Кварцевый резонатор

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при разработке кварцевых резонаторов двухповоротных срезов для генераторов высокостабильных электрических колебаний. Технический результат - улучшение технических характеристик кварцевого резонатора за счет повышения активности моды С при наибольшем подавлении моды В. Резонатор двухповоротного среза содержит два электрода для возбуждения перпендикулярным полем колебаний рабочей моды С, причем каждый из электродов разделен на две части так, что одна из них располагается только в основной зоне, а другая находится только в зоне противофазного электрического потенциала на стороне этого электрода для рабочей частоты, при этом части электродов, находящиеся в основных зонах, электрически соединены каждая со своим выводом резонатора, а оставшиеся части подключены к выводам таким образом, чтобы были соединены электроды противоположных сторон резонатора. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при разработке кварцевых резонаторов двухповоротных срезов для генераторов высокостабильных электрических колебаний.

Кварцевые резонаторы двухповоротных срезов, обладая неоспоримыми преимуществами перед традиционными одноповоротными, такими как AT и ВТ, практически вытеснили их в современных кварцевых генераторах, особенно высокостабильных. Наиболее часто применяемые резонаторы срезов ТД (SC), кроме рабочей моды С, имеют мощный, близко расположенный по частоте нежелательный резонанс, обусловленный колебаниями моды В, которая может возбуждаться в пьезоэлементах всех двухповоротных срезов. Это усложняет реализацию генераторных схем, а за их избирательность в отношении мод приходится платить ухудшением стабильности частоты генераторов.

Однако существуют решения, направленные на селекцию мод не в схеме генератора, а непосредственно в самом резонаторе.

Так, в резонаторах, возбуждаемых параллельным полем, в принципе исключена возможность генерации мешающей моды. Но, несмотря на радикальное решение вопроса, они обладают целым набором недостатков и до настоящего времени практически не применяются [1].

Известны также резонаторы с электродами, смещенными таким образом, чтобы направление их электрического поля соответствовало максимальному значению пьезоконстанты С-колебаний. Это решение улучшает технические характеристики резонаторов, в частности соотношение активностей мод [2].

Последнее предложение является ближайшим аналогом заявляемого.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, состоит в улучшении технических характеристик кварцевого резонатора за счет повышения активности моды С при наибольшем подавлении моды В.

Указанный технический результат достигается тем, что в кварцевом резонаторе двухповоротного среза с двумя электродами для возбуждения перпендикулярным полем колебаний рабочей моды С, каждый из электродов разделен на две части так, что одна из них располагается только в основной зоне, а другая находится только в зоне противофазного электрического потенциала на стороне этого электрода для рабочей частоты, причем части электродов, находящиеся в основных зонах, электрически соединены каждая со своим выводом резонатора, а оставшиеся части подключены к выводам таким образом, чтобы были соединены электроды противоположных сторон резонатора.

Для кварцевых резонаторов двухповоротных срезов электрическая зондовая характеристика (3Х), то есть распределение потенциалов на поверхности колеблющегося пьезоэлемента, имеет, приблизительно, форму круга с центром около геометрического центра этой поверхности при возбуждении колебаний одной из мод В или С. При этом толщинно-сдвиговые колебания, как и в резонаторах AT и ВТ, концентрируются в средней ее части, особенно в пьезоэлементах выпуклого профиля [1]. В результате, в центре 3Х наблюдается амплитудный максимум. 3Х имеет еще один отчетливо выраженный максимум ближе к краю круга, причем фаза электрических колебаний в нем противоположна той, что в центре. Этот максимум окружен зоной противофазного электрического потенциала (ПФЭП). имеющей вид сегмента, отделенного от основной зоны вокруг первого максимума хордой, чуть выгнутой в сторону центра.

Амплитуды в точках максимумов наибольшие, на границах зон близки к нулю. Обе зоны вместе составляют круг 3Х. Фазы электрических потенциалов в них совпадают с фазами своих максимумов, то есть между собой зоны противофазны.

Вид 3Х для каждой из мод В и С примерно одинаков, но для колебаний другой моды вся картина повернута на 90° по отношению к первой, поэтому зоны ПФЭП для мод В и С располагаются в разных местах поверхности пьезоэлемента. 3Х его противоположной стороны имеет такой же вид и всякий раз симметрична с первой относительно геометрического центра пьезоэлемента, а потенциалы одноименных зон на разных его сторонах противофазны.

Описанные 3Х можно наблюдать, например, с помощью простейшего электромеханического зонда, представляющего собой точечный электрод, подключенный к регистрирующему устройству. При сканировании этим электродом поверхности колеблющегося пьезоэлемента характерные изменения его потенциала будут соответствовать картине распределения потенциалов на самом пьезоэлементе.

Традиционный электрод своей поверхностью перекрывает обе зоны. Они противофазны, но ввиду того, что основная зона имеет большую площадь и амплитуду по сравнению с зоной ПФЭП и преимущественно воздействует на колебательную систему резонатора, происходит его функционирование.

Предлагаемый кварцевый резонатор представлен на чертеже.

Он представляет собой кварцевый пьезоэлемент 1 двухповоротного среза с двумя электродами для возбуждения перпендикулярным полем колебаний рабочей моды С. Каждый из электродов разделен на две части так, что одна из них располагается только в основной зоне, а другая находится только в зоне ПФЭП на стороне этого электрода для рабочей частоты. Части электродов, находящиеся в основных зонах, электрически соединены с выводами 2 и 3 резонатора, как это было с исходными электродами. Оставшиеся части электродов подключены каждая к выводу от электрода противоположной стороны резонатора.

Работа заявляемого кварцевого резонатора основана на том, что для каждой из зон 3Х на поверхности пьезоэлемента образуется свой электрод, перекрывающий, в том числе, максимум своей зоны.

Подключенные к выводам 2 и 3 резонатора части электродов, находящиеся в основных зонах, образуют несколько улучшенный вариант решения [2] со смещенными электродами. В нем для колебаний С используются и перпендикулярные, и параллельные составляющие электрического поля, возникающего между сдвинутыми в нужных направлениях электродами. С точки же зрения 3Х такое смещение электродов выводит их из зон ПФЭП, противодействующих возбуждению колебаний С. Причем для моды В, у которой 3Х повернута на 90°, смещенные электроды оказываются в зоне ПФЭП, теряя при этом часть своей основной зоны, так что колебания В возбуждаются заметно хуже. Все это благоприятно отражается на величинах и соотношении соответствующих динамических сопротивлений резонатора.

Однако при смещении вынесенные части электродов оказываются вне 3Х и почти не участвуют в возбуждении полезных колебаний, но могут провоцировать появление ангармонических и других мешающих колебаний, активных как раз в периферийных областях пьезоэлемента. Кроме того, эта излишняя площадь электродов увеличивает собственную емкость резонатора, а неиспользуемая для моды С зона ПФЭП является резервом дальнейшего улучшения его параметров.

Указанные недостатки отсутствуют в предлагаемом техническом решении. Здесь электроды находятся только в пределах 3Х. Поскольку оставшиеся части электродов противофазны своим основным частям, они синфазны с основными частями электродов противоположной стороны пьезоэлемента 1. С учетом их фазы они подключены к выводам 2 и 3 резонатора, поэтому совместно с основными частями создают наиболее благоприятные условия для возбуждения колебаний рабочей моды С и обусловливают для нее минимальное динамическое сопротивление резонатора.

На частоте колебаний моды В вся система расстраивается. Противофазные зоны попадают под один электрод, а противофазные электроды оказываются в одной и той же зоне. Динамическое сопротивление резонатора при этом значительно возрастает.

Во всех случаях электроды находятся в активных областях 3Х, включая максимумы всех зон, поэтому рассмотренные эффекты проявляются в наибольшей степени.

Пример

Были изготовлены кварцевые резонаторы среза ТД (yxbl/23°25'/34°) с плосковыпуклыми круглыми пьезоэлементами диаметром 10 мм и номинальной частотой колебаний третьего порядка моды С 10 МГц, в которых электроды разделены в соответствии с формулой изобретения. Для правильного напыления таких электродов достаточно с помощью зонда найти максимум зоны ПФЭП и поставить метку в конце радиуса, проходящего через этот максимум, после чего ориентация пьезоэлемента будет однозначно задана.

Произведены измерения динамических сопротивлений полученных резонаторов для мод В и С. Типичные значения этих параметров представлены в таблице, где для сравнения также приведены соответствующие параметры подобных резонаторов с традиционными и со смещенными электродами. Дополнительно указана степень подавления мешающей моды В как отношение динамических сопротивлений для нее и для рабочей моды С по каждому виду электродов.

Из таблицы следует, что предлагаемое техническое решение обеспечивает наилучшую активность рабочей моды С в кварцевых резонаторах двухповоротных срезов при наибольшем подавлении мешающей моды В.

Таблица
Электроды	Динамическое сопротивление, Ом	Подавление
Мода В	Мода С
Традиционные	70	120	0,6
Смещенные	240	100	2,4
Предлагаемые	250	90	2,8

Источники информации

1. Пьезоэлектрические резонаторы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992. - 392 с.

2. Патент Российской Федерации № 2276455. Опубл. 10.05.2006, бюл. № 13.

Кварцевый резонатор двухповоротного среза с двумя электродами для возбуждения перпендикулярным полем колебаний рабочей моды С, отличающийся тем, что каждый из электродов разделен на две части так, что одна из них располагается только в основной зоне, а другая находится только в зоне противофазного электрического потенциала на стороне этого электрода для рабочей частоты, причем части электродов, находящиеся в основных зонах, электрически соединены каждая со своим выводом резонатора, а оставшиеся части подключены к выводам таким образом, чтобы были соединены электроды противоположных сторон резонатора.