PL103529B1 - Sposob polaryzacji elementu,piezoelektrycznego,zwlaszcza do pomiaru czestotliwosci drgan wlasnych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób polaryzacji elementu piezoelektrycznego, zwlaszcza do pomiaru czestotliwosci dragn wlasnych. Sposób wedlug wy¬ nalazku umozliwia dokladny pomiar czestotliwosci rezonansowych elementu kwarcowego wykorzy¬ stujacych drgania scinania grubosciowego jak na przyklad AT, BT i inne w zastosowaniu do pro¬ dukcji podzespolów kwarcowych jak rezonatory, ogniwa semimonolityczne itp.

Stosowane dotychczas sposoby polaryzyacji mie¬ rzonego elementu oparte sa na mechanicznym kontakcie elektrod metalowych z powierzchniami czynnymi tego elementu. Praktyczne rozwiazania polegaja na ulozeniu elementu kwarcowego na elektrodzie metalowej o powierzchni dopasowanej swym ksztaltem do powierzchni elementu i przy¬ cisniecia go druga elektroda metalowa o po¬ wierzchni równiez dopasowanej do drugiej po¬ wierzchni elementu, przy czym elektrody te sa dolaczane do elektrycznej czesci ukladu pomiaro¬ wego.

Element kwarcowy wraz z elektrodami stanowi dwójnik elektryczny posiadajacy dwie czestotli¬ wosci rezonansowe wywolane efektem piezo¬ elektrycznym odwrotnym. Odmiana konstrukcyjna 25 tego rozwiazania jest takie umieszczenie elementu pomiedzy elektrodami, aby powierzchnie czynne tego elementu oddzielone byly od elektrod waski¬ mi szczelinami powietrznymi.

Czestotliwosci rezonatorów mierzone przy tych 30 sposobach polaryzacji sa (aestoitliwoscdanii wyniko¬ wymi elementu badz odciazonego mechanicznie ele¬ ktrodami, badz szeregowo wlaczonymi z nim po¬ jemnosciami tych szczelin i przez to- silnie sprzezo¬ nego elektrycznie z ukladem pomiarowym, znacz¬ nie wiec odbiegaja od rzeczywistych wartosci czestotliwosci drgan wlasnych.

Na niezgodnosc tych czestotliwosci skladaja sie glównie takie czynniki jak zmiana sredniej gestosci materialu piezoelektrycznego wywolana zewnetrz¬ nym dzialaniem mechanicznym. Zmiana para¬ metrów zastepczego ukladu dwójnika przez wplyw szeregowo wlaczonych z elementem pojemnosci szczelin.

Wzgledne przesuniecie czestotliwosci rezonanso¬ wych okreslonych przy tych sposobach polaryza¬ cji, w stosunku do faktycznych jest rzedu 20010-8.

Pomiary wykonane tymi sposobami cechuje przy tym duza wrazliwosc na sily dociskajace elektro¬ dy, zmiany szczeliny i dokladnosc lokalizacji ob¬ szaru wzbudzania drgan w elemencie. W praktyce czynniki te wplywaja na niepowtarzalnosc po¬ miarów i ich duzy rozrzut wzgledny "rzedu 50H-100 • 10-5.

W odniesieniu do elementu kwarcowego liczby te sa bardzo duze i wskazuja zarówno na nie¬ dokladnosc pomiaru jak i na niedostateczna roz¬ róznialnosc poszczególnych egzemplarzy w serii elementów. Wywieranie przy tym sil mechanicz¬ nych na element kwarcowy w czasie pomiaru 103 529103 529 czestotliwosci pogarsza dobroc elektryczna elemen¬ tu, przez co krzywe rezonansowe splaszczaja sie obnazajac dodatlCowo dokladnosc pomiaru, przy ozym niekontrolowany rozklad: naprezen mecha¬ nicznych w .elemencie znieksztalca charakterystyke 5 czestotliwosciowa • elementu mierzonego. Wszystkie omówione wady sposobu pomiaru nie ustepuja nawet przy daleko posunietej precyzji wykonania konstrukcyjnego elektrod.

Znajomosc czestotliwosci wlasnej elementu 10 kwarcowego jest punktem wyjsciowym w ^procesie jego przygotowania technologicznego jak szlifowa¬ nie i trawienie i musi byc kontrolowana po kazdej fazie jego obróbki mechanicznej i chemicznej, az do momentu uzyskania zamierzonej czestotliwosci. 15 Bezposredni pomiar czestotliwosci wlasnej elemen¬ tu jest trudny, poniewaz element nie posiada jesz¬ cze nalozonych elektrod metalicznych.

Celem wynalazku jest uniezaleznienie pomiaru czestotliwosci elementów piezoelektrycznych od 20 szkodliwego wplywu mechanicznego nacisku ele¬ ktrod na y mierzony element badz trudnej do kontrolowania pojemnosci szczelin. Dla osiagniecia tego celu postawiono zagadnienie wskazania takie¬ go sposobu polaryzacja mierzonego elementu, w ^ którym przyczyny powodujace zmiane czestotli¬ wosci dragan wlasnych zostaly by zredukowane do niezbednego minimum.

Istota wynalazku dotyczaca sposobu polaryzacji elementu w którym pomiedzy elektrodami pobu- 30 dzajacymi rozstawionym wzdluz przeciwleglych krawedzi elementu jest umieszczony mierzony ele¬ ment polega na tym, ze mierzony element ustawia sie przeciwleglymi krawedziami prostopadlymi do powierzchni czynnych pomiedzy elektrody pobudza- 35 jace. Powierzchnie czynne elementu pozostawia sie swobodne i element orientuje sie w kierunku az do uzyskania. maksymaiLnego wskazania przyrzadu.

Zaleta sposobu wedlug wynalazku jest to, ze po¬ wierzchnie czynne pozostaja nie tlumione obecnos- ^ cia elektrod, a sprzezenie elektryczne elementu z elektrodami i ukladem pomiarowym zostaje w znacznym stopniu zmniejszone, dzieki czemu zmniejsza sie wplyw ukladu pomiarowego na wlasnosci elektryczne elementu. Elektrody wy- 45 korzystuje sie jako czynnik wsporczy. Przenikal- nosc dielektryczna materialu piezoelektrycznego powoduje zwiekszenie indukcji elektrycznej w przestrzeni miedzy elektrodami, a przez to zwiek¬ sza jednorodnosc przenikajacego pola przez caly 50 element.

W ukladach pomiarowych wykorzystujacych me¬ tode bierna transmisyjna z kryterium amplitudo¬ wym, stosowanych dotychczas, gdzie efekt piezo¬ elektryczny w elemencie dociskanym elektrodami 55 do powierzchni czynnych wystepuje silnie, tlumie¬ nie sygnalu transmitowanego z generatora poprzez ten dwójnik do wzmacniacza jest na ogól bardzo male. Z tego wzgledu wielkosc wzmocnienia wzmacniacza w konwencjonalnym ukladzie pomia- M rowym ma znaczenie drugorzedne. Typowy dla takiego dwójnika przebieg impedancji w funkcji czestotliwosci jest analogiczny jak dla rezonatora kwarcowego to znaczy zawiera skladowe o reak- tancji zerowej. Ten fakt pozwala przy zastosowa- 65 niu generacyjnego ukladu samowzbudnego wyzna¬ czac czestotliwosc drgan wlasnych dwójnika me¬ toda aktywna.

, • Elektryczny uklad pomiarowy przylaczony do dwójnika wedlug wynalazku oparty jest na meto¬ dzie biernej transmisyjnej z kryterium amplitudo¬ wym. Uklad ten sklada sie z przestrajanego gene¬ ratora oraz wzmacniacza szerokopasmowego ze wskaznikiem analogowym. Zestaw uzupelniony jest czestosciomierzem cyfrowym. Dwójnik zlozony z elementu kwarcowego i elektrod pobudzajacych wlaczony jest wzdluznie pomiedzy wyjscie gene¬ ratora a wejscie wzmacniacza. Wzmacaiacz ma za zadanie skompensowanie bardzo duzego tlumienia sygnalu generatora, jakie wprowadza dwójnik z zastosowanym sposobem polaryzacji elementu wedlug wynalazku. W tym celu wzmacniacz musi posiadac duze wzmoonietniie. W praktycznych ukla¬ dach pomiarowych* gdzie stosuje sie generator o opornosci wyjsciowej 50Q i wzmacniacz o opor¬ nosci wejsciowej 50Q, dla otrzymania czytelnych wskazan przyrzadu analogowego wzmocnienie na¬ pieciowe wzmacniacza jest rzedu 80 dB.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykladzie wykonania na zalaczonym rysunku perspektywicznym.

Na podstawie analizy stwierdzono, ze charakter tego dwójnika jest równowaznydiwójmikowi kwarco¬ wemu z. szeregowowlaczona bardzo mala i stala dla róznych elementówpojemnoscia elefctyrczna. W mia¬ re zmniejszania tej pojemnosci szybko zanika cha¬ rakter indukcyjny dwójnika, a ekstrema odpowia¬ dajace maksimum i minimum impedancji zblizaja sie do siebie na odleglosc graniczna zalezna tylko od dobroci elementu kwarcowego, natomiast im- pedencja ma charakter zlozony, rezystywny i po¬ jemnosciowy. Polozenie punktów ekstremalnych na osi czestotliwosci jest praktycznie stale. Odstep wzgledny miedzy punktami ekstremalnymi osiaga wartosc rzedu 5 • 10-6. Poniewaz czestotliwosc teoretyczna rezonansu równoleglego drgan wlas¬ nych elementu lezy pomiedzy wierzcholkami punktów ekstremalnych, maksymalny blad jej wyznaczenia znajduje sie w tym przedziale.

Powtarzalnosc pomiaru jest wysoka i wynosi 10-5.

Element kwarcowy 1 jest wlozony swobodnie pomiedzy elektrody 2. Elektrody 2 nie wywieraja nacisku mechanicznego na powierzchnie F czynne elementu 1. Elektrody jednoczesnie podtrzymuja element i wytwarzaja pole elektryczne w plasz- czynie XZ. Elektrody 2 maja ksztalt krawedzi elementu w kierunku osi elektrycznej X. Do ele¬ ktrod 2 dolaczone sa doprowadzenia 3 za pomoca których dwójnik polaczony jest z czescia elektrycz¬ na ukladu pomiarowego. Elektrody 2 wraz z od¬ prowadzeniami 3 zamocowane sa na podstawie 4 wykonanej z materialu dielektrycznego. Element kwarcowy 1 spoczywa swa dolna krawedzia na podstawie 4. Powierzchnie F czynne elementu 1 leza w plaszczyznie XZ' ukladu krystalograficzne¬ go, przy czym wektor E pobudzajacego pola ele¬ ktrycznego skierowany jest równolegle do osi X elementu 1. /103 529

Claims (1)

1. Zastrzezenie patentowe Sposób polaryzacji elementu piezoelektrycznego, zwlaszcza do pomiaru czestotliwosci drgan wlas¬ nych, w którym pomiedzy elektrodami pobudza¬ jacymi rozstawionym wzdluz przeciwleglych kra¬ wedzi elementu jest umieszczony mierzony element, 6 znamienny tym, ze mierzony element (1). ustawia sie przeciwleglymi krawedziami prostopadlymi do powierzchni czynnych (F) pomiedzy elektrody po¬ budzajace (2), przy czym jego powierzchnie czyn¬ ne (F) pozostawia sie swobodne, zas element orientuje sie w kierunku, az do uzyskania maksy¬ malnego wskazania przyrzadu.