Пьезоэлектрические резонаторы | АО Пьезо

Общие сведения о пьезоэлектрических резонаторах

Пьезоэлектрические резонаторы являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и предназначены для использования в аналоговых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты или полосы частот.

В широкой области частот сопротивление пьезоэлектрических резонаторов имеет емкостный характер и только на некоторых частотах имеет резко выраженный резонанс, что определяет название компонента. Термин «пьезоэлектрический» показывает, что действие компонента основано на использовании пьезоэлектрических свойств материала, из которого изготовлен пьезоэлемент — основная деталь резонатора. Иногда пьезоэлектрические резонаторы определяют как прибор, представляющий одну или несколько электромеханических систем пьезоэлектрического типа. Такое определение пьезоэлектрического резонатора слишком общее и может быть распространено на большинство пьезоэлектрических приборов являющихся электромеханическими преобразователями, например телефон, микрофон, звукосниматель и др. Пьезоэлектрические резонаторы отличаются от указанных выше пьезоэлектрических приборов, являющихся электромеханическими преобразователями и имеющих соответственно электрический и механический вход и выход, тем, что имеют только электрические входы и выходы, т. е. рассматриваются как электрические двухполюсники или многополюсники. Для потребителей резонаторов механическая сущность происходящих в них явлений скрыта и может, казалось бы, не рассматриваться.

Основным электрическим параметром пьезоэлектрического резонатора является частота его резонанса, жестко фиксированная. Каких-либо устройств для ее изменения пьезорезонатор обычно не имеет.

Избирательный, резонансный характер сопротивления пьезорезонатора определяет области их применения — цепи частотной селекции различных радиотехнических устройств, преимущественно генераторов электрических колебаний высокой стабильности частоты и частотных фильтров большой избирательности.

Термины и определения для пьезоэлектрических резонаторов

Основные термины для пьезоэлектрических резонаторов установлены стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК). В соответствии с этим документом определена стандартная отечественная терминология для основных понятий, касающихся пьезоэлектрических резонаторов. В справочнике использована стандартная терминология, имеющаяся в указанных документах. Понятия, для которых еще нет твердо установленных терминов, определены терминами, известными из тех или иных источников, на которые даны соответствующие ссылки.

Пьезоэлектрический резонатор (пьезорезонатор) — компонент радиоэлектронной аппаратуры. Его основной частью является пьезоэлемент, определяющий резонансный характер зависимости его полного сопротивления от частоты и имеющий параметры и характеристики, оговоренные в технической документации.

Многополюсный резонатор — резонатор с числом внешних выводов больше двух, соединенных с электродами пьезоэлемента и не связанных электрически между собой.

Многоэлементный пьезорезонатор — пьезоэлектрический резонатор, в корпусе которого смонтировано несколько пьезоэлементов.

Двухмодовый резонатор — резонатор, пьезоэлемент которого имеет две рабочие моды колебаний и соответственно две рабочие частоты.

Бескорпусной пьезорезонатор — пьезорезонатор, не имеющий внешней оболочки (корпуса), конструктивные и электрические параметры которого нормированы, а методы испытаний и правила обращения указаны в технической документации. Термины «пьезоэлемент» и «пьезовибратор» синонимами бескорпусного резонатора не являются.

Пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент) — пластина, стержень или тело иной формы из пьезоэлектрика, имеющие определенные размеры и ориентацию относительно кристаллографических осей или определенное направление поляризации (для керамики) с электродами.

Пьезоэлектрический вибратор (пьезовибратор) — пьезоэлемент с деталями крепления или смонтированный с держателем.

Электроды — пленки, наложенные на пьезоэлектряческую пластину, или проводящие пластины, расположенные вблизи нее, предназначенные для приложения внешнего электрического напряжёi4ия или съема пьезоэлектрических зарядов.

Корпус — оболочка, предохраняющая пьезоэлемент от внешних механических и климатических воздействий и имеющая выводы для соединения с внешней электрической цепью.

Держатель — устройство для фиксации положения пьезоэлемента в корпусе резонатора или на плате функционального пьезоэлектрического прибора.

Отражатель — компактная относительно массивная деталь в виде шайбы, шарика или тела иной формы устанавливаемая на проволочных держателях для предотвращения потерь энергии вследствие распространения по ним возбужденных пьезоэлементом механических колебаний.

Пьезоэлектрическая подложка (пьезоподложка) — пластина из пьезоэлектрика с пленочными электродами, на которой расположены также элементы другого функционального назначения.

Микроминиатюрные резонаторы — сверхминиатюрные резонаторы, предназначенные для использования в наручных электронных часах и микроэлектронной аппаратуре.

Резонатор-термостат — резонатор, у которого внутри корпуса размещены нагреатель пьезоэлемента, датчик температуры и другие элементы, определяющие температурньтй режим ПЭ.

Интегральный резонатор — резонатор, основные элементы которого (пьезоэлемент, детали его крепления и держатель) выполнены из одного куска пьезоэлектрика.

Резонатор с зазором — резонатор, пьезоэлемент которого имеет электроды, расположенные на небольшом расстоянии от поверхности последнего.

Полюс резонатора — внешний вывод от электрода ПЭ для включения во внешнюю цепь.

Пьезоэлектрический резонатор — Физическая энциклопедия

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР — пьезоэлектрический преобразователь с ярко выраженными резонансными свойствами вблизи собств. частот колебаний механич. системы (см. также Резонанс ).Представление П. р. в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами см. на рис. 1. При внеш. возбуждающей частоте f =

f_р наступает механич. резонанс и ток в электрич. цепи П. р. достигает макс. значения. При повышении частоты до f_а > f_p называемой частотой антирезоианса, импеданс П. р. становится максимальным, а ток в его цепи — минимальным (резонанс токов).

Рис. 1. Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора.

Рис. 2. Зависимость реактивного сопротивления пьезоэлектрического резонатора от частоты колебаний.

Величинуназывают резонансным промежутком. Качество П. р. определяется остротой его частотной характеристики (рис. 2) и величиной кпд. Значение частотипозволяет определить ряд важных характеристик П. р., и в первую очередь коэф. эл—механич. связи

К ! Экспериментально параметры П. р. определяются методами резонанса — антирезонанса, переменой электрич. нагрузки, круговых диаграмм и др. П. р. широко используются в радиотехнике, электронике, электроакустике и др. в качестве фильтров, резонаторов в задающих генераторах, резонансных пьезопреобразователей и пьезотрансформаторов. Пьезо-электриком в П. р. служит кристалл кварца или пьезо-керамика с малыми потерями. Кварцевые резонаторы применяются в качестве резонансных контуров генераторов электрич. ВЧ-колебаний. Высокая добротность (10 ⁴ — 10⁵) кварцевого резонатора определяет малый уход частоты генератора от её номинального значения [(10^-3 — 10^-5)%] при изменении окружающей темп-ры, давления и влажности. Разработаны микроминиатюрные кварцевые резонаторы на частоты колебаний 30 кГц — 8,4 МГц, нашедшие применение в электронных часах, системах электронного зажигания двигателей внутр. сгорания и др. П. р. на основе кварца используются в акустоэлектронных устройствах фильтрации и обработки сигналов: монолитных пьезо-электрич. фильтрах, а также фильтрах и резонаторах на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Осн. достоинство резонаторов на ПАВ — возможность использования в устройствах стабилизации частоты и узкополосной фильтрации в диапазоне частот 100- 1500 МГц. Пьезоэлектрич. фильтры из пьезокерамики, как правило, многозвенные, изготавливают на частоты 1 кГц — 10 МГц. При этом на частотах до 3,5 кГц используют биморфные пьезоэлементы, когда П. р. совершает резонансные колебания изгиба по грани; в диапазоне 40-200 кГц применяют П. р. с продольными колебаниями по длине, а на частотах 200-800 кГц — П. р. в виде дисков, совершающих радиальные колебания. На частотах св. 1 МГц используют толщинные колебания пьезокерамич. колец. Рассматриваемые фильтры отличаются простотой конструкции, малыми (по сравнению с LC-фильтрами) габаритами и стабильными рабочими характеристиками (табл.).

Параметры пьезоэлектрического резонатора

Основные параметры	Производные параметры
Ёмкость П. р., заторможенного по отношению к рассматриваемому резонансу	Ёмкостное отношение
Динамич. ёмкость С,	Механич. добротность
Динамич. индуктивность L,	Коэф. качества
	Резонансная частота
Эквивалентное сопротивление механич, потерь R1	Частотная постоянная Константа динамич, емкости

Примечание, d-резонансный размер; t-расстояние между электродами; А-площадь электродов.

Лит.: Кэди У., Пьезоэлектричество и его практические применения, пер. с англ., М., 1949; Пьезокерамические преобразователи, под ред. С. И. Пугачева, Л., 1984; Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов, под ред. Б. Ф. Высоцкого, В. В. Дмитриева, М., 1985.

F. F. Легуша, С. И. Пугачёв.

      Предметный указатель      >>   

Кварцевые резонаторы. Справочная информация

Конструктивно пьезоэлектрический резонатор состоит из пьезокристаллического элемента (кварца, ниобата или танталата лития, лангасита или других пьезоэлектриков), на который нанесена плёнка металла (чаще всего серебра или никеля), держателя, в котором крепится пьезокристаллический элемент, и корпуса с выводами, в котором размещён держатель с закреплённым в нём пьезокристаллическим элементом. Диапазон частот используемых в настоящее время пьезоэлектрических резонаторов на объёмных волнах находится в пределах от нескольких килогерц до нескольких сотен мегагерц.

Историческая справка

Пьезоэлектрический резонатор был изобретён американским учёным У. Кэди в 1920 г. Начиная с первой половины 20-го века пьезоэлектрические кварцевые резонаторы нашли широкое применение в радиосвязи для стабилизации частоты генераторов электромагнитных колебаний. При включении резонатора между выходом и входом лампового усилителя возникает цепь положительной обратной связи и осуществляется возбуждение на частоте собственных колебаний резонатора. При этом стабильность частоты генератора определяется прежде всего добротностью пьезоэлектрического резонатора. Кварцевые резонаторы имеют добротность в тысячи и десятки тысяч раз большую, чем добротность колебательных контуров, которые ранее использовались в генераторах электромагнитных колебаний. В соответствующее число раз повышается стабильность частоты генераторов при использовании в них пьезоэлектрических резонаторов. Стабильность частоты генераторов на колебательных контурах не может быть лучше 1·10^-3~1·10^-4, в то время как использование пьезоэлектрических резонаторов даже не самого лучшего качества позволяет увеличить стабильность частоты до 1·10^-7~1·10^-8.

Эквивалентная электрическая схема резонатора

Колебательную систему резонатора можно представить в виде последовательно расположенных сопротивления R_k, динамических индуктивности L_k и ёмкости C_k и параллельно подключённой статической ёмкости C₀.

На частоте последовательного резонанса, при котором динамические сопротивления, возникающие на L_k и C_k, компенсируют друг друга, пьезоэлектрический резонатор работает как активное сопротивление R_k. В соответствии с формулой Томсона частота последовательного резонанса равна

При этом добротность можно представить в виде выражения

Основные параметры пьезоэлектрических резонаторов

Помимо добротности и динамического сопротивления к важнейшим параметрам пьезоэлектрических резонаторов относятся точность настройки по частоте, температурная стабильность частоты, долговременная и кратковременная стабильности частоты.

Точность настройки резонаторов по частоте в зависимости от предъявляемых требований может находиться в пределах от ±0,5·10^-6 до ±20·10^-6 и более.

Температурная зависимость частоты наиболее широко используемых кварцевых резонаторов среза AT графически представляет собой так называемую кубическую параболу с перегибом (точкой симметрии параболы) при +27°С. Для интервала температур -60 ~ +85°С температурная нестабильность может находиться в пределах ±30·10^-6. При выборе рабочей температуры термостатируемого генератора вблизи температуры экстремума кубической параболы температурная нестабильность частоты резонатора может находиться в пределах (3-5)·10^-9/1°C.

Долговременная стабильность частоты пьезоэлектрических резонаторов зависит прежде всего от совершенства технологических процессов их изготовления. Для резонаторов широкого применения долговременная стабильность частоты находится в пределах (5-10)·10^-6 за год. Прецизионные кварцевые резонаторы могут обеспечить стабильность (1-3)·10^-8 за год.

Кратковременная стабильность частоты относится к выходным характеристикам генераторов. Но она также зависит от качества резонаторов, в первую очередь от добротности. Кратковременная стабильность может измеряться за определённые промежутки времени (1с, 1мс, 10с и т.д.). Например, к обычным генераторам могут предъявляться требования к кратковременной нестабильности 1·10^-9 за 1мс.

Немаловажным параметром резонаторов является соотношение динамической (С_k) и статической ёмкостей (С₀), поскольку от этого параметра зависит величина перестройки частоты генераторов с помощью реактивных элементов. Данный параметр для резонаторов одной частоты зависит от площади возбуждающих электродов и номера механической гармоники, на которой возбуждается резонатор. Частоту кварцевых резонаторов среза AT можно представить в виде формулы

F = n/2t C₆₆/ρ ,

 где   n — номер механической гармоники;
          t — толщина пьезоэлемента;
          C₆₆ — модуль упругости среза AT;
          ρ — плотность кварца.

Отношение C₀ к C_k с переходом с первой (основной) на третью механическую гармонику увеличивается в 9 раз, на пятую механическую гармонику – в 25 раз, то есть пропорционально квадрату номера механической гармоники. При этом диапазон перестройки частоты генераторов с увеличением номера механической гармоники уменьшается в той же степени. Таким образом, использование резонаторов с возбуждением на том или ином номере механической гармоники зависит от сочетания требований к пределам перестройки, с одной стороны, и, с другой стороны, от требований к долговременной стабильности, поскольку последняя при прочих равных условиях улучшается при увеличении номера механической гармоники. При этом необходимо учитывать влияние уровня возбуждения резонатора на параметры и долговременную стабильность частоты.

Пьезоэлектрический резонатор РН04, ТУ 6321-001-72715118-06, корпус HC-49/S

Спецификация РН04 ТУ 6321-001-72715118-06Скачать файл pdf

  Стандартные значения
  Ваша спецификация — отметить при заказе

Особенности

1. Стандарт HC-49/S
2. Запас стандартных частот
3. Низкая цена для большого обьема
4. Экспресс обслуживание производителей
5. Низкое динамическое сопротивление

Стандартные частоты

400,00кГц	819,20кГц	1431,8кГц
432,00кГц	900,00кГц	1474,5кГц
409,60кГц	921,60кГц	1500,0кГц
419,52кГц	983,04кГц
500,00кГц	1000,0кГц
506,88кГц	1024,0кГц
512,00кГц	1024,5кГц
600,00кГц	1070,0кГц
614,40кГц	1100,0кГц
617,60кГц	1105,9кГц
655,36кГц	1128,9кГц
737,28кГц	1200,0кГц
768,00кГц	1228,8кГц
800,00кГц	1400,0кГц

Информация для заказа

Тип резонатора + частота в кГц + точность настройки в % + код температурной стабильности + емкостная нагрузка:

Пример РН04-500кГц-0.25-В

Тел. (495) 963-59-31   Факс (495) 963-28-31   E-mail: [email protected]   Спецификация (pdf)

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР — это… Что такое ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР?

— пьезоэлектрический преобразователь с ярко выраженными резонансными свойствами вблизи собств. частот колебаний механич. системы (см. также Резонанс). Представление П. р. в виде эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами см. на рис. 1. При внеш. возбуждающей частоте f = f _р наступает механич. резонанс и ток в электрич. цепи П. р. достигает макс. значения. При повышении частоты до f _а > f_p называемой частотой антирезоианса, импеданс П. р. становится максимальным, а ток в его цепи — минимальным (резонанс токов).

Рис. 1. Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора.

Рис. 2. Зависимость реактивного сопротивления пьезоэлектрического резонатора от частоты колебаний.

Величину называют резонансным промежутком. Качество П. р. определяется остротой его частотной характеристики (рис. 2) и величиной кпд. Значение частот и позволяет определить ряд важных характеристик П. р., и в первую очередь коэф. эл.-механич. связи К! Экспериментально параметры П. р. определяются методами резонанса — антирезонанса, переменой электрич. нагрузки, круговых диаграмм и др. П. р. широко используются в радиотехнике, электронике, электроакустике и др. в качестве фильтров, резонаторов в задающих генераторах, резонансных пьезопреобразователей и пьезотрансформаторов. Пьезо-электриком в П. р. служит кристалл кварца или пьезо-керамика с малыми потерями. Кварцевые резонаторы применяются в качестве резонансных контуров генераторов электрич. ВЧ-колебаний. Высокая добротность (10⁴ — 10⁵) кварцевого резонатора определяет малый уход частоты генератора от её номинального значения [(10^-3 — 10^-5)%] при изменении окружающей темп-ры, давления и влажности. Разработаны микроминиатюрные кварцевые резонаторы на частоты колебаний 30 кГц — 8,4 МГц, нашедшие применение в электронных часах, системах электронного зажигания двигателей внутр. сгорания и др. П. р. на основе кварца используются в акустоэлектронных устройствах фильтрации и обработки сигналов: монолитных пьезо-электрич. фильтрах, а также фильтрах и резонаторах на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Осн. достоинство резонаторов на ПАВ — возможность использования в устройствах стабилизации частоты и узкополосной фильтрации в диапазоне частот 100- 1500 МГц. Пьезоэлектрич. фильтры из пьезокерамики, как правило, многозвенные, изготавливают на частоты 1 кГц — 10 МГц. При этом на частотах до 3,5 кГц используют биморфные пьезоэлементы, когда П. р. совершает резонансные колебания изгиба по грани; в диапазоне 40-200 кГц применяют П. р. с продольными колебаниями по длине, а на частотах 200-800 кГц — П. р. в виде дисков, совершающих радиальные колебания. На частотах св. 1 МГц используют толщинные колебания пьезокерамич. колец. Рассматриваемые фильтры отличаются простотой конструкции, малыми (по сравнению с LC-фильтрами) габаритами и стабильными рабочими характеристиками (табл.).

Параметры пьезоэлектрического резонатора

Основные параметры	Производные параметры
Ёмкость П. р., заторможенного по отношению к рассматриваемому резонансу	Ёмкостное отношение
Динамич. ёмкость С,	Механич. добротность
	Коэф. качества
	Резонансная частота
Эквивалентное сопротивление механич, потерь R1	Частотная постоянная Константа динамич, емкости

Примечание, d -резонансный размер; t -расстояние между электродами; А-площадь электродов.

Лит.: Кэди У., Пьезоэлектричество и его практические применения, пер. с англ., М., 1949; Пьезокерамические преобразователи, под ред. С. И. Пугачева, Л., 1984; Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов, под ред. Б. Ф. Высоцкого, В. В. Дмитриева, М., 1985.

F. F. Легуша, С. И. Пугачёв.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Пьезоэлектрические резонаторы

Описание

Издательство «Радио и связь», Москва, 1992 г., 392 стр.

Приведены сведения о назначении, устройстве и принципе действия пьезоэлектрических резонаторов, их конструктивных, электрических и эксплуатационных характеристиках, дана их классификация. Рассмотрено влияние различных внешних механических, климатических и иных воздействий на характеристики пьезорезонаторов, а также конструктивных и технологических факторов. Кроме кварцевых резонаторов, которым посвящена большая часть материала, описаны резонаторы из других пьезоэлектриков, нашедших практическое применение. Даны рекомендации по применению пьезоэлектрических резонаторов.

Для инженерно-технических работников.

Авторы

В.Г. Андросова, Е.Г. Бронникова, А.М. Васильев, Я.Л. Вороховский, В.Б. Грузиненко, Б.И. Давыдов, В.Г. Колобков, Ю.А. Кочетков, К.В. Киреев, А.Н. Днкиджи, В.А. Ильичев, П.Е. Кандыба, П.Г. Поздняков, В.Н. Христофоров

Оглавление

Предисловие

Введение

Термины и определения, сокращения, условные обозначения параметров

Раздел 1. Пьезоэффект. Пьезопреобразователи и резонаторы

Общие сведения.
Пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектрические преобразователи.
Пьезоэлектрический элемент в электрической цепи.
Принцип действия резонатора.
Эквивалентная электрическая схема резонатора.
Механические колебания.
Эквивалентные механические параметры.
Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний.
Диапазон частот.
Добротность.
Активность резонатора.
Емкостное отношение и емкостный коэффициент.
Фактор качества.

Раздел 2. Пьезоэлектрический резонатор как элемент электрической цепи

Характерные особенности.
Проводимость и сопротивление пьезорезонатора.
Частотные параметры пьезорезонзтора.
Электрические параметры.
Выбор величины допуска на точность настройки резонатора по частоте.
Выбор системы контролируемых параметров пьезоэлектрического резонатора.
Полная эквивалентная схема двухэлектродного пьезорезонатора.
Раздел 3. КЛАССИФИКАЦИЯ, УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ РЕЗОНАТОРОВ
Признаки классификации.
Родовые обозначения кварцевых резонаторов.
Унификация и стандартизация.

Раздел 4. Внешние воздействия и их влияние на параметры резонаторов

Воздействующие факторы.
Влияние температуры.
Влияние быстрых изменений температуры на частоту.
Аномалии частотно-температурных характеристик.
Зависимость сопротивления резонаторов от температуры.
Температурные характеристики реактивных эквивалентных электрических параметров кварцевых резонаторов.
Влияние времени (старение).
Влияние влажности.
Влияние атмосферного давления.
Механические силы и их влияние.
Радиационные воздействия на кварцевые резонаторы.

Раздел 5. Устройство и конструкция резонаторов

Основные части резонаторов и особенности их устройства.
Корпуса.
Выводы корпусов.
Пьезоэлементы.
Держатели.

Раздел 6. Производство резонаторов

Особенности производства.
Сырьё для производства резонаторов.
Разделка кристаллов и ориентация заготовок.
Шлифовка кварцевых пластин.
Очистка и травление кристаллических пластин.
Металлизация пьезоэлементов.
Монтаж пьезоэлементов.
Окончательная настройка частоты.
Герметизация и контроль резонаторов

Раздел 7. Пьезокерамические резонаторы

Общие сведения.
Основные пьезокерамические материалы.
Параметры пьезокерамических материалов.
Технология производства пьезокерамических материалов.
Пьезоэлектрические свойства и виды колебаний керамических элементов.
Параметры резонаторов.
Рекомендации по применению.
Возможности улучшения характеристик резонаторов.

Раздел 8. Резонаторы изгибных колебаний

Общие сведения.
Параметры резонаторов.
Конструкции резонаторов.
Резонаторы с пьезоэлементами сложной формы.
Рекомендации по применению.
Возможности улучшения характеристик резонаторов.

Раздел 9. Резонаторы продольных колебаний

Общие сведения.
Параметры резонаторов.
Конструкции резонаторов.
Влияние конструктивных и технологических факторов на качество резонаторов
Резонаторы с пьезоэлементами сложной формы.
Резонаторы ЖТ.
Рекомендации по применению.
Возможности улучшения характеристик резонаторов.

Раздел 10. Резонаторы крутильных колебаний

Общие сведения.
Параметры резонаторов.
Конструкции резонаторов.
Рекомендации по применению.
Возможности улучшения характеристик резонаторов.

Раздел 11. Резонаторы сдвиговых колебаний

Раздел 12. Резонаторы контурно-сдвиговых колебаний ДТ и ЦТ

Общие сведения.
Параметры резонаторов.
Конструкции резонаторов.
Рекомендации по применению.
Возможности улучшения характеристик резонаторов.

Раздел 13. Резонаторы косого сдвига АП и БП

Общие сведения.
Особенности колебаний.
Параметры резонаторов АП.
Конструкции резонаторов.
Рекомендации по применению.
Возможности улучшения характеристик резонаторов.
Резонаторы БП.

Раздел 14. Резонаторы толщинно-сдвиговых колебаний АТ

Общие сведения.
Параметры резонаторов.
Конструкции резонаторов.
Рекомендации по применению.
Возможности улучшения характеристик резонаторов.

Раздел 15. Резонаторы толщинно-сдвиговых колебаний БТ

Обшие сведения.
Параметры резонаторов.
Конструкции резонаторов.
Рекомендации по применению.

Раздел 16. Высокочастотные резонаторы двухповоротных срезов

Общие сведения.
Параметры резонаторов.
Конструкции резонаторов.
Рекомендации по применению.
Возможности улучшения характеристик резонаторов.

Раздел 17. Прецизионные резонаторы

Общие сведения.
Параметры резонаторов.
Конструкции резонаторов.
Возможности улучшения характеристик резонаторов

Раздел 18. Микрорезонаторы

Общие сведения.
Микрорезонаторы изгибных колебаний.
Микрокамертонные резонаторы.
Микрорезонаторы продольных колебаний.
Микрорезонаторы крутильных колебаний.
Микрорезонаторы контурно-сдвиговых колебаний.
Микрорезонаторы толщинно-сдвиговых колебаний.
Некоторые особенности и перспективы развития технологии микрорезонаторов.
СВЧ-микрорезонаторы.

Раздел 19. Бескорпусные резонаторы

Общие сведения.
Бескорпусные резонаторы без элементов крепления.
Бескорпусные резонаторы с проволочным креплением.
Бескорпусные резонаторы с держателями.
Правила обращения с бескорпусными резонаторами.
Требования к бескорпусным резонаторам.
Интегральные резонаторы.

Раздел 20. Кварцевые резонаторы с селекцией мод для пьезоэлектронных устройств

Общие сведения.
Простейший резонатор с селекцией мод.
Практические конструкции резонаторов и их параметры.
Основные расчётные соотношения.

Раздел 21. Резонаторы из «сильных» пьезоэлектриков-кристаллов

Общие сведения
Резонаторы из танталата лития (ТЛ-резонаторы).

Раздел 22. Воздействие уровня возбуждения

Предельно допустимая мощность.
Зависимость параметров резонаторов от уровня возбуждения.
Резонаторы с аномальными характеристиками.
Изменение спектра колебаний в диапазоне мощности.
Электрическое нагружение и температурно-частотные эффекты.
Долговременная нестабильность частоты.

Раздел 23. Измерение параметров пьезоэлектрических резонаторов

Пьезорезонатор как объект измерения.
Общие сведения о методах и средствах измерений.
Измерение частоты и сопротивления резонатора.
Измерение добротности.
Измерение динамических индуктивности и ёмкости.
Определение уровня побочных резонансов.
Определение временной и температурной нестабильности.
Определение влияния электрической, механической и радиационной нагрузок.
Поверка аппаратуры для измерений параметров резонаторов.

Раздел 24. Применение пьезорезонаторов в генераторах

Общие сведения.
Особенности пьезорезонаторов.
Генераторы с последовательным и параллельным резонансами
Частота возбуждения резонатора в генераторе (рабочая частота).
Признаки и особенности генераторов с последовательным и параллельным резонансами.
Расчёт рассеиваемой мощности, измерение исходных данных.
Соответствие параметров резонатора схеме генератора.
Особенности резонаторов предназначенных для управляемых по частоте генераторов.
Проверка генератора на соответствие требованиям, предъявляемым к резонатору.

Раздел 25. Пьезоэлектрические устройства

Общие сведения.
Макрогенераторы.
Гибридные пьезоэлектрические фильтры.
Монолитные фильтры.

Раздел 26. Резонаторы-термостаты и пьезоэлектронные устройства на их основе

Определение и назначение.
Терминология.
Основные параметры. Классификация. Стандартизация. Схемные обозначения.
Основные особенности, проблемы обеспечения теплового режима РТ. Базовая конструкция.
Равномерность температурного поля в термостатируемом узле и температурная стабильность частоты РТ.
Тепловые потери и энергопотребление РТ в установившемся режиме
Выход РТ на режим термостатирования после включения.
Нестабильность частоты РТ от внешних воздействий и долговременная нестабильность частоты.
Влияние внешних факторов на долговременную нестабильность частоты.
Габариты РТ.
Стойкость РТ к механическим воздействиям.
Основные элементы конструкций и особенности производства РТ.
Виды промышленных РТ.
Характеристики позисторов как нагревателей и датчиков температуры РТ.
Автотермостабилизация (саморегулирование температуры) позисторного нагревателя.
Измерение сопротивлений позисторов.
Устройство и тепловой режим стандартизованных РТ с позисторным нагревателем.
Эксплуатационные характеристики стандартизованных РТ с позисторным нагревателем.
Резонатор-термостат с плёночным нагревателем и термодатчиком на пьезоэлементе.
Общие вопросы построения функционально законченных ПЗУ на резонаторах-термостатах.
Кварцевые генераторы на резонаторах-термостатах.
Технические характеристики основных типов РТ и ПЭУ на их основе.
Меры предосторожности при обращении с РТ.
Рекомендации по применению и заказу изделий.
Возможности улучшения характеристик резонаторов-термостатов.

Список литературы.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Сли качнуть маятник, то он начнёт колебаться. Размах колебаний будет постепенно затухать, но их частота останется постоянной. Именно поэтому маятник и приме­няют в часах.

Частота колебаний маятника зависит от его размеров и не зависит от внешних воздействий: силы первоначаль­ного толчка, сопротивления среды и т. д. Поэтому она на­зывается собственной частотой.

Подвесим к жёсткой стойке несколько маятников. Толк­нём один из них, чтобы он начал колебаться. Энергия колебаний этого маятника будет передаваться через об­щую стойку другим маятникам. Однако придут в колеба­тельное движение только те маятники, собственные ча­стоты которых совпадают с частотой колебаний первого маятника.

Передача колебаний от какого-либо колеблющегося тела другим телам, обладающим такими же собственными частотами, называется резонансом (это слово имеет ла­тинское происхождение и означает отзвук или отклик).

Возьмём гитару. Настроим две струны на одинаковый тон. Если теперь дёрнуть одну струну, то другая сразу же отзовётся. Это ещё один пример резонанса.

Когда на упругое тело (пружину, маятник и др.) воз­действует знакопеременная нагрузка с частотой, равной собственной частоте этого тела, наблюдается возрастание размаха колебаний вследствие резонанса. Поэтому, чтобы как можно сильнее раскачать качели, нужно толкать их в такт колебаниям.

Если собственная частота колебаний какой-нибудь ма­шины совпадает с частотой вибрации, то размах колебаний резко возрастает, вплоть до разрушения той или иной де­тали. Именно резонансом объясняются описанные выше случаи раскачивания зданий и разрушения мостов от не­значительной знакопеременной нагрузки, которая случай­но действовала с резонансной частотой.

Пьезоэлектрическая пластинка, как и любое другое упругое тело, обладает собственной частотой колебаний. Переменный ток, подводимый к электродам пластинки, можно рассматривать как внешнюю силу, вызывающую её периодическое сжатие и расширение. Если частота этой внешней силы далека от собственной частоты пластинки, то размах колебаний сравнительно невелик. Но по мере приближения частоты переменного напряжения к собст­венной частоте пластинки размах колебаний возрастает всё более резко и при резонансе достигает максимума. В этом случае пьезоэлектрическая пластинка является резонансной электромеханической колебательной систе­мой, которую для простоты называют пьезоэлектрическим резонатором.

Резонансные свойства пьезоэлектрической пластинки нередко используются в известных нам ультразвуковых из­лучателях и приёмниках. Ведь при резонансе размах коле­баний максимален, а следовательно, и наиболее велика мощность излучаемых пластинкой ультразвуковых волн.

В электроакустических приборах, напротив, стараются исключить возможность резонанса, рассчитывая пьезо­элементы так, чтобы их собственные частоты не были зву­ковыми. В противном случае колебания резонансной ча­стоты воспроизводились бы гораздо громче прочих, то-есть наблюдались бы искажения.

Наибольшее распространение получили пьезокварце­вые резонаторы. Упругость кварца такова, что при разме­рах, исчислимых миллиметрами и сантиметрами, собствен­ные частоты кварцевых пластинок лежат в пределах от тысячи до многих миллионов колебаний в секунду. А как раз эти частоты широко применяются в одной из важней­ших технических отраслей — в радиотехнике.

Благодаря высоким упругим свойствам кварцевая пла­стинка представляет собой весьма совершенную механиче­скую колебательную систему, для которой характерны очень малые потери энергии. Такая система, если её при­вести в колебательное движение, успевает совершить сотни тысяч колебаний, прежде чем вся энергия израсхо­дуется на преодоление сопротивления окружающей среды и трения в опорах. Для сравнения укажем, что обычный маятник после толчка делает только несколько сотен или даже десятков колебаний.

Благодаря высокой химической и температурной устой­чивости кварца собственная частота кварцевого резона­тора исключительно постоянна. Если кварцевую пластинку нагреть или охладить на один градус, то её собственная частота изменится всего на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента.

В современной радиотехнике предъявляются очень вы­сокие требования к устойчивости или, как говорят чаще, к стабильности частоты электрических колебаний.

Такие требования были продиктованы самой жизнью.

Для каждой радиостанции отводится своя рабочая ча­стота. Радиослушатель, настраивая приёмник на частоту какой-либо определённой станции, слушает только её пере­дачу, так как вследствие резонанса приёмник восприни­мает лишь те колебания, на частоту которых он настроен.

По мере развития радиовещания и связи количество действующих радиостанций всё более и более увеличи­вается. В эфире становится «тесно». Если стабильность частот недостаточно высока, радиостанции могут «наез­жать друг на друга, создавать взаимные помехи. При этом радиослушатель слышит одновременно передачи двух или нескольких станций, сопровождающиеся свистами и искажениями. Радиотехники стали изыскивать способы по­вышения стабильности. И наиболее эффективным из этих способов оказалась кварцевая стабилизация, то-есть ста­билизация с помощью кварцевых резонаторов.

Современная радиостанция представляет собой чрезвы­чайно сложное устройство. Однако в её работе много об­щего с работой обыкновенного часового механизма.

Возьмём часы. Положим, что пружина в них не заве­дена. В этом случае, качнув маятник, можно наблюдать постепенное уменьшение размаха его колебаний. Это за­тухание, как мы уже говорили, объясняется потерями энергии на трение и на сопротивление колебательному движению маятника со стороны окружающей среды.

Заведём пружину. Она стремится восстановить перво­начальную форму. Сила упругости, стремящаяся раскру­тить пружину, с помощью особого механизма передаётся маятнику и поддерживает его колебания. Поэтому часовой маятник колеблется до тех пор, пока пружина не раскру­тится, и запас энергии, заключённый в ней, не уменьшится до известного предела.

Таким образом в часах происходит преобразование энергии, которая запасена заведённой пружиной, в энер­гию механических колебаний маятника.

Подобное явление имеет место и в радиопередатчике. Там происходит преобразование энергии постоянного тока, вырабатываемого источниками питания (аккумуляторами, динамомашинами и т. д.), в энергию электрических коле­баний. Роль пружины играет здесь источник постоянного тока, а роль маятника — электрическая колебательная система, в качестве которой может использоваться пьезо­кварцевая пластинка.

Частота вырабатываемых, или, как принято говорить, генерируемых радиопередатчиком мощных электрических колебаний практически равна собственной частоте квар­цевого резонатора. Но так как последняя отличается очень высокой стабильностью, стабилизируется и рабочая часто­та радиостанции.

В этом и заключается принцип кварцевой стабили­зации.

Другим эффективным способом уплотнения эфира яви­лось применение пьезокварцевых фильтров в радиоприём­ных устройствах. По мере сближения рабочих частот ра­диопередающих станций выделить желаемую программу и отстроиться от помех со стороны соседних по частоте пе­редатчиков становится всё труднее и труднее. Как раз для этой цели и предназначены кварцевые фильтры, которые пропускают токи определённой частоты и задерживают токи всех остальных частот. Простейшим фильтром слу­жит электрическая колебательная система.

Чем меньше потери энергии в колебательной системе, тем больше размах колебаний при резонансе и тем лучше выделяются колебания резонансной частоты. Про такую колебательную систему говорят, что она обладает высо­кими резонансными свойствами.

Мы уже указывали, что наименьшие потери энергии, по сравнению с другими механическими или электрически­ми колебательными системами, имеет кварцевый резона­тор. Следовательно, его резонансные свойства наиболее высоки, и он может выделить передачу станции, на частоту которой настроен, даже при наличии очень близких по ча­стоте «соседей».

Устройство, содержащее кварцевые резонаторы и пред­назначенное для повышения «избирательности» радио­приёмника, называется кварцевым фильтром.

Кварцевые фильтры применяются не только в радио­приёмниках, но и в проводной связи (телефон, телеграф). Они позволяют вести по двум проводам десятки перегово­ров одновременно.

Таковы основные применения пьезоэлектрического эффекта. В заключение остановимся на том, как разви­вается и растёт пьезоэлектрическая техника, какие про­блемы стоят перед ней.

П Ьезоэлектрическая техника развилась в самостоятель­ную техническую отрасль в годы, предшествовавшие второй мировой войне. Этому во многом способствовал бурный рост радиотехники. Во время войны ежегодный выпуск кварцевых пластинок, предназначенных для …

К Аждый знает, что в нашем ухе есть барабанная пере­понка, которая воспринимает звуковые воздушные волны подобно мембране микрофона и передаёт их внутрь[11]). При больших перегрузках (например, от силь­ной звуковой волны, …

Пьезоэлектрический резонатор с двумя слоями

Космический центр Линдона Б. Джонсона, Хьюстон, Техас

Фильтры микроэлектромеханических систем (МЭМС) имеют преимущества в возможности уменьшения размера, веса и мощности, необходимых при использовании в составе электронных систем, таких как радиоприемники; однако фильтры типа MEMS имеют ограничения. Например, фильтры типа МЭМС по толщине (например, пьезоэлектрические резонаторы с модами растяжения по толщине) обычно ограничиваются одной рабочей частотой на кристалл подложки.Кроме того, литографически определенные резонаторы рабочей частоты не могут соответствовать требованиям к низкоомному сопротивлению.

Настоящее изобретение представляет собой пьезоэлектрический резонатор, который включает в себя верхний электродный слой с узорчатой ​​структурой; верхний пьезоэлектрический слой, примыкающий к верхнему слою; средний металлический слой, примыкающий к верхнему пьезоэлектрическому слою, напротив верхнего слоя; нижний пьезоэлектрический слой, смежный со средним слоем, напротив верхнего пьезоэлектрического слоя; и нижний электродный слой с узорчатой ​​структурой, примыкающий к нижнему пьезоэлектрическому слою, напротив среднего слоя.

Верхний слой включает электроды, оцифрованные взаимно со второй группой электродов. Один из электродов в верхнем слое и один из электродов в нижнем слое соединены с контактом, а другой из электродов в верхнем слое и один из электродов в нижнем слое соединены со вторым контактом.

Пьезоэлектрический резонатор состоит из набора слоев, подвешенных на тросах. Набор слоев включает два пьезоэлектрических слоя, разделенных средним металлическим слоем и металлическими электродными слоями, примыкающими к внешней стороне пьезоэлектрических слоев.Слои металлических электродов имеют рисунки электродов, которые коррелируют друг с другом. Металлические электроды на верхнем и нижнем слоях и средний металлический слой используются для приложения, измерения или приложения и измерения электрического потенциала на каждом из двух пьезоэлектрических слоев. Пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрических слоев преобразует электрический потенциал каждого слоя в механическое напряжение в слое. Обратный пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрических слоев преобразует механическое напряжение в каждом пьезоэлектрическом слое в электрический потенциал через слой.

Резонаторная структура может работать при механическом резонансе, изменяя приложенное электрическое поле во времени на собственной частоте устройства. В различных вариантах реализации пьезоэлектрический слой состоит из одного из следующих материалов: нитрида алюминия, оксида цинка, цирконата, титаната свинца, кварца, арсенида галлия, ниобата лития или любого другого подходящего материала. В различных вариантах реализации два пьезоэлектрических слоя состоят из разных материалов или состоят из одних и тех же материалов.Расстояние между электродами и возможность соединения электродов и среднего металлического слоя определяют частотную характеристику резонаторной структуры.

Эта работа была выполнена Филипом Дж. Стефану и Джастином П. Блэком из Harmonic Devices, Inc. для Космического центра Джонсона. НАСА ищет партнеров для дальнейшего развития этой технологии посредством совместных совместных исследований и разработок. Для получения дополнительной информации об этой технологии и изучения возможностей, пожалуйста, свяжитесь с нами. Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов.У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. MSC-25713-1

---

Tech Briefs Magazine

Эта статья впервые появилась в ноябрьском выпуске журнала Tech Briefs за ноябрь 2018 года.

Читать статьи в этом выпуске здесь.

Другие статьи из архивов читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Резонансные характеристики

пьезоэлектрического резонатора на основе цифровой схемы возбуждения программируемой вентильной матрицы

[1]

LI G B, WU X S, CHEN W Y.Разработка цифровой схемы детектирования пьезоэлектрического гироскопа на базе FPGA [J]. Transducer and Microsystem Technologies , 2016, 35 (9): 92–94 (на китайском языке).

Google Scholar

[2]

CHOI G B. Конструкция пьезоэлектрического гироскопического сенсора с использованием силиката галлия лантана (La3Ga5SiO14) и температурных характеристик лангасита [D]. Нью-Джерси, США: Департамент гражданской и экологической инженерии, Государственный университет Нью-Джерси, 2016.

Google Scholar

[3]

ГОЛЕСТАНЯН Э. Массив пьезоэлектрических проводов для сбора акустической энергии [D]. Техас, США: факультет машиностроения Южного методистского университета, 2015 г.

Google Scholar

[4]

PALIWAL N, MUKHIJA N, BHATIA D. Разработка и оптимизация высококачественного пьезоэлектрического резонатора MEMS с псевдоэлектродами [C] // Труды 4-й Международной конференции по надежности 2015 г. .Нойда, Индия: IEEE, 2015: 1–5.

Google Scholar

[5]

ZHU H S, LEE J E Y. Разработка фононных кристаллических тросов для частотно-селективного повышения добротности в резонаторах пьезоэлектрика на кремнии AlN [Дж]. Разработка процедур , 2015, 120 : 516–519.

Артикул Google Scholar

[6]

HUNG LW. Высокодобротные низкоомные МЭМС-резонаторы [D].Беркли, США: Школа электротехники и компьютерных наук, Калифорнийский университет в Беркли, 2011 г.

Google Scholar

[7]

ABDOLVAND R. Тонкопленочные пьезоэлектрические резонаторы на подложке и узкополосные фильтры [D]. Джорджия, США: Школа электротехники и вычислительной техники Технологического института Джорджии, 2008 г.

Google Scholar

[8]

CALHOUN P J.Частотный синтез с использованием пьезоэлектрических резонаторов MEMS [D]. Массачусетс, США: Департамент аэронавтики и астронавтики, Массачусетский технологический институт, 2004 г.

Google Scholar

[9]

WU X S, CHEN W Y, ZHANG W P, et al. Анализ моделирования пьезоэлектрического микромашинного модального гироскопа (PMMG) [C] // Труды 4-й Международной конференции IEEE 2009 г. по нано-микротехнике и молекулярным системам . Шэньчжэнь, Китай: IEEE, 2009: 304–309.

Глава Google Scholar

[10]

BLOCK S T, JIANG X N, CUI C и др. Пробуждающий CMOS-приемник мощностью 100 нВт с чувствительностью −60 дБм, использующий пьезоэлектрические резонаторы AlN с высокой добротностью [C] // Труды Международного симпозиума IEEE 2017 по схемам и системам (ISCAS) . Дэвис, США: IEEE, 2017: 1–4.

Google Scholar

[11]

ТОЛЕДО ДЖ, МАНЗАНЕК Т, РУИЗ-ДЭЗ В и др.Сравнение плоских и внеплоскостных пьезоэлектрических микрорезонаторов для мониторинга загрязнения моторного масла дизельным топливом в реальном времени [J]. Microsystem Technologies , 2016, 22 (7): 1781–1790.

Артикул Google Scholar

[12]

TAN W S, FANG G W, PILLAI G, et al. Изготовление и определение характеристик тонкопленочных MEMS-пьезоэлектрических резонаторов из ниобата лития [C] / Труды 11-й Ежегодной международной конференции IEEE по нано / микротехнике и молекулярным системам (NEMS) .Мацусима, Япония: IEEE, 2016: 516–519.

Google Scholar

[13]

ELSAYED M Y, NABKI F. Пьезоэлектрический дисковый резонатор с объемной модой, подвергнутый последующей обработке для повышения добротности [J]. Журнал микроэлектромеханических систем , 2016, 26 (1): 75–83.

Артикул Google Scholar

[14]

TU C, LEE J E Y. Повышение добротности за счет травления дырок в резонаторах боковых колебаний пьезоэлектрика на кремнии [J]. Датчики и исполнительные механизмы A: Physical , 2017, 259 : 144–151.

Артикул Google Scholar

[15]

TU C, LEE J E Y. Повышение добротности низкоомных УКВ-пьезоэлектрических резонаторов с боковыми модами на кремнии с использованием вытравливающих отверстий [J]. Разработка процедур , 2016, 168 : 1261–1264.

Артикул Google Scholar

Пьезоэлектрический резонатор с высокой добротностью в качестве портативного СНЧ-передатчика

Изготовление, установка и определение характеристик ниобата лития

Кристаллы LN выращиваются с помощью стандартного процесса Чохральского.Конгруэнтный состав дает кристаллы с однородным составом и, следовательно, с минимальными изменениями свойств (см. Патент США №5,310,448). Стержни нарезаются с ориентацией на стандартное продольное удлинение Y \ (\ angle \) 36 ° и получают черновую резку до кубов 20 мм × 20 мм × 94 мм.

Используя систему распыления постоянного тока на фоне аргона 50 × 10 ^–3 Торр, на каждую поверхность стержня наносят связующий слой из титана толщиной 10–100 Å. Перед вентиляцией наносится электрический контакт и герметизирующий слой из золота толщиной 10–100 Å.Нагреватель подложки нагревает LN примерно до 400 ° C до и во время процесса покрытия. Покрытия наносятся перед финишной обработкой и полировкой внешнего диаметра кристалла, поэтому маскирование не требуется. После нанесения покрытия LN шлифуется до шероховатой формы с использованием вращающейся абразивной пластины с зернистостью 180 и затем алмазной спеченной пластины с зернистостью 600. После этого диаметр шлифуется вручную по стеклянным пластинам с использованием оксида алюминия 15 мкм, а затем 9 мкм. Затем используется токарный станок для шлифования с более мелкими зернами с использованием влажной наждачной бумаги из карбида кремния.Наконец, для полировки стержня использовали токарный станок с использованием суспензии оксида алюминия толщиной 1 мкм и полиуретановой подушки.

Каждый металлизированный конец стержня LN имеет медный провод диаметром 0,003 дюйма, прикрепленный к поверхности с помощью структурной эпоксидной смолы и серебряной краски. С одного конца тонкий провод присоединяется к входному сигналу. На другом конце провод присоединяется к тороиду, формирующему поле. Используя этот общий метод проектирования высокого напряжения, тороиды находятся на уровне или около потенциала углов стержня LN и, следовательно, пространственно распределяют эквипотенциальные линии.Это уменьшает пиковое поверхностное электрическое поле на LN для данного дипольного момента, тем самым увеличивая достижимый дипольный момент до пробоя высокого напряжения. Тороиды на обоих концах LN механически поддерживаются алюминиевыми стойками и не контактируют со стержнем LN. LN подвешен на двух стержнях из плавленого кварца, расположенных в продольном центре стержня LN. Стержни из плавленого кварца поддерживаются вертикальными стержнями из оксида алюминия (см. Дополнительный рис. 4). Для испытаний в вакуумной камере давление поддерживается на уровне менее 2 × 10 ^-7 Торр.

Для измерения скорости кристалла Polytek OFV-5000 с лазерным доплеровским виброметром OFV-552 с сенсорной головкой светит на одном конце стержня LN. При лабораторных испытаниях входной сигнал подается на кристалл через генератор произвольных функций Tektronics AFG3021C. Ток сигнала контролируется трансформатором тока Пирсона, а напряжение — непосредственно осциллографом Lecroy 44MX 400 МГц,> 125 кСм с ^-1 . Осциллограммы подвергаются постобработке в Matlab. Система модуляции состоит из металлической пластины модуляции, механического реле (COTO 9913) и конденсатора 60 пФ.Катушки реле приводятся в действие генератором триггера SRS DG645, который синхронизируется с входным РЧ-сигналом модуляции ЧМн.

Мультифизика и моделирование схем

Пьезоэлектрическая система моделируется с помощью мультифизического программного обеспечения FEM COMSOL с набором инструментов MEMS ²⁹ . Используются стандартные свойства материала, при этом изотропный тангенс угла потерь LN установлен равным эффективному значению 1/ Q _t , полученному в результате эксперимента. Для заданного входного напряжения и частоты характеристика частотной области используется для расчета таких параметров, как пиковое электрическое поле, напряжение в LN, дипольный момент, скорость и входной импеданс.

Для моделирования задач во временной области используется модель эквивалентной схемы ³⁰ . Эта модель с сосредоточенными элементами (см. Дополнительный рис. 8) состоит из четырех подсхем, включая вход драйвера, пьезоэлектрическую эквивалентную схему, радиационную связь и схему модуляции. Для входного драйвера предполагается переменный во времени источник напряжения с выходным сопротивлением 10 Ом. Эквивалентная схема соответствует традиционному шаблону для пьезоэлектрических элементов, в то время как радиационное сопротивление характеризуется параллельным соединением резистивных (радиационное сопротивление) и емкостных (выходная связь) элементов с землей.Схема модуляции — это емкостная сеть, представленная одним элементом, который либо связан, либо изолирован от антенной схемы с помощью электрического переключателя. Данные производителя использовались для времени переключения и сопротивления открытого и закрытого контакта.

Для модели схемы используется точное аналитическое решение. Рассчитывается преобразование Лапласа для каждого из элементов импеданса вместе с начальными условиями и находятся уравнения контура цепи. Переключатель моделируется как резистор.Обратное преобразование Лапласа решается с использованием значений элементов схемы, вводимых в уравнения цикла. Затем для каждого элемента рассчитываются зависящие от времени токи и напряжения. В конце цикла FSK или переключения конечные условия схемы затем использовались в качестве входных условий для последующих симуляций.

Эта схема с сосредоточенными элементами настраивается путем согласования входного импеданса и выходного напряжения с результатами COMSOL в частотной области (см. Рис. 3). Затем решатель схем используется для моделирования переходной характеристики антенны во время заполнения, разряда и переключения.дополнительные рис. 1 и 2 сравнивают зависящее от времени выходное напряжение модели схемы с экспериментальными результатами как с DAM, так и без него. Значения элементов, используемые в модели схемы: R _в = 10 Ом, C _в = 3,7 пФ, C _м = 92,12 фФ, L _m = 239.6041H, R = 85 Ом, C _o = 1.4001 пФ.

Измерение поля в диапазоне

Для измерения дальности H-мост MOSFET, управляемый микропроцессором, преобразует постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в прямоугольный сигнал.Этот сигнал подается непосредственно на вход пьезоэлектрического передатчика. Частота сигнала регулируется через последовательное соединение Bluetooth. Длина проводов от этого блока обработки мощности до пьезоэлектрического передатчика была минимизирована (всего <1–2 дюйма), чтобы уменьшить RFI.

Электрическое поле измеряется с помощью зонда, состоящего из 2-сантиметрового металлического стержня, соединенного с гнездовым разъемом SMA. Сигнал поступает на предусилитель Stanford Research Systems модели SR560. Калиброванная передаточная функция создается путем погружения зонда в электрическое поле, создаваемое 1 м x 1 м x 0.Конденсатор с параллельными пластинами длиной 09 м. Фильтр верхних частот 3 кГц, 12 дБ / активный используется для ослабления радиопомех, главным образом, от гармоник линии электропередачи. Сигнал подается на LeCroy WaveJet 354 с фильтром нижних частот 250 кГц и частотой дискретизации 250 кСм с ^-1 .

Магнитное поле измеряется с помощью 200-виткового соленоида диаметром 1,2 м с воздушным сердечником и длиной 6 см. Заземленная алюминиевая фольга (обрезанная в одной точке, чтобы гарантировать, что индуцированный ток не закорочен) помещается вокруг катушки для ослабления наводки электрического поля.Два конца катушки по-разному запитаны (с общим заземлением относительно экрана приемника) на предусилитель Stanford Research Systems модели SR650. Предусилитель имеет полосовой фильтр 115 дБ / активный в диапазоне от 29 кГц до 38 кГц. Затухание в полосе заграждения составляет> 80 дБ, а коэффициент усиления устанавливается в пределах от 40 до 60 дБ. Сигнал измеряется осциллографом Tektronix TDS5054B с частотой дискретизации 125 кСм с ^-1 . Полученное магнитное поле не откалибровано и включено как относительное измерение.

Для данных как электрического поля, так и магнитного поля, непрерывные сигналы измеряются в течение 4 секунд. В каждой точке данных диапазона измеряются четыре повтора. Каждое измерение расстояния повторялось дважды. Кроме того, в каждой точке измерялся фон при выключенном входном сигнале. Данные обрабатываются постобработкой путем выполнения ДПФ каждого 4-секундного интервала. Величина сигнала на интересующей частоте определяется как вычислением среднеквадратичного значения ДПФ в полосе пропускания 10 Гц, так и измерением пика ДПФ.Оба метода дают одинаковые результаты. SNR для всех измерений> 20 дБ.

Для обеспечения базового сигнала использовалась катушечная передающая антенна для создания эталонного магнитного поля. Эта катушка возбуждалась на частоте около 35,5 кГц, приблизительной резонансной частоте пьезоэлектрической антенны. Измерения этой катушки подтвердили, что магнитное поле уменьшилось как 1/ r ³ , что соответствует магнитному диполю.

Чтобы измерить влияние радиопомех от блока обработки мощности, резистор с проволочной обмоткой с сопротивлением, приблизительно равным входному сопротивлению пьезоэлектрического передатчика в резонансе, присоединяется непосредственно к выходу блока обработки мощности.Напряжение и частота настраиваются на те же значения, которые используются при измерениях пьезоэлектрического передатчика. Измеренное напряжение на приемнике с помощью только проволочного резистора на 24 дБВ ниже сигнала при измерении только пьезоэлектрического передатчика (см. Дополнительный рис. 5). Минимальный уровень шума для всех измерений магнитного поля составляет <−90 дБ В / Гц ^0,5 .

Рассчитано

Q _A , эффективность антенны и эффективность полосы пропускания

Для расчета Q _A (угловая частота, умноженная на среднюю запасенную энергию в ближнем поле, деленную на излучаемую мощность), излучение от Предполагается, что пьезоэлектрический элемент эквивалентен простому электрическому дипольному проводу.Это подтверждается сходством смоделированного тока пьезоэлектрического смещения с током в типичной медной антенне. Кроме того, измеренное магнитное поле в ближней зоне падает как 1/ r ² , что соответствует электрическому диполю.

Поскольку мы не измеряем излучаемую мощность в дальней зоне, для сравнения с другими ESA мы вычисляем оценку Q _A на основе двух разных формулировок. Q _{A , мин.} — это теоретически минимально возможное значение Q _A для антенны данного размера.3}}, $$

(4)

, где a — эффективный радиус антенны, а k — волновое число в свободном пространстве. Обычно длина a определяется как радиус наименьшей сферы, которая полностью закрывает антенну ^7,8 . Однако близость к земле и связанные с ней заряды изображения создают антенну типа монополя с удвоенной эффективной длиной ^19,31 . Для простоты мы предполагаем идеально проводящую заземляющую пластину с полной длиной антенны, определяющей радиус охватывающей сферы.Для k × и значения , равного 7,5 × 10 ⁻⁵ , вычисленное значение Q _{A , min} составляет 3 × 10 ¹² . Эта оценка представляет собой нижнюю границу для ESA, поскольку она получена из затухающих мод в ближнем поле, предполагая, что антенна полностью заполняет сферическую границу. Тиле предполагает, что из-за присущей ESA сверхнаправленности более точный вывод Q _{A , min} для дипольных антенн использует диаграмму направленности в дальней зоне ⁹ .Расчетное значение Q _{A , min} по этой методике составляет 3 × 10 ¹³ .

При предполагаемом Q _A 3 × 10 ¹² −3 × 10 ¹³ , учитывая, что излучаемая мощность намного меньше электромеханических потерь, эффективность излучения можно рассчитать с использованием η = Q _м / Q _A . Наше измеренное значение Q _м находится в диапазоне от 3 × 10 ⁵ до 6 × 10 ⁵ , в результате чего расчетная эффективность излучения находится между 2 × 10 ⁻⁷ и 1 × 10 ⁻⁸ .Для сравнения, пассивная современная антенна с использованием обычного согласующего индуктора (хотя мы утверждаем, что это непрактично в масштабе длины 10 см) будет иметь максимум Q _м из 1000 ^31,32 . Если пассивная антенна имеет аналогичный Q _{A ,} , эффективность излучения будет 3 × 10 ⁻¹⁰ –3 × 10 ⁻¹¹ , что в 300 раз ниже, чем у пьезоэлектрического передатчика. Мы демонстрируем разделение частот модуляции с использованием DAM 7 Гц с полосой пропускания пассивной системы 84 мГц.Использование DAM увеличивает эффективность использования полосы пропускания по сравнению с пассивным случаем на 7 Гц / 84 мГц = 83 раза.

Кристаллы | Бесплатный полнотекстовый | Пьезоэлектрические резонаторы, возбуждаемые боковыми электрическими полями на основе монокристалла LiTaO3

1. Введение

Пьезоэлектрические кристаллические резонаторы широко используются для производства и управления частотой, телекоммуникаций и датчиков [1,2,3,4,5,6,7 ]. Пьезоэлектрические кристаллические резонаторы на основе возбуждения бокового поля (LFE) с двумя электродами на поверхности пьезоэлектрической подложки известны как полезные измерительные инструменты с рядом преимуществ.Более высокий коэффициент качества (Q-фактор), превосходная стабильность частоты и высокая надежность сделали устройства LFE более подходящими для измерения по сравнению с обычными устройствами возбуждения поля толщиной (TFE) [8,9,10,11,12]. Кроме того, более эффективные данные об аналитах, полученные с помощью датчиков LFE, представляют собой ценный инструмент для измерения и оценки процедур реакции в биохимических системах [13,14]. Для обычных резонаторов на основе кристаллов кварца с АТ-огранкой небольшое значение Коэффициент пьезоэлектрической связи снижает добротность (добротность) при больших заслонках, что приводит к недостаточной стабильности частоты [15].Устройства на объемных акустических волнах с сильной пьезоэлектрической связью могут получить высокую добротность при большом затухании [16]. Монокристалл точечной группы 3m LiTaO ₃ имеет высокие пьезоэлектрические постоянные [17]; таким образом, устройства LFE на основе монокристалла LiTaO ₃ подходят для сенсорных приложений со значительным демпфированием. Кроме того, устройства LFE, в которых используется монокристалл LiTaO ₃ , также могут получить более высокую чувствительность к электрическим свойствам из-за более высоких коэффициентов пьезоэлектрической связи.Теоретическая модель традиционных кварцевых устройств LFE была построена Янгом [18]. Исследования, выполненные в [18], были в основном для демонстрации концепции. Пара нереалистичных боковых электродов на краях тонких кристаллических пластин использовалась в [18] для создания бокового электрического поля. Обычно в реальных устройствах пара электродов наверху (или внизу) поверхности пластины используется для создания бокового электрического поля [19,20]. В настоящее время модель анализа вибрации устройства LFE, использующего монокристалл точечной группы 3 м, работающего на воздухе, является недостаточной, а распределения вибрационной деформации устройств более сложны из-за боковых электрических полей, создаваемых поверхностными электродами, и более сильной пьезоэлектрической связи. .Кроме того, неясно влияние размерных факторов кристаллической пластины и электродов на характеристики вибрации, что препятствует оптимальной конструкции резонаторов LFE с использованием монокристалла LiTaO ₃ .

В этой статье теоретическая модель резонаторов LiTaO ₃ , возбуждаемых боковыми электрическими полями, построена с использованием теории пластин Миндлина. Исследованы электрически вынужденные колебания резонаторов. Выявлено влияние на резонаторы различных конструктивных факторов.Анализ методом конечных элементов используется для проверки теоретических результатов. На основании анализа получены расчетные критерии зазора и ширины электродов.

2. Управляющее уравнение

Рассматривается прямоугольная (yxl) 90 ° кристаллическая пластина LiTaO ₃ (см. Рисунок 1). Ориентация среза (yxl) 90 ° может использоваться для резонаторов LiTaO ₃ , работающих в режиме чистого LFE с высоким коэффициентом пьезоэлектрической связи (44,52%) [21], поэтому выбирается срез кристалла (yxl) 90 °.Рассматривается пластина толщиной 2h и массовой плотностью ρ. Для кристаллической пластины с ориентацией среза (yxl) 90 ° кристаллографическая ось z параллельна оси x2, кристаллографическая ось x параллельна оси x1, а кристаллографическая ось y параллельна оси x3. .

Пластина симметрична примерно при x1 = 0. Она бесконечна по оси x3 и не изменяется вместе с ней. В диапазоне a <| x1 | 3 является особенно анизотропным, колебания моды сдвига по толщине (TSh), моды сдвига по поверхности (FS) и моды изгиба (F) связаны в кристаллической пластине. Обе моды TSh и F возбуждаются посредством пьезоэлектрической постоянной e ₁₆ , а мода FS возбуждается пьезоэлектрической постоянной e ₁₅ .

Уравнения пластины Миндлина для пластин с электродами и без них различны. Эти уравнения приведены ниже. В пластине без электрода соответствующие смещения и электрические потенциалы связанных движений TSh, FS и F могут быть аппроксимированы следующим образом [9,22]:

u1≅x2u1 (1) (x1, t), u2≅u2 (0) (x1, t), u3≅u3 (0) (x1, t), ϕ≅ϕ (0) (x1, t),

(1)

где смещение ПФ, смещение F и смещение ТШ обозначены как u3 (0) (x1, t), u2 (0) (x1, t) и u1 (1) (x1, t) соответственно.ϕ (0) — электрический потенциал. Режим TSh, как высокочастотный режим работы резонатора, связан с режимом FS и режимом F упругой постоянной c ₆₅ , c ₆₆ , соответственно. Основными уравнениями для u3 (0), u2 (0), u1 (1) и ϕ (0) являются:

T6,1 (0) = 2hρu¨2 (0) T5,1 (0) = 2hρu¨3 (0) T1,1 (1) −T6 (0) = 2h43ρu¨1 (1) D1 (0) = 0

(2)

В (2) торцевое натяжение T6 (0), T5 (0), T1 (1) и торцевой заряд D1 (0) задаются следующим определяющим уравнением:

T6 (0) = 2h [k1c65u3,1 (0) + k12c66 (u2,1 (0) + u1 (1)) + k1e16ϕ, 1 (0)] T5 (0) = 2h [c55u3,1 (0) + k1c56 (u2,1 (0) + u1 (1)) + e15ϕ, 1 (0)] T1 (1) = 2h43 [γ11u1,1 (1)] D1 (0) = 2h [e15u3,1 (0) + k1e16 (u2,1 (0) + u1 (1)) — ε11ϕ, 1 (0)]

(3)

где

γ11 = s33s11s33 − s312, k12 = π212

(4)

cpq (= cpqE), eip и εij (= εijS) — упругая жесткость, пьезоэлектрическая проницаемость и диэлектрическая проницаемость соответственно.Вставка (3) в (2) приводит к этим трем уравнениям смещения и потенциала:

k1c65u3,11 (0) + k12c66u2,11 (0) + k12c66u1,1 (1) + k1e16ϕ, 11 (0) = ρu¨2 (0), c55u3,11 (0) + k1c56u2,11 (0) + k1c56u1 , 1 (1) + e15ϕ, 11 (0) = ρu¨3 (0), γ11u1,11 (1) −3h − 2 [k1c65u3,1 (0) + k12c66u2,1 (0) + k12c66u1 (1) + k1e16ϕ, 1 (0)] = ρu¨1 (0), e15u3,11 (0) + k1e16 (u2,11 (0) + u1,1 (1)) — ε11ϕ, 11 (0) = 0.

(5)

В электродной области пластины электрический потенциал ϕ (0) можно рассматривать как постоянный, и уравнение (2) ⁴ можно опустить.Для уравнения (2) ^1,2,3 следует учитывать влияние массы электрода. Уравнения принимают следующий вид:

T6,1 (0) = 2hρ (1 + R) u¨2 (0), T5,1 (0) = 2hρ (1 + R) u¨3 (0), T1,1 (1) −T6 (0 ) = 2h43ρ (1 + 3R) u¨1 (1),

(6)

где отношение масс электрод / пластина R = ρ′h ′ / ρh << 1, основные уравнения электродной области:

T6 (0) = 2h [k¯1c65u3,1 (0) + k¯12c66 (u2,1 (0) + u1 (1))], T5 (0) = 2h [c55u3,1 (0) + k¯ 1c56 (u2,1 (0) + u1 (1))], T1 (1) = 2h43 [γ11u1,1 (1)],

(7)

где k¯12 = k12 (1 + R).Подстановка (7) в (6) дает следующие уравнения:

k¯1c65u3,11 (0) + k¯12c66u2,11 (0) + k¯12c66u1,1 (1) = ρ (1 + R) u¨2 (0), c55u3,11 (0) + k¯1c56u2 , 11 (0) + k¯1c56u1,1 (1) = ρ (1 + R) u¨3 (0), γ11u1,11 (1) −3h − 2 [k¯1c65u3,1 (0) + k¯ 12c66u2,1 (0) + k¯12c66u1 (1)] = ρ (1 + 3R) u¨1 (1).

(8)

5. Результаты и обсуждение

Материальные константы для кристаллов (yxl) 90 ° LiTaO ₃ представлены в [23]. Анализ электрически вынужденной вибрации может быть использован для расчета кривой C / C ₀ с точки зрения частоты.Согласно этому анализу могут быть получены резонансные моды и соответствующие им частоты. Для проверки тенденций изменения резонансной частоты при различных структурных факторах используется программа конечных элементов COMSOL Multiphysics (Берлингтон, Массачусетс, США) в качестве универсальной программы моделирования для получения резонансной частоты моды TSh. Для примера анализа взята пластина толщиной 2h = 0,1775 мм. A = 2,22 мм, b = 2,88 мм, c = 5,39 мм. R = 0,05 и ширина по оси x ₃ w = 5.3 мм фиксируются на рис. 3, рис. 4, рис. 5, рис. 6, рис. 7 и рис. 8. В конечно-элементной модели и аналитической модели используются одни и те же параметры размера. На левый электрод подается синусоидальное напряжение 2 В, а на правый электрод — заземленное напряжение. Анализ частотной области выполняется для определения резонансных частот. На рисунке 3 показана кривая емкости резонатора C в зависимости от частоты возбуждения. C нормирован на C0 = 4ε11hw / (2c) = 0,038 пФ. ω0 = (π / 2h) c66 / ρ = 10 МГц.Могут быть найдены три основные резонансные частоты, включая режимы 1, 2 и 3 на рисунке 3, обозначенные 0,962, 0,987 и 1,005 ω ₀ соответственно. Для оценки трех основных резонансов в интересующей частотной области на рисунке 3 Соответствующее распределение деформации TSh u1 (1) (x1), распределение деформации F u2,1 (0) (x1) и распределение деформации FS u3,1 (0) (x1) нанесены на график на Рисунке 4, Рисунке 5 и Рисунке. 6 соответственно. Как показано на рисунке 4, распределение моды TSh для режима 1 является значительным в области центрального зазора между двумя электродами и под электродами.Тем не менее, он быстро уменьшается до нуля по краю пластины. Вышеупомянутое явление называется захватом энергии. На рисунках 5 и 6 показано, что для режима 1 деформации F и FS являются слабыми. Таким образом, режим 1 соответствует требованиям к конструкции резонатора, а именно: режим работы значительный, а другие связанные моды слабые. Для режима 2 деформация TSh имеет две впадины между электродами и под областью электродов, как показано на рисунке 4, что приведет к появлению дополнительной деформации сдвига.Таким образом, этот режим нежелателен для резонаторов. Для режима 3 есть четыре впадины для деформации TSh на Рисунке 4, а деформации F и FS довольно сильны на Рисунках 5 и 6; следовательно, этот режим тоже не то, что нам нужно. Из дисперсионных соотношений, показанных на рисунке 2, видно, что при увеличении волнового числа резонансная частота увеличивается медленнее. Таким образом, хотя различия в волновых числах режимов 1, 2 и 3, показанных на рисунке 4, велики, различия в резонансных частотах режимов 1, 2 и 3, показанных на рисунке 3, невелики.Можно видеть, что из дисперсионных кривых (рис. 2), волновые числа изгибной и торцевой моды сдвига явно больше, чем волновые числа моды сдвига по толщине при одинаковых частотах. Для амплитуд деформации сила вибрации тесно связана с ориентацией среза кристалла. Ориентация разреза в этой бумаге (yxl) 90 °. В [21] было подтверждено, что основной режим пластинки LiTaO ₃ с такой ориентацией среза является режимом сдвига по толщине. Таким образом, по сравнению с режимом сдвига по толщине, режимы изгиба и торцевого сдвига имеют меньшее распределение деформации.

Далее, трехмерный анализ методом конечных элементов выполняется на резонаторе LiTaO ₃ LFE, работающем в режиме 1, путем расчета в частотной области. Целью применения МКЭ является проверка надежности метода теоретического анализа. По сравнению с расчетом МКЭ, теоретическая модель может быть использована для более удобного объяснения механизма влияния размерных параметров на вибрационные свойства устройства. Кроме того, расчетная эффективность теоретической модели выше, чем у МКЭ.

Кривые полной проводимости и формы колебаний представлены на рисунках 7 и 8 соответственно. На рисунке 7 видно, что резонансная частота устройства составляет 0,9639 ω ₀ . Теоретическая частота режима 1, показанная на рисунке 3, составляет 0,962 ω ₀ . Отклонение между расчетным методом конечных элементов и теоретическими результатами режима 1 составляет 0,197%. Отклонение в основном связано с различиями между трехмерной моделью COMSOL и приближенной двумерной теорией пластин Миндлина. Кроме того, появляется больше паразитных мод на кривой проводимости устройства, полученной при моделировании 3D FEM, по сравнению с кривой отношения емкостей, полученной с помощью теоретической модели.На рисунке 8 видно, что колебания сосредоточены в области электродов. В области у края пластины вибрация быстро затухает почти до нуля. Это означает, что резонатор имеет хороший захват энергии на резонансной частоте 0,9639 ω ₀ . Получены резонансные частоты резонаторов для изменяемого отношения масс R электрод / пластина, зазора между электродами и ширины электрода b. Рисунок 9a показывает, что резонансная частота уменьшается приблизительно линейно, когда отношение масс R электрод / пластина изменяется от 0.005 до 0,07, в то время как все остальные параметры остаются такими же, как на Рисунке 3, Рисунке 4, Рисунке 5, Рисунке 6, Рисунке 7 и Рисунке 8. На Рисунке 9b показано, что резонансная частота увеличивается на 6,9 кГц по мере того, как межэлектродный зазор a варьируется от h до 4h, при этом все остальные размерные коэффициенты остаются такими же, как на рис. 3, рис. 4, рис. 5, рис. 6, рис. 7 и рис. 8. По мере увеличения межэлектродного зазора а два электрода удаляются дальше. в стороны, что приводит к уменьшению массового эффекта и увеличению резонансной частоты.На рисунке 9c при увеличении ширины электрода b соответствующая резонансная частота уменьшается. Это связано с тем, что с увеличением ширины электрода b влияние массы становится более очевидным. Теоретическая тенденция согласуется с тенденцией МКЭ. Кроме того, чтобы выявить влияние различных размерных параметров на интенсивность колебаний и захват энергии резонатора, распределение деформации ТШ (u1 (1)) для различных значений зазора и электрода Значения ширины, полученные с помощью теоретической модели, показаны на рис. 10а, б соответственно.На рисунке 10a фиксированы 2h = 0,1775 мм, b = 2,88 мм, c = 5,39 мм, R = 0,05 и w = 5,3 мм. На рисунке 10b фиксированы 2h = 0,1775 мм, a = 2,22 мм, c = 5,39 мм, R = 0,05 и w = 5,3 мм. На рисунке 10а показано, что при уменьшении межэлектродного зазора a интенсивность колебаний устройство в центральной области, очевидно, увеличивается, что может привести к более высокой добротности и устойчивости резонанса. Если величина зазора a достаточно мала, деформация вибрации в области между двумя электродами станет слишком большой и, таким образом, характеристика захвата энергии станет плохой, что снизит стабильность частоты.Обычно, чтобы избежать плохого захвата энергии, деформация вибрации в области между двумя электродами должна быть ниже одной пятой от пика. Следовательно, исходя из вышеупомянутого требования к захвату энергии, следует уменьшить значение зазора, насколько это возможно, чтобы получить высокую добротность при выборе межэлектродного зазора. На рисунке 10b, когда ширина электрода b увеличивается, интенсивность колебаний резонатора увеличивается, что может привести к более высокой добротности. Однако, если ширина электрода b слишком велика, деформация вибрации по краю пластины будет очевидна.Область вокруг края пластины — это монтажная площадка, которая обычно составляет одну десятую ширины пластины. Для области монтажа вибрационная деформация должна быть близкой к нулю, чтобы уменьшить влияние крепления на вибрационные свойства устройства. Следовательно, критерии выбора ширины b электрода резонатора должны быть сбалансированы между добротностью и необходимой установочной площадью без вибрации. А именно, исходя из условия выполнения условий монтажа, следует увеличить ширину электрода, насколько это возможно, чтобы получить высокую добротность.

Пьезоэлектрический кварцевый резонатор и его эквивалентная электрическая схема

Кварцевый пьезоэлектрический резонатор исследуется экспериментально и теоретически с особым вниманием к эквивалентной электрической системе, которая может его представлять.

Показано, что, как теоретически предсказал Баттерворт, такой резонатор может быть представлен последовательно включенными индуктивностью, сопротивлением и емкостью. Они изображены параллельно с другим небольшим конденсатором, и все они включены последовательно с третьим конденсатором, причем дополнительные конденсаторы представляют собой воздушные зазоры.Разработаны уравнения для тока в колебательном контуре, к которому присоединен резонатор, и установлено, что существует почти полное соответствие между формами кривой тока, полученными теоретически и экспериментально. Обнаружено, что это согласие справедливо для продольных резонаторов с частотой до 44000 и для поперечных резонаторов с частотой до 15000000 периодов в секунду.

Далее показано, как логарифмический декремент резонатора может быть получен из выпрямленной линии, построенной из наблюдения тока в колебательном контуре как функции ширины частоты в трещине, которая проходит через вершину резонансной кривой.

Далее разрабатываются методы анализа эквивалентной сетки на ее компоненты, и показано, что этот анализ может быть осуществлен путем проведения серии наблюдений тока в резонансе, когда воздушные зазоры изменяются на известные величины, или когда эффективному сопротивлению колебательного электрического контура заданы разные известные значения.

Теоретические и экспериментальные результаты согласуются. Величина шунтирующего конденсатора несколько меньше, чем измеренная на соседней частоте вне области резонанса.Предлагается возможное объяснение.

Изучается влияние изменения воздушного зазора на частоту отклика и обсуждается разница между предсказанием и наблюдением. Эта разница составляет всего несколько частей на сто тысяч. В случае поперечных резонаторов заметные эффекты возникают, когда воздушный зазор изменяется в областях, где его длина является неотъемлемой частью полуволн сверхзвуковых воздушных волн, создаваемых вибрацией кварца.

Температурный коэффициент частоты большого количества резонаторов исследуется в диапазоне температур до 40 ° C.Выявлено, что получаются очень разные результаты и предлагаются возможные объяснения.

Рассмотрены эффекты смещения резонатора из положения центральности. Показано, что они небольшие, но не совсем незначительные.

Затем ток, измеряемый кварцевой сеткой, детально исследуется теоретически, и приводятся одна или две экспериментальные кривые вместе с графическим методом вывода кривой тока из постоянных кварца. Был рассчитан ряд теоретических кривых для условий, в которых проводились эксперименты Кэди.Кривые во всех отношениях имеют форму и форму, найденную им экспериментально.

Завершает статью ряд выводов и предложений.

Зеленка, Дж .: 9780444995162: Amazon.com: Книги

Пьезоэлектрические резонаторы относятся к традиционным электронным компонентам, которые в течение многих лет использовались в радиоэлектронике, хронометрировании и, в последнее время, в микропроцессорных устройствах. Их постоянно расширяющийся диапазон применения стал возможным благодаря постепенному улучшению основных параметров резонатора.

Эта книга представляет собой сборник исследований по вибрирующим пьезоэлектрическим резонаторам с объемной волной. Это английское издание, впервые опубликованное на чешском языке в 1983 году, было адаптировано с учетом последних концепций и разработок. Рассмотрены важные упругие, диэлектрические и пьезоэлектрические параметры пьезоэлектрических резонаторов и получены основные характеристики современных пьезокристаллов и пьезокерамических материалов. В разделе теории колебаний представлены уравнения движения и их решения; выведены резонансные частотные уравнения изгибных, продольных, продольных и крутильных мод колебаний стержней и колебаний толщины пластин.Рассмотрены также приближенные методы расчета фасонных прямоугольных пластин. Затем выводится электрическая эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора для стержней и пластин различной формы. Свойства электрической эквивалентной схемы описаны с учетом влияния температуры и нелинейных свойств пьезоэлектрических кристаллов. Представлены методы измерения резонансной частоты и динамической емкости, относящиеся к эквивалентной электрической схеме пьезоэлектрических резонаторов.

Одна часть книги посвящена основным типам пьезоэлектрических кварцевых резонаторов, LiNbO3 и LiTaO3. Особое внимание уделяется возможности регулировки резонансных частотно-температурных характеристик путем выбора подходящего угла ориентации и соотношения размеров пластины резонатора. Приведено краткое описание многорезонаторных структур. Обсуждаются также технология производства и комментарии по применению резонаторов в волновых фильтрах и кварцевых генераторах.

Книга предназначена для инженеров научно-исследовательских и опытно-конструкторских отделов предприятий, производящих пьезоэлектрические резонаторы, а также для тех, кто использует пьезоэлектрические элементы в различных электронных и измерительных приборах.Студенты университетов и аспиранты могут найти его полезным источником информации в ряде электротехнических и электронных исследований.

Характеристики пьезоэлектрического MEMS-резонатора и конструкция фильтра

Абстрактные

В этой диссертации представлено моделирование и первые измерения нового пьезоэлектрического MEMS-резонатора, разработанного в лаборатории Дрейпера. Кроме того, были проанализированы некоторые простые конструкции фильтров, включающие резонатор с прогнозируемыми рабочими параметрами, с особым акцентом на пригодность использования резонатора Дрейпера для реализации этих фильтров.Четырехэлементная модель Баттерворта Ван-Дайка, традиционная модель схемы, используемая для описания кристаллических резонаторов, была предсказана как совпадающая с теоретически выведенным электрическим поведением резонанса основной моды. Для описания общей структуры теста использовалась трехэлементная сетевая модель «пи». Преобразования и алгоритмы преобразования измеренных данных s-параметра в параметры наилучшей модели были разработаны и успешно протестированы на коммерческих тонкопленочных резонаторах. Измерение первых резонаторов Дрейпера осложнялось трудностями изготовления и возникающими в результате большими паразитами, которые позволяли наблюдать только низкочастотные продольные резонансы.Однако было обнаружено, что наблюдаемые резонансы на частотах 125,3 МГц и 148,3 МГц изменяются в зависимости от геометрических параметров, как и ожидалось, что свидетельствует о жизнеспособности конструкции. Начальная добротность резонатора оценивалась равной 542. Фильтры были разработаны с расчетными параметрами резонатора после оптимизации процесса. Описываются три топологии, простая (связанная) лестница, двойная лестница резонатора и полная решетка, а также обсуждаются ограничения и компромиссы между ними с учетом свойств резонатора Дрейпера. Приведены числовые примеры и пример процесса проектирования фильтра и резонатора.Обсуждаются производственные допуски и их влияние на параметры резонатора и фильтра. Наконец, обрисованы в общих чертах некоторые соображения при реализации интегрированного банка фильтров.

(продолжение) Анализ фильтров выявил две основные цели для следующего этапа разработки резонатора. Во-первых, необходимо разработать метод точной настройки, поскольку из-за небольшого размера стержня резонатора производственные ошибки порядка десятков нанометров существенно влияют на характеристики фильтра. Во-вторых, желателен более низкий уровень импеданса резонатора, чтобы обеспечить надежное взаимодействие с интегрированной радиочастотной схемой.

Описание

Диссертация (M. Eng. И S.B.) — Массачусетский технологический институт, кафедра электротехники и компьютерных наук, 2004 г.

Включает библиографические ссылки (стр. 98-100).

Отделение

Массачусетский Институт Технологий. Кафедра электротехники и информатики; Массачусетский Институт Технологий. Кафедра электротехники и информатики

Издатель

Массачусетский технологический институт

Ключевые слова

Электротехника и информатика.