ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ В ВИДЕ ОБРАТНОЙ МЕЗАСТРУКТУРЫ

Заявляемая полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к пьезоэлектронике, и может быть использована для изготовления высокочастотных резонаторов и генераторов.
Известен кристаллический пьезоэлемент, выполненный в виде обратной мезаструктуры из пластины круглой формы с нанесенными на поверхность мезаструктуры электродными покрытиями крестообразной формы, причем один электрод направлен по оси ZZ', второй - по оси XX'. Поперечные размеры электрода рассчитаны согласно критерию моночастотности при удвоенном значении Δf-величины, пропорциональной толщине электродов, а размер выступов электродов d за пересечение определяется соотношением d/h≥30, где h - толщина рабочей области кристаллического элемента (патент RU 2232461 С1, опубликовано 10.07.2004 г.).
Расположение электродов в известном пьезоэлементе крест-накрест приводит к необходимости использовать специальные редкие корпуса геренаторов и резонаторов, а использование круглой пластины нарушает унификацию рабочих корпусов и не позволяет применять пьезоэлемент в современной радиоэлектронике для поверхностного монтажа.
Известен кристаллический пьезоэлемент, содержащий тонкую часть возбуждения, утолщенную усиленную рамку, расположенную поперек сквозной канавки, и опорные части, которые сформированы в той же плоскости, что и часть возбуждения с той же самой толщиной и соединяющие возбуждающую часть и усиленную рамку вместе в одном корпусе возбуждающие электроды, расположенные на верхней и обратной поверхностях возбуждающей части, соединительные электроды на усиленной рамке и выводные электроды, которые соединяют соответствующие соединительные и возбуждающие электроды (заявка JP 2008022378 A, опубликована 31.01.2008 г.)
К недостаткам известного пьезоэлемента можно отнести сложность конструкции, а также то, что большие размеры возбуждающих электродов не позволяют обеспечить необходимую высокую рабочую частоту и приводят к увеличению динамического сопротивления.
Известен также пьезоэлемент в виде обратной мезаструктуры, выполненный из прямоугольной пластины в виде утонченной центральной части с нанесенными на нее электродами (заявка JP 2009159000 A, опубликована 16.07.2009 г.).
К недостаткам известного пьезоэлемента можно также отнести сложность конструкции и необходимость применения дорогостоящего оборудования для изготовления пьезоэлемента, обусловленные сложной геометрической формой зауженной (утонченной) части. Наличие разнотолщинности в зауженной части пьезоэлемента приводит к уменьшению рабочей частоты, что скажется на ограничении применения пьезоэлемента в радиоэлектронной промышленности.
В качестве наиболее близкого технического решения заявляемой полезной модели выбран высокочастотный пьезоэлемент типа обратной мезаструктуры, изготовленный из прямоугольной монокристаллической пластины в виде утонченной центральной части с утолщенным окружающим ее буртиком, причем буртик выполнен с разрывом, ширина которого составляет 20-400 толщин утонченной части пьезоэлемента. Буртик представляет собой так называемую буферную зону - неутонченную часть пластины вокруг мезаструктуры, которая должна обеспечивать стойкость к механическим воздействиям (патент RU 2099858 С1, опубликовано 20.12.1997 г.).
К недостаткам ближайшего аналога можно отнести невысокую стойкость к механическим воздействиям, в частичности, к вибрациям, из-за большой площади, занимаемой утонченной центральной частью по отношению к площади пластины и наличия разрыва в буртике. Наличие разрыва в буртике может также привести к затеканию клея при монтаже корпуса либо не позволит использовать монтаж с противоположных сторон пластины.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается заявляемой полезной моделью, является создание новой конструкции пьезоэлемента, которая позволяет расширить область использования технологии изготовления пьезоэлементов АТ-среза до высокочастотного диапазона и получить рабочие частоты свыше 350 МГц в серийном производстве, уменьшить динамическое эквивалентное сопротивление пьезоэлемента и одновременно упростить технологию изготовления.
Технический результат, получаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в повышении стойкости пьезоэлемента к механическим воздействиям.
Технический результат достигается тем, что высокочастотный пьезоэлемент в виде обратной мезаструктуры, изготовленный из монокристаллической прямоугольной пластины в виде выполненных на верхней и нижней сторонах пластины углублений, расположенных в центральной части и окруженных буртиками, согласно полезной модели пластина содержит с обеих сторон контактные площадки, а углубления пластины выполнены в форме овалов, при этом на них с обеих сторон пластины нанесены возбуждающие электроды.
При этом согласно полезной модели каждый возбуждающий электрод может быть электрически соединен с контактными площадками.
При этом согласно полезной модели контактные площадки могут быть расположены на коротких сторонах пластины.
При этом согласно полезной модели с каждой стороны пластины может быть расположено по две контактные площадки.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами (фиг. 1-3), пример выполнения заявляемого пьезоэлемента в виде обратной мезаструктуры на которых, однако, не является единственно возможными, но наглядно демонстрирует возможность достижения заявленного технического результата.
На фигуре 1 представлено изображение верхней и нижней поверхностей заявляемого пьезоэлемента, а также выполнение углублений (утонченных центральных частей), на фиг. 2 представлено продольное сечение пьезоэлемента, на фиг. 3 - вид сверху на пьезоэлектрическую пластину.
Согласно полезной модели в одном из вариантов выполнения пьезоэлемент в виде обратной мезаструктуры содержит прямоугольную кристаллическую пластину 1, имеющей на верхней и нижней своих сторонах углубления 8 (фиг. 1, 3).Углубления 8 представляют собой утонченные части пластины, расположенные в ее центральной части и имеющие форму овалов. Углубления 8 окружены утолщенными частями пластины - буртиками 9. На верхнюю поверхность углубления 8, например, с помощью магнетронного напыления, нанесен возбуждающий электрод 2, электрически соединенный с контактной площадкой 4, а также контактной площадкой 6 на обратной поверхности кристаллической пластины 1. На нижнюю поверхность утонченной части 8нанесен возбуждающий электрод 3, электрически соединенный с контактной площадкой 7, а также контактной площадкой 5 на обратной поверхности кристаллической пластины 1 (фиг. 1-3).Возбуждающие электроды 2 и 3 могут выполняться  электрически соединёнными с контактными площадками. Контактные площадки 4-7 могут быть расположены на коротких сторонах пластины 1, причем с каждой стороны пластины 1 может быть расположено по две контактные площадки.
Вначале осуществляют распиловку кристалла кварца на плоские заготовки с ориентацией под углом +35°20'±30'' к оси Z. Затем шлифуют поверхности плоских заготовок, заканчивая механическую обработку на корунде М5, и проводят тщательную очистку полученных кристаллических элементов (далее - КЭ) химической промывкой. Если КЭ на конечном этапе требуется придать форму обратной мезаструктуры, то дополнительно по периферии КЭ наносят защитное покрытие любым известным способом.
4
2
После механической обработки и очистки кристаллические элементы подвергают химическому травлению до необходимой толщины, например, в полирующих растворах плавиковой кислоты (HF), бифторида аммония (NH(HF)).
Далее на КЭ наносят электроды и полученные пьезоэлементы монтируют в металлокерамические корпуса, например, «СМД3» 3,2×2,5×1 мм.
Возможность осуществления заявленной полезной модели показана на этапах отработки технологических операций при изготовлении пьезоэлементов на частоту 220 МГц. Опыты по глубокому химическому травлению проводились с кварцевыми пластинами среза +35°20'±30'' к оси Z. Длина пластин 2,2 мм, ширина пластин 1,54 мм, а начальная толщина от 50 до 80 мкм. Травление осуществлялось при температуре растворов 175°С. Пластинам, помещенным в кассеты, задавалось возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости с частотой 40 качаний в минуту. В ряде случаев для формирования КЭ с обратной мезаструктурой травление проводилось с использованием масок Cr, напыленных с двух сторон пластины реверсивным способом.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
При подаче переменного напряжения на возбуждающие электроды 2 и 3 пьезоэлемента в утонченной части (углублении) 8 кристаллической пластины 1, расположенной между возбуждающими электродами 2 и 3, возникают колебания. При совпадении частоты возбуждающего переменного напряжения с собственной частотой толщинно-сдвиговых колебаний утонченной части 8 пластины 1 наступает резонанс конструкции, при этом проводимость устройства резко возрастает.