителю (нагрев до температуры 350-600°С в течение десятков минут). Причем корпус генератора 1 и отдельный корпус газопоглотителя 7 с газопоглотителем 8 (фиг. 2) в момент обезгаживания и активации располагаются на некотором удалении друг от друга, таком, чтобы тепловое излучение от газопоглотителя не повреждало электронные компоненты внутри прибора. Температура корпуса генератора 1 (фиг. 1) поддерживается на 10-20°С ниже температуры расплавления припоя в кольцеобразной области основания корпуса генератора 1, например, на уровне 150°С при использовании в качестве припоя индия. В кольцеобразной канавке 10 (фиг. 2) в корпусе газопоглотителя 7 также используется припой, который при высокой температуре активации (350-600°С) расплавляется и принимает в сечении выпуклую форму, например в виде полусферы. Температура газопоглотителя 8 обычно выбирается ниже температуры припоя. В случае применения в качестве припоя индия температура испарения более 800°С, а применение в качестве припоя олова более 1000°С.
По истечении времени активации (обычно от нескольких минут до нескольких часов) производится соединение корпуса газопоглотителя 7 с кольцеобразной областью 9 в основании корпуса генератора 1, при этом часть тепла от корпуса газопоглотителя 7 передается на припой на боковой поверхности кольцеобразной области 9 в основании корпуса генератора 1, что приводит к его расплавлению. В этот момент выключается нагрев корпуса газопоглотителя 7 и корпуса генератора 1. Припой в месте соединения основания корпуса генератора 1 и корпуса газопоглотителя 7 затвердевает, при этом образуется вакуумплотное соединение корпуса газопоглотителя 7 с корпусом генератора 1. При этом происходит герметизация замкнутой полости генератора 5 (фиг. 1). Активированный газопоглотитель поддерживает в течение жизненного цикла кварцевого генератора (до 25 лет) вакуум внутри замкнутой полости генератора 5, тем самым, обеспечивая высокую долговременную стабильность частоты.
Для уменьшения влияния теплового воздействия от нагретого корпуса газопоглотителя 7 на керамическую подложку со смонтированными электронными компонентами (электрическая схема генератора) 3 (фиг. 1), кольцеобразная область 9 (фиг. 1) в основании корпуса генератора 1 может быть дополнительно со стороны внутреннего объема корпуса генератора прикрываться тепловым экраном 11 с отверстиями 12, как это показано на фиг. 3.
По сравнению с прототипом заявленная конструкция кварцевого генератора обладает следующими преимуществами.
1. Нет необходимости в обеспечении кольцевой области на корпусе газопоглотителя и на основании корпуса генератора, что позволяет экономить занимаемую площадь на основании корпуса генератора.
2. Кольцевая область на основании корпуса генератора выполняется в виде сквозного отверстия, что позволяет увеличить объем газопоглотителя, встраиваемого в основание корпуса генератора, а сквозное отверстие позволяет увеличить скорость откачки остаточных газов газопоглотителем в процессе обезгаживания и эксплуатации кварцевого генератора.
3. Конусообразная конструкция корпуса газопоглотителя и конусообразное отверстие в основании корпуса генератора позволяет более точно (без зазоров) производить соединение корпуса газопоглотителя с корпусом генератора.
Источники информации
1. Термостатируемый кварцевый генератор. Патент РФ №2503122 от 27.12.2013 г.
2. Кварцевый резонатор. Патент РФ №2351062 от 23.03.2009 г.
3. Элемент для детектирования электромагнитного излучения, в частности инфракрасного излучения, модуль формирования оптического инфракрасного изображения, включающий такой элемент и способ для его реализации. Патент РФ №2386157 от 10.04.2010 г.