Пьезоэлектрические резонаторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Реферат

на тему: «Пьезоэлектрические резонаторы»

Ростов-на-Дону

2014

Оглавление

• Принцип работы. Классификация
• Основные параметры
• Основные типы резонаторов
• Резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ)
• Принцип работы. Классификация
• Основной частью пьезоэлектрического резонатора является пьезоэлемент (ПЭ). В простейшем случае он представляет собой пластину из пьезоэлектрика определенной формы, снабженную двумя обкадками (электродами) 1 (рис. 2.1). При воздействии на обкладки ПЭ гармонического напряжения в течение первой четверти периода колебания (от нуля до максимального значения) ПЭ действует в режиме обратного пьезоэффекта (рис. 2.1а). В течение второй четверти периода энергия отдается во внешнюю цепь и ПЭ работает в режиме прямого пьезоэффекта (рис. 2.1, б).
• Гармонические колебания пластины обусловливают появление на ее обкладках электрического напряжения, которое вызывает ток во внешней цепи. Обратимость пьезоэлектрических эффектов позволяет представить ПЭ в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического напряжения. Опытным путем установлено, что зависимость проводимости ПЭ от частоты носит резонансный характер. Это означает, что при совпадении частоты внешнего электрического напряжения с частотой механических собственных колебаний пьезоэлемента возникает резонанс на частоте собственных колебаний, который слабо зависит от внешних условий. Это качество пьезоэлемента используется для стабилизации частоты. Пьезоэлемент представляет собой механическую колебательную систему с распределенными параметрами, поэтому он имеет бесконечное число собственных колебаний. Колебание с низшей (первой) частотой называют колебаниями первого порядка, все остальные колебания - колебаниями высшего порядка. В устройствах используются колебания с одной частотой, все остальные колебания нежелательны.

• Высокочастотные пьезоэлементы, совершающие колебания сдвига по толщине, могут возбуждаться только на нечетных гармониках основной частоты, так как при возбуждении на четных гармониках на обеих гранях пьезоэлемента будут одинаковые потенциалы, и явление пьезоэффекта не возникает.
• Форма пластины пьезоэлемента связана с частотным диапазоном (табл. 2.1). О частотном диапазоне можно косвенно судить по типу корпуса (рис. 2.2). Корпуса ПЭР могут быть нескольких типов и иметь различное число выводов (табл. 2.2).
• Условное обозначение кварцевого резонатора включает в себя следующие элементы:

§ первый элемент - буквы РК (резонатор кварцевый);

§ второй элемент - двух- или трехзначное число, обозначающее регистрационный номер типа резонатора;

§ третий элемент - число, обозначающее класс точности настройки;

§ четвертый элемент - буква, обозначающая интервал рабочих температур(Л- 0...+ 45 °С‚..., Е - 60,..+ 100 °С);

§ пятый элемент - буква, обозначающая класс максимального относительного изменения рабочей частоты в интервале рабочих температур, ?f/f (AЇ±0.1*10-6,…,БЇ±1000*10-6);

§ шестой элемент - число, обозначающее частоту, и буква, обозначающая единицу измерения частоты (для резонаторов, работающих на колебаниях первого порядка КЇкГц, на колебаниях высшего порядка М Ї МГЦ);

§ седьмой элемент - буква В, обозначающая всеклиматическое исполнение резонатора.

Между 2-м и 3-м, 5-м и 6-м, 6-м и 7-м элементами ставится дефис.

Пример полного обозначения резонатора: РК16-13ЕР-5М-В Їрезонатор кварцевый с регистрационным номером 16, точность настройки ±10*10-6, предназначен для работы в интервале температур -60...+85 °С, максимальное относительное изменение рабочей частоты ±25*10-6, номинальная частота колебаний 5 МГЦ, имеет всеклиматическое исполнение.

В сокращенное обозначение резонатора входят 1-й, 2-й и 6-й элементы.

Основные параметры

Основными параметрами пьезоэлектрических резонаторов являются: номинальная fн и рабочая fп частоты; точность настройки ?f; статическая емкость С0; емкостный коэффициент r; динамическое сопротивление R, индуктивность L и емкость С; добротность Q; резонансный промежуток; мощность рассеяния.

Численные значения параметров резонатора зависят от частоты, размеров пьезоэлемента, вида среза, формы электродов, конструктивного исполнения и др.

Номинальная частота fнЇчастота, которой задаются при изготовлении резонатора. Нижняя граница номинальной частоты (1кГц) определяется возможностью применения пьезоэлементов больших размеров и их механической прочностью, верхняя граница определяется уровнем технологии производства, обеспечивающим возможность выполнения пьезоэлемента с малыми размерами:

,

где Їчастотный коэффициент, кГц*мм (табл. 2.1), зависящий от плотности материала пьезоэлектрика, угла среза и др. ; Їразмер пьезоэлемента. Для получения частот выше 30 МГЦ используются нечетные порядки колебаний (3, 5, 7 и 9).

Рабочая частота fр Ї значение частоты колебаний резонатора, измеренное в заданном рабочем режиме. Она отличается от номинальной на величину точности настройки (допуска). Допуск выражается в относительных величинах, обычно - в миллионных долях‚_реже - в процентах.

Как было указано ранее, проводимость резонатора при изменении частоты изменяется. При низких частотах она мала и имеет емкостный характер, с ростом частоты возрастает и достигает некоторого максимального значения. При дальнейшем повышении частоты проводимость уменьшается, меняет знак (становится индуктивной), достигает минимального значения. Дальнейшее повышение частоты приводит к повышению проводимости при емкостном характере.

Первый резонанс (характеризующийся высокой проводимостью) напоминает резонанс напряжений последовательного колебательного контура. Второй резонанс (с низкой проводимостью) подобен резонансу токов параллельного колебательного контура. С дальнейшим ростом частоты закон изменения проводимости сохраняется. Исходя из этого можно изобразить схему замещения резонатора (до 100 МГЦ). В общем случае она содержит ветвь с конденсатором С0 и параллельно ей соединенными ветвями с элементами L1,…,Ln;C1,…,Cn;R1,…,Rn. Схема замещения на основной частоте состоит из двух параллельных ветвей, одна из которых содержит емкость С0; вторая - элементы L, C1, R1 (рис. 2.3). Это колебательный контур 3-го вида, в котором может возникнуть как последовательный, так и параллельный резонанс.

Емкость С0 является статической емкостью, а элементы L1, C1, R1 - динамическими параметрами. Динамические параметры - это параметры возбужденного резонатора, определяемые его физическими свойствами и конструкцией.

Емкость С0 можно представить емкостью конденсатора, образованного пьезоэлементом и его электродами вдали от резонансных частот. Она может быть рассчитана по формуле плоского конденсатора

где - относительная диэлектрическая постоянная пьезоэлемента; -диэлектрическая постоянная вакуума; S - площадь электродов; - расстояние между электродами.

Комплексное сопротивление резонатора на основной частоте

Где Ї частота последовательного резонанса;

Їчастота параллельного резонанса.

Примем в качестве рабочей частоту последовательного резонанса.

Частотная зависимость сопротивления резонанса изображена на рис. 2.4. Интервал между частотами резонансов Ї называется резонансным промежутком, а величина (Ї)/Їотносительным резонансным промежутком.

Емкостный коэффициент резонатора r определяется отношением его статистической и динамической емкостей:

Динамическое сопротивление R1 характеризует потери на трение в колеблющейся пластине и на излучение колебаний в окружающую среду.

Значения динамической емкости C1 индуктивности L1 зависят от физических свойств и размера пьезоэлемента, способа его крепления, формы электродов, качества обработки поверхности, типа среза:

Добротность резонаторов Q характеризует потери колебательной системы:

С повышением температуры добротность уменьшается, так как увеличивается сопротивление R1.

Параметры резонаторов при порядках колебаний выше первого связаны с параметрами резонаторов при первом порядке колебаний:

где n - номер порядка колебаний; Q1, R1, L1, C1 - параметры резонатора при первом порядке колебаний; Qn, Rn, Ln, Cn - параметры резонатора при n-м порядке колебаний.

Таким образом, с ростом порядка колебаний добротность уменьшается, так как растет сопротивление потерь R1 и уменьшается динамическая емкость C1.

В конкретной схеме включения резонатора для настройки частоты к резонатору могут быть подключены последовательно или параллельно внешние элементы: емкость Сн или индуктивность Lн.

При последовательном подключении Сн частота резонанса щ'n увеличивается (рис. 2.5, а). При этом изменяются относительная расстройка и параметры резонатора:

При параллельном подключении конденсатора Сн (рис. 2.5, б) частота параллельного резонанса щ'n смещается в сторону нижних частот.

Резонансное сопротивление при параллельном резонансе:

составляет 3‚5...50 кОм и уменьшается с ростом частоты.

Любой пьезоэлемент дает спектр частот, т., е. колебания первого и высших порядков. Для ослабления колебаний нежелательных порядков Пьезоэлементы изготовляют различной формы, на них наносят демпфирующие массы, уменьшают размеры электродов, высверливают отверстия, делают прорези в местах пучности соответствующих гармоник и т. п. Генераторные резонаторы имеют уровень подавления колебаний нежелательных порядков до 6 дБ. Для фильтров и перестраиваемых генераторов разработаны специальные резонаторы с уровнем подавления до 50 дБ.

Мощность рассеяния. При работе в схеме через резонатор протекает ток, пропорциональный амплитуде механических колебаний. Чрезмерно большой ток ускоряет процесс старения и может привести к повреждению резонатора. Максимальные токи, при которых обеспечивается длительная работа резонатора с допустимыми изменениями параметров, составляют: с изгибными колебаниями 50 мкА, с продольными колебаниями и со сдвигом по контуру 1 мкА, со сдвигом по толщине 3 мА. При низких уровнях возбуждения резонатор работает неустойчиво. Из этого следует, что пьезоэлемент целесообразно нагружать оптимальной мощностью несколько милливатт.

Основной характеристикой резонатора является температурно-частотная (ТЧХ). Ее форма зависит от типа среза (рис. 2.6). Сравнительно малый уход частоты (до 2*10-5 ) в интервале рабочих температур -60...+80 °С имеют пьезоэлементы со срезом АТ и ЖТ.

Основные типы резонаторов

Генераторные пьезоэлектрические резонаторы изготовляют различных типов. Частота резонатора для схем с термокомпенсацией подстраивается в соответствии с изменением температуры с помощью специальной электрической цепи. Верхнее значение стабильности частоты этих резонаторов составляет ±5*10-7 1/°С.

Прецизионные резонаторы имеют наивысшую стабильность.Они предназначены для вторичных эталонов частоты и наиболее точных хронометров. Верхнее значение стабильности частоты прецизионных резонаторов составляет ±0,1 *10-61 /°С.

Для достижения высоких требований по стабильности частоты резонаторы термостатируют‚ используя внутреннее (собственное) и внешнее термостатирование.

При внутреннем термостатировании резонатор функционально и технологически совмещен с термостатом в единой конструкции.(в общем корпусе`). Резонаторы термостаты изготовляют в корпусах пальчиковых девятиштырьковых ламп с использованием позисторного подогрева. Позисторы (терморезисторы с большим положительным ТКС) являются саморегулирующими нагревателями. Они выполняются из резистивной пленки, которую приклеивают к основанию пьезоэлементов. При этом осуществляется грубое термостатирование с точностью ±(3...5) °С в интервале температур -60...+60 °С, обеспечивая температурную стабильность до ±(1‚5...10)10-61/°С.

Резонаторы для перестраиваемых генераторов изготовляют на сегнетоэлектрических монокристаллах танталата лития, обеспечивающих широкий резонансный промежуток (в 20...50 раз шире, чем у кварца с такими же размерами). Они имеют высокую добротность (Q=20...50 тыс.) и относительное изменение частоты в интервале температур -60...+85 °С не более 1*10-9.

Для современных радиоэлектронных устройств разработаны резонаторы в микрокорпусе; они отличаются малыми размерами и высокой стабильностью. Такие резонаторы, применяемые в электронных наручных часах, работают на частоте 32,768 кГц. Параметры этих резонаторов приведены ниже.

Микроэлектронные устройства разрабатываются совместно с резонатором по единой технологии. Традиционная технология изготовления пьезоэлектрических приборов позволяет достичь минимальной толщины пьезоэлемента 30...50 мкм, что обеспечивает их возбуждение на основных частотах до 50 МГц. Ионная технология обработки позволяет достичь толщины 0,5 мкм, что обеспечивает получение частот до 5 ГГц. Повышение частотного диапазона пьезорезонаторов обеспечивается также при использовании поверхностных акустических волн (ПАВ).

Резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

пьезоэлемент резонатор акустический преобразователь

Конструктивно резонаторы на ПАВ представляют собой подложку из пьезокристаллического материала, на поверхности которой располагаются гребенчатые токопроводящие электроды. Они называются встречно-штыревыми преобразователя ми (ВШП) и предназначаются для преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. Входной ВШП преобразует входной сигнал в переменное в пространстве и времени электрическое поле, которое за счет обратного пьезоэффекта вызывает в подэлектродной области упругие деформации, распространяющиеся в виде поверхностных акустических волн до выходного ВШП, где происходит обратное преобразование волн в электрическое напряжение.

Чаще всего применяются однофазные и двухфазные встречно-штыревые преобразователи. Однофазный преобразователь (рис. 2.7, а) представляет собой пьезоэлектрическую пластину 2 с нанесенной на ее рабочую поверхность гребенкой металлических электродов 1, а на обратную сторону - сплошного электрода 3. Двухфазный преобразователь (рис. 2.7, б) имеет на поверхности пьезопластины две гребенки электродов: 1 и 3.

Возбуждаемые за счет обратного пьезоэффекта две поверхностные волны распространяются в противоположные стороны. Суммарная волна получается в результате сложения этих волн. Упругая деформация пьезоэлектрического материала при приложении к ВШП переменного напряжения частотой f возбуждает ПАВ той же частоты, если пространственный период решетки ВШП L равен длине ПАВ в среде лc. Работа двухфазного преобразователя соответствует условию L=лc / 2. Обычно ширина электродов ВШП равна расстоянию между ними и является шагом ПАВ-структуры, который равен четверти длины волны ПАВ. Локальная деформация звукопровода, возникшая под парой соседних штырей, пройдя расстояние лc / 2 до следующего промежутка, оказывается там в тот момент, когда следующая полуволна внешнего напряжения достигает максимума и создает там новую деформацию, синфазную с пришедшей. При распространении ПАВ вдоль звукопровода этот процесс многократно повторяется, и в результате к концу ВШП амплитуда ПАВ, постепенно нарастая, достигнет максимума. Чем больше пар штырей, тем больше амплитуда напряжения ПАВ частоты f0=V/лc и сильнее подавляются ПАВ, частоты которых отличаются от f0 ( этом случае нарушается синхронность движения ПАВ и изменения электрического поля между штырями). Это приводит к сужению полосы пропускания ВШП. Число пар штырей N и полоса пропускания ?f связаны соотношением ?f=f0 / N. Сопоставив его с выражением для добротности LC-контура Q=f0/?f, имеем, что число пар штырей соответствует (Q=N ) значению добротности ВШП. Таким образом, частотно-селективные свойства ВШП определяются шагом штырей h и числом их пар.

Частота, на которой преобразование высокочастотного колебания в ПАВ наиболее эффективна, называется частотой акустического синхронизма. При отклонении от нее частоты входного колебания эффективность преобразования падает тем больше, чем больше расстояние между штырями и дальше частота входного колебания отстоит от частоты акустического синхронизма. Этот фактор определяет частотные свойства прибора на ПАВ.

При существующей технологии получить шаг менее 1 мкм затруднительно. Этому шагу соответствует частота около 2 ГГЦ. Нижняя рабочая частота определяется реализуемой длинной звукопровода и выбирается около 10 МГц.

Кроме ВШП приборы на ПАР содержат многополосковые ответвители (МЧО) (рис. 23), они представляют собой решетки изолированных металлических полосок, нанесенные между входным и выходным ВШП на поверхность пьезоэлектрического звукопровода на пути распространения ПАВ параллельно ее фронту. С помощью МПО можно расширять и сжимать фронт ПАВ, изменять их траекторию, осуществлять их отражение, производить частотную фильтрацию, переизлучать энергию ПАВ из одного пространственного канала в другой. Это позволяет, в частности, смещать входной и выходной ВШП относительно друг друга в поперечном направлении, размещая их в различных акустических потоках и уменьшая тем самым прямую электромагнитную связь между ВШП и влияние паразитных объемных волн. После многополоскового ответвителя энергия попадает на выходной ВШП или в акустический волновод, представляющий собой геометрическую структуру, расположенную вдоль направления распространения ПАВ и локализующую ее энергию в ограниченном по ширине участке звукопровода. Он может быть образован за счет формирования предельного выступа на поверхности звукопровода из того же материала, что и подложка, или другого, скорость распространения волны в котором меньше, чем в звукопроводе. Чаще используется волновод с металлической узкой продольной полоской.

Резонаторы на ПАВ могут быть одновходовые и двухвходовые. В одновходовом резонаторе функции ввода и вывода энергии осуществляются одним двухфазным ВШП (рис. 2.9, а), в двухвходовом (рис. 2,9, б) один ВШП обеспечивает генерацию, второй - прием акустических волн и их преобразование в электрический сигнал.

Одновходовые резонаторы на ПАВ реализуются в виде протяженного ВШП с большим числом электродов. При этом возникает последовательный резонанс на частоте акустического синхронизма f0 или параллельный резонанс на частоте fпар = f0(1 +f/N). Частотные свойства резонаторов на ПАВ определяются в основном частотной зависимостью коэффициента отражения отражателей 4, ВШП же являются элементами связи с резонансной полостью.

Для уменьшения потерь используются многоэлементные ВШП с ”расщепленными” электродами, подложки с малым коэффициентом электромеханической связи и распределенные отражатели с большим коэффициентом отражения.

Резонаторы на ПАВ в зависимости от предъявляемых требований по температурной нестабильности могут изготовляться на любом пьезоэлектрике. Чаще всего при изготовлении применяют кварц среза ST, как наиболее температурно стабильный.

При включении резонатора на ПАВ в электрическую цепь на его выход последовательно с сопротивлением нагрузки включают индуктивность, которая компенсирует статическую емкость ВШП.

Основными параметрами резонаторов на ПАВ являются:

§ диапазон рабочих частот: от единиц мегагерц до единиц гигагерц;

§ стабильность частоты: (1...10)* 10-6 за год;

§ добротность: зависит от частоты (Q= 10400/f) и принимает значения, большие 104. Большие значения добротности связаны с возвратом акустической энергии к резонансной полости от отражательных элементов;

§ точность настройки: зависит от частоты и находится в пределах (150...1000)*10-6. Подстройка частоты допускается в пределах (1...10)*10-3 за счет введения дополнительного преобразователя с изменяющимся сопротивлением нагрузки.

Размещено на Allbest.ru