CN1074870C - 压电谐振器以及使用它的电子元件 - Google Patents

Abstract

一种具有基体部件的压电谐振器。基体部件包括沿长度方向位于中心的压电部件和设置在两端的介电部件。位于基体部件中心的压电部件层沿着与内电极两侧相对方向的基体部件的长度方向极化。基体部件的中部用作振动部分。另一方面，位于基体部件两端的介电部件未被极化并用作电容部分。相邻的内电极分别连接到用作输入和输出电极的外电极。

Description

压电谐振器以及使用它的电子元件

本发明涉及压电谐振器和使用它的电子元件，尤其涉及一种压电谐振器，它包括具有长度方向的基体部件，构成基体部件一部分并包括至少一个压电部件的振动部分，以及配置所述振动部分的一对外电极。该压电谐振器采用压电部件的机械谐振。以及使用该压电谐振器的电子元件，例如梯形滤波器、振荡器、鉴别器和滤波器。

图15是申请人已经建议还未公开的压电谐振器的透视图。图16表示图1所示压电谐振器的内部结构。压电谐振器1包括基体部件2，它例如为矩形-平行六面体形状。通过整体层叠多个压电层以及将内电极3设置在该压电层各层之间和外侧形成该基体部件2。压电层由压电陶瓷制成。内电极3设置成使其表面与基体部件2的长度方向垂直，其间具有一定间隔。内电极3未沿长度方向在基体部件2的两端附近形成。

基体部件2的相对侧面上分别形成多个绝缘膜5和6。基体部件2的一个侧面上，由绝缘膜5覆盖内电极3交错露出的部分。基体部件2的另一侧面上，由绝缘膜6覆盖上述侧面上未由绝缘膜5覆盖的内电极3的交错露出部分。

在其上形成绝缘膜5和6的基体部件2的侧面上，即连接部分上，形成外电极7和8。因此，外电极7连接到未由绝缘膜5覆盖的内电极3，外电极8连接到未由绝缘膜6覆盖的内电极3。换句话说，内电极3中的相邻电极分别连接到外电极7和8。外电极7和8用作输入和输出电极。

在压电谐振器1中，在基体部件2的长度方向，在内电极3的两个侧面上压电层以相反的方向被极化，如图16所示。如图15中的阴影线所示形成振动部分4。

由于图15和16所示的压电谐振器为刚性的，故比常规的非刚性压电谐振器可能有更大的机电耦合系数。也可能有较大的ΔF，它是谐振频率Fr与反谐振频率Fa之差。具有较大ΔF的谐振器适合作为宽频带滤波器。

然而，窄频带滤波器和振荡器可以要求较小的ΔF。为了获得小的ΔF，需要在图15和16所示的压电谐振器1中改变每个电极的面积或压电层的尺寸或厚度，需要很麻烦的工作。

因此，本发明的主要目的在于提供一种压电谐振器，它具有简单的结构和较小的ΔF，适合于窄频带滤波器和振荡器。

根据本发明的一个方面，上述目的是这样实现的，它提供一种压电谐振器，包括：

基体部件，具有一长度方向；

振动部分，它构成所述基体部件的一部分，且包括至少一个压电部件，以及在基体部件的至少一个侧面上形成的一对外电极，其中，

至少一对内电极夹住所述压电部件的至少一部分，并与所述基体部件的长度方向垂直设置，

所述至少一对内电极的相邻的内电极分别连接到外电极，

所述压电部件沿所述基体部件的长度方向极化，并当一个电场通过所述内电极施加到所述振动部分时，激发基本纵向振动，一个电容部分与所述振动部分层叠设置，且所述电容部分连同所述振动部分构成所述基体部件的一部分。

所述内电极连接到设置在所述基体部件外周缘的至少一对外电极。

所述电容部分具有一个电容，它包括未极化的介电部件和设置在所述介电部件内的所述内电极中的一对内电极。

所述电容部分具有一个电容，它包括未极化的介电部件，以及设置在所述介电部件外周缘的所述外电极中的一对外电极。

所述电容部分通过不同的所述外电极，并联地电连接到所述振动部分。

通过交替层叠多个所述压电部件和多个所述内电极形成所述振动部分。

所述电容部分在所述振动部分的外侧形成。

根据本发明的另一方面，一种采用所述压电谐振器的电子元件，通过安装件由支承件支承所述基体部件；所述安装部件设置在沿长度方向的基体部件的中部。

所述支承件为绝缘基片，其上形成定形电极。

所述电子元件为梯形滤波器，其中，多个压电谐振器按梯形连接安装在所述绝缘基片上。

在该压电谐振器中，通过振动部分在基体部件中激发基本纵向振动。该振动在刚性压电谐振器内产生，其中，振动部分的振动方向、极化方向以及电场施加的方向是相同的。因此，不太可能发生与基本振动不同的诸如宽度和厚度模式之类的模式振动，获得了出众的性能。

由于电容部分并联连接到振动部分，通过调节该电容部分改变基本纵向振动中的ΔF。当多个介电部件和多个内电极交替层叠形成电容部分，且介电层的厚度为恒定时，ΔF随着介电层数量的增加而变小。

电容部分包括：在介电部件中形成的各内电极之间形成的电容，在介电部件的外周缘设置的一对外电极之间形成的电容，以及在介电部件的外周缘形成的至少外电极之一与介电部件内部形成的一内电极之间形成的电容。在这些电容中间，必须有至少一个电容并联地电连接到振动部分。

当采用该压电谐振器制成诸如梯形滤波器、振荡器、鉴别器和滤波器之类的电子元件时，将压电谐振器安装在其上形成定形电极的绝缘基片上，并用一个帽覆盖以形成片状(表面安装)电子元件。

根据本发明，由于通过调节电容部分可以在一个宽范围内调节谐振频率与反谐振频率之间的差频ΔF，故可以获得具有较小ΔF的压电谐振器。因此，根据本发明可以获得适合于窄频带滤波器和振荡器的压电谐振器。

由于采用该压电谐振器可以制成片状电子元件，故便于将元件安装在电路板上。

通过以下参照附图所作的描述，本发明的上述目的、其他目的、其他特征和其他优点将变得更加清楚。

图1是根据本发明的一个压电谐振器的透视图。

图2是表示图1所示压电谐振器的结构图。

图3是根据本发明的一个压电谐振器的电路图。

图4是根据本发明用以检验其性能的一个压电谐振器的示意图。

图5是为了比较而示出的一个压电谐振器的示意图。

图6是根据本发明另一个压电谐振器的示意图。

图7是采用图1和图2所示压电谐振器的一个电子元件的透视图。

图8是图7所示电子元件中所用绝缘基片的透视图。

图9是图7所示电子元件的分解透视图。

图10是根据本发明用于另一种电子元件的压电谐振器的透视图。

图11是采用图10所示压电谐振器的电子元件的主要部分的透视图。

图12是图11所示电子元件的主要部分的分解透视图。

图13是图10和11所示电子元件的电路图。

图14是说明在电容部分形成电容的示意图。

图15是申请人所建议的一个压电谐振器的透视图。

图16表示图15所示压电谐振器的内部结构。

图1是根据本发明一个实施例的压电谐振器的透视图。图2表示该压电谐振器的内部结构。压电谐振器10包括基体部件12，它例如采用矩形-平行六面体形状。基体部件12中形成多个内电极14，使其每个表面与基体部件12的长度方向垂直，且各电极之间隔开一定的间隔。通过整体层叠多个压电层以及其间设置的内电极14，在基体部件的中心形成振动部分24。压电层由压电陶瓷诸如PZT制成。构成振动部分24的多个压电层沿基体部件12的长度方向，在内电极14的两侧按相反方向极化，如图2中的箭头所示。

在振动部分24的两侧，通过层叠介电层和内电极14形成压电非激活部分“d”。在非激活部分“d”中，介电层由内电极14夹住。由于介电层未极化，即使施加电场，非激活部分也是压电非激活的。非激活部分“d”连同振动部分24一起层叠，这样，振动部分24由沿着基体部件12长度方向的两侧的非激活部分夹住。根据本实施例的介电层构成无源部分，由未极化的压电陶瓷诸如PZT制成。本发明的介电材料指的是具有一个介电常数的所有材料。可以用具有较大介电常数的材料例如BaTiO3替代上述未极化的压电部件。其他材料也可以考虑。

在基体部件12的相对侧面上，分别形成多个绝缘膜16和18。在基体部件12的一个侧面上，由绝缘膜16覆盖每隔一个的内电极14的露出部分。在基体部件12的另一侧面上，由绝缘膜18覆盖未由上述一侧绝缘膜16覆盖的每隔一个的内电极14的露出部分。其上形成绝缘膜16和18的基体部件12的两个侧面用作连接部分连接到外电极，这将在以下描述。

在这些连接部分，即其上形成绝缘膜16和18的基体部件12的整个侧面形成外电极20和22。外电极20连接到未由绝缘膜16覆盖的内电极14，外电极22连接到未由绝缘膜18覆盖的内电极14。换句话说，相邻内电极14分别连接到外电极20和22。外电极20和22作为输入和输出电极。

压电谐振器10中，由于非激活部分“d”的结构中，介电层和内电极14是层叠的，故非激活“d”包括电容。电容在相对内电极14之间产生。由于相对内电极14分别连接到外电极20和22，故外电极20和22之间具有电容。由于外电极20和22相互相对，其间设置介电层，故在外电极20与22之间还形成另一个电容。此外，在外电极20与未与之连接的内电极14之间，以及在外电极22与未与之连接的内电极14之间也形成电容。因此，在外电极20与22之间，形成通过组合上述多个电容而形成的电容。非激活部分“d”包括电容部分26。图3表示压电谐振器10的等效电路图。如图3所示，压电谐振器10中，振动部分24并联连接到电容部分26。

当一个信号加到压电谐振器10中的外电极20和22时，电压以相反方向加到按相反方向极化的压电层。于是，振动部分24总体上沿相同的方向伸展和缩短。因此，在基本模式中，当施加一个交流电场时，以基体部件12的中心作为一个节点，整个压电谐振器10沿长度方向振动。在压电谐振器10中，振动部分24的极化方向、由于信号而所加电场方向以及振动部分24的振动方向都相同。换句话说，压电谐振器10为刚性。该压电谐振器10比振动方向与极化方向和电场方向不同的非刚性压电谐振器具有更大的机电耦合系数。故不太可能形成与基本振动模式不同的诸如宽度和厚度模式之类的模式振动，并可获得出众的性能。

如图3所示，由于压电谐振器10中，电容部分26并联连接到振动部分24，通过调节电容部分26可以调节基本纵向振动中的ΔF。例如，随着介电层电容的增加，阻尼电容也增加，ΔF变得更小。

因此，在根据本实施例的压电谐振器10中，ΔF可以在较宽的范围内调节，设计中具有较高的自由度。该压电谐振器10可以有较小的ΔF，它适合于窄频带滤波器和振荡器。

而且，在根据本实施例的压电谐振器10中，通过改变振动部分24与电容部分26的比例，或者通过改变电容部分26相对振动部分24的位置，可以在一个较宽的范围内调节ΔF。在图1和图2所示的压电谐振器中，电容部分26在振动部分24两端形成。该结构不局限于此位置关系。当电容部分26设置成接近基体部件12的中心时，ΔF变得更小。

通过调节电容部分26的电容量可以增大整个压电谐振器10的电容。从垂直于介电层表面或厚度的方向来看，通过改变内电极14相对部分的重叠面积，可以调节电容部分的电容量。在上述压电谐振器10中，如图2所示，介电层比压电层更厚。该结构并不局限于此厚度关系。介电层也可以与压电层一样厚。介电层可以比压电层更薄。

在本发明中，可以通过层叠多个介电层，其间设置内电极14形成电容部分26。而且，在此例中，电容部分26并联连接到振动部分24。随着层叠层数量的增加，ΔF变小，电容增大。

在压电谐振器10中，通过调节构成振动部分24的压电层的数量，可以调节整个压电谐振器10的电容量。

图4是表示为了检验其性能，根据本发明的一个压电谐振器的示意图。图5表示用作比较的一个压电谐振器。

图4所示的压电谐振器10长度为3.78mm、高度为1.0mm、宽度为1.0mm。在压电谐振器10的基体部件12的中心，通过层叠其间夹了内电极14的4个压电层形成振动部分24。每个由内电极14夹住一个介电层的电容部分26，总体上由位于振动部分24两侧的振动部分24形成。在基体部件12的每端形成一个内电极14。构成基体部件12的压电层和介电层具有相同的厚度。

图5所示用作比较的压电谐振器1具有与图4所示压电谐振器10相同的尺寸。在压电谐振器1的基体部件2的中心，通过层叠其间夹入内电极3的4个压电层形成振动部分4。在振动部分4的两侧形成非激活部分“d”。在基体部件2的每一端不形成电极，且在未形成内内电极3的基体部件2的两端附近不形成外电极。构成基体部件2的各个压电层具有相同的厚度。

图4和图5中，白箭头表示压电层中的极化方向。

为了检验该两个压电谐振器之间的性能差异，用有限元法计算图4所示压电谐振器10和图5所示压电谐振器1的谐振频率Fr和反谐振频率Fa，以及它们的差频ΔF。表1表示计算结果。

表1

	Fr(kHz)	Fa(kHz)	ΔF(kHz)
				本发明的压电谐振器	470.7	515.1	44.4
比较用压电谐振器	470.7	538.9	68.2

如表1所示，图4所示的压电谐振器10的ΔF比作为比较的图5所示的压电谐振器的小。

图6表示根据本发明的另一个压电谐振器。其基本结构与图2所示的相同。图6所示压电谐振器10与图2所示实施例的谐振器的不同之处在于，两个外电极20和22在基体部件12的一个侧面上形成。绝缘膜16和18以两行形式在基体部件12的一个侧面上形成，形成两行连接部分。该两行绝缘膜16和18在各个交替的内电极14上形成。即两行绝缘膜16和18在不同的内电极14上形成。在该两行绝缘膜16和18上，分别形成两行外电极20和22。该压电谐振器10也可以达到与上述压电谐振器相同的优点。

通过在如上所述的基体部件12的一个侧面上形成两个外电极20和22，压电谐振器10可以表面粘接在电路板上，形成诸如振荡器或鉴别器之类的电子元件。

以下将参照图7至图9描述采用图1和图2所示压电谐振器的诸如振荡器和鉴别器之类的电子元件。图7是电子元件60的透视图。电子元件60包括绝缘基片62。在绝缘基片62的相对端部分别形成两个缺口64。在绝缘基片62的一个表面上形成如图8所示的两个定形电极66和68。一个定形电极66在相对缺口64之间形成并以L形状从靠近一端的一点延伸到绝缘基片62的中心。另一定形电极68在另一相对缺口64之间形成，并从靠近另一端的一点笔直延伸到绝缘基片62的中心。定形电极66和68这样形成，使它们以迂回方式从绝缘基片62的端部迂回到相对表面。

在置于绝缘基片62中心的定形电极66的一端用导电黏合剂形成一个安装部件70。如图9所示，所示压电谐振器10安装在安装部件70上，使沿长度方向的基体部件12的中心设置在安装部件70上。压电谐振器10的外电极22例如连同安装部件70连接到定形电极66。另一外电极20用导线72连接到定形电极68。导线72沿长度方向连接到压电谐振器10的外电极20的中心。可以首先将安装部件70安装在压电谐振器10中外电极20的中心。在此情况下，用导电黏合剂将安装到压电谐振器10安装部件70安装到定形电极66。

在绝缘基片62上设置金属帽74，以制成电子元件60。为了防止金属帽74与定形电极66和68短路，预先将绝缘树脂加到绝缘基片62和定形电极66和68。电子元件60采用定形电极66和68，它们这样形成使其从绝缘基片62的两端迂回到背面，作为连接到外电路的输入和输出端。

由于沿纵向压电谐振器10的中心固定到电子元件60中的安装部件70，压电谐振器10的端部与绝缘基片62分开设置，故不会妨碍振动。由于用作节点的压电谐振器10的中心固定到安装部件70并连接到导线72，受激纵向振动未被减弱。

电子元件60连同集成电路芯片和其他元件安装在电路板上，形成振荡器或鉴别器。由于电子元件60由金属帽74密封和保护，它可以用作片状型(表面安装)元件，可以通过回流焊安装。

当电子元件60用于振荡器时，伪振动被抑制到很低，由于电子元件60所用压电谐振器10的特征，防止了因伪振动而产生的无用振动。由于压电谐振器10的电容量可以设置成任何所需的值，故也易于与外电路实现阻抗匹配。

当电子元件60用作鉴别器时，因谐振器有较小的ΔF而提供一种窄的脉冲间隔范围。此外，由于谐振器提供了一个宽范围的电容量设计，故易于与外电路实现阻抗匹配。

图11是一个电子元件主要部分的平面图，该电子元件用作具有梯形电路梯形滤波器。图12是该主要部分的分解透视图。在图11和12所示的电子元件60中，有4个压电谐振器10a，10b，10c，和10d，全部采用图10所示的形状。这些压电谐振器10a至10d的每个内部结构与图6所示压电谐振器的相同，并形成使之能表面粘合。

在图11和12所示的电子元件60中，在用作支承件的绝缘基片62上形成4个定形电极90、92、94和96。在定形电极90、92、94和96上按一定的间隔直线设置5个焊盘。第一焊盘R1接近绝缘基片62的一个端部，它在定形电极90上形成，第二焊盘R2和第五焊盘R5在定形电极92上形成，第三焊盘R3在定形电极94上形成，第四焊盘R4在定形电极96上形成。

为了将压电谐振器10a至10d连接到第一焊盘R1至第五焊盘R5，制作矩形块状安装部件98、100、102、104、106、108、110和112，其中，至少其表面是由导电部件形成的。这些安装部件预先用导电黏合剂安装到置于压电谐振器10a至10d节点部分的电极20和22，如图10所示。

压电谐振器10a至10d倒转并用导电黏合剂安装，如图11所示：一个安装部件98位于第一焊盘R1；两个安装部件100和102位于第二焊盘R2；两个安装部件104和106位于第三焊盘R3；两个安装部件108和110位于第四焊盘R4；一个安装部件112位于第五焊盘R5。在此情况下，安装部件按一定间隔成直线设置，如图11所示。

如上所述，通过安装部件98，100，102，104，106，108，110和112在绝缘基片62上支承4个压电谐振器10a至10d，压电谐振器的电极20和22连接到绝缘基片62上的定形电极90、92、94和96。定形电极这样形成，由此获得图13所示的梯形电路。一个金属帽(未图示)设置在绝缘基片62上。

电子元件60用作采用图13所示梯形电路的梯形滤波器。两个压电谐振器10a和10c用作串联谐振器，另两个压电谐振器10b和10d用作并联谐振器。在此种梯形滤波器中，并联压电谐振器10b和10d设计成比串联压电谐振器10a和10c有更大的电容量。

梯形滤波器中的衰减取决于串联谐振器与并联谐振器之间的电容比。在此电子元件60中，通过改变压电谐振器的电容量实现用较少的谐振器提供较大衰减的梯形滤波器。由于压电谐振器10a至10d具有较小的ΔF，故实现了具有窄传送频带的梯形滤波器。

在图11和12所示的电子元件中，由于每个相邻压电谐振器的一个电极通过安装部件安装在相同的焊盘上，相邻压电谐振器的两个电极无需绝缘，这样，相邻谐振器可以接近设置，使紧凑型元件成为可能。

由于采用图6或图10所示结构的压电谐振器10可以用表面粘合固定到绝缘基片62，无需用导线，故更易于制作梯形滤波器。

在根据本发明的压电谐振器10中，由于介电层和内电极14如图14所示那样层叠，电容C1在多个内电极14之间形成。除了电容C1以外，在电容部分26中，在外电极20与设置于振动部分24端部的内电极14之间形成电容C2，还在外电极22与介电层夹住的内电极14之间形成电容C2。此外，在外电极20与22之间形成电容C3。

通过改变由介电层形成的层叠层以及内电极14的数量和介电层的厚度，可以调节电容C1。可以通过改变置于非激活部分“d”的内电极14的数量以及外电极20和22的面积，可以调节电容C2。通过改变外电极20和22的面积，还可以调节电容C3。自然，通过改变介电层的材料也可以调节电容C1、C2和C3。

这些电容C1、C2和C3的组合电容并联连接到振动部分24。因此，如果内电极14未在电容部分26中形成，则电容C3在外电极20与22之间形成，并并联连接到振动部分24。电容部分26中需要电容C1、C2和C3中的至少一个电容。因此，在电容部分26的介电层中未必形成内电极14。通过改变非激活部分“d”中形成的外电极20和22的面积，可以调节电容部分26的电容量。当非激活部分“d”具有这样一种结构，其中在外电极20与22之间形成电容时，可以获得上述的优点。

Claims (10)

1.一种压电谐振器(10)，包括：

基体部件(12)，它具有一长度方向；

振动部分(24)，它构成所述基体部件(12)的一部分，且包括至少一个压电部件，以及在基体部件(12)的至少一个侧面上形成的一对外电极(20，22)，其特征在于：

至少一对内电极(14)夹住所述压电部件的至少一部分，并与所述基体部件(12)的长度方向垂直设置，

所述至少一对内电极(14)的相邻的内电极(14)分别连接到外电极(20，22)，

所述压电部件沿所述基体部件(12)的长度方向极化，并当一个电场通过所述内电极(14)施加到所述振动部分(24)时，激发基本纵向振动，一个电容部分(26)与所述振动部分(24)层叠设置，且所述电容部分(26)连同所述振动部分(24)构成所述基体部件(12)的一部分。

2.如权利要求1所述的压电谐振器(10)，其特征在于，所述内电极(14)连接到设置在所述基体部件外周缘的至少一对外电极(20，22)。

3.如权利要求1或2所述的压电谐振器(10)，其特征在于，

所述电容部分(26)具有一个电容，它包括未极化的介电部件和设置在所述介电部件内的所述内电极(14)中的一对内电极。

4.如权利要求1或2所述的压电谐振器，其特征在于，

所述电容部分(26)具有一个电容，它包括未极化的介电部件，以及设置在所述介电部件外周缘的所述外电极(20，22)中的一对外电极(20，22)。

5.如权利要求1或2所述的压电谐振器〔10〕，其特征在于所述电容部分(26)通过不同的所述外电极(20，22)，并联地电连接到所述振动部分(24)。

6.如权利要求1或2所述的压电谐振器(10)，其特征在于，通过交替层叠多个所述压电部件和多个所述内电极(14)形成所述振动部分(24)。

7.如权利要求1或2所述的压电谐振器(10)，其特征在于，所述电容部分(26)在所述振动部分(24)的外侧形成。

8.一种采用压电谐振器(10)的电子元件(60)，其特征在于，

通过安装件(70)由支承件(62)支承基体部件(12)；所述安装件(70)设置在沿长度方向的基体部件(12)的中部。

9.如权利要求8所述的电子元件(60)，其特征在于所述支承件(62)为绝缘基片(62)，其上形成定形电极(66，68)。

10.如权利要求9所述的电子元件(60)，其特征在于，所述电子元件(60)为梯形滤波器，其中，多个压电谐振器(10a，10b，10c，10d)按梯形连接安装在所述绝缘基片(62)上。

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