О НЕКОТОРЫХ РЕЗУЛЬТАТАХ И ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОИЗВОДСТВА МИНИАТЮРНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ В ОАО «ПЬЕЗО»

Материалы конференции "ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ", 2005 год

В.Б.Грузиненко, А.Н.Мацак, П.Н.Миленин
ОАО "Пьезо"
107023 г.Москва, ул.Буженинова, 16; Тел: (495) 963-26-63, Факс: (495) 963-26-66

---

Электронная комплектация класса «Space» должна быть наиболее надежной, стойкой к повышенным механическим и климатическим воздействиям, отвечать более высоким требованиям к электрическим параметрам, обладать малым весом и быть миниатюрной. Совокупность этих требований может быть обеспечена при условии постоянного совершенствования технологических процессов, повышением требований к воспроизводимости и совершенствованию физических свойств пьезоэлектрических монокристаллов, тщательному выбору и контролю качества корпусных деталей, применению наиболее совершенных видов оборудования и контрольно-измерительных приборов. В мире имеется небольшое количество электронных фирм, производящих пьезоэлектрические компоненты для использования в аэрокосмической технике. В основном это американские, французские, японские и английские фирмы. В России в настоящее время поставки по специальным заказам фирм, работающих на создание космической аппаратуры, осуществляются в основном тремя предприятиями: «Пьезо» (Москва), «Морион» (С.-Петербург), «Метеор» (Волжский). Это наиболее подготовленные научно-производственные коллективы, имеющие опыт поставок высокостабильных устройств пьезотехники с приемкой 5 и 9 более сорока лет.

Среди основных требований, предъявляемых к пьезоэлектрическим резонаторам для военной аппаратуры, особое внимание уделяется миниатюризации, долговечности, стабильности частоты во времени (старение), механической прочности и устойчивости. Миниатюризация сопровождается повышением механической прочности резонаторов, но вызывает необходимость усовершенствования технологических процессов и повышения требований к качеству монокристалла с целью обеспечения более высокой стабильности рабочей частоты резонаторов во времени. Поэтому при проведении работ по созданию миниатюрных резонаторов на предприятии «Пьезо» были выполнены следующие мероприятия, обеспечивающие достижения высокой стабильности частоты (временной и температурной):

1. Разработаны требования к входному контролю качества монокристаллов кварца, дефектов их структуры, однородность свойств, влияющих на старение и добротность резонаторов;
2. Созданы методики компьютерной обработки измерений угла среза и в 2-3 раза повышена точность этих измерений;
3. Совершенствование процессов формирования поверхности кристаллических элементов и повышение требований к качеству используемых абразивных материалов, оптимизации химических и термических процессов обработки, модернизации шлифовального и полировального оборудования;
4. Совершенствование процессов межоперационной очистки кристаллических элементов, пьезоэлементов и сборок перед герметизацией;
5. Входной контроль качества корпусных деталей и их очистки, контроль и регламентные работы с оборудованием герметизации;
6. Строгое соответствие размеров кристаллических элементов, электродных покрытий и мест крепления расчетным значениям, обеспечиваю¬щим минимизацию побочных колебаний.

В 2004 г. на предприятии «Пьезо» были завершены разработка и освоение в производстве шести типоконструкций миниатюрных пьезоэлектрических кварцевых резонаторов.

Эта разработка выполнялась в соответствии с техническим заданием на ОКР «Озарение» по Гос. контракту с МО РФ и требованиями комплекса стандартов «Климат-7». Основные электрические параметры резонаторов представлены в Таблице 1. Резонаторы, разработанные в ОКР «Озарение» (РК456), предназначены для использования в военной технике. В 2005 г. 18 предприятий России направили в «Пьезо» заказы на поставки этих изделий.

В Таблице 2 представлена основная номенклатура выпускаемых ОАО «Пьезо» резонаторов, генераторов, фильтров и датчиков. Подробная информация о наших последних разработках имеется на нашем сайте http://www.oaopiezo.com.

В последние 10 лет в группе предприятий «Пьезо» ведутся интенсивные исследования по совершенствованию технологии выращивания монокристаллов лантангаллиевого силиката (ЛГС) и лантангаллиевого танталата (ЛГТ), а также по созданию миниатюрных пьезоэлектрических резонаторов и фильтров на их основе. Полученные результаты свидетельствуют о существенных преимуществах таких резонаторов:

1. Снижение динамического сопротивления в 1,5-2 раза.
2. Повышение долговременной стабильности частоты.
3. Снижение уровня фазовых шумов.
4. Уменьшение габаритных размеров.
5. Увеличение величины перестройки частоты (ГУН'ы) и полосы пропускания (фильтры).
6. Повышение до 900° С температуры эксплуатации (датчики).

Таблица 1.

На предприятии «Пьезо» созданы образцы микроминиатюрных резонаторов, обладающих объемом 0,02-0,04 см³ ,что в 20-40 раз меньше существующих миниатюрных резонаторов.

В них использованы, наряду с кварцем, «сильные» пьезоэлектрики (лангасит, танталат лития).

По предварительной оценке потенциальных потребителей эти резонаторы обладают удовлетворительными электрическими параметрами, высокой механической прочностью и стабильностью частоты. Планируется их разработка и организация производства в 2006-2008 г.г.

Снижение габаритных размеров и веса носимой аппаратуры, повышение ее эксплуатационных характеристик и электрических параметров, расширение функциональных возможностей и надежности требуют микроминиатюризации пьезоэлектрических резонаторов и создания конструкций, пригодных для применения технологии монтажа на поверхность.

На предприятии «Пьезо» проведены исследования и изготавливают-ся экспериментальные образцы миниатюрных резонаторов с пьезоэлементами срезов группы SC.

Эти резонаторы обладают рядом преимуществ по сравнению с широко используемыми резонаторами среза AT (особенно при изготовлении высокостабильных термостатируемых генераторов).

Эти преимущества заключаются в следующем:

1. При термостатировании (85°С) коэффициент крутизны температуно-частотной характеристики составляет 0,2x10^-8х°С^-2 (у AT среза 1,8x10^-8). При точности термостатирования ±0,1°С обеспечивается температурная стабильность не хуже ±0,2х10^-10.
2. В 2-3 раза сокращается время выхода генератора на заданный режим работы (низкая чувствительность к тепловым перепадам).
3. Существенно меньше тепловой гистерезис, вызываемый планарными напряжениями (поверхностный слой и электродное покрытие).
4. Снижается чувствительность к уровню возбуждения.
5. Большая величина емкостного отношения C₀/C₁ обеспечивает уменьшения влияния реактивных сопротивлений схемы генератора на стабильность частоты.
6. Более низкая чувствительность к механическим воздействиям (удары, вибрации, акустический шум).
7. На 20-30% более высокое значение добротности Q.
8. Снижается влияние радиационных воздействий на частоту.
9. Уменьшается влияние системы крепления пьезоэлемента на частоту резонаторов.

К недостаткам резонаторов среза SC следует отнести:

1. Повышенная чувствительность к изменению давления внутри корпуса (изменение добротности и частоты).
2. Повышенная сложность ориентации кристаллического элемента.

Приоритет на мировом рынке пьезорезонаторов отдается кварцевым резонаторам, выполненным в:

• металлических низкопрофильных корпусах;
• керамических SMD корпусах, изготовленных по технологии поверхностного монтажа;
• металлических микроминиатюрных цилиндрических корпусах, отвечающих более жестким требованиям потребителей.

Высокая температурная и долговременная стабильность частоты миниатюрных и микроминиатюрных резонаторов достигается повышением точности ориентации угла среза при изготовлении кристаллических элементов. Достижение высоких температурных стабильностей частоты резонаторов обеспечивается совершенствованием технологий изготовления кристаллических элементов и поиском новых ориентации, позволяющих получить температурную стабильность до нескольких единиц 10^-6 в широких интервалах температур.

Долговременная стабильность частоты (старение) обеспечивается повышением надежности герметизации, сокращением массообмена внутри корпуса резонатора (заполнение инертными газами, вакуумирование), повышение качества и совершенствование свойств пьезоэлектрических монокристаллов (применение «сильных» пьезоэлектриков), отработка режимов искусственного «старения» и т. д.

Проведенные в ОАО «Пьезо» исследования показали перспективность использования кристаллов лантан-галиевого силиката вместо кварца с целью повышения в 1,5-3 раза долговременной стабильности частоты. Введение технически обоснованных режимов термотренировок резонаторов позволяет в несколько раз повысить долговременную стабильность частоты. Повышение механической прочности пьезоэлектрических устройств является одним из важных направлений повышения качества многих видов разрабатываемых средств вооружения и военной техники, особенно мобильных (автомобильная электроника, танковая, ракетно-космическая и т.д.).

Повышение частоты резонаторов, применение новых материалов и конструкций сопровождаются повышением механической прочности. По оценке специалистов использование меза-структурной формы кристалли-ческих элементов позволило в 2 раза повысить ударную прочность резонаторов по сравнению с классическим кристаллическим элементом гармоникового типа. Вместо 1000 g такие резонаторы обеспечивают прочность при ударе 2000 g.

На предприятии ОАО «Пьезо» были изготовлены и испытаны мик-роминиатюрные лабораторные образцы (объем менее 0.02 см³) резонаторов, которые обеспечили ударную прочность при воздействии ударов 25000g . При этом не было обнаружено конструктивных изменений, и уход частоты был на порядок меньше, чем при использовании традиционных низкочастотных кварцевых резонаторов.

Снижение стоимости резонаторов, используемых в аппаратуре военного назначения, возможно только при условии регулярных заказов высокой тиражности. При поставках малых партий основным затратным фактором становится проведение периодических испытаний.

Микроминиатюризация может сопровождаться значительным снижением трудоемкости и цены при условии модернизации технологических процессов и оборудования, применением высококачественных пьезоэлектрических монокристаллов, расходных материалов и веществ, а также высокой тиражностью выпускаемой продукции.

Группой предприятий «Пьезо» ежегодно затрачивается порядка 10 млн. рублей на закупку и модернизацию технологического оборудования, совершенствование процессов изготовления пьезоизделий, разработку и изготовление специальной оснастки, измерительных и испытательных приборов и оборудования, совершенствование свойств и создание новых технологий выращивания пьезоэлектрических монокристаллов, проведение поисковых научно-исследовательских работ, подготовку кадров.

Увеличение частотного диапазона достигается уменьшением толщины кристаллического элемента. На частотах порядка 200 МГц толщина кварцевого кристаллического элемента должна быть менее 8 мкм. Механической обработкой такую толщину получить невозможно. Обычно используются резонаторы с толщиной КЭ порядка 65-68 мкм (25 МГц). Получение кристаллических элементов для резонаторов на частоты 50-300 МГц возможно при использовании технологий химического или плазменного травления.

ОАО «Пьезо» обладает такими технологиями и оборудованием для получения кристаллических элементов в форме инвертированных (обратных) меза-структур. Эти резонаторы особенно перспективны для использования в производстве новейших систем связи. Они повышают надежность приема и передачи различной информации, повышают качество устройств криптографического назначения.

В ОАО «Пьезо» проводятся исследования по созданию новой технологии изготовления КЭ для СВЧ-резонаторов в форме открытой меза-структуры. Получены патенты, проводятся исследования возможности использования для высокочастотных резонаторов помимо среза AT других срезов (ВТ и SC). Повышение значения номинальных частот пьезоэлектрических резонаторов на объемных акустических волнах (ОАВ) вызвано потребностью техники (в т.ч. военной) в повышении быстродействия и объема памяти микро-ЭВМ и микропроцессорных устройств. При этом важно повышать частоту резонаторов, работающих на основной моде и на гармониках. Повышение частоты резонаторов, работающих на основной моде, позволяет создавать микрогенераторы с большим диапазоном перестройки частоты и фильтры с более широкой полосой пропускания сигнала. С другой стороны, более высокая добротность резонатора и стабильность его частоты обеспечиваются гармониковыми резонаторами. Поэтому в зависимости от требований к генераторам следует применять резонаторы различных типов (гармониковые или на «основной» частоте).

Заключение. За последние 3 года в ОАО «Пьезо» проведены работы по совершенствованию технологических процессов изготовления кварцевых резонаторов, модернизация и приобретение современных видов оборудования, контрольной и измерительной техники. Эти работы позволили существенно повысить качество выпускаемых резонаторов. В 2005 году начаты поставки шести новых типов резонаторов РК 456 на частоты от 3,5 до 175 МГц. Эти резонаторы по электрическим параметрам и эксплуатационным характеристикам соответствуют лучшим зарубежным аналогам и требованиям современному комплексу стандартов «Климат-7». Проведенные в ОАО «Пьезо» исследования и технические мероприятия позволили создать научно-технический задел для разработок и внедрения в производство новых микроминиатюрных конструкций пьезоэлектрических резонаторов с параметрами, превышающими зарубежный уровень. На основе новых технологий и изготовленных образцов кристаллических элементов и резонаторов на предприятиях группы «Пьезо» разрабатываются и поставляются новые типы микрогенераторов на частоты от десятков килогерц до нескольких гигагерц, полоса перестройки ГУНов достигает ±2000x10^-6, кратковременная (за 1 секунду) стабильность частоты прецизионных генераторов достигает нескольких единиц х10^-11, уровень фазовых шумов при отстройке на 1кГц не превышает 140Дб/Гц и т.д.

Со многими российскими и зарубежными предприятиями, научными центрами ведутся совместные исследования и разработки по совершенствованию параметров пьезоэлектрических фильтров и датчиков различного назначения на основе использования физических свойств новых пьезоэлектрических материалов и технологий их обработки.

Следует отметить, что существенно сократить сроки разработки и организации производства высокочастотных резонаторов для генераторов управляемых напряжением (ГУН) и широкополосных фильтров позволяют отечественные достижения в создании технологии выращивания новых пьезоэлектрических монокристаллов (лантангалиевого силиката и танталата). Для отставания промышленности России в производстве высокочастотных миниатюрных резонаторов потребуется выделения средств на приобретение специального оборудования, оснастки и контрольно-измерительных средств на общую сумму порядка 8-10 млн. рублей.

Освоение таких резонаторов в производстве может быть обеспечено в течение 2-3 лет.

Вернуться к списку статей.

 

При использовании материалов сайта, ссылка на данный сайт обязательна.
© 2005 - 2008 ОАО "Пьезо"