МИКРОМИНИАТЮРНЫЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ НА ОБЪЕМНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
Журнал "Компоненты и технологии" № 6/2003 год
Валерий Грузиненко, Андрей Мацак, Андрей Медведев
ОАО "Пьезо"
107023 г.Москва, ул.Буженинова, 16; Тел: (495) 963-26-63, Факс: (495) 963-26-66
Пьезоэлектрические резонаторы на объемных акустических волнах (ОАВ) продолжают оставаться востребованными: ежегодный прирост объемов их производства колеблется в пределах 15-25%. При этом наиболее высокие темпы производства микроминиатюрных резонаторов объемом менее 0,3 см3 в корпусах для SMT-монтажа. Следует отметить, что резонаторы в миниатюрных корпусах типа НС-49 объемом более 1 см3 продолжают оставаться основной номенклатурой большинства ведущих фирм Японии, США, Германии, Франции, Голландии, Англии, России и др. стран, но основной прирост объемов производства происходит за счет новых микроминиатюрных резонаторов. Поэтому ведущие фирмы мира наряду с совершенствованием традиционных конструкций ведут интенсивные исследования, направленные на совершенствование и повышение точности расчетов конструкций кристаллических элементов и технологий их формообразования. Особенно важно проведение работ по оптимизации требований к качеству и модификации свойств выращиваемых пьезоэлектрических монокристаллов, поскольку наряду с требованием к миниатюрности резонаторов необходимо обеспечить их невысокую стоимость, высокое качество, сохранение и увеличение частотного диапазона их использования и т. д. Только совокупное обеспечение этих требований позволит укрепить конкурентоспособность новых типов резонаторов и возможность создания на их основе новых изделий радиоэлектроники, имеющих параметры и характеристики, которые невозможно обеспечить применением традиционных конструкций резонаторов. Увеличение основной частоты в 10 раз, сохранение высокой температурной и долговременной стабильности частоты и величины динамического сопротивления, уменьшение емкостного отношения C0/C1 при условии многократного уменьшения объема и веса резонатора повышает требования к точности расчетов геометрии кристаллических элементов и размеров электродных покрытий, требует применения высококачественных монокристаллов с высокой воспроизводимостью свойств.
Невозможно создать высококачественные и микроминиатюрные резонаторы без применения последних достижений высоких технологий: рентгенографии и рентгенометрии, оптики, физики и химии поверхности и многих других областей науки. Поэтому научные сотрудники группы npeдприятий «Пьезо» в течение последних двух десятилетий активно работают с научными коллективами РАН (Институт кристаллографии, Институт физики твердого тела, ИОНХ); высшими учебными заведениями (Московская академия информатики и приборостроения, Московский институт стали и сплавов, Московский государственный университет, Химико-технологический институт им. Менделеева, Институт тонкой химической технологии им. Ломоносова и др.), а также с отделением твердотельной электроники и кристаллофизики Международной академии информатизации.
Творческое сотрудничество научных работников, специалистов и руководителей группы предприятий «Пьезо» с этими научными коллективами позволило получить серьезные результаты в выращивании пьезоэлектрических монокристаллов, а также в создании новых конструкций и технологий резонаторов и фильтров на их основе.
Танталатолитиевые резонаторы
Поскольку в сегнетоэлектрических монокристаллах танталата лития имеются кристаллографические ориентации, обеспечивающие возможность изготовления резонаторов с нулевым температурным коэффициентом частоты первого порядка, эти монокристаллы вызывают интерес у разработчиков микроминиатюрных резонаторов и фильтров. Авторами в течение ряда лет проводятся работы с целью организации производства танталатолитиевых резонаторов на частоты от 10 кГц до 100 МГц.
Низкочастотные танталатолитиевые резонаторы (10-800 кГц).
На частоты от 10 до 40 кГц изготавливались резонаторы в микрокорпусах объемом от 0,02 до 0,05 см3. Резонаторы включали в себя пьезоэлементы в форме камертонов, полосок и стержней, совершающих изгибные колебания в плоскостях Y'Z' и XY' . В таблице 1 приведены основные параметры и характеристики резонаторов.
| Форма кристаллического элемента | Частота, кГц | Коэффициент крутизны ТЧХ | Динамическое сопртивление, кОм | Емкостное отношение | Добротность | Тип колебаний |
|---|---|---|---|---|---|---|
Камертон |
15 - 40 |
8 - 10 |
0,5 - 50 |
40 - 80 |
5 - 40 |
Изгиб |
Стержень |
20 - 120 |
7 - 9 |
0,1 |
29 - 30 |
10 - 80 |
Изгиб |
Полосковый |
350 - 800 |
7 - 9 |
0,1 - 40 |
20 - 40 |
10 - 50 |
Продольные |
Танталатолитиевые резонаторы с колебаниями контурного и толщинного сдвига на частоты 0,500 - 100 МГц
От 600 до 1500 кГц изготавливались резонаторы, в которых возбуждались колебания контурного сдвига. Резонаторы имели электроды, обеспечивающие возбуждение колебаний "параллельным" полем. На частоты 5 - 30 МГц изготавливались резонаторы на кристаллических элементах X-среза, работающие на быстрой сдвиговой моде колебаний. Электроды имели круглую форму. Основные параметры резонаторов представлены в таблице 2.
| Форма кристаллического элемента | Частота, МГц | Коэффициент крутизны ТЧХ | Динамическое сопртивление, кОм | Емкостное отношение | Добротность | Тип колебаний |
|---|---|---|---|---|---|---|
Прямоугольная |
0,5 - 1,5 |
6 - 9 |
50 - 200 |
30 - 100 |
15 - 100 |
Сдвиг по контуру |
Прямоугольная |
8 - 50 |
10 - 12 |
10 - 80 |
12,5 - 20 |
1 - 6 |
Сдвиг по толщине |
Круглая Ø4,5мм |
50 - 100 (3 гармоника) |
- |
25 - 100 |
140 - 220 |
0,6 - 1,5 |
Сдвиг по толщине |
В таблице 3 приведены параметры микроминиатюрных вакуумных двухчастотных танталатолитиевых резонаторов объемом менее 0,02см3 с термозависимой (частота 9,4 МГц) и термостабильной (частота 10,6 МГц) модами.
| Возбуждаемая мода | Частота, МГц | Вид ТЧХ | Термический коэффициент | Динамическое сопротивление | Емкостное отношение | Добротность | Тип колебаний |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
Термостабильная |
10,6 |
Парабола |
(9-10) 10-8С-2 |
15 - 40 |
9,3 - 11,5 |
4 - 5 |
Сдвиг по толщине |
Термозависимая |
9,4 |
Линейная |
65,4С-1 |
5 - 50 |
97 - 107 |
7 - 12 |
Сдвиг по толщине |
Температурно-частотные храктеристики (ТЧХ) представлены на рис.1
Лангаситовые микроминиатюрные резонаторы
Модернизированные технологии и оборудование позволяют выращивать в России кристаллы с низкой плотностью включений, больших размеров и с воспроизводимыми физическими свойствами. Применяемые методы обработки монокристаллов лангасита существенно улучшили качество поверхности пластин, что позволило создавать кристаллические элементы с обратной мезаструктурой на частоты до 100 МГц по основной гармонике.
Резонаторы из лангасита изготавливались в корпусах типа DW на прямоугольных пластинах. Изготавливались кристаллические элементы повернутых Y-срезов с длиной вдоль осей X и Z'. Герметизация осуществлялась в вакууме. Независимо от ориентации длины кристаллического элемента ТЧХ резонаторов имели вид квадратичной параболы с коэффициентом крутизны (5,9-6,3)-10-8 1/°С2. Температура экстремальной точки может быть получена при любой температуре в диапазоне от -30 до +100 °С. 
На рис. 2 представлена зависимость экстремальной точки ТЧХ от угла среза кристаллического элемента.
Резонаторы с направлением длины вдоль оси X имели в 1,5 раза меньшую величину динамического сопротивления R1 и на 20% меньшее емкостное отношение С0/С1. Значение добротности на 15 - 20% выше у резонаторов с пьезоэлементами, имеющими длину в направлении оси Z'. Основные параметры резонаторов приведены в таблице 4.
Для использования в качестве датчиков вязкости были изготовлены камертонные лангаситовые резонаторы с величиной емкостного отношения С0/С1, менее 350, динамическим сопротивлением 10 - 40 кОм и крутизной ТЧХ (30 - 32)-10-8 1/°С2.
| Частота, кГц | Динамическое сопротивление, Ом | Добротность | Динамическая индуктивность | Статическая емкость, пФ | Емкостное отношение | Размер пластины, мм | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| минимум | максимум | минимум | максимум | X | Z' | ||||
11 800 |
10 |
30 |
20 |
40 |
5,5 |
3,7 |
110 |
1,0 |
4,5 |
13 100 |
5 |
20 |
11 |
37 |
3,1 |
4,5 |
90 |
4,5 |
1,0 |
Кварцевые резонаторы
Модернизация производства выращивания монокристаллов кварца, предпринятая группой предприятий "Пьезо", позволило повысить их качество. Сегодня мы получаем монокристаллы, отвечающие требованиям высших классов международного стандарта (МЭК 785). Их добротность достигает 3,8х106, при
этом они обладают малыми концентрациями примесей и низкой плотностью каналов травления. Это обеспечивает возможность изготовления микроминиатюрных кристаллических элементов вакуумных резонаторов объемом менее 0,02см3.
Нами изготавливались кварцевые резонаторы на частоты 16,384; 21; 32,768; 40; 70 МГц.
До конца 2003 года будут изготовлены микроминиатюрные кварцевые резонаторы с кристаллическими элементами меза-структурного типа на частоты 100 - 150 МГц. Испытания изготовленных кварцевых резонаторов показали высокие значения их основных параметров и характеристик, не уступающим резонаторам в больших корпусах. В таблице 5 приведены параметры этих резонаторов, а на рис. 3 изображены их ТЧХ.. Изготовленные на их основе микрогенераторы имеют в два раза меньшие габариты и высокие параметры.
| Частота, МГц | Точность настройки, ppm | Динамическое сопротивление, Ом | Емкостное отношение | Добротность |
|---|---|---|---|---|
25 - 70 |
±5; ±50 |
25 - 100 |
280 - 400 |
10 - 70 |
Разработаны методы инженерных расчетов и организована пилотная линия эксперименального производства микроминиатюрных вакуумных пьезоэлектрических резонаторов (объем менее 0,02см3) на основе монокристаллов кварца, лантан-галлиевого силиката, танталата и ниобата-лития на частоты 10кГц - 350 МГц. На конструкции и технологию получены патенты России.