КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР
QUARTZ-CRYSTAL RESONATOR

Область техники
Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к кварцевым резонаторам, являющимися основой высокостабильных кварцевых генераторов.
Предшествующий уровень техники
Одной из проблем, возникающих при изготовлении высокостабильных кварцевых генераторов, является высокая относительная спектральная плотность мощности фазовых шумов - в дальнейшем относительная СПМ фазовых шумов кварцевых резонаторов.
Величина относительной СПМ фазовых шумов кварцевых резонаторов зависит от многих факторов: частоты резонатора (толщины кварцевой пластины); качества применяемого кварца; качества обработки поверхности пластины; качества электродов (шумы с поверхности раздела между электродом и кварцевой пластиной, неоднородности по толщине электрода, подпыление материала электродов на их краях); влияния монтажной системы; наличия загрязнений на поверхности пьезоэлемента; качества газа внутри корпуса; качества герметизации [И.К.Йонг, Дж.Р.Виг «Загрязнение поверхности резонатора - причина флуктуации частоты?». Материалы 42 Симпозиума по стабилизации частоты, США, 1988 г., стр.397; Gagnepain J. Fundamental noise studies of quartz crystal resonators, 30 Annual Frequency Control Symposium. 1976, p.84; Carlson E.E., Wickard T. A study on the measured correlation of drive level dependency and phase noise of quartz crystal resonators. 55 Annual Frequency Control Symposium. 2001. p.338].
Существует неоднозначное мнение относительно взаимосвязи между относительной СПМ фазовых шумов и величиной площади электродов кварцевого пьезоэлемента. Авторы работы [И.К.Йонг, Дж.Р.Виг «Загрязнение поверхности резонатора - причина флуктуации частоты?». Материалы 42 Симпозиума по стабилизации частоты, США, 1988 г., стр.397] утверждают, что при уменьшении электродов относительная СПМ фазовых шумов увеличивается, а в работе [Gagnepain J. Fundamental noise studies of quartz crystal resonators. 30 Annual Frequency Control Symposium. 1976. p.84] приведены данные об уменьшении относительной СПМ фазовых шумов при уменьшении площади электродов.
В заявке 2009110644 RU, опубликованной 27.10.2009 для кварцевых резонаторов, содержащих металлические электроды и заключенную между ними пластину пьезоэлемента, с целью уменьшения относительной СПМ фазовых шумов выбрано отношение диаметра электрода к толщине пластины пропорциональным десятичному логарифму частоты резонатора в мегагерцах. При этом для резонаторов SC-среза коэффициент пропорциональности выбирается равным 13 с допуском ±5%.
Следовательно, показано, что для резонаторов SC-среза [В.А.Мостяев, В.И.Дюжиков «Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. - М., Ягуар, 1993 г., с.280] относительная СПМ фазовых шумов зависит не только от величины площади электродов, но и от толщины пластины, а также от соотношения величин площади электродов и толщины пластины.
Предложенное условие соотношения геометрических размеров элементов кварцевого резонатора позволило уменьшить относительную СПМ фазовых шумов в полосе анализа 1 Гц при отстройке от несущей 100 Гц, но при этом не достигается оптимизация эквивалентного сопротивления и индуктивности, так как они могут увеличиваться, одновременно уменьшая перестройку частоты.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом предложенного кварцевого резонатора SC-среза, изготовленного по 3-й механической гармонике на частоты f от 40 МГц до 100 МГц, является снижение относительной спектральной плотности мощности фазовых шумов (далее - относительная СПМ фазовых шумов) при оптимальных величинах эквивалентного сопротивления (R1) и эквивалентной индуктивности (L1) резонатора, увеличение пределов перестройки частоты резонатора в схеме генератора, улучшение стабильности частоты резонатора, уменьшение трудоемкости изготовления, увеличение процента выхода годных и снижение стоимости изделия.
э
пл
1
э
пл
2
пл
э
В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложенный кварцевый резонатор SC-среза, изготовленный по 3-й механической гармонике на частоты f от 40 МГц до 100 МГц, содержит кварцевую пластину пьезоэлемента, заключенную между электродами. Определены соотношения геометрических размеров кварцевой пластины и электродов, изменяющиеся в следующих диапазонах значений. Так, отношение диаметра D, мм, каждого из электродов к толщине t, мм, кварцевой пластины равно коэффициенту пропорциональности K, мм, изменяющемуся от 18 до 26; отношение толщины t, мм, каждого из электродов к толщине t, мм, кварцевой пластины, умноженное на десять в третьей степени, равно коэффициенту пропорциональности К, мм, изменяющемуся от 1,58 до 4,0; диаметр D, мм, кварцевой пластины не менее чем в 2,5 раза превышает диаметр D, мм, электрода.
Существенное отличие предложенного нового кварцевого резонатора основано на выборе оригинальных соотношений геометрических размеров кварцевой пластины и электродов, являющихся фундаментальным условием достижения заявленного технического результата.
1
1
1
1
Предложенное решение весьма актуально, так как выяснено, что при уменьшении величины диаметра электродов относительная СПМ фазовых шумов уменьшается, но одновременно увеличиваются эквивалентное сопротивление (R) и эквивалентная индуктивность (L) резонаторов. При этом, начиная с некоторой величины электродов, при их дальнейшем уменьшении относительная СПМ фазовых шумов уменьшается незначительно, а величины R и L возрастают в разы. Это приводит к ухудшению стабильности частоты резонаторов и генераторов и резкому уменьшению пределов перестройки частоты резонаторов в схеме генераторов. Уменьшение перестройки частоты резонатора приводит к ужесточению допуска на точность его настройки, а следовательно, к увеличению трудоемкости изготовления, к уменьшению процента выхода годных, к значительному росту стоимости.
При увеличении диаметра электродов относительная СПМ фазовых шумов увеличивается. Начиная с некоторой величины диаметра электродов, значительно увеличивается величина близлежащих негармонических колебаний сдвига по толщине и влияние монтажной системы резонатора на колебания на рабочей частоте. В результате появляются перескоки частоты на паразитные колебания, ухудшаются температурно-частотные характеристики, механическая устойчивость резонатора и его долговременная стабильность.
Уменьшение толщины электродов эквивалентно увеличению их диаметра. Начиная с некоторой величины, также наблюдается ухудшение вышеперечисленных параметров резонаторов.
1
1
Увеличение толщины электродов эквивалентно уменьшению их диаметра. Пределы перестройки частоты резонаторов уменьшаются, величины R и Lувеличиваются. Кроме того, происходит увеличение амплитуды близлежащих колебаний сдвига по толщине, что приводит к перескокам частоты резонатора в интервале температур.
1
2
1
2
пл
э
Предложенные нами оригинальные соотношения геометрических размеров кварцевой пластины и электродов позволили исключить описанные выше последствия для параметров резонаторов при несогласованных изменениях диаметров и толщин как кварцевой пластины, так и каждого из электродов. Коэффициенты K и K зависят от частоты f. Нами выяснены диапазоны изменения коэффициентов K и K внутри рекомендуемого диапазона частот. Уменьшение отношения D к D менее 2,5 эквивалентно увеличению диаметра электродов или уменьшению их толщины, относительная СПМ фазовых шумов увеличивается, а остальные характеристики резонаторов ухудшаются.
1
2
Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, от 40 МГц до 50 МГц коэффициент K имеет значения не менее 18 и не более 20, а коэффициент K имеет значения не менее 1,58 и не более 2,0,
1
2
Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, свыше 50 МГц до 60 МГц имеются значения коэффициента K более 20 и не более 22, а коэффициента K более 2,0 и не более 2,38.
1
2
Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, свыше 60 МГц до 70 МГц имеются значения коэффициента K более 22 и не более 24, а коэффициента K более 2,38 и не более 2,77.
1
2
Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, свыше 70 МГц до 85 МГц имеются значения коэффициента K более 24 и не более 25, а коэффициента K более 2,77 и не более 3,3.
1
2
Технический результат достигается также тем, что в диапазоне частот, f, свыше 85 МГц до 100 МГц имеются значения коэффициента K более 25 и не более 26, а коэффициента K более 3,38 и не более 4,0.
Анализ патентных материалов и технической литературы показал, что совокупность представленных существенных отличительных признаков изобретения нова, обладает изобретательским уровнем.
Технологическая реализация предложенных в настоящем изобретении оригинальных соотношений параметров электродов и кварцевой пластины основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется фигурами 1 и 2.
На фиг.1 схематически изображен вид сверху предложенного пьезоэлемента кварцевого резонатора SC-среза.
На фиг.2 схематически изображено поперечное сечение предложенного пьезоэлемента кварцевого резонатора SC-среза.
Осуществление изобретения
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Приведенные примеры модификаций кварцевого резонатора не являются единственными и предполагают наличие других реализаций (в том числе в известных диапазонах длин волн), особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.
пл
пл
э
э
э
пл
1
1
э
пл
2
2
пл
э
-3
3
Пример 1. Для кварцевого резонатора (см. фиг.1 и 2) на частоту 84 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D, равным 5,0(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и шлифовкой с последующей полировкой ее толщина t доведена до 0,062(±0,001) мм. Методом вакуумного напыления нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D, равным 1,5(±0,05) мм, и толщиной t, равной 0,21×10(±5%) мм. В данном случае отношение D к t, а именно коэффициент пропорциональности K равен 24,2, т.е. удовлетворяет диапазону 24…25 для K. Отношение t к t, умноженное на 10, а именно коэффициент пропорциональности K равен 3,22, т.е. удовлетворяет диапазону 12,77…3,88 для K. Кроме того, отношение D к D равно 3,3, т.е. больше, чем 2,5.
1
1
э
пл
1
В таблице 1 приведены примеры зависимости относительной СПМ фазовых шумов, эквивалентного сопротивления R и эквивалентной индуктивности L от соотношения D к t, равного K, для кварцевых резонаторов на частоту 84 МГц.
1
В данном случае величина K равна 24,2.
При ее уменьшении до 15,2 относительная СПМ фазовых шумов изменяется на -3 дБ/Гц от -130 дБ/Гц до -133 дБ/Гц. Величина эквивалентного сопротивления увеличивается от 48 Ом до 85 Ом, а величина эквивалентной индуктивности - от 15 мГн до 38 мГн.
1
1
1
1
1
При увеличении K от 24,2 до 39,3 относительная СПМ фазовых шумов изменяется от -130 дБ/Гц до -102 дБ/Гц, т.е. почти на 30 дБ/Гц, эквивалентное сопротивление R уменьшается от 48 Ом до 35 Ом, а эквивалентная индуктивность L также уменьшается от 15 мГн до 9 мГн. Таким образом, изменение относительной СПМ фазовых шумов значительно превышает изменение R и L.
1
1
1
2
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>э</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup><mo>=</mo><mn>3,22</mn></mrow>
Зависимость относительной СПМ фазовых шумов R и L от величины Kполучена при величине K равной
. Отклонение от этой величины более чем ±25% приводит к изменению относительной СПМ фазовых шумов на 5…8 дБ/Гц.
пл
Величина отношения D к Ds на частоте 84 МГц равняется 3,3.
1
2
1
2
Как было показано ранее, величины коэффициентов K и K зависят от частоты резонатора. Для упрощения изготовления определены конкретные величины коэффициентов K и K внутри рекомендуемого диапазона частот, которые приведены в таблице 2.
пл
э
Выполнение соотношения D к D не менее 2,5 зависит от габаритных размеров резонатора.
пл
пл
э
э
э
пл
1
э
пл
2
пл
э
1
1
-3
3
Пример 2. Для кварцевого резонатора на частоту 45 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D, равным 5,5(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и толщиной t, равной 0,117(±0,001) мм. Нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D, равным 2,2(±0,05) мм, и толщиной t, равной 0,2×10(±5%) мм. В данном случае отношение D к t равно 18,8, т.е. удовлетворяет диапазону не менее 18 и не более 20 для K. Отношение t к t, умноженное на 10, равно 1,71, т.е. удовлетворяет диапазону не менее 1,58 и не более 2,0 для K. Кроме того, отношение D к D равно 2,5. В результате получены оптимальные величины эквивалентной индуктивности, эквивалентного сопротивления и низкие значения относительной СПМ фазовых шумов. Средние значения в партии резонаторов, соответственно, равны L=46,7 мГн, R=58,0 Ом, относительная СПМ фазовых шумов: -130,1 дБ/Гц при отстройке 100 Гц; -151,5 дБ/Гц при отстройке 1000 Гц; -161,2 дБ/Гц при отстройке 10000 Гц.
пл
пл
э
э
э
пл
1
э
пл
2
пл
э
1
1
-3
3
Пример 3. Для кварцевого резонатора на частоту 55 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D, равным 5,5(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и толщиной t, равной 0,096(±0,001) мм. Нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D, равным 2,0(±0,05) мм, и толщиной t, равной 0,2×10(±5%) мм. В данном случае отношение D к t равно 20,8, т.е удовлетворяет диапазону более 20 и не более 22 для K. Отношение t к t, умноженное на 10, равно 2,08, т.е. удовлетворяет диапазону более 2,0 и не более 2,38 для K. Кроме того, отношение D к D равно 2,75, т.е. больше 2,5. В результате получены оптимальные величины эквивалентной индуктивности, эквивалентного сопротивления и низкие значения относительной СПМ фазовых шумов. Средние значения в партии резонаторов, соответственно, равны L=36,3 мГн, R=48,1 Ом, относительная СПМ фазовых шумов: -130,2 дБ/Гц при отстройке 100 Гц; -151,7 дБ/Гц при отстройке 1000 Гц; -162,3 дБ/Гц при отстройке 10000 Гц.
пл
пл
э
э
э
пл
1
э
пл
2
пл
э
1
1
-3
3
Пример 4. Для кварцевого резонатора на частоту 65 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D, равным 5,5(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и толщиной t, равной 0,08(±0,001) мм. Нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D, равным 1,9(±0,05) мм, и толщиной t, равной 0,2×10(±5%) мм. В данном случае отношение D к t равно 23,7, т.е. удовлетворяет диапазону более 22 и не более 24 для K. Отношение t к t, умноженное на 10, равно 2,62, т.е. удовлетворяет диапазону более 2,38 и не более 2,77 для K. Кроме того, отношение D к D равно 2,9, т.е. больше, чем 2,5. В результате получены оптимальные величины эквивалентной индуктивности, эквивалентного сопротивления и низкие значения относительной СПМ фазовых шумов. Средние значения в партии резонаторов, соответственно, равны L=19,2 мГн, R=50,2 Ом, относительная СПМ фазовых шумов: -131,0 дБ/Гц при отстройке 100 Гц; -150,3 дБ/Гц при отстройке 1000 Гц; -161,2 дБ/Гц при отстройке 10000 Гц.
пл
пл
э
э
э
пл
1
э
пл
2
пл
э
1
1
-3
3
Пример 5. Для кварцевого резонатора на частоту 95 МГц была выбрана кварцевая пластина 1 диаметром D, равным 5,0(±0,05) мм, пьезоэлемента 2 и толщиной t, равной 0,056(±0,001) мм. Нанесены одинаковые серебряные электроды 3 диаметром D, равным 1,4(±0,05) мм, и толщиной t, равной 0,19×10(±5%) мм. В данном случае отношение D к t равно 25, т.е удовлетворяет диапазону более 25 и не более 26 для K. Отношение t к t, умноженное на 10, равно 3,39, т.е. удовлетворяет диапазону более 3,38 и не более 4,0 для K. Кроме того, отношение D к D равно 3,57, т.е. больше, чем 2,5. В результате получены оптимальные величины эквивалентной индуктивности, эквивалентного сопротивления и низкие значения относительной СПМ фазовых шумов. Средние значения в партии резонаторов, соответственно, равны L=13,6 мГн, R=49,3 Ом, относительная СПМ фазовых шумов: -129,1 дБ/Гц при отстройке 100 Гц; -148,7 дБ/Гц при отстройке 1000 Гц; -160,0 дБ/Гц при отстройке 10000 Гц.
1
1
Предложенные кварцевые резонаторы позволили получить низкие значения относительной СПМ фазовых шумов при оптимальных величинах эквивалентного сопротивления (R) и эквивалентной индуктивности (L) резонатора. Увеличиваются также пределы перестройки частоты резонатора в схеме генератора, улучшается стабильность частоты резонатора, уменьшается трудоемкость изготовления, увеличивается процент выхода годных и снижается стоимость изделия.
Промышленная применимость
Кварцевые резонаторы используются в высокостабильных кварцевых генераторах, применяемых в устройствах стабилизации частоты, в связной аппаратуре и навигационной аппаратуре.
Таблица 1
D<sub>э</sub>/t<sub>пл</sub>=K<sub>1</sub>, ед.
15,2
20,3
24,2
29
35,1
39,3
Относительная СПМ фазовых шумов при отстройке от несущей частоты 100 Гц, дБ/Гц
-133
-132
-130
-122
-113
-102
Эквивалентное сопротивление R<sub>1</sub>, Ом
85
71
48
42
38
35
Эквивалентная индуктивность L<sub>1</sub>, мГн
38
26
15
12
10
9
Таблица 2
Диапазон частот, МГц
от 40 до 50
св. 50 до 60
св. 60 до 70
св. 70 до 85
св. 85 до 100
Величина коэффициента K<sub>1</sub>, ед.
от 18 до 20
св. 20 до 22
св. 22 до 24
св. 24 до 25
св. 25 до 26
Величина коэффициента K<sub>2</sub>, ед.
от 1,58 до 2,0
св. 2,0 до 2,38
св. 2,38 до 2,77
св. 2,77 до 3,38
св. 3,38 до 4,0