CN1167368A - 压电共振器以及使用它的电子元件 - Google Patents
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Abstract
压电共振器具有由叠层压电层和电极组成的基体部件。基体部件在两极两边以不同方向极化。电极交替地为分别处于基体相对侧面的绝缘膜16和18所覆盖。绝缘膜16覆盖没被18覆盖的电极，反之亦然。外部电极20,22形成在基体的相对侧表面，内部电极分别当它们相连。在基体的两端，由于多个连续电极为绝缘膜16和18所覆盖，电场不能加高基体上，从而形成非激活区。基体中心有电场施加，形成激活区。
Description
本发明涉及压电共振器和使用它的电子元件，特别是涉及利用压电部件机械共振的压电共振器以及使用该压电共振器的电子元件，例如振荡器、鉴别器和滤波器。本发明还涉及压电共振器的制造方法。
图39是普通压电共振器的透视图。压电共振器1包括例如从从顶部看呈矩形平板状的压电基片2。压电基片2在厚度方向上被极化。在压电基片2的两个表面上形成有电极3。当信号在电极3之间输入时，电场沿厚度方向施加在压电基片2上并且压电基片2沿纵向振动。在图40中，示出了在从顶部看呈正方形的两个表面上形成有电极3的压电基片2的压电共振器1。压电共振器1的压电基片沿厚度方向极化。当信号在压电共振器1的电极3之间输入时，电场沿厚度方向施加在压电基片2上并且压电基片2以正方形振动模式(沿平面方向)振动。
这些压电共振器是非刚性的，其振动方向与极化方向和电场方向不一致。这种非刚性压电共振器的机电学-械耦合系数小于振动方向、极化方向和电场施加方向一致的刚性压电共振器。非刚性压电共振器的共振频率与反共振频率之间的频差ΔF较小。这带来的缺点是当非刚性频率共振器用作振荡器或滤波器时使用的频率带宽较窄。因此这样的压电共振器和使用它的电子元件在性能设计上限制较多。
图39所示的压电共振器采用的是纵向模式中的第一阶共振。由于其结构上的特点，它在奇数阶谐振模式(例如第三、第五阶模式)和宽度模式中还产生较大的伪共振。为了抑制这些伪共振，可以考虑采取一些措施，例如抛光、增加质量和改变电极的形状。这些措施都提升了制造成本。
此外，由于从顶部看压电基片呈矩形平板状，所以受强度的限制基片无法减薄。因此电极之间的距离无法做小而端子之间的电容无法做大。这对于实现与外部电路的阻抗匹配来说是极其不方便的。为了能通过将大量压电共振器交替串联和并联在一起而构成梯状滤波器，串联共振器与并联共振器的电容比需要做得较大以加大衰程度。但是由于压电共振器受到如上所述形状的限制，所以无法得到大的衰减。
在图40所示压电共振器中，产生了诸如在平面方向上厚度模式和三重波模式中出现的较大伪共振。由于与用于纵向振动的压电共振器相比，为了获得同样的共振频率，这样的压电共振器在尺寸上需要做得较大，所以它的尺寸难以减小。当利用多个压电共振器构成梯状滤波器时，为了提高串联共振器与并联共振器的电容比，串联的共振器要做得薄并且只在压电基片的一部分区域形成电极以使电容也同样地小。在这种情况下，由于只制备了电极的一部分，所以共振频率与反共振频率之间的频差ΔF以及电容都有所减小。并联共振器的ΔF同样需要做得较小。这样，压电基片的压电特性就不能充分利用，而滤波器的通过带宽就无法增加。
因此，本发明的主要目标是提供一种压电共振器，它具有较小的伪共振，共振频率与反共振频率之间的频差ΔF较大，电容和ΔF可调节，并且在性能设计上受到的限制较少。
本发明的一个目标是提供一种压电共振器，其特征在于包括：纵向基体部件；构成至少一部分所述基体部件的激活区域，所述激活区域由压电部件构成；以及至少一对设置在所述激活区域内的外部电极；其中不会在电场作用下极化和/或储能的非激活区域构成所述基体部件的其它区域。
比较好的是在压电共振器中，所述非激活区域形成于所述激活区域的两端，并且所述激活区域占据所述基体部件50％或以上的长度。
在所述压电共振器中，至少有一对内部电极在所述激活区域内放置成与所述基体部件纵向垂直并分别与所述的一对外部电极相连，所述激活区域沿所述基体部件纵向极化，以及当电场经所述外部电极沿所述基体部件纵向施加时所述基体部件激发纵向模式的基本振动。
所述压电共振器可以进一步包括沿纵向放置在所述基体部件中心区域的支撑部件。
通过提供一种使用上述压电共振器的电子元件，在本发明的另一个方面实现了前述的目标，其中支撑部件由上面形成有图形电极的绝缘基片构成；基体部件通过固定部件固定在绝缘基片上；并且在绝缘基片上放置一个帽子以覆盖基体部件。
通过提供一种使用上述压电共振器的电子元件，在本发明还在另一个方面内实现了前述的目标，其中支撑部件由上面形成有图形电极的绝缘基片构成；多个基体部件通过固定部件在绝缘基片上串联和并联成梯状；并且在绝缘基片上放置一个帽子以覆盖基体部件。
本发明提供一种使用上述压电共振器的电子元件，其特征在于所述支撑部件提供于绝缘衬底上，而图案电极提供于所述绝缘衬底上并与所述压电共振器的所述外部电极相连。
上述的电子元件可以是梯状滤波器，其中多个图案电极提供于所述绝缘衬底上并与多个所述压电共振器的所述外部电极相连从而使所述压电共振器互联为梯状。
上述电子元件还可以提供有安装部件，并且所述压电共振器通过所述安装部件固定在壳体内。
本发明还提供一种制造上述压电共振器的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)制备由多层压电层和内部电极层叠而成的叠层部件；
2)在所述叠层部件表面暴露所述内部电极的位置形成外部电极；
3)沿着垂直于所述叠层部件表面的方向切割所述叠层部件。
在上述方法中，所述叠层部件的制造方式为将所述内部电极交替暴露于所述压电层的相对侧，一对极化电极形成于所述压电层的所述相对侧并分别与各个所述内部电极电学连接，所述压电层通过经所述极化电极和所述内部电极施加直流电压而极化，并且沿着垂直于层叠方向切割所述压电部件和内部电极。
按照本发明，与普通压电共振器相比，这里的共振频率与反共振频率之间的频差ΔF较大，因此得到了宽频带的共振器。由于通过调节非激活区域可以调整频差ΔF，所以压电共振器的频带宽度可以改变。此外，在该压电共振器中不可能发生除基本振动模式以外的其它振动模式，并且实现了极佳的性能。而且，由于可以调节压电共振器的电容，所以当压电共振器安装在电路板上时很容易实现其与外部电路的阻抗匹配。
按照本发明的压电共振器是刚性的，并且包括一个振动方向、极化方向与电场施加方向一致的激活区域。因此，同振动方向与极化方向和电场施加方向不一致的非刚性压电共振器相比，刚性压电共振器具有较大的-机电耦合系数和共振频率与反共振频率之间较大的频差ΔF。此外，在刚性压电共振器中不可能发生与基本振动不同的宽度和厚度模式的振动。而且，通过改变在激活区域施加电场的电极数量、电极之间的距离和尺寸大小来调节电容。通过修整非激活区域或增加该区域的质量可以调节频差ΔF。
当制造使用本压电共振器的电子元件(例如振荡器、鉴别器和滤波器)时，压电共振器被固定在形成有图形电极并且覆盖有帽子的绝缘基片上，以形成芯片型(表面封装)电子元件。
由于可以做成使用压电共振器的芯片型电子元件，所以比较容易将该元件固定在电路板上。通过调节压电共振器的电容可以比较容易地实现电子元件与外部电路之间的阻抗匹配。此外，在通过将多个压电共振器交替串联和并联连接起来构成的梯状滤波器中，通过改变串联压电共振器与并联压电共振器的电容比可以调节滤波器中的衰减程度。
通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的目标、特点和优点。
图1为按照本发明的压电共振器的透视图。
图2为表示图1所示压电共振器结构的示意图。
图3为表示为了制造如图1所示压电共振器如何将生陶瓷片层叠在一起的透视图。
图4为表示由图3所示生陶瓷片构成的层叠块的示意图。
图5为表示被切割的图4所示层叠块部分的示意图。
图6为表示通过切割图5所示层叠块制成的板形块的示意图。
图7为表示将树脂绝缘材料涂覆在图6所示板形块并形成外部电极的示意图。
图8为作为比较的沿纵向振动的非刚性压电共振器的透视图。
图9为沿纵向振动的刚性压电共振器的透视图。
图10为作为比较的沿平面方向振动(正方形振动)的非刚性压电共振器的透视图。
图11为表示按照本发明的频率与压电共振器阻抗之间关系的示意图。
图12为表示普通压电共振器频率与阻抗之间关系的示意图。
图13为改变基体部件内激活区域与非激活区域分布的压电共振器的示意图。
图14为表示激活区域的分布和电容之间的关系以及ΔF/Fa的示意图。
图15为表示激活区域比与ΔF之间关系的示意图。
图16为表示按照本发明改进的压电共振器的示意图。
图17为表示按照本发明另一改进的压电共振器的示意图。
图18为表示按照本发明又一个改进的压电共振器示意图。
图19为表示图18所示压电共振器中内部电极端部与基体部件侧面之间的间隔。
图20为表示电容、ΔF与内部电极和基体部件侧面之间间隔的关系的示意图。
图21为表示图18所示压电共振器改进的压电层的平面图。
图22为表示具有图21所示压电层的压电共振器的示意图。
图23为表示改进的压电共振器非激活区域的示意图。
图24为表示另一改进的压电共振器非激活区域的示意图。
图25为表示形成于基体部件端部的电极的示意图。
图26为使用上述压电共振器的电子元件的透视图。
图27为图26所示电子元件中所用绝缘基片的透视图。
图28图26所示电子元件分解透视图。
图29为表示另一种将压电共振器安装在绝缘基片上的方法的示意图。
图30为表示图29所示压电共振器安装方法的侧视图。
图31为表示另一种将压电共振器安装在绝缘基片上的方法的示意图。
图32为表示图31所示压电共振器安装方法的侧视图。
图33为采用按照本发明的压电共振器的梯状滤波器的分解透视图。
图34为图33所示梯状滤波器内绝缘基片和压电共振器的透视图。
图35为图33所示梯状滤波器的等价电路图。
图36为表示电子元件的示意图，其中具有不同形状外部电极的压电共振器安装在绝缘基片上。
图37为两端电子元件的分解透视图。
图38为表示Cf、ΔF/Fa与其它参数之间关系的示意图。
图39为普通非刚性压电共振器示意图。
图40为另一种普通非刚性压电共振器的示意图。
图1为按照本发明实施例的压电共振器的透视图。图2表示该压电共振器的内部结构。压电共振器10包括一个例如呈立方体的基体部件12。基体部件12例如由压电、陶瓷材料构成。在基体部件12内多个电极14的形成方式是使电极14垂直于基体部件12的纵向。基体部件12沿纵向极化从而使得在电极14两侧极化方向的相反。
在基体部件12的相对侧面上，分别形成多个绝缘薄膜16和18。在基体部件12其中一个侧面上，绝缘薄膜16覆盖住其它电极14的暴露区域。在基体部件12的另一个侧面上，绝缘薄膜覆盖住在前述侧面上未被绝缘薄膜16覆盖的其它电极14的暴露区域。但是，有些靠近基体部件12两端放置的电极14被绝缘薄膜16和18连续覆盖。在本实施例中，绝缘薄膜16覆盖住从基体部件12各端开始的连续三个电极14，而绝缘薄膜18覆盖住从基体部件12开始的连续两个电极。基体部件12上形成有绝缘薄膜16和18的侧面用作与下面将要描述的与外部电极的连接区域。
在这些连接区域中，即在形成有绝缘薄膜16和18的基体部件12的侧面上，形成有外部电极20和22。电极20与没有被绝缘薄膜16覆盖的电极14相连，电极22与没有被绝缘薄膜18覆盖的电极14相连。换句话说，除了放置在基体部件12两端的一些电极14未与外部电极20和22连接以外，两个相邻的电极14分别连接至电极20和22。
压电共振器10采用外部电极20和22作为输入和输出电极。在基体部件12的中心，由于电场施加在相邻电极14之间，所以基体部件12是压电激活的。由于电极14是绝缘的而使得电场未能施加在相邻电极14之间，所以基体部件12在两端是非激活的。因此如图2阴影所示在基体部件中心形成有供输入信号用的激活区域24。在基体部件12的两端也形成有供输入信号用的非激活区域26。
为了制造压电共振器10，首先要制备如图3所示的由压电陶瓷生片30。在每块生片的其中一个表面，涂覆有例如包含银、钯和有机黏合剂的导电胶以在生片30端部以外的整个区域上形成导电胶层32。多块生片30层叠在一起使得未形成导电胶层32的端部沿相反方向交替放置。在相对侧面涂覆有导电胶的层叠部件经过烘干形成图4所示的层叠块34。
层叠块34包括多个由导电胶32制成的内部电极36。由于内部电极36交替出现在层叠块34相对侧面上，所以形成于相对侧面上的外部电极38和40分别与其它内部电极36相连。当直流电源施加在外部电极38和40上时，层叠块被极化。在层叠块34的内部，在相邻内部电极之间沿相反方向交替施加强直流电场。因此，层叠块34在图4中箭头所指内部电极36的两端沿相反方向极化。
由于共振器的反共振频率由层叠块34的厚度决定，所以层叠块34被磨至需要的厚度。利用切割机沿图5虚线所示的方向切割层叠块34，从而使得切割平面垂直于多个内部电极36。随后得到了图6所示板形块42。如图7所示，树脂绝缘材料44被涂覆在板形块42的两个表面上从而使得材料44涂覆于一个表面上每个相隔的内部电极36和另一表面上材料44未涂覆的内部电极36上。在板形块42的两端，树脂绝缘材料44被集中涂覆在内部电极36上。外部电极48形成于板形块42上。随后整个块垂直于内部电极36切割以形成图1所示的压电共振器。
当信号施加在压电共振器10的外部电极20和22上时，由于电压沿着与激活区域24内压电层极化相反的方向施加，所以压电层沿同一方向整体膨胀和收缩。因此，压电共振器10沿纵向以基本模式振动，基体部件12的中心为节点。
在压电共振器10中，激活区域24的极化方向、信号产生的施加电场的方向以及激活区域24的振动方向是一致的。换句话说，压电共振器10是刚性的。刚性压电共振器10具有比振动方向与极化和电场方向不一致的非刚性压电共振器更大的-机电耦合系数。因此，压电共振器10具有比普通压电共振器更大的共振频率与反共振频率之间的频差ΔF。这意味着压电共振器10具有宽频带特性。
为了衡量刚性压电共振器与非刚性压电共振器之间的差别，制备了图8、9和10所示的压电共振器。图8所示压电共振器通过在4.0×1.0×0.38mm的压电基片厚度方向的两个表面上形成电极制成。当信号施加在电极上时，这种压电共振器沿厚度方向极化并沿纵向振动。图9所示压电共振器具有与图8所示压电共振器相同的尺寸。电极形成于压电基片纵向上的两个表面。当信号施加到电极上时，压电共振器沿纵向极化和振动。图10所示压电共振器通过在4.7×4.7×0.38mm的压电基片厚度方向的两个表面上形成电极制成。当信号施加在电极上时，这种压电共振器沿厚度方向极化并沿平面方向振动。图8和10所示的压电共振器是非刚性的而图9所示的压电共振器是刚性的。
测量了每个压电共振器的共振频率Fr和-机电学耦合系数k，并且结果示于表1、2和3。表1表示的是图8所示压电共振器的测量结果。表2表示的是图9所示压电共振器的测量结果，表3表示的是图10所示压电共振器的测量结果。
表1
| 基本纵向振动 | 纵向三重波振动 | 宽度模式振动 | |
| 共振频率(MHz) | 0.460 | 1.32 | 1.95 |
| 机电耦合系数(％) | 18.9 | 3.9 | 25.2 |
表2
| 基本纵向振动 | 纵向三重波振动 | 宽度模式振动 | |
| 共振频率(MHz) | 0.455 | 1.44 | 1.96 |
| 机电耦合系数(％) | 42.9 | 12.2 | 4.0 |
表3
| 基本纵向振动 | 正方形三重波振动 | 厚度模式振动 | |
| 共振频率(MHz) | 0.460 | 1.32 | 1.95 |
| 机电耦合系数(％) | 18.9 | 3.9 | 25.2 |
从测量结果可见，刚性压电共振器具有比非刚性压电共振器更大的电学-机械耦合系数k，因此具有更大的共振频率与反共振频率之间的频差ΔF。刚性压电共振器中最大的伪共振是纵向三重波型的并且在振动期间-机电学耦合系数k为12.1％。在不同于基本振动宽度振动模式期间，-机电学耦合系数为4.0％。相反，在非刚性纵向振动的压电共振器中，宽度模式振动期间的-机电学耦合系数为25.2％。在非刚性正方形振动的压电共振器中，厚度模式振动期间的-机电学-耦合系数为23.3％。由此可见刚性压电共振器具有比非刚性压电共振器更小的伪共振。
在压电共振器10中，非激活区域形成于基体部件12的两端。改变非激活区域来调整共振频率和共振频率与反共振频率之间的频差ΔF。换句话说，通过沿基体部件12的纵向打磨端面或者增加质量，可以调节压电共振器的带宽。
在压电共振器10中，通过例如改变激活区域24的层数可以调整共振器的电容。在激活区域24，压电层和电极14交替堆砌并且并联连接。当层数改变而激活区域24的总厚度不变时，由于层厚反比于层数，所以满足下列关系。
共振器的电容∝(激活区域层数/层厚)∝(激活区域层数)2
共振器的电容正比于激活区域24层数的平方。因此，改变激活区域24的层数来调整压电共振器10的频率。这意味着压电共振器10在电容设计上具有更大的自由度。因此当压电共振器10安装在电路板上时较容易与外部电路实现阻抗匹配。
在由压电陶瓷生片上涂覆例如包含银、钯和有机黏合剂的导电胶。多块生片30交替堆砌并在1200℃下烘干以形成20×30×3.9mm的层叠块。通过溅射形成外部电极38和40。强直流电场施加在相邻的内部电极36之间以使层叠块极化从而使相邻压电层的极化方向交替相反。层叠块34的厚度发生了变化。切割层叠块以形成1.5×30×3.8mm的板形块42。树脂绝缘材料44覆盖住平板块42侧面上露出的电极36而银电极通过溅射形成。整个块利用切割机切割成1.5×1.5×3.8mm的压电共振器10。
压电共振器10在基体部件12上有19个电极14，电极14以几乎相等的0.19mm间隔放置。形成绝缘薄膜16和18从而避免在位于基体部件12两端的三个压电层上施加电场。激活区域24包括位于基体部件12中心的14层压电层，而非激活区域26在两端具有三层压电层。压电共振器10的电容为830pF而频率特性如图11所示。为比较起见，图12示出了正方形振动压电共振器的频率特性。从图11和12发现，按照本发明的压电共振器10具有比正方形压电共振器更小的伪振动。
根据激活区域24和非激活区域26形成的位置，改变了共振频率与反共振频率之间的频差ΔF。可以在基体部件12的两端和中心形成如图13所示的非激活区域26。采用有限元方法计算了压电共振器中电容和频差随激活区域位置的变化，这里“a”表示压电共振器10中心与端部之间的距离，“b”表示激活区域24中心与作用中心之间的距离，“c”表示激活区域24的长度，W表示基体部件12的宽度。图14示出了b/a、ΔF与反共振频率Fa的比率ΔF/Fa以及电容Cf之间的关系，这里“a”等于1.89mm，W和T等于0.8mm，“c”等于0.86mm，而b/a是变化的。由图14可见，不管激活区域24形成的位置如何变化电容Cf都不变化。相反，ΔF随着激活区域24靠近基体部件12的端部而减小。
通过改变激活区域24与非激活区域26的比率可以改变压电共振器10中的频差ΔF。随着激活区域比率(即图1和2所示压电共振器中激活区域24的长度与基体部件12长度之比)的变化，测量了共振频率Fr、反频率Fa、频差ΔF及其变化速率，并且结果示于表4和图15中。
表4
| 激活区域长度(mm) | 激活区域比率(％) | Fr(KHz) | Fa(KHz) | ΔF(KHz) | ΔF变化率(％) |
| 1.80 | 100.0 | 1047.4 | 1163.4 | 115.9 | 0.0 |
| 1.70 | 94.0 | 1042.4 | 1163.4 | 120.9 | 4.3 |
| 1.60 | 88.9 | 1038.6 | 1163.4 | 124.8 | 7.6 |
| 1.53 | 85.0 | 1036.6 | 1163.4 | 126.8 | 9.4 |
| 1.50 | 83.3 | 1035.9 | 1163.4 | 127.5 | 9.9 |
| 1.40 | 77.8 | 1034.5 | 1163.4 | 128.9 | 11.2 |
| 1.35 | 75.0 | 1034.3 | 1163.4 | 129.1 | 11.4 |
| 1.30 | 72.2 | 1034.3 | 1163.4 | 129.0 | 11.3 |
| 1.20 | 66.7 | 1035.5 | 1163.4 | 127.9 | 10.3 |
| 1.17 | 65.0 | 1036.1 | 1163.4 | 127.2 | 9.7 |
| 1.10 | 61.1 | 1038.1 | 1163.4 | 125.3 | 8.1 |
| 1.00 | 55.6 | 1042.0 | 1163.4 | 121.4 | 4.7 |
| 0.90 | 50.0 | 1047.4 | 1163.4 | 115.9 | 0.0 |
| 0.80 | 44.4 | 1054.3 | 1163.4 | 109.1 | -5.9 |
| 0.70 | 38.9 | 1062.7 | 1163.4 | 100.6 | -13.2 |
| 0.60 | 33.3 | 1072.7 | 1163.4 | 90.7 | -21.8 |
| 0.50 | 27.8 | 1084.2 | 1163.4 | 79.1 | -31.7 |
| 0.40 | 22.2 | 1097.3 | 1163.4 | 66.1 | -43.0 |
| 0.30 | 16.7 | 1111.9 | 1163.4 | 51.5 | -55.6 |
| 0.20 | 11.1 | 1127.9 | 1163.4 | 35.5 | -69.4 |
| 0.10 | 5.6 | 1145.2 | 1163.4 | 18.2 | -84.3 |
图15表示当ΔF设定为100％而激活区域比率设定为100％时(即非激活区域不存在时)激活区域比率与ΔF变化之间的关系。由图15可见，ΔF在激活区域比率为65-85％之间时较大，并且在激活区域比率为75％时有一个峰位。峰值比激活区域为100％(即不存在非激活区域时)时的ΔF大10％。在50％和100％的激活区域比率处ΔF一样大。因此，为了获得具有较大ΔF的压电共振器，必须将激活区域比率设定为50％。
在压电共振器10中，当20层中有14层压电层构成激活区域24时，电容为830pF。相反，当激活区域设定为100％时(这意味着只利用一压电层)，换句话说，当电极形成于尺寸和材料相同的基体部件12的两端时，电容为3.0pF。当所有24层压电层构成激活区域24时，电容为1185.6pF。通过改变压电共振器10中的层数，可以在最小值与最大值相差400倍的范围内调节电容。因此通过改变压电共振器10的层叠结构，可以在较宽的范围内选择电容。
为了将形成于基体部件12内部的电极14连接到外部电极20和22，暴露出来提供了开有窗口50的绝缘薄膜16和18，从而使得每个相隔电极14如图16所示。外部电极20和22形成于绝缘薄膜16和18上，并且电极14交替连接至两个外部电极20和22上。如图17所示，两个外部电极20和22可以形成于基体部件12的侧面上。绝缘薄膜16和18以两行的方式形成于基体部件12的一个侧面上并形成两行连接区域。这两行绝缘薄膜16和18分别形成于每个相隔的电极14上。在两行绝缘薄膜16和18上分别形成两行外部电极20和22。作了这样改进的压电共振器同样也实现了上述压电共振器的优点。
如图18所示，内部电极14可以延伸到基体部件的相对侧面。在基体部件12的相对侧面上，必须形成外部电极20和22。在这样一种压电共振器中，既然内部形成的电极是交替暴露的，所以通过在基体部件12的侧面形成外部电极20和22使内部电极14与外部电极20和22连接起来。因此没有必要在基体部件12的侧面形成绝缘薄膜。
电极14没有形成于压电共振器10中基体部件12的整个横截面上。因此，相邻电极14对着的面积小于在整个横截面内形成的相邻电极14的面积。利用相对着的面积，可以调整压电共振器10的电容和ΔF。采用有限元方法，在改变厚度方向上电极14端部与基体部件12侧面之间间隔G的情况下，计算了压电共振器的反共振频率Fa、电容Cf和ΔF，该压电共振器包括一个长3.74mm、宽为0.8mm而厚为1.0mm的基体部件12，并包括长为3.6mm的激活区域24、位于两端的长为0.07mm的非激活区域以及20层厚度为0.18mm的压电层。结果示于表5和图20。由表5和图20可见，随着间隔G的增大，换句话说，随着电极14相对着的面积变小，Cf和ΔF变小。
表5
| Gap G(μM) | Fa(KHz) | Fa变化率(％) | Cf(pF) | Cf变化率(％) | ΔF(KHz) | ΔF变化率(％) |
| 1 | 546.37 | -0.52 | 267.58 | 27.47 | 53.36 | 30.15 |
| 50 | 546.75 | -0.45 | 264.40 | 25.96 | 52.71 | 28.56 |
| 100 | 547.38 | -0.33 | 251.69 | 19.90 | 50.05 | 22.07 |
| 150 | 548.20 | -0.18 | 232.38 | 10.70 | 45.89 | 11.93 |
| 200 | 549.20 | -0.00 | 2009.91 | 0.00 | 41.00 | 0.00 |
| 250 | 550.61 | -0.26 | 181.96 | -13.32 | 35.06 | -14.49 |
| 300 | 552.11 | -0.53 | 156.44 | -25.47 | 29.75 | -27.44 |
电极14以如下的方式形成使得它们延伸至经过改进的压电共振器中如图21所示压电层同侧不同的端面上。通过将两种类型的压电层层叠在一起，如图22所示，两行电极14暴露于基体部件12的一个侧面上。因此，通过在电极14暴露的部位形成外部电极20和22，电极14交替地连接至外部电极20和22。
在每个电极14形成于如图2所示的基体部件12的整个横截面上的压电共振器10中，由于电场施加在基带部件12的整个横截面上，所以共振器的-机电学耦合系数较大因而ΔF较大。压电共振器10的电容也较大。当切割层叠块以制造多个压电共振器时，由于每个电极已经事先形成于层叠块几乎整个横截面上，所以即使切割位置偏移，每个压电共振器在整个横截面上包含电极。因此没有必要精确确定层叠块切割的位置。通过改变切割的方向，从同样的压电陶瓷层叠块得到了具有不同横截面、面积和电容的共振器。按照具有绝缘薄膜的电极端部区域的不同，可以获得具有各种电容和ΔF的共振器。如上所述，从同样的层叠块可以获得许多类型的压电共振器。
相反，为了制造如图18所示每个内部电极端部与基体部件侧面之间有间隔的压电共振器，需要在未形成电极的位置切割层叠块。但是在这种压电共振器中，不需要在基体部件的侧面形成绝缘薄膜，并且减少了制造环节。
如图23所示的基体部件12的端部不形成电极，从而没有电场施加，形成非激活区域26基体部件12的端部可以被极化或者不被极化。如图24所示，只有基体部件12的端部可以不被极化。在这种情况下，即使电场施加于电极14之间，未极化部分也是压电非激活的。换句话说，只有当压电层被极化并施加电场时，层才变为压电激活的，否则是非激活的。在这种结构下，电容形成于非激活区域，并且电容有所增大。为了调整频率或者与外部电路相连，如图25所示在基体部件12的端面形成了小电极52。
采用这样的压电共振器10，制造出了诸如振荡器和鉴别器之类的电子元件。图26为电子元件60的透视图。电子元件60包括一个绝缘基片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，形成有如图27所示两种图形的电极66和68。一种图形电极66形成于相对的缺口之间并从靠近一端的点向绝缘基片62的中心呈L形延伸。其它的图案电极68形成于相对的缺口64之间并且从靠近另一端的点向绝缘基片62的中心笔直延伸。形成从绝缘基片62的端部向相对的端部迂回图形电极66和68。
在位于绝缘基片62中心的图案电极66的一端，用导电黏合剂形成了凸起70。如图28所示，上述压电共振器安装在凸起70的方式是使得基体部件12的中心位于凸起70上。其它的外部电极20用导线72与图案电极68相连。导线72与压电共振器10的外部电极20的中心相连。
金属盖子74放置在绝缘基片62上以构成完整的电子元件60。为了避免金属盖子74与图案电极66和68短路，绝缘树脂预先涂覆在绝缘基片62和图案电极66和68上。电子元件60采用了图案电极66和68作为连接外部电极的输入和输出端，而它们的形成方式是从绝缘基片62的端部绕至后表面。
由于在这种电子元件中压电共振器10的中心与凸起70相连，压电共振器10的端部与绝缘基片62分升，所以振动没被阻止。由于作为节点的压电共振器的中心固定在凸起70上并且与导线72相连，所以不会削弱激发的纵向振动。
电子元件60与IC芯片和其它元件一起安装在电路板上以形成振荡器和鉴别器。由于电子元件60金属帽密封和保护，所以它可以用作由流水线焊接的芯片型(表面安装)元件。
当电子元件60用于振荡器时，由于电子元件60中所用压电共振器10的特点，伪振动被抑制在低水平上并且防止了伪振动引起的不寻常振动。由于压电共振器10的电容可以设定为任何所需的数值，所以也较容易实现与外部电路的阻抗匹配。特别是当电子元件用于电压控制振荡的振荡器时，由于共振器较大的ΔF，所以获得了普通无法获得的宽频率范围。
当电子元件60用于鉴别器时，由于共振器较大的ΔF，所以提供了较宽的峰值间隔范围。此外，由于共振器提供了宽的电容范围，所以较容易实现与外部电路的阻抗匹配。
压电共振器10可以安装在绝缘基片上从而使得由导电材料(例如导电胶)制成的两个凸起70形成于两个图形电极66和68上，并且压电共振器10的外部电极20和22如图29和30所示与两个凸起70相连。压电共振器10也可以图31和32的方式安装在绝缘基片62上，其中由诸如导电黏合剂之类的导电材料制成的两个凸起70形成于绝缘基片62上而外部电极20和22通过导线72与图案电极66和68相连。
可以利用多个压电共振器制得梯状滤波器。如图33和34所示，三种图形电极76、78和80形成于电子元件60的绝缘基片62上。由导电黏合剂制成的凸起82和86形成于图案电极76和80两端的上。在中心图案电极78上，形成两个由导电黏合剂制成的凸起84和88。
用于压电共振器10a、10b、10c和10d中每一个的外部电极22分别安装在凸起82、84、86和88上。用于压电共振器10a、10b、10c的另外的外部电极20由导线互相连接。压电共振器10d用的外部电极20由导线72与图案电极80相连。金属帽放置在绝缘基片62上面。
电子元件60被用作具有如图35所示梯状电路的梯状滤波器。两个压电共振器10a和10c用作串联压电共振器而两个压电共振器10b和10d用作并联压电共振器。在这样的梯状滤波器中，并联的压电共振器10b和10d被设计成比串联的压电共振器10a和10c具有更大的电容。
梯状滤波器的衰减由串联压电共振器与并联压电共振器之间的电容比决定，在这种电子元件60中，通过改变压电共振器10a-10d中所用层叠层的数量可以调整电容。因此与采用普通的非刚性压电共振器相比，通过改变压电共振器的电容实现了采用较少压电共振器达到较大衰减的梯状滤波器。由于压电共振器10a-10d具有比普通压电共振器更大的ΔF，所以与普通的压电共振器相比实现了较宽的发射频率带。图36示出了这样一种电子元件60，其中两个电极14形成于压电共振器10基体部件12的内部。非激活区域26占据基体部件12长度的25％(每个12.5％)。外部电极20和22的形成方式是它们分别从内部电极14延伸至基体部件12侧面的中心。外部电极20和22的形状按照内部电极14的数量和形成条件调整。
可以利用如图37所示的压电共振器制造出诸如陶瓷共振器和陶瓷鉴别器之类的两端电子元件60。制备了由导电材料制成的两个端子90以制造这样的两端元件60。这些端子90从钢片92延伸出来。实践中，每个钢片92上形成多个成直线的端子90。端子90提供有位于中间位置的折叠区域94和位于端部的H形支撑部件96。支撑部件96是弯曲的以在中心提供有凸起的安装部件98。两个端子90的放置方式使得安装部件98互相面对。
压电共振器10支撑于安装部件98之间。安装部件98靠近压电共振器纵向中心上的外部电极20和22。由于端子90包括用作弹簧部件的折叠区域94，所以压电共振器10由端子90弹性支撑。一端开口的罩体100放置在压电共振器上。罩体100的开口由纸封住并随后用树脂密封。端子90从钢片92上切割下列以最终形成电子元件60。由此可以制造出除了芯片型以外形状的电子元件60。
由于本发明采用刚性压电共振器，所以与普通的非刚性压电共振器相比，共振器具有较大的ΔF和较宽的频带。此外，刚性压电共振器具有较小的伪振动。由于基体部件12具有层状结构，所以电容可以设定为任何所需的值并且较容易与外部电路实现阻抗匹配。而且，通过调节激活区域与非激活区域的尺寸和位置，可以改变ΔF。由于按照本发明的电子元件60具有简单的结构，所以可以以较低的成本制造出具有上述特点的压电共振器10。
由于按照本发明的压电共振器10包括比普通压电共振器更多的设计参数，所以可以实现各种特性。图38示出了这些参数(ΔF/Fa和电容Cf)之间的关系。由图38可见，这些参数为压电共振器的性能设计提供了较大的自由度。
Claims (9)
1.一种压电共振器，其特征在于包括：
纵向基体部件；
构成至少一部分所述基体部件的激活区域，所述激活区域由压电部件构成；以及
至少一对设置在所述激活区域内的外部电极；
其中不会在电场作用下极化和/或储能的非激活区域构成所述基体部件的其它区域。
2.如权利要求2所述的压电共振器，其特征在于所述非激活区域形成于所述激活区域的两端，并且所述激活区域占据所述基体部件50％或以上的长度。
3.如权利要求1或2所述的压电共振器，其特征在于至少有一对内部电极在所述激活区域内放置成与所述基体部件纵向垂直并分别与所述的一对外部电极相连，
所述激活区域沿所述基体部件纵向极化，以及
当电场经所述外部电极沿所述基体部件纵向施加时所述基体部件激发纵向模式的基本振动。
4.如权利要求1-3中任一项所述的压电共振器，其特征在于进一步包括沿纵向放置在所述基体部件中心区域的支撑部件。
5.一种使用权利要求4所述压电共振器的电子元件，其特征在于所述支撑部件提供于绝缘衬底上，而图案电极提供于所述绝缘衬底上并与所述压电共振器的所述外部电极相连。
6.如权利要求5所述的电子元件，其特征在于所述电子元件为梯状滤波器，其中多个图案电极提供于所述绝缘衬底上并与多个所述压电共振器的所述外部电极相连从而使所述压电共振器互联为梯状。
7.一种使用权利要求4所述压电共振器的电子元件，其特征在于所述部件提供有安装部件，并且所述压电共振器通过所述安装部件固定在壳体内。
8.一种制造如权利要求3-5中任一项所述压电共振器的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)制备由多层压电层和内部电极层叠而成的叠层部件；
2)在所述叠层部件表面暴露所述内部电极的位置形成外部电极；
3)沿着垂直于所述叠层部件表面的方向切割所述叠层部件。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于所述叠层部件的制造方式为将所述内部电极交替暴露于所述压电层的相对侧，一对极化电极形成于所述压电层的所述相对侧并分别与各个所述内部电极电学连接，所述压电层通过经所述极化电极和所述内部电极施加直流电压而极化，并且沿着垂直于层叠方向切割所述压电部件和内部电极。
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