RU2155442C1 - Quartz-crystal resonator with internal thermostatic control - Google Patents
Quartz-crystal resonator with internal thermostatic control Download PDFInfo
- Publication number
- RU2155442C1 RU2155442C1 RU99111816A RU99111816A RU2155442C1 RU 2155442 C1 RU2155442 C1 RU 2155442C1 RU 99111816 A RU99111816 A RU 99111816A RU 99111816 A RU99111816 A RU 99111816A RU 2155442 C1 RU2155442 C1 RU 2155442C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ring
- resonator
- metal
- metal plate
- case
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/05—Holders; Supports
- H03H9/08—Holders with means for regulating temperature
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится области радиоэлектроники и может использоваться в устройствах стабилизации частоты. The invention relates to the field of electronics and can be used in frequency stabilization devices.
Известен кварцевый резонатор с системой внутреннего термостатирования, содержащий размещенную в вакуумированном корпусе пьезокварцевую пластину с нанесенными на нее возбуждающими электродами, а также пленочным нагревателем и датчиком температуры, служащими для статирования пластины при заданной температуре (см. Справочник "Пьезоэлектрические резонаторы". Под редакцией П.Е. Кандыбы, П.Г. Позднякова, М.: Радио и связь, 1992 г., с. 362 - 364). A known quartz resonator with an internal temperature control system containing a piezoelectric plate placed in an evacuated housing with exciting electrodes deposited on it, as well as a film heater and a temperature sensor used to statically plate the plate at a given temperature (see. Reference "Piezoelectric resonators". Edited by P. E. Kandyba, P.G. Pozdnyakova, M .: Radio and communications, 1992, p. 362 - 364).
Этот резонатор обладает малым временем установления частоты с момента включения, что обусловлено размещением нагревателя непосредственно на пьезоэлементе. Недостатком этого резонатора является значительная температурная нестабильность частоты, которая является следствием наличия тепловых градиентов на пьезоэлементе из-за интенсивного теплового потока от нагревателя, расположенного непосредственно на пьезоэлементе, в окружающую среду через систему крепления пьезоэлемента. This resonator has a short time to establish the frequency from the moment of switching on, which is due to the placement of the heater directly on the piezoelectric element. The disadvantage of this resonator is the significant temperature instability of the frequency, which is a consequence of the presence of thermal gradients on the piezoelectric element due to the intense heat flux from the heater located directly on the piezoelectric element into the environment through the piezoelectric element mounting system.
Из известных устройств наиболее близким к заявляемому является резонатор по патенту РФ N 2101854, МПК H 03 H 9/19, выд. 10.01.98 г., содержащий вакуумированный корпус, в котором располагается диэлектрическое кольцо с расположенными на нем контактными лепестками, в которых монтируется пьезоэлемент с нанесенным на него пленочным нагревателем и датчиком температуры, а также транзистор, установленный на металлической пластине, которая закреплена на диэлектрическом кольце в промежутках между контактными лепестками и местами закрепления диэлектрического кольца в вакуумированном корпусе. Выводы возбуждающих электродов пьезоэлемента подсоединяются к схеме автогенератора; выводы транзистора, нагревателя и датчика температуры включаются в схему терморегулирования. Of the known devices closest to the claimed is the resonator according to the patent of the Russian Federation N 2101854, IPC H 03
Благодаря размещению внутри резонатора транзистора, рассеивающего в стационарном тепловом режиме значительную мощность, вызывающую дополнительный нагрев объема резонатора, достигается существенное уменьшение теплового потока от пленочного нагревателя в окружающую среду через крепление пьезоэлемента, что резко уменьшает температурные градиенты по пьезоэлементу и повышает температурную стабильность частоты резонатора. Металлическая пластина, на которой размещен транзистор, имеет высокую теплопроводность, что обусловливает быстрый разогрев и, следовательно, малое время установления частоты. Эта конструкция принята за прототип. Due to the placement of a transistor inside the resonator, which dissipates significant power in the stationary thermal mode, which causes additional heating of the resonator volume, a significant decrease in the heat flux from the film heater to the environment is achieved through the fastening of the piezoelectric element, which sharply reduces the temperature gradients along the piezoelectric element and increases the temperature stability of the resonator frequency. The metal plate on which the transistor is located has a high thermal conductivity, which leads to rapid heating and, therefore, a short time to establish the frequency. This design is taken as a prototype.
Однако такой резонатор отличается низкой механической прочностью крепления диэлектрического кольца в вакуумированном корпусе, а также крепления металлической пластины к этому кольцу. Практически крепление пластины к кольцу осуществляется только приклеиванием, причем площадь и толщина клеевого слоя достаточно велики и не поддаются надежному контролю, обеспечивающему идентичность выполнения этой операции от образца к образцу. Кроме того, в клеевом слое практически невозможно избежать наличия воздушных микрокаверн, которые приводят к непредсказуемому гажению клеевого слоя в вакуумированном корпусе резонатора при работе в аппаратуре и резкому ухудшению вакуума, что в свою очередь ведет к резкому росту тепловых потерь, ухудшению температурной и долговременной стабильности частоты. Все преимущества резонатора таким образом теряются. However, such a resonator is characterized by low mechanical strength of the fastening of the dielectric ring in the evacuated housing, as well as the fastening of the metal plate to this ring. In practice, fixing the plate to the ring is carried out only by gluing, and the area and thickness of the adhesive layer are large enough and do not lend themselves to reliable control, ensuring the identity of this operation from sample to sample. In addition, it is practically impossible to avoid the presence of air microcavities in the adhesive layer, which lead to unpredictable burning of the adhesive layer in the evacuated cavity of the resonator during operation in the apparatus and a sharp deterioration in vacuum, which in turn leads to a sharp increase in heat loss, a decrease in temperature and long-term frequency stability . All the advantages of the resonator are thus lost.
Диэлектрическое кольцо с местами его крепления сложно в изготовлении, будь это керамика или стекло. Изготовление его из керамики требует сложного технологического оборудования для воспроизведения размеров с необходимой для высокостабильного изделия, каким является резонатор, точностью, а выполнение кольца с необходимыми элементами крепления крайне не производительно из-за низкой прочности и большой вероятности появления сколов и трещин. Точность воспроизведения размеров кольца и размеров конструкции резонатора в целом низка, что обусловливает недопустимый разброс параметров резонаторов. A dielectric ring with its attachment points is difficult to manufacture, be it ceramic or glass. Making it from ceramics requires sophisticated technological equipment to reproduce the dimensions with the accuracy necessary for a highly stable product, such as a resonator, and making a ring with the necessary fasteners is extremely inefficient due to the low strength and high likelihood of chips and cracks. The accuracy of reproducing the dimensions of the ring and the dimensions of the design of the resonator is generally low, which leads to an unacceptable variation in the parameters of the resonators.
Указанные недостатки делают описанный прототип малопригодным к серийному производству из-за его сложности и низкого коэффициента выхода годных, а также крайне ненадежным для применения в современных высокостабильных опорных генераторах. These shortcomings make the described prototype unsuitable for mass production because of its complexity and low yield, as well as extremely unreliable for use in modern highly stable reference generators.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в создании резонатора, лишенного недостатков, свойственных прототипу. The problem to which this invention is directed, is to create a resonator devoid of the disadvantages inherent in the prototype.
Технический результат, который дает реализация данного изобретения, состоит в уменьшении времени установления частоты резонатора при малой потребляемой мощности и высокой температурной стабильности частоты; в повышении механической прочности резонатора, его технологичности и эксплутационной надежности. The technical result that the implementation of the present invention provides is to reduce the settling time of the resonator frequency at low power consumption and high temperature stability of the frequency; in increasing the mechanical strength of the resonator, its manufacturability and operational reliability.
Поставленная задача решена в кварцевом резонаторе, содержащем вакуумированный корпус, внутри которого закреплено выполненное в виде кольца опорное основание с расположенными на нем местами крепления в вакуумированном корпусе, а на опорном основании установлена металлическая пластина с местами крепления ее к опорному основанию и размещенным на ней транзистором для регулирования тока подогрева, а также кварцевый пьезоэлемент, установленный на контактных лепестках и снабженный нанесенными на него возбуждающими электродами, нагревателем и датчиком температуры. Согласно изобретению опорное основание выполнено металлическим, а указанные места крепления опорного основания в корпусе и места крепления металлической пластины на опорном основании выполнены в виде диэлектрических изоляторов, в которых размещены металлические стержни. Вакуумированный корпус снабжен металлизацией по меньшей мере части внутренней поверхности. The problem is solved in a quartz resonator containing a vacuum housing, inside of which a support base made in the form of a ring with fastening places located on it in a vacuum housing is fixed, and on a support base there is a metal plate with its fastening places to the support base and a transistor placed on it for regulating the heating current, as well as a quartz piezoelectric element mounted on contact petals and equipped with exciting electrodes applied to it, cm and a temperature sensor. According to the invention, the support base is made of metal, and the indicated mounting points of the support base in the housing and the mounting points of the metal plate on the support base are made in the form of dielectric insulators in which the metal rods are placed. The evacuated housing is provided with metallization of at least part of the inner surface.
Контактные лепестки могут быть выполнены как часть указанной металлической пластины. Контактные лепестки могут быть также закреплены на опорном кольце. Contact petals can be made as part of the specified metal plate. Contact tabs can also be attached to the support ring.
Далее будет дано подробное описание одного из вариантов осуществления изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено:
на фиг. 1 - конструкция резонатора (без внутренних соединений);
на фиг. 2 - вид на конструкцию (без корпуса) сверху для первого варианта исполнения пьезоэлемента;
на фиг. 3 - вид на конструкцию (без корпуса) сверху для второго варианта исполнения пьезоэлемента;
на фиг. 4 - вид по стрелке А на фиг. 1;
на фиг. 5 - увеличенный вид фрагмента металлического опорного кольца с диэлектрическим изолятором и стержнем;
на фиг. 6 - схема включения резонатора в генератор с терморегулятором.Next will be given a detailed description of one embodiment of the invention with reference to the drawings, which depict:
in FIG. 1 - resonator design (without internal connections);
in FIG. 2 is a top view of the structure (without housing) for the first embodiment of the piezoelectric element;
in FIG. 3 is a top view of the structure (without housing) for the second embodiment of the piezoelectric element;
in FIG. 4 is a view along arrow A in FIG. 1;
in FIG. 5 is an enlarged view of a fragment of a metal support ring with a dielectric insulator and a rod;
in FIG. 6 is a diagram for including a resonator in a generator with a temperature controller.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Information confirming the possibility of carrying out the invention.
Резонатор (фиг. 1-5) содержит вакуумированный корпус 1, в котором закреплено основание 2 с размещенным на нем транзистором 3, установленным на металлической пластине 4, и контактными лепестками 5, в которых установлен кварцевый пьезоэлемент 6 с нанесенными на него возбуждающими электродами 7, нагревателем 8 и датчиком температуры 9. Основание 2 выполнено в виде металлического опорного кольца (например, из сплава 47НД или 29НК) с расположенными на нем местами крепления его в вакуумированном корпусе 1. Места крепления опорного металлического кольца в корпусе и места крепления металлической пластины 4 на опорном кольце (фиг.5 - 6) выполнены в виде диэлектрических (например, стеклянных) изоляторов 10, в которых размещены металлические (например, из сплава 29НК) стержни 11. Вакуумированный корпус 1 снабжен металлизацией 12 внутренней поверхности. The resonator (Fig. 1-5) contains a vacuum case 1, in which a base 2 is fixed with a
Выводы возбуждающих электродов 7 подсоединяются к схеме автогенератора 13, как показано на фиг. 3; выводы транзистора 3, нагревателя 8 и датчика температуры 9 включаются в схему терморегулирования 14. The leads of the
Резонатор с внутренним термостатированием работает следующим образом. При подаче питающего напряжения схема автогенератора 13 через электроды 7 возбуждает колебания пьезоэлемента 6, а система терморегулирования 13 вследствие несоответствия сопротивления датчика температуры 9 значению, соответствующему температуре статирования, открывает транзистор 3, регулирующий ток через пленочный нагреватель 8, вызывая быстрый разогрев пьезоэлемента 6. После достижения на пьезоэлементе 6 заданной температуры система терморегулирования 13 запирает транзистор 3, и почти вся мощность рассеивается в нем, вызывая разогрев металлической пластины 4. В результате переходной процесс в резонаторе существенно ускоряется, что приводит к значительному сокращению времени установления частоты. При этом тепловые потери остаются незначительными, т.к. тепловой поток от термостатируемой части резонатора (пьезоэлемент, закрепленный на металлическом кольце) в окружающую среду проходит через узлы крепления металлической пластины в вакуумированном корпусе, имеющие низкую теплопроводность, а тепловой поток от пьезоэлемента излучением минимизирован металлизацией внутренней поверхности корпуса резонатора. The resonator with internal temperature control works as follows. When a supply voltage is applied, the
Отработка технологии серийного изготовления и испытания проводились на резонаторе в стеклянном вакуумированном корпусе диаметром 19 мм и высотой 28 мм. Внутри корпуса закреплено металлическое кольцо 2, выполненное из сплава 47НД с диэлектрическими изоляторами из стекла С48-2. На металлических (из сплава 29 НК) стержнях кольца, предназначенных для установки пьезоэлемента, приварены контактные (никелевые) лепестки 5, в которых смонтирована пьезокварцевая линза на частоту 10,0 МГц (3-я гармоника, SC-срез). На поверхность линзы нанесены возбуждающие серебряные электроды 7, пленочный никелевый нагреватель 8, а также датчик температуры (терморезистор) 9. Металлическая (медная с никелевым покрытием) пластина 4 установлена на двух парах коваровых (сплав 29 НК) выводов, через стеклянные изоляторы, размещенных с двух сторон от стержней кольца, служащих для крепления пьезоэлемента. Транзистор 3 припаян к медной пластине 4. Внутренняя поверхность корпуса алюминирована. Время установления частоты такого резонатора составляет около 30 с. The development of serial production technology and testing were carried out on the resonator in a vacuum evacuated glass case with a diameter of 19 mm and a height of 28 mm. A metal ring 2, made of alloy 47ND with dielectric insulators made of C48-2 glass, is fixed inside the case. On the metal (from alloy 29 NK) rods of the ring intended for installing the piezoelectric element, contact (nickel)
Для проверки эффективности данного технического решения и подтверждения его преимуществ перед прототипом были также изготовлены образцы с диэлектрическим кольцом из стекла С48-2, к которому приклеивалась металлическая пластина, на которой также с помощью клея был установлен транзистор. To test the effectiveness of this technical solution and confirm its advantages over the prototype, samples were also made with a dielectric ring made of C48-2 glass, to which a metal plate was glued, on which a transistor was also installed using glue.
Сравнение параметров показало, что:
- время установления частоты прототипа ~ на 20% больше;
- долговременная стабильность частоты значительно хуже из-за недостатков прототипа, описанных выше;
- температурная стабильность частоты и потребляемая мощность практически одинаковы, однако, разброс этих характеристик от образца к образцу значительно больше у прототипа.A comparison of the parameters showed that:
- the time to establish the frequency of the prototype ~ 20% more;
- long-term frequency stability is much worse due to the disadvantages of the prototype described above;
- the temperature stability of the frequency and power consumption are almost the same, however, the spread of these characteristics from sample to sample is much greater in the prototype.
Также была проверена эффективность металлизации внутренней поверхности корпуса резонатора. Оказалось, что без металлизации температурная стабильность частоты более чем в 2 раза ухудшается, что вызвано резким увеличением градиентов температуры на пьезоэлементе вследствие роста теплового потока излучением с него в окружающую среду. По этой же причине потребляемая мощность возросла ~ на 40%. Таким образом, без металлизации корпуса преимущества не реализуются. The metallization efficiency of the inner surface of the resonator housing was also tested. It turned out that without metallization, the temperature stability of the frequency is more than 2 times worse, which is caused by a sharp increase in temperature gradients on the piezoelectric element due to an increase in the heat flux by radiation from it into the environment. For the same reason, power consumption has increased by ~ 40%. Thus, without plating the housing, the benefits are not realized.
Следует отметить, что полностью подтвердились преимущества данного изобретения в части технологичности, пригодности к серийному производству и надежности. It should be noted that the advantages of this invention in terms of manufacturability, suitability for mass production and reliability have been fully confirmed.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99111816A RU2155442C1 (en) | 1999-06-04 | 1999-06-04 | Quartz-crystal resonator with internal thermostatic control |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99111816A RU2155442C1 (en) | 1999-06-04 | 1999-06-04 | Quartz-crystal resonator with internal thermostatic control |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2155442C1 true RU2155442C1 (en) | 2000-08-27 |
Family
ID=20220787
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99111816A RU2155442C1 (en) | 1999-06-04 | 1999-06-04 | Quartz-crystal resonator with internal thermostatic control |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2155442C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2444122C1 (en) * | 2010-09-20 | 2012-02-27 | Юрий Сергеевич Иванченко | Quartz resonator |
RU2777015C1 (en) * | 2021-06-09 | 2022-08-01 | Акционерное общество "Морион" | Quartz resonator with partial internal placement of the generator thermostat elements |
-
1999
- 1999-06-04 RU RU99111816A patent/RU2155442C1/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2444122C1 (en) * | 2010-09-20 | 2012-02-27 | Юрий Сергеевич Иванченко | Quartz resonator |
RU2777015C1 (en) * | 2021-06-09 | 2022-08-01 | Акционерное общество "Морион" | Quartz resonator with partial internal placement of the generator thermostat elements |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3284469B2 (en) | Oven-heated crystal resonator and oscillator assembly | |
US6731180B1 (en) | Evacuated hybrid ovenized oscillator | |
US6060692A (en) | Low power compact heater for piezoelectric device | |
CN101895270A (en) | The oscillator arrangement that comprises the thermally-controlled piezoelectric resonator device | |
JP2003309432A (en) | Highly stable piezoelectric oscillator | |
RU2155442C1 (en) | Quartz-crystal resonator with internal thermostatic control | |
RU2329591C1 (en) | Quartz resonator-thermostat | |
JP2005341191A (en) | Constant temperature type crystal oscillator using surface mount crystal vibrator | |
RU2101854C1 (en) | Crystal resonator-thermostat | |
RU103042U1 (en) | QUARTZ RESONATOR-THERMOSTAT | |
JP5741869B2 (en) | Piezoelectric device | |
RU198436U1 (en) | Quartz resonator thermostat | |
GB2161653A (en) | Microwave device | |
RU2444122C1 (en) | Quartz resonator | |
TW202228258A (en) | Oven controlled crystal oscillator | |
RU198435U1 (en) | Quartz resonator thermostat | |
JP2005143060A (en) | Piezoelectric vibrator and piezoelectric oscillator using the same | |
RU2503122C1 (en) | Thermostatted quartz generator | |
US3121153A (en) | Temperature regulation systems | |
RU207070U1 (en) | QUARTZ RESONATOR WITH PARTIAL INTERNAL LOCATION OF GENERATOR THERMOSTAT ELEMENTS | |
RU2236746C1 (en) | Quartz resonator - thermostat | |
RU2207704C2 (en) | Temperature-controlled crystal oscillator | |
JP2003142978A (en) | Electrode shape of piezoelectric vibrator and manufacturing method for the piezoelectric vibrator | |
Abramzon et al. | Miniature OCXO using DHR technology | |
JP2000295066A (en) | Thermal module crystal resonator |