RU2174736C2

RU2174736C2 - Method for manufacturing high-frequency crystal resonator of improved linearity

Info

Publication number: RU2174736C2
Application number: RU99116923A
Authority: RU
Inventors: С.Н. Кибирев; В.Н. Зима; Б.В. Сивков
Original assignee: Омский научно-исследовательский институт приборостроения
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2001-10-10

Abstract

FIELD: piezoelectric engineering; monolithic crystal filters. SUBSTANCE: method involves burn-in of piezoelectric crystal resonator by applying resonant voltage of 5-8 V for 1-2 minutes during its adjustment, check-up of its transient characteristics, and after its mounting in case and sealing the latter. EFFECT: reduced band and beyond-band intermodulation; enhanced yield of resonators and filters.

Description

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано при изготовлении высокочастотных кварцевых резонаторов и монолитных кварцевых фильтров. The invention relates to the field of piezotechnics and can be used in the manufacture of high-frequency quartz resonators and monolithic quartz filters.

К фильтровым кварцевым резонаторам, кроме требований к динамическим параметрам и стабильности, предъявляются очень жесткие требования к их линейности. Известно, что интермодуляционные искажения вызваны главным образом качеством очистки пьезоэлемента (см. L.Dworsky, R.Kinsman. A Simple Single Model for Guartz Crystal Resonator Low Level Drive Sensitivity and Filter Intermodulation. IEEE on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 1994, vol. 41, N 2, p. 261-268.)
С физической точки зрения интермодуляционные искажения связаны с присутствием на поверхности пьезоэлемента посторонних частиц, масляных пленок и других загрязнений. Работу такого пьезоэлемента можно проанализировать на основе модели, состоящей из колеблющегося пьезоэлемента (линейная часть) и связанной с ним нелинейной цепи (частица плюс связь). Наличие нелинейной цепи приводит к появлению в кварцевых резонаторах интермодуляционных искажений двух типов. Так, на частотах выше 30 МГц первый тип связан с сигналами, отстроенными от собственной частоты резонатора до 100 кГц и более (внеполосовая интермодуляция). Второй тип искажений возникает, когда частоты сигналов лежат в пределах резонансной кривой резонатора. При этом, как правило, частота одного сигнала совпадает с частотой резонатора, частота второго - отстроена от первого в пределах 6 кГц (полосовая интермодуляция).To filter quartz resonators, in addition to the requirements for dynamic parameters and stability, very stringent requirements are imposed on their linearity. It is known that intermodulation distortions are mainly caused by the quality of the piezoelectric element cleaning (see L. Dworsky, R. Kinsman. A Simple Single Model for Guartz Crystal Resonator Low Level Drive Sensitivity and Filter Intermodulation. IEEE on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 1994, vol 41, N 2, p. 261-268.)
From a physical point of view, intermodulation distortion is associated with the presence of foreign particles, oil films, and other contaminants on the surface of the piezoelectric element. The operation of such a piezoelectric element can be analyzed on the basis of a model consisting of an oscillating piezoelectric element (linear part) and the associated nonlinear circuit (particle plus coupling). The presence of a nonlinear circuit leads to the appearance of intermodulation distortions of two types in quartz resonators. So, at frequencies above 30 MHz, the first type is associated with signals tuned from the natural frequency of the resonator to 100 kHz or more (out-of-band intermodulation). The second type of distortion occurs when the frequencies of the signals lie within the resonance curve of the resonator. In this case, as a rule, the frequency of one signal coincides with the frequency of the resonator, the frequency of the second is tuned from the first within 6 kHz (band intermodulation).

Современные требования по интермодуляции следующие:
- полосовая интермодуляция не менее 80 дБ/мкВ;
- внеполосовая - не менее 100 дБ/мкВ.Current intermodulation requirements are as follows:
- band intermodulation of at least 80 dB / μV;
- out-of-band - not less than 100 dB / μV.

Существующая технология изготовления фильтровых резонаторов, работающих на основной гармонике на частотах выше 30 МГц, включающая шлифовку кристаллических элементов, монтаж, настройку, контроль динамических параметров и герметизацию, не обеспечивает этих требований. В лучшем случае могут быть реализованы следующие значения:
- полосовая интермодуляция - (50-60) дБ/мкВ;
- внеполосовая - (80-90) дБ/мкВ.The existing manufacturing technology of filter resonators operating at the fundamental harmonic at frequencies above 30 MHz, including grinding of crystalline elements, installation, tuning, control of dynamic parameters and sealing, does not provide these requirements. At best, the following values can be implemented:
- band intermodulation - (50-60) dB / μV;
- out-of-band - (80-90) dB / μV.

При этом процент выхода годных лежит в пределах не более 70%. In this case, the percentage of yield is within no more than 70%.

Одна из главных причин столь высоких амплитуд интермодуляционных помех связана с загрязнениями основных поверхностей пьезоэлемента. One of the main reasons for such high amplitudes of intermodulation interference is associated with contamination of the main surfaces of the piezoelectric element.

Известен способ изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов путем шлифовки кристаллического элемента, очистки его, нанесения электродов, монтажа, настройки, контроля динамических параметров и герметизации в корпус (см. Труды 28 симпозиума по стабилизации частоты). По данному способу поверхность кристаллического элемента перед нанесением электродов очищают ионами аргона с энергией около 1 кэВ и постоянным напряжением 500 В на стойках держателя, при этом не устраняется возможность попадания загрязнений на поверхность пьезоэлемента на операциях нанесения электродов, настройки, контроля динамических параметров и герметизации в корпус. Следовательно, причина появления интермодуляционных искажений не устраняется. A known method of manufacturing high-frequency quartz resonators by grinding a crystalline element, cleaning it, applying electrodes, mounting, tuning, monitoring dynamic parameters and sealing into the housing (see Proceedings of the 28th symposium on frequency stabilization). According to this method, before applying the electrodes, the surface of the crystalline element is cleaned with argon ions with an energy of about 1 keV and a constant voltage of 500 V on the racks of the holder, while this does not eliminate the possibility of contaminants getting onto the surface of the piezoelectric element during the operations of applying electrodes, adjusting, controlling dynamic parameters and sealing into the case . Therefore, the cause of the appearance of intermodulation distortion is not eliminated.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора путем шлифовки кристаллического элемента, очистки его поверхности в химических растворах с применением ультразвука, нанесения электродов, монтажа, настройки, контроля динамических параметров и герметизации в корпус (см. А.Г. Смагин. Пьезоэлетрические резонаторы и их применение. М., 1967, стр. 126-150). Недостаток этого способа связан с применением химических реактивов (кислот, щелочей, растворителей), которые не являются идеально чистыми веществами и сами являются источниками загрязнений поверхности пьезоэлемента. Применение ультразвука улучшает качество очистки поверхности кристаллического элемента, но не обеспечивает чистоту его поверхности на последующих операциях технологического процесса. В процессе нанесения электродов, монтажа пьезоэлемента в держатель, настройки, контроля динамических параметров и герметизации в корпус поверхность пьезоэлемента может загрязниться парами масла (при вакуумном напылении электродов), металлическими частицами стенок технологического оборудования, пылинками из атмосферы и т.п.). В результате после герметизации в корпус высокочастотный кварцевый резонатор, как правило, имеет достаточно высокую амплитуду интермодуляционных искажений. The closest technical solution to the claimed method is a method of manufacturing a high-frequency quartz resonator by grinding a crystalline element, cleaning its surface in chemical solutions using ultrasound, applying electrodes, mounting, tuning, monitoring dynamic parameters and sealing into the housing (see A.G. Smagin Piezoelectric resonators and their application. M., 1967, pp. 126-150). The disadvantage of this method is associated with the use of chemical reagents (acids, alkalis, solvents), which are not perfectly pure substances and are themselves sources of pollution of the surface of the piezoelectric element. The use of ultrasound improves the quality of cleaning the surface of the crystalline element, but does not ensure the purity of its surface in subsequent operations of the process. In the process of applying electrodes, mounting the piezoelectric element in the holder, adjusting it, controlling the dynamic parameters and sealing it into the body, the surface of the piezoelectric element may be contaminated with oil vapors (during vacuum deposition of the electrodes), metal particles of the walls of technological equipment, dust particles from the atmosphere, etc.). As a result, after sealing into the casing, the high-frequency quartz resonator, as a rule, has a rather high amplitude of intermodulation distortions.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение линейности кварцевых резонаторов и повышение процента выхода годных. The problem to which the invention is directed, is to improve the linearity of quartz resonators and increase the percentage of yield.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов путем шлифовки кристаллического пьезоэлемента, очистки его поверхности в химических растворах с применением ультразвука, нанесения электродов, монтажа, настройки, контроля динамических параметров и после герметизации в корпус высокочастотный кварцевый резонатор подвергают электротренировке путем подачи на него резонансного электрического напряжения величиной 5-8 В в течение одной-двух минут. При указанных режимах на границе газовая среда - кристаллический пьезоэлемент образуется ультразвуковое поле, интенсивность которого определяется амплитудой смещения поверхностных частиц пьезоэлемента. Наличие ультразвукового поля обязательно для эффективной очистки поверхности пьезоэлемента. Это подтверждается тем, что попытка улучшить линейность кварцевых резонаторов только за счет увеличения амплитуды механических колебаний, например, для вакуумированных резонаторов, как правило, не обеспечивает стабильных результатов. Присутствующим на поверхности пьезоэлемента частицам и загрязнениям ультразвуковое поле передает импульс движения, и они удаляются с поверхности пьезоэлемента. В результате устраняется причина нелинейности кварцевого резонатора, что ведет к уменьшению интермодуляционных помех и повышению процента выхода годных. Указанные режимы электротренировки позволили уменьшить полосовую и внеполосовую интермодуляцию до значений более 80 дБ/мкВ и 100 дБ/мкВ соответственно, а процент выхода годных кварцевых резонаторов по этим параметрам составлял 100%. The solution to the problem is achieved by the fact that in the known method of manufacturing high-frequency quartz resonators by grinding a crystalline piezoelectric element, cleaning its surface in chemical solutions using ultrasound, applying electrodes, mounting, tuning, controlling dynamic parameters, and after sealing the high-frequency quartz resonator is electrically trained by feeding it resonant electrical voltage of 5-8 V for one to two minutes. Under these conditions, an ultrasonic field is formed at the interface between the gas medium and the crystalline piezoelectric element, the intensity of which is determined by the amplitude of the displacement of the surface particles of the piezoelectric element. The presence of an ultrasonic field is necessary for effective cleaning of the surface of the piezoelectric element. This is confirmed by the fact that an attempt to improve the linearity of quartz resonators only by increasing the amplitude of mechanical vibrations, for example, for evacuated resonators, as a rule, does not provide stable results. The particles and contaminants present on the surface of the piezoelectric element transmit an impulse of movement, and they are removed from the surface of the piezoelectric element. As a result, the cause of the nonlinearity of the quartz resonator is eliminated, which leads to a decrease in intermodulation interference and an increase in the yield percentage. The indicated modes of electrotraining made it possible to reduce the band and out-of-band intermodulation to values of more than 80 dB / μV and 100 dB / μV, respectively, and the yield rate of quartz resonators by these parameters was 100%.

Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что он может быть применен для исправления бракованных, уже загерметизированных резонаторов без изменения их динамических параметров. A distinctive feature of the proposed method is that it can be used to correct defective, already sealed resonators without changing their dynamic parameters.

Способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора с ослаблением интермодуляционных помех реализуется в такой последовательности. После шлифовки кристаллических элементов, химической очистки их поверхности с применением ультразвука, нанесения электродов, монтажа и настройки, резонаторы подвергаются 100%-ной проверке по требованиям к полосовой и внеполосовой интермодуляции. Кварцевые резонаторы, у которых интермодуляционные помехи выше допустимых, подвергаются электротренировке. Для этого резонатор помещают в камеру с инертным газом, например аргоном, и подают на него резонансное электрическое напряжение величиной 5-8 В в течение 1-2 мин. После выполнения электротренировки интермодуляционные искажения, связанные с загрязнением поверхности кристаллического пьезоэлемента уменьшаются до значений более 100 дБ/мкВ для внеполосовой и более 80 дБ/мкВ для интермодуляции, что соответствует 100%-ному выходу годных резонаторов. A method of manufacturing a high-frequency quartz resonator with attenuation of intermodulation interference is implemented in this sequence. After polishing the crystalline elements, chemically cleaning their surface using ultrasound, applying electrodes, mounting and tuning, the resonators undergo 100% verification of the requirements for strip and out-of-band intermodulation. Quartz resonators, in which the intermodulation noise is higher than permissible, are subjected to electrical training. For this, the resonator is placed in a chamber with an inert gas, for example argon, and a resonant voltage of 5-8 V is applied to it for 1-2 minutes. After performing electrical training, the intermodulation distortion associated with surface contamination of the crystalline piezoelectric element is reduced to values greater than 100 dB / μV for out-of-band and more than 80 dB / μV for intermodulation, which corresponds to a 100% yield of suitable resonators.

При подаче на высокочастотный кварцевый резонатор резонансного электрического напряжения менее 5 В процент выхода годных при установленных требованиях к ослаблению амплитуды помех 100 дБ/мкВ для внеполосовой и 80 дБ/мкВ для полосовой интермодуляции уменьшается. Связано это с тем, что импульс, передаваемый ультразвуковым полем частицам и загрязнениям на поверхности пьезоэлемента, недостаточен для удаления их с поверхности. Использование резонансного электрического напряжения более 8 В не увеличивает эффективности очистки пьезоэлементов и экономически неоправдано. Кроме того, при высоких напряжениях в пьезоэлементе могут возникнуть микротрещины, что приведет к снижению надежности и стабильности работы кварцевого резонатора. When a resonant voltage of less than 5 V is applied to a high-frequency quartz resonator, the percentage of suitable output under the established requirements for attenuation of the noise amplitude is 100 dB / μV for out-of-band and 80 dB / μV for band-wise intermodulation. This is due to the fact that the impulse transmitted by the ultrasonic field to particles and impurities on the surface of the piezoelectric element is insufficient to remove them from the surface. The use of resonant electric voltage of more than 8 V does not increase the cleaning efficiency of piezoelectric elements and is not economically justified. In addition, at high voltages, microcracks can occur in the piezoelectric element, which will lead to a decrease in the reliability and stability of the quartz resonator.

Электротренировка резонансным электрическим напряжением 5-8 В менее одной минуты также недостаточна для обеспечения стопропроцентного выхода резонаторов с ослаблением интермодуляционных искажений более 100 дБ/мкВ (внеполосовые) и более 80 дБ/мкВ (полосовые). Увеличение времени электротренировки более двух минут также не повышает эффективности очистки и экономически неоправдано. Electrotraining with a resonant voltage of 5-8 V for less than one minute is also insufficient to provide a stop-percent output of the resonators with attenuation of intermodulation distortion of more than 100 dB / μV (out-of-band) and more than 80 dB / μV (band-wise). An increase in the electrotraining time of more than two minutes also does not increase the cleaning efficiency and is not economically justified.

Следовательно, время в 1-2 минуты вполне достаточно для удаления загрязнений с поверхности кристаллического пьезоэлемента и нет необходимости неоправданно увеличивать трудоемкость данной операции. Если интермодуляционные искажения увеличиваются на последующих операциях, вплоть до герметизации пьезоэлемента в корпус, то электротренировку следует проводить на любой из них и даже тогда, когда пьезоэлемент загерметизирован в корпус. Therefore, a time of 1-2 minutes is quite enough to remove contaminants from the surface of the crystalline piezoelectric element and there is no need to unreasonably increase the complexity of this operation. If intermodulation distortions increase in subsequent operations, up to sealing the piezoelectric element into the body, then electrical training should be carried out on any of them, and even when the piezoelectric element is sealed in the body.

Таким образом, разработанный способ изготовления высокочастотного кварцевого резонатора с улучшенной линейностью позволяет уменьшить внеполосовую интермодуляционную помеху до значения более 100 дБ/мкВ и полосовую интермодуляционную помеху до значения более 80 дБ/мкВ. При этом процент выхода годных высокочастотных кварцевых резонаторов составляет 100% по этим параметрам. Thus, the developed method for manufacturing a high-frequency quartz resonator with improved linearity allows to reduce out-of-band intermodulation interference to a value of more than 100 dB / μV and band-frequency intermodulation interference to a value of more than 80 dB / μV. In this case, the yield percentage of high-frequency quartz resonators is 100% in these parameters.

Claims

A method of manufacturing a high-frequency quartz resonator, including grinding a crystalline piezoelectric element, cleaning its surface in chemical solutions using ultrasound, applying electrodes, mounting in a holder, tuning a high-frequency quartz resonator, controlling dynamic parameters and sealing into a housing, characterized in that when setting up, monitoring dynamic parameters and after sealing into the case, the high-frequency quartz resonator, in which the intermodulation noise is higher than the permissible, They can do electric training in an inert gas environment by applying a resonant voltage of 5–8 V for 1–2 min.