КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР
QUARTZ RESONATOR

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в устройствах стабилизации частоты.
Известен кварцевый резонатор-термостат (КРТ) с системой внутреннего термостатирования, содержащий размещенную в вакуумированном корпусе пьезокварцевую пластину (ПП) с нанесенными на нее возбуждающими электродами, а также пленочным нагревателем и датчиком температуры, служащими для статирования пластины при заданной температуре [1]. Этот КРТ обладает малым временем установления частоты с момента включения, что обусловлено размещением нагревателя непосредственно на ПП. Недостатком этого резонатора является значительная температурная нестабильность частоты, которая является следствием наличия тепловых градиентов на ПП из-за интенсивного теплового потока от нагревателя, расположенного непосредственно на пьезоэлементе, в окружающую среду через систему крепления ПП.
Известны также устройства, выполненные соответственно по [2, 3], содержащие размещенное в вакуумированном корпусе металлическое или диэлектрическое основание, на котором при помощи изолированных от основания контактов монтируется кварцевая ПП с нанесенными на нее возбуждающими электродами, нагревателями и датчиком температуры, а также транзистор системы терморегулирования, расположенный в центре основания и служащий для регулирования тока через пленочные нагреватели. Благодаря размещению внутри КРТ транзистора, рассеивающего в стационарном тепловом режиме значительную мощность, вызывающую дополнительный нагрев объема КРТ, достигается существенное уменьшение теплового потока от пленочных нагревателей в окружающую среду через крепление ПП, что приводит к резкому уменьшению температурных градиентов по ПП и как следствие к заметному повышению температурной стабильности КРТ. Выводы возбуждающих электродов пьезоэлемента подсоединяются к схеме автогенератора; выводы транзистора, нагревателя и датчика температуры включаются в схему терморегулирования.
Однако кварцевый резонатор с металлическим основанием имеет относительно большое время готовности, обусловленное длительным установлением стационарной температуры металлического основания, нагреваемой установленным на нем транзистором, что вызвано значительной теплоемкостью и сравнительно низкой теплопроводностью основания. При этом применение для изготовления основания металлов с высокой теплопроводностью приводит к увеличению теплооттока от ПП и транзистора через основание в окружающую среду, а существенное уменьшение массы основания за счет уменьшения толщины невозможно из-за возникающих при этом сложностей с закреплением в нем изолированных контактов. Во втором случае диэлектрическое основание обеспечивает незначительно меньшее время готовности кварцевого резонатора, но клеевое соединение транзистора нагревателя с ним ухудшают долговременную и температурную стабильность частоты из-за выделения газов из клеевого соединения. Такое диэлектрическое кольцо с местами его крепления сложно в изготовлении, будь это керамика или стекло. В случае применения диэлектрического кольца резонатор отличается низкой механической прочностью крепления диэлектрического кольца в вакуумированном корпусе, а также крепления металлической пластины к этому кольцу. К недостаткам такого ПП следует отнести также то, что в первоначальный момент разогрева транзистор находится в насыщенном состоянии, отдавая всю мощность нагревателю, а это неминуемо приводит к утечке тепла по лепесткам к еще не прогретой пластине. Таким образом возникает температурно-динамическая нестабильность частоты (ТДКЧ), которая является определяющей при достижении минимального времени разогрева ПП и КРТ в целом. Следует назвать у таких КРТ низкую долговременную стабильность, вызванную старением пленочного нагревателя и термисторного датчика температуры. Отсюда низкая точность регулирования температуры, а разнесение датчика температуры и пьезоэлемента приводит к температурному градиенту и отсутствию технологической повторяемости таких терморегуляторов КРТ. Указанные недостатки делают описанные кварцевые  резонаторы малопригодными к серийному производству из-за их сложности и низкого коэффициента выхода годных, а также крайне ненадежными для применения в современных высокостабильных опорных генераторах.
Из известных устройств наиболее близким к заявляемому является КРТ [4], в котором поставленная задача решена в кварцевом резонаторе, содержащем вакуумированный корпус, внутри которого закреплено выполненное в виде кольца опорное основание с расположенными на нем местами крепления в вакуумированном корпусе, а на опорном основании установлена металлическая пластина с местами крепления ее к опорному основанию и размещенным на ней транзистором для регулирования тока подогрева, а также кварцевый пьезоэлемент, установленный на контактных лепестках и снабженный нанесенными на него возбуждающими электродами, нагревателем и датчиком температуры. Согласно изобретению опорное основание выполнено металлическим, а указанные места крепления опорного основания в корпусе и места крепления металлической пластины на опорном основании выполнены в виде диэлектрических изоляторов, в которых размещены металлические стержни. Вакуумированный корпус снабжен металлизацией по меньшей мере части внутренней поверхности, а контактные лепестки могут быть выполнены как часть указанной металлической пластины или закреплены на опорном кольце.
Такое решение по созданию КРТ прототипа не снимает практически всех недостатков аналогов, таких как: высокие ТДКЧ и время выхода на рабочий режим, низкие точность поддержания температуры статирования и старения пьезоэлемента за счет релаксации пленки нагревателя, сохраняется градиент между нагревателем и датчиком температуры, а значит, низкая технологическая повторяемость изделий КРТ. Здесь данное конструктивное решение по применению нагревателя в виде транзистора приводит к простой зависимости: попытка уменьшить время выхода на рабочий режим КРТ за счет роста форсированного разогрева ПП приводит к увеличению неконтролируемого ТДКЧ, таким образом не сокращая переходный процесс при установлении частоты в прототипе. Кроме того, рост рассеваемой мощности на пленочном нагревателе приводит к ускоренному старению ПП из-за релаксации, что приводит к старению ПП в целом, и, как показывают исследования [5, 6], температура пленочного нагревателя не может превышать 200°С.
Цель, на которую направлено данное изобретение, состоит в решении задачи и создании КРТ лишенного недостатков, свойственных прототипу. Технический результат, который дает осуществление изобретения, состоит в уменьшении долговременной нестабильности и температурно-динамического коэффициента частоты, а также времени выхода на рабочий режим и повышения температурной стабильности частоты КРТ без увеличения его потребляемой мощности. Эта цель достигается тем, что нагреватель выполнен в виде светодиода, закрепленного на металлической пластине, световой поток которого сфокусирован на центральной части кварцевого пьезоэлемента, у которого на центральной части одного из электродных покрытий образовано неметаллизированное отверстие диаметром, достаточным для полного поглощения светового потока, излучаемого светодиодом, а расстояние между поверхностью линзы светодиода и неметаллизированным отверстием в возбуждающем электроде выбрано из условия максимально отдаваемой мощности светового потока, причем кварцевый пьезоэлемент выполнен двухчастотным в виде дисковой или усеченной линзы и расположен нормально к световому потоку, а на его периферийной поверхности выполнены датчики в виде встречно-штыревых преобразователей (ВШП), один из которых размещен в области лепестка крепления возбуждающего электрода, а второй расположен относительно него под углом 90°.
Новым в изобретении является конструкция нагревателя и выполнение пьезоэлемента двухчастотным в дисковом или усеченном виде с размещенными на его поверхности датчиками в виде встречно-штыревых преобразователей. Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - конструкция резонатора (без внутренних соединений);
на фиг.2 - вид на конструкцию линзового пьезоэлемента-светодиода (увеличено);
на фиг.3 - вид на конструкцию (без корпуса) сверху для линзового пьезоэлемента со встречно-штыревыми преобразователями;
на фиг.4 - схема включения резонатора в генератор с терморегулятором.
Резонатор (фиг.1-4) содержит вакуумированный корпус 1, в котором закреплено основание 2 с размещенным на нем светодиодом 3, установленным на металлической пластине 4, и контактными лепестками 5, в которых установлен кварцевый пьезоэлемент 6 с нанесенными на него возбуждающими электродами 7, датчиками ВШП 8. Основание 2 выполнено в виде металлического опорного кольца с расположенными на нем местами крепления его в вакуумированном корпусе 1. Места крепления опорного металлического кольца в корпусе и места крепления металлической пластины 4 на опорном кольце выполнены в виде диэлектрических (например, стеклянных) изоляторов 9, в которых размещены металлические стержни 10. Вакуумированный корпус 1 снабжен металлизацией 11 внутренней поверхности. Выводы возбуждающих электродов 7 подсоединяются к схеме двухчастотного автогенератора 13, как показано на фиг.4; выводы светодиода 3 и выводы встречно-штыревых преобразователей 8 подсоединяются к схеме терморегулирования 12.
Резонатор с внутренним термостатированием работает следующим образом. При подаче питающего напряжения схема автогенератора 13 через электроды 7 возбуждает колебания пьезоэлемента 6 на двух частотах: стабилизируемой и температурной, а система терморегулирования 12 вследствие несоответствия температуры значению, соответствующему температуре статирования, открывает светодиод 3, который излучает направленный сфокусированный поток света 14 заданной мощности через отверстие 13 в возбуждающем электроде ПП, тем самым обеспечивая форсированный разогрев ПП за счет рассеяния потока света 15 в материале ПП, одновременно обеспечивая быстрый разогрев металлической пластины, на которой закреплен корпус светодиода на теплопроводящей прокладке 16. При этом приток тепла через контактные лепестки от металлической пластины к ПП и от ПП через них практически скомпенсирован и градиент температуры на поверхности ПП создается лишь в местах крепления возбуждающих электродов. В этом случае возникающий ТДКЧ устраняется с помощью ВШП, расположенных как это показано на фиг.3, сигнал с которых подается на один из входов терморегулятора. Уменьшение влияния ТДКЧ достигается за счет того, что при изменении температуры нагревателя длительность переходного процесса установления нового значения резонансной частоты определяется не только температурным коэффициентом частоты ПП, но и его ТДКЧ, т.к. ПП прогревается неравномерно из-за разности температур в местах крепления стержней к возбуждающим электродам и периферии ПП, что приводит к различию скоростей распространения акустических волн от центра ПП к ВШП, которое можно выделить с помощью фазового детектора в нагревателе. При этом выполнение датчиков в виде ВШП уменьшает инерционность цепи обратной связи регулирования звена коррекции ТДКЧ. Точное значение температуры на ПП определяется по температурной моде колебаний, поступающих на второй вход терморегулятора. Таким образом, форсированный разогрев ПП достигается комбинированным потоком тепла, рассеиваемого одновременно в теле ПП путем рассеяния светового потока светодиода и металлической пластины за счет рассеиваемой мощности на корпусе светодиода. После достижения на пьезоэлементе 6 заданной температуры система терморегулирования 12 выходит на стационарный режим работы, обеспечивая заданную стабильность частоты стабилизируемой моды колебаний. В результате переходный процесс в резонаторе практически отсутствует, что приводит к значительному сокращению времени установления частоты и служит достижению поставленной цели.
Литература
1. Справочник "Пьезоэлектрические резонаторы". Под редакцией П.Е.Кандыбы, П.Г.Позднякова. - М.: Радио и связь, 1992 г., с.362-364.
2. Пат. РФ № 2101854, МПК Н03Н 9/19, выд. 10.01.98 г.
3. I.V.Abramson, A.N.Dikidzhi, "Improvement of Characteristics of Quartz Resonator-termostat Winh Direct Heating the Piezoelement", Proceedings of 1992 IEEE Annual Frequency Control Symposium", p.499-504, 1992.
4. Пат. РФ № 2155442, МПК H03H 9/19, H03H 9/15, выд. 27.08.2000 г.
5. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989 - 272 с.
6. Иванченко Ю.С. Многочастотная кварцевая стабилизация. - Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, 2007. - 506 с.