Кварцевый резонатор с частичным внутренним размещением элементов термостата генератора
Изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно к кварцевым резонаторам-термостатам (КРТ) в составе термостатированных кварцевых генераторов (ГКТС). Технический результат заключается в уменьшении времени выхода на режим и снижении потребляемой мощности. Кварцевый резонатор (КРТ) термостатированного кварцевого генератора (ГКТС) с частичным внутренним размещением элементов системы термостатирования содержит вакуумированный корпус, состоящий из герметично соединенных основания и колпака, в котором кварцевый пьезоэлемент с нанесенными на него пленочными возбуждающими электродами через контактные стойки, соединенные с выводами основания, смонтирован в периферийной части платы системы термостатирования, состоящей из диэлектрической подложки с размещенными на ней электронными элементами системы термостатирования, которая закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании вакуумированного корпуса и состоящей из опорного кольца с кварцевыми проставками, сопряженными с опорным кольцом и основанием клеем с низкой газацией. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Назначение и область применения
Заявленное изобретение относится к области радиоэлектроники и предназначено для работы кварцевых резонаторов в составе термостатированных кварцевых генераторов.
Предшествующий уровень техники
Известны кварцевые резонаторы-термостаты (КРТ), содержащие кварцевую пьезопластину (ПП) с нанесенными на нее пленочными электродами, а также систему термостатирования, включающую нагреватель и датчик температуры, которая вместе с ПП размещается в вакуумированном корпусе КРТ, обеспечивая точное поддержание температуры ПП при изменении окружающей температуры [Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник под ред. П.Е. Кандыбы и П.Г. Позднякова, М., 1992 г., стр.332]. Благодаря размещению системы термостатирования внутри вакуумированного объема КРТ вместе с ПП, достигается низкая потребляемая мощность, малое время разогрева, а также уменьшение размеров термостатированного кварцевого генератора. К числу недостатков данного решения следует отнести недостаточную механическую прочность таких устройств и сложный цикл изготовления и сборки элементов конструкции.
Из уровня техники известны также решения КРТ (RU128042), включающее кварцевую пьезопластину с пленочным нагревателем, датчик температуры и блок термостатирования с электрической схемой, помещенные на теплопроводящей плате, которая с помощью теплоизолятора установлена на основании вакуумированного корпуса, где теплоизолятором являются стойки, выполненные из металлических, например, нихромовых полосок в форме крючков с отогнутыми в разные стороны концами, образующими на разных уровнях площадки с взаимно параллельными плоскостями, причем нижняя площадка приварена к основанию корпуса точечной сваркой, а на верхнюю площадку приклеена плата на «клеевой замок».
В предшествующем уровне техники также известны близкие к вышеуказанному решению варианты осуществления конструкции кварцевого резонатора, например, представленные на фиг. 1-3 опубликованной заявки США на изобретение US2004021402, в которых резонатор снабжен двумя, тремя или четырьмя стойками крепления пластины резонатора соответственно. Тепловой путь каждой стойки в указанных конструкциях обеспечивает требуемые тепловые потери КРТ, при этом, очевидным образом, тепловые потери в данных конструкциях можно уменьшить выбором корпуса большей высоты, а, следовательно, выполнением стоек большей высоты; либо выбором материала с меньшей теплопроводностью, например, сплавы титана; или изменением количества стоек. Возможно также размещение буферного материала совместимого по теплопроводности, например, так, как это представлено в публикации патента США US5030875, где промежуточный (буферный) кварцевый слой представляет собой защитный слой, который кроме решения задачи снижения механических напряжений в конструкции из-за различия коэффициентов теплового расширения ее элементов, дополнительно обеспечивает поддержание расстояния между монтажными элементами.
Наиболее близким к заявленному решению по совокупности существенных признаков является решение КРТ, раскрытое в патенте на полезную модель RU 123218, в котором кварцевый резонатор-термостат (КРТ), содержащий вакуумированный корпус, в котором кварцевая пьезопластина с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами через контактные лепестки смонтирована в периферийной части диэлектрической подложки с размещенными на ней нагревателями, термодатчиком и другими элементами системы термостатирования КРТ, которая закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании вакуумированного корпуса и состоящей из опорного кольца, изготовленного из материала с низкой теплопроводностью и приклеенной к нему в двух диаметрально противоположных местах теплоизолирующей полоски. При этом крепление диэлектрической подложки к теплоизолирующей опоре осуществлено через прокладку в центральной части теплоизолирующей полоски, а опорное кольцо своей нижней частью в двух местах через прокладки приклеено к основанию вакуумированного корпуса. Кроме того, как указано в описании полезной модели, вакуумный корпус может быть выполнен металлическим типа ТО-8 (НС-37), на основании которого через прокладки в двух диаметрально противоположных местах приклеено опорное кольцо, выполненное их стекла. КРТ имеет выводы для подключения возбуждающих электродов к внешнему автогенератору, а также выводы для подключения термостата к внешнему источнику электрического напряжения. Данное решение может быть принято за прототип.
К числу недостатков решения прототипа, а также рассмотренных решений аналогов, можно отнести невозможность корректировки настройки части схемы управления системой термостатирования, размещенной в вакуумированном корпусе КРТ в процессе эксплуатации КРТ в составе ГКТС, т.к. данные решения имеют закрытую систему термостатирования, в которой отсутствует возможность настройки усиления или ограничения мощности разогрева в процессе работы с резонатором, что приводит к ухудшению эксплуатационных параметров резонатора, снижению стабильности частоты КРТ, увеличению времени выхода на режим и повышению потребляемой мощности. Кроме того, данные решения обладают сложной конструкцией, требующей применения особых условий сборки всех компонентов КРТ и специализированного оборудования для ее осуществления.
Сущность изобретения
Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в устранении вышеуказанных проблем, свойственных аналогам и прототипу и предложении компактного кварцевого резонатора с частичным внутренним размещением элементов термостата кварцевого генератора (ГКТС) с уменьшенным энергопотреблением и высокой скоростью выхода на режим, снабженного средствами регулирования режима термостатирования, коэффициента усиления регулятора термостата и ограничения по мощности разогрева.
Технический результат достигаемый применения заявленного решения заключается в повышении эффективности КРТ в составе ГКТС, проявляемой в уменьшении времени выхода КРТ на режим и мощности потребления путем расположения части электронных элементов термостата генератора внутри корпуса кварцевого резонатора, с обеспечением максимальной тепловой связи их с кварцевым пьезоэлементом (ПЭ), и одновременно с минимальной тепловой связи их с корпусом резонатора, что, в том числе, позволяет гибко и удобно разрабатывать, настраивать и модифицировать параметры функционирования КРТ ГКТС в режиме эксплуатации.
Заявленный технический результат достигается применением кварцевого резонатора-термостата (КРТ) термостатированного кварцевого генератора (ГКТС), содержащего вакуумированный корпус, состоящий из герметично соединенных основания и колпака, в котором кварцевый пьезоэлемент с нанесенными на него пленочными возбуждающими электродами через контактные стойки, соединенные с выводами основания, смонтирован в периферийной части платы системы термостатирования, состоящей из диэлектрической подложки с размещенными на ней электронными элементами системы термостатирования, которая закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании вакуумированного корпуса и состоящей из опорного кольца, изготовленного из материала с низкой теплопроводностью, отличающийся от прототипа тем, что плата термостатирования содержит управляемые электронные элементы части термостата ГКТС, включающие транзистор, терморезистор и варикап, выводы которых, соединены посредством контактного соединения с соответствующим каждому из них дополнительным наружным выводом основания вакуумированного корпуса, а диэлектрическая подложка снабжена участками металлизации сопряженными с выводами электронных элементов и соответствующих им контактными соединениями с формированием электрической связи между ними.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, диэлектрическая подложка дополнительно снабжена металлизированными отверстиями, сопряженными с участками металлизации, а контактные соединения электронных элементов выполнены в виде проходящих через опорное кольцо проволочных контактов приваренных одним из свободных концов к смежному внутреннему свободному концу соответствующего наружного дополнительного вывода основания, а вторым свободным концом соединенных с соответствующим каждому из них металлизированным отверстием на диэлектрической подложке, сопряженным с металлизированным участком диэлектрической подложки, снабженного контактной площадкой сопряжения с соответствующим электронным элементом, со стороны сопрягаемого вывода. При этом терморезистор располагается вблизи одной из контактных стоек, на которой прикреплен кварцевый пьезоэлемент, а контактный вывод катода варикапа соединен с одним из двух выводов кварцевого пьезоэлемента, тогда как транзистор, предпочтительно, расположен в центральной части платы. В другом возможном варианте осуществления заявленного решения один из выводов терморезистора может быть электрически соединен с корпусом КРТ.
В еще одном возможном варианте осуществления, электронные элементы смонтированы на плате посредством сопряжения выводов клеевым соединением токопроводящим клеем с контактными площадками металлизированных участков, сопряженных с металлизированными отверстиями на плате. Причем, в другом варианте осуществления, проволочные контакты контактных соединений могут быть дополнительно зафиксированы токопроводящим клеем в соответствующих им металлизированных отверстиях.
Согласно заявленному решению, при любом варианте осуществления, корпус может быть выполнен металлическим, а колпак вакуумированного корпуса соединен с основанием холодной сваркой.
В возможном варианте осуществления опорное кольцо дополнительно снабжено двумя диаметрально расположенными друг относительно друга на основании кварцевыми проставками, сопряженными с опорным кольцом и основанием клеевым соединением клеем с низкой газацией, а плата системы термостатирования закреплена на опорном кольце через диаметрально противоположные клеевые точки, расположенные со смещением от места крепления кварцевых проставок.
При любом варианте осуществления заявленного решения, контактные соединения, предпочтительно, выполнены из высокопрочного токопроводящего клея с прочностью на отрыв не менее 7 Н/мм2.
Краткое описание чертежей.
Конструкция заявленного изобретения проиллюстрирована на следующих чертежах:
фиг. 1 - структурная схема кварцевого резонатора-термостата согласно полезной модели;
фиг. 2 - размещение элементов на диэлектрической подложке: а) схемное представлени размещения основных элементов; б) схемное расположение контактных площадок и электронных элементов.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов осуществления изобретения и не может рассматриваться в качестве ограничений содержания изобретения, которое включает и другие варианты его осуществления.
Осуществимость изобретения.
Как следует из представленного на чертежах фиг. 1 и 2 примера осуществимости заявленного решения, кварцевый резонатор-термостат (КРТ) термостатированного кварцевого генератора (ГКТС) с частичным внутренним размещением элементов системы термостатирования, содержит вакуумированный корпус 1, состоящий из герметично соединенных основания 2 и колпака 3, в котором кварцевый пьезоэлемент (ПЭ, пьезоэлемент) 4 с нанесенными на него пленочными возбуждающими электродами (на чертежах не показаны) посредством не менее 2-х контактных стоек 5 (стоек), соединенных с наружными выводами основания 6, смонтирован в периферийной части платы 7 системы термостатирования (плата). Плата 7 системы термостатирования состоит из диэлектрической подложки 8 с размещенными на ней электронными элементами 9 системы КРТ, являющейся часть системы термостатирования ГКТС, включающими транзистор 10, терморезистор 11, варикап 12, и резистор 18, функционально связанные с системой термостатирования ГКТС и друг с другом для решения задач функционирования и управления режимами эксплуатации КРТ. Плата 7 закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании 2 вакуумированного корпуса и состоящей из опорного кольца 13, изготовленного из материала с низкой теплопроводностью, соединенной клеевым соединением с двумя диаметрально расположенными кварцевыми проставками (не показаны на чертежах) сопряженными клеевым соединение с основанием 2 корпуса. Диэлектрическая подложка 8 платы выполнена металлизированной, а каждый вывод размещенных на ней транзистора, терморезистора и варикапа электрической схемы системы термостатирования соединен посредством контактного 14 соединения с соответствующим каждому из них наружным дополнительным 15 выводом основания электронных элементов вакуумированного корпуса.
Контактные 14 соединения электронных элементов выполнены в виде проходящих через опорное кольцо 13 проволочных элементов соединенных одним из свободных концов со смежным, расположенным внутри корпуса свободным концом соответствующего наружного дополнительного 15 вывода основания, а вторым свободным концом соединенных с соответствующим каждому из них металлизированным отверстием 16 на плате, сопряженным с металлизированным участком 17 диэлектрической подложки, формирующим контактную площадку 20 соответствующего электронного элемента, со стороны одного из его выводов. Для поддержания требуемых условий теплообмена для функционирования КРТ, в том числе отвода тепла от платы во внешнюю среду резонатора, материалы проволоки контактных соединений выбраны с низкой теплопроводностью, наименьшим поперечным сечением и максимально возможной длиной. В частности, для изготовления контактных соединений может быть применена металлическая проволока с удельной теплопроводностью не более 40 Вт/м⋅К, диаметром сечения не более 200 мкм каждая и длиной не менее 1 мм, таким образом, что общее термическое сопротивления по каналу передачи тепла по всем проволочным элементам контактных соединений не превышало 10 мВт/К. При этом в предпочтительном варианте осуществления, удельная теплопроводность может составлять не более 20 Вт/м⋅К, диаметр сечения - порядка 100 мкм, а длина не менее 1,5 мм, с общее термическим сопротивлением - не более 1 мВт/К. В качестве материала, обеспечивающего данные характеристики, может быть использован, например, инвар.
Для обеспечения электрического контакта электронных элементов с контактными соединениями, а через них - с наружными дополнительными выводам основания, выводы данных элементов соединены с сформированными на смежной поверхности диэлектрической подложки металлизированными участками 17, сопряженными, с одной стороны, с металлизированными отверстиями 16 и контактными соединениями 14, проходящими через них, а с другой стороны - с одним из выводов соединяемого с внешней частью системы термостатирования электронного элемента, например, путем его прямого соединения с металлизированным участком или путем его сопряжения с дополнительно сформированной для удобства фиксации контактной площадкой 20. Соединение электронных элементов с металлизированным участком диэлектрической подложки может быть осуществлено любым известным из уровня техники способом, применяемым в данных конструкциях, например, посредством клеевого соединения токопроводящим клеем низкой газации, например, Loctite Ablestik 84. Аналогичный клеевое соединение может быть применено и для фиксации контактных соединений в металлизированном отверстии, что повышает надежность контактного соединения, его прочностные характеристики, оказывая тем самым непосредственное влияние на эффективность функционирования КРТ и управление характеристиками электронных элементов системой термостатирования. Дополнительным преимуществом использование токопроводящего клея, например, вместо пайки, является возможность исключения дополнительного загрязнения, попадающего внутрь объема резонатора, что необходимо для поддержания уровня вакуумирования резонатора необходимый для обеспечения максимальной тепловой связи электронных элементов системы термостата с ПЭ, и одновременно с минимальной тепловой связи их с корпусом резонатора, что, в том числе, способствует уменьшению времени выхода на режим и мощности потребления ГКТС, а также способствует наиболее гибкой настройке и модификации ГКТС в режиме эксплуатации.
Пьезоэлемент, согласно завяленному решению, представляет собой пластину кварца с двумя тонкими пленочными электродами. Во избежание дополнительных эффектов ухода частоты резонатора, связанных с механическим сжатием пьезоэлемента в стойках 5 под действием тепловых градиентов в конструкции, кварцевая пластина в рассматриваемом примере осуществления, предпочтительно, изготавливается из двухповоротного классического SC-среза (stress compensated) с углом первого поворота 21 56’, который обеспечивает нейтральность по отношению к механическим воздействиям. Вывод каждого пленочного электрода соединен со одной из стоек токопроводящим клеем. Остальные стойки, если конструкция КРТ предусматривает больше двух стоек в конструкции, соединены с пьезоэлементом посредством клея с удельной теплопроводностью не менее 1 Вт/м⋅К.
Физический принцип температурного статирования КРТ основан на рассеянии мощности, падающей на транзисторе, путем распределения тепла внутри высоко теплопроводящей платы, стоек и ПЭ, до момента ограниченного сопротивлением терморезистора.
Радиально симметричное расположение транзистора позволяет нагревать плату равномерно во избежание неравномерных механических сжатий ПЭ, а использование двухповоротного классического stress compensated (SC) среза кварца способствует дополнительной развязки конструкции от механических напряжений.
Согласно заявленному решению и представленному на чертежах фиг. 1 и 2 примеру осуществления, для обеспечения равномерного радиально-симметричного распределения тепла теплорассеивающий элемент - транзистор располагается в центральной части диэлектрической подложки платы, что обеспечивает минимальные градиенты температуры по диэлектрической пластине, следствием чего являются минимизация риска возникновения указанных выше неравномерных механических сжатий ПЭ, более высокая точность поддержания температуры контактных соединений и пьезоэлемента при изменении окружающей температуры. При этом, для поддержания данного эффекта, при выборе материалов для изготовления диэлектрической платы предпочтение отдается материалам с большой теплопроводностью, не менее 1 Вт/м⋅К, при сохранении хороших диэлектрических свойств. В частности, плата может быть выполнена из нитрида алюминия. Высокая теплопроводность платы необходима для быстрого распределения тепла по всей поверхности платы, в частности переброса тепла к контактным стойкам 5, на которых крепится пьезоэлемент.
Согласно представленному на чертеже фиг. 2 примеру осуществления заявленного решения, КРТ содержит 4 контактные стойки, установленные на плате клеевым соединением, две из которых сопряжены с электродами закрепленного ПЭ и установлены на сформированные для каждой из них металлизированные участки 17 диэлектрической подложки, образующие контактные дорожки, соединяющие контактные стойки с металлизированными отверстиями 16, обеспечивающими вывод наружу контактов ПЭ посредством контактных соединений, аналогичных сформированным для электронных элементов, через выводы основания 6. Контактные соединения, обеспечивающие электрическую связь ПЭ с выводами оснований через контактные стойки, металлизированные участки подложки и контактные соединения выполнены посредством высокопрочного токопроводящего клея с высокой прочностью на отрыв, предпочтительно, не менее 7 Н/мм2, и низкой газации, например, указанным ранее, Loctite Ablestik 84. Механическое крепление конструктивных элементов между собой также, предпочтительно, осуществляется клеевым соединением высокой прочности на отрыв и низкой газации, что снижает вероятность выброса загрязнений в объем корпуса при тепловом воздействии, а также снижает риск возникновения деформационных нагрузок на конструктивные элементы и их связи вследствие разного теплового расширения используемых в конструкции материалов сопрягаемых элементов и деформационных напряжений, возникающих в ПЭ при направленном тепловом воздействии. Сочетание механической прочности клеевых соединений данного рода и проявляемого при нагреве и деформационных нагрузках демпфирующего эффекта, за счет большей эластичности по сравнению с жесткими способами крепления, обеспечивает необходимые условия для быстрого выхода на режим КРТ при нагреве, при меньшей потребляемой мощности, а также высокую точность настройки характеристик термостатирования при внешнем управления встроенными в КРТ элементами системы термостатирования ГКТС и их стабильность в процессе эксплуатации. Вместе с тем, в возможных вариантах осуществления могут применяться и иные, известные из уровня техники способы механического крепления конструктивных элементов КРТ и их электронных компонентов.
Помимо обеспечения механического крепления ПЭ и формирования соединения обеспечивающего контакт электродов ПЭ с выводами основания, стойки 5 выполняют также роль теплового «канала» между платой с электронными элементами системы термостатирования и ПЭ, что накладывает требования к увеличению общей термической проводимости этого «канала». Конструктивно тепловая связь между транзистором и ПЭ увеличивается за счет поперечного сечения стоек, их количества (более двух), а также увеличения теплопроводности стоек и платы. Практическим путем установлено, что при использовании в составе конструкции двух контактных стоек, например, выполненных из меди, с поперечным сечением 50 мм2 и расстоянием между платой и ПЭ порядка 2 мм общая термическая проводимость «канала», образованного контактными стойками, составит порядка 5 мВт/К, что является минимально допустимым уровнем для обеспечения функционирования КРТ в составе ГКТС с сохранением требуемых эксплуатационных характеристик. Наиболее оптимальным с точки зрения получения компактного КРТ в составе ГКТ с уменьшенным энергопотреблением и высокой скоростью выхода на режим, является, согласно заявленному решению, использование в конструкции КРТ 4 медных контактных стоек, с поперечным сечением порядка 100 мм2 и расстоянием между платой и пьезоэлементом не более 1 мм. Общая термическая проводимость «канала», сформированного таким образом, при условии использования материалов соответствующей теплопроводности, рассмотренной ранее, составит порядка 160мВт/К, что позволяет обеспечить максимальную тепловую связь электронных элементов с ПЭ при минимизации тепловой связи их с корпусом резонатора, что способствует уменьшению времени выхода на режим и мощности потребления КРТ и ГКТС, а также эффективности настройки и модифицирования параметров КРТ и ГКТС внешним регулированием характеристик электронных элементов, расположенных на плате и системы термостатировании в целом. Для улучшения антикоррозийных свойств, и, как следствие, уменьшения газации, медных стоек, используют покрытие стоек слоем никеля, что способствует дополнительной минимизации тепловой связи электронных элементов с корпусом резонатора и достижению заявленного технического результата.
Согласно заявленному решению, терморезистор, предпочтительно, расположен вблизи одной из контактных стоек 5, на которой установлен пьезоэлемент, а один из его контактов, может быть соединен с корпусом резонатора, что позволяет обеспечить режим наибольшей тепловой связи электронных элементов с ПЭ и наиболее точно поддерживать заданную температуру на кварцевом пьезоэлементе.
Во избежание рассогласования температурно-зависимых частотных элементов, согласно заявленному решению, располагаемый на поверхности платы варикап статирован в едином термостате вместе с пьезоэлементом. При этом, для подстройки ухода частоты в результате старения ПЭ, согласно заявленному решению, катод 21 варикапа выполнен соединенным с одним из двух выводов ПЭ (фиг.2).
Таким образом, указанное выше размещение транзистора, терморезистора и варикапа на плате, располагаемой в корпусе КРТ и являющейся частью системы термостатирования ГКТС, обеспечивает требуемую тепловую связь электронных элементов с ПЭ при минимизации тепловой связи их с корпусом КРТ, что способствует уменьшению времени выхода на режим и мощности потребления КРТ и ГКТС, а также эффективности настройки и модифицирования параметров КРТ и ГКТС внешним регулированием характеристик электронных элементов, расположенных на плате и системы термостатирования в целом
Основной частью теплоотвода КРТ, согласно заявленному решению, является опорное кольцо теплоизолирующей опоры, обеспечивающее также механическую прочность конструкции теплоотвода термостата и служащее опорой для платы 7 с электронными элементами. Являясь частью системы термостата, теплоизолирующей опоры выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например, из стекла медицинского назначения марки НС-3 или нихромой ленты, либо другого используемого в данной области техники материала указанного назначения, с теплопроводностью не более 4 Вт/м⋅К, а в предпочтительном варианте осуществления, не более 1,5 Вт/м⋅К.
Для увеличения теплового сопротивления термостата, конструкция теплоизолирующей опоры снабжена дополнительной развязкой опорного кольца 13 по точкам приклейки - кольцо клеится на основание 2 через две кварцевые проставки 19 диаметрально противоположно расположенные друг относительно друга на основании резонатора. Соединение опорного кольца теплоизолирующей опоры с кварцевыми проставками и поверхностью диэлектрической подложки, а также кварцевых проставок с основанием может быть выполнено, например, эпоксидным клеем, либо другим клеевым соединением, обеспечивающим прочное соединение, с прочностью на отрыв не менее не менее 7 Н/мм2, и низким газовыделением. В свою очередь плата 7 монтируется к опорному кольцу через две диаметрально противоположные клеевые точки, расположенные со смещением, «крест на крест», относительно приклеенных к опорному кольцу проставок. Таким образом, при достаточной механической прочности конструкции, создается дополнительный длинный канал отвода тепла от платы к основанию резонатора через опорное кольцо. Таким образом, данная такая развязка обеспечивает снижение термической проводимости конструкции опорного кольца вместе с его креплением в несколько раз, в отличие если бы кольцо приклеивалось напрямую к основанию резонатора, что обеспечивает необходимую тепловую изоляцию КРТ и максимальную тепловую связь электронных элементов с ПЭ при минимизации тепловой связи их с корпусом резонатора, с достижением заявленного технического результата.
Согласно заявленному решению, вакуумированный корпус 1, предпочтительно, выполнен путем соединения основания 2 и колпака 3 холодной сваркой. Как известно, холодная сварка происходит за счет интенсивной пластической деформации, приводящей к течению металла в зоне сварки, которое выносит из указанной зоны окисные пленки с поверхности металлов, препятствующие образованию прочного монолитного соединения. При этом процесс сварки осуществляется без нагрева металла. Отсутствие нагрева позволяет получать сварные соединения одноименных или разноименных металлов без образования хрупких интерметаллидов в зоне стыка, которые приводят к низкой прочности и существенному снижению надежности данных сварных соединений. Собственно, сам процесс пластической деформации металлов осуществляется внедрением в свариваемые элементы конструкции, в зоне их соединения, стальных пуансонов штамповой оснастки. Форма пуансонов подбирается в зависимости от предпочтительного вида соединения, с возможностью формирования сплошного шва или имеющего сочетание контактных участков. Большое усилие сжатия пуансоном свариваемых элементов обеспечивает в зоне соединения разрыв окисных пленок, их дробление и образование чистых поверхностей, способных к схватыванию. Таким образом, граница соединения перестает быть барьером и происходит взаимная диффузия атомов, сопровождающаяся структурными изменениями в зоне контакта и пластической деформацией с выделением большого количества тепла, формируя тем самым монолитное соединение. Это позволяет избежать дополнительных загрязнений, попадающих внутрь объема резонатора, а также герметизировать резонаторы в условиях высокого вакуума с разрежением, например, 5⋅10-4 Па, но не менее 10-2 Па, в противовес, например, герметизации корпуса резонаторов резистивной сваркой, в результате которой происходит расплавление шва герметизации, а продукты реакции данного процесса частично остаются внутри резонатора. Таким образом применение метода холодной-сварки, за счет обеспечения чистой среды с высоким разрежением внутри корпуса и наиболее качественной сборки позволяет исключить формирование каналов утечки тепла, и обеспечить максимальную тепловую связь электронных элементов с ПЭ, в том числе, за счет минимизации тепловой связи их с корпусом резонатора, что, в свою очередь, обеспечивает возможность создания малогабаритного КРТ с малой мощностью потребления при сохранении функциональных характеристик и достижении заявленного технического результата.
В дополнение необходимо также отметить, что металлический корпус резонатора обладает более высокой прочностью к внешним воздействующим факторам, чем КРТ в стеклянном корпусе. что позволяет формировать теплоотвод внутри резонатора с использованием хрупких, но менее теплопроводящих, материалов, например, на базе стекла. Никелированное покрытие металлического корпуса резонатора создает дополнительное удержание тепла внутри конструкции за счет внутреннего отражения теплового излучения от поверхности.
При подачи электрического напряжения на выводы система термостатирования через электронные элементы, расположенные на плате схемы термостатирвания внутри корпуса КРТ, нагревает диэлектрическую подложку до заданной температуры и поддерживает ее с высокой точностью при изменении окружающей температуры. Нагретая диэлектрическая подложка, главным образом, через контактные стойки и тепловую связь электронных элементов с ПЭ, при минимальной тепловой связи их с корпусом, подогревает кварцевый ПЭ до его рабочей температуры. При этом нагретые части КРТ теряют энергию в окружающую среду через инфракрасное излучение, теплопроводность остаточного газа в объеме КРТ, но главным образом, через теплопроводность теплоизолирующей опоры, состоящей из опорного кольца кварцевых проставок, клеевое соединение которых между собой, основанием и диэлектрической подложкой платы, за счет смещения мест приклейки, образует длинный тепловой канал. Поскольку транзистор расположен в центральной части диэлектрической подложки, а терморезистор и варикап со смещением к контактным стойкам, причем катод варикапа соединен с одним из контактов ПЭ, тепловой поток от центра диэлектрической подложке к ее периферийной части, где установлены контактные стойки очень мал и контролируется терморезитором, что обеспечивает минимальные градиенты температуры по диэлектрической пластине 5, следствием чего являются более высокая точность поддержания температуры контактных стоек и ПЭ установленного на них при изменении окружающей температуры. При рассогласования температурно-зависимых частотных элементов, ухода частоты в результате старения ПЭ, воздействия иных факторов, влияющих на частотные характеристики, времени выхода на режим, потребляемой мощности и требуемой функциональности ГКТС и входящего в него КРТ, посредством управления характеристиками размещенных в корпусе КРТ электронных элементов части термостата ГКТС подключением схемы термостат ГКТС к наружным дополнительным выводам основания КРТ, связанными с выводами каждого из данных электронных элементов КРТ, с возможностью корректировки схемы управления системой термостатирования, настройки термостата на требуемую температуру и ее поддержание с необходимой точностью, времени выхода на режим, коэффициента усиления регулятора термостата, а также регулирования пиковой мощности без изменения напряжения питания. При этом для подстройки ухода частоты в результате старения ПЭ катод варикапа соединяется с одним из двух выводов ПЭ.
В соответствии с заявленным решением, КРТ с внутренними размещением элементов части термостата ГКТС позволяет обеспечить создание резонатора с мощностью потребления не более 350 мВт при температуре -40°С и не более 200 мВт при температуре 25°С, обеспечивающим стабильность поддержания температуры не менее 0,05 градусов/градус (6 градусов поддержания температуры на ПЭ при изменении внешней среды от -40 до +80°С, выдерживающую однократный удар не менее 500g и синусоидальную вибрацию не менее 30g (за счет средств сопряжения конструктивных элементов и электронных компонентов), а также определять и изменять схему управления системой термостатирования, за счет подключения схемы термостатирования ГКТС к наружным дополнительным выводам основания КРТ, связанным с выводами каждого из электронных элементов КРТ.
Таким образом, решение согласно заявленной полезной модели предлагает компактную, простую в технологическом плане конструкцию КРТ, обеспечивающую повышении эффективности КРТ в составе ГКТС за счет уменьшения мощности потребления КРТ и ГКТС при изменении температурного режима в процессе эксплуатации с одновременным уменьшением времени выхода на режим КРТ, следствием чего является более высокая, по сравнению с прототипом, температурная стабильность частоты КРТ, за счет обеспечения доступа к управлению характеристиками расположенной части электронных элементов термостата генератора внутри корпуса КРТ, с обеспечением максимальной тепловой связи их с пьезоэлементом, и, одновременно, с минимальной тепловой связью их с корпусом КРТ, что позволяет наиболее гибко и удобно настраивать и модифицировать характеристики КРТ в составе ГКТС в режиме эксплуатации.
1. Кварцевый резонатор-термостат (КРТ) с частичным внутренним размещением элементов термостата кварцевого термостатированного генератора (ГКТС), содержащий вакуумированный корпус, состоящий из герметично соединенных основания и колпака, в котором кварцевый пьезоэлемент с нанесенными на него пленочными возбуждающими электродами через контактные стойки, соединенные с выводами основания, смонтирован в периферийной части платы системы термостатирования, состоящей из диэлектрической подложки с размещенными на ней электронными элементами системы термостатирования, которая закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании вакуумированного корпуса и состоящей из опорного кольца, изготовленного из материала с низкой теплопроводностью, отличающийся тем, что плата термостатирования содержит управляемые электронные элементы, включающие транзистор, терморезистор и варикап, выводы которых соединены посредством контактного соединения с соответствующим каждому из них дополнительным наружным выводом основания вакуумированного корпуса, а диэлектрическая подложка снабжена участками металлизации, сопряженными с выводами электронных элементов и соответствующих им контактными соединениями с формированием электрической связи между ними, при этом корпус выполнен металлическим, а колпак вакуумированного корпуса соединен с основанием холодной сваркой, а опорное кольцо дополнительно снабжено диаметрально расположенными на основании кварцевыми проставками, сопряженными с опорным кольцом и основанием клеевым соединением клеем с низкой газацией.
2. Кварцевый резонатор-термостат по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка дополнительно снабжена металлизированными отверстиями, сопряженными с участками металлизации, а контактные соединения электронных элементов выполнены в виде проходящих через опорное кольцо проволочных контактов, приваренных одним из свободных концов к смежному внутреннему свободному концу соответствующего наружного дополнительного вывода основания, а вторым свободным концом соединенных с соответствующим каждому из них металлизированным отверстием на диэлектрической подложке, сопряженным с металлизированным участком диэлектрической подложки, снабженным контактной площадкой сопряжения с соответствующим электронным элементом, со стороны сопрягаемого вывода.
3. Кварцевый резонатор-термостат по п. 2, отличающийся тем, что транзистор расположен в центральной части платы, терморезистор располагается вблизи одной из контактных стоек, на которой прикреплён кварцевый пьезоэлемент, а контактный вывод катода варикапа соединен с одним из двух выводов кварцевого пьезоэлемента.
4. Кварцевый резонатор-термостат по п. 3, отличающийся тем, что один из выводов терморезистора электрически соединён с корпусом КРТ.
5. Кварцевый резонатор-термостат по п. 2, отличающийся тем, что электронные элементы смонтированы на плате посредством сопряжения выводов клеевым соединением токопроводящим клеем с контактными площадками металлизированных участков, сопряженных с металлизированными отверстиями на плате.
6. Кварцевый-резонатор-термостат по п. 2, отличающийся тем, что проволочные контакты контактных соединений зафиксированы токопроводящим клеем в соответствующих им металлизированных отверстиях.
7. Кварцевый резонатор-термостат по п. 1, отличающийся тем, что плата системы термостатирования закреплена на опорном кольце через диаметрально противоположные клеевые точки, расположенные со смещением от места крепления кварцевых проставок.
8. Кварцевый резонатор-термостат по любому пп. 1-7, отличающийся тем, что контактные соединения, предпочтительно, выполнены из высокопрочного токопроводящего клея с прочностью на отрыв не менее 7 Н/мм2.
