RU2232461C2 - Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамическим параметрам - Google Patents
Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамическим параметрам Download PDFInfo
- Publication number
- RU2232461C2 RU2232461C2 RU2002109112/09A RU2002109112A RU2232461C2 RU 2232461 C2 RU2232461 C2 RU 2232461C2 RU 2002109112/09 A RU2002109112/09 A RU 2002109112/09A RU 2002109112 A RU2002109112 A RU 2002109112A RU 2232461 C2 RU2232461 C2 RU 2232461C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- electrodes
- thickness
- resonators
- frequency
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract 7
- 241000519996 Teucrium chamaedrys Species 0.000 title 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 title 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000368 destabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
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
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
- H03H9/177—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator of the energy-trap type
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано для изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов для фильтров. Техническим результатом является разработка резонатора, работающего по основной гармонике в диапазоне частот 40...100 МГц, с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамической индуктивности и сопротивлению. Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамической индуктивности и сопротивлению изготовлен на основе арматуры типа НС-45, включает кристаллический элемент, выполненный в виде обратной мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность электродными покрытиями, которые имеют крестообразную форму, причем один электрод направлен по оси ZZ', второй - по оси XX', а поперечные размеры электрода рассчитаны согласно критерию моночастотности при удвоенном значении Δf-величины, пропорциональной толщине электродов, а размер выступов электродов d за пересечение определяется соотношением d/h≥30, где h - толщина рабочей области кристаллического элемента. 5 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано для изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов для фильтров.
За последнее время достижения в области технологии в кварцевом производстве позволили значительно расширить частотный диапазон кварцевых резонаторов с кристаллическими элементами (КЭ) AT среза, работающих по основной гармонике. Так, серийно освоены резонаторы, работающие по основной гармонике в диапазоне 40... 100 МГц. В экспериментальном производстве изготавливаются резонаторы, работающие на частотах до 1 ГГц. Применение сверхвысокочастотных резонаторов в радиотехнической аппаратуре, особенно в фильтрах, поставило ряд технических вопросов, связанных с их динамическими параметрами. В первую очередь это касается моночастотности резонаторов и разброса динамической индуктивности и динамического сопротивления, которые в некоторых случаях достигают недопустимых величин (до 50%).
Теоретически максимальное подавление нежелательных резонансов может быть обеспечено при строгом соблюдении соотношений размеров кристаллического элемента и электрода, вытекающих из критерия моночастотности Бехмана:
где Δ f=fs-fe - разность частот за электродной и под электродной областей пьезоэлемента;
fs - частота кристаллического элемента;
de - диаметр электрода;
h - толщина кристаллического элемента;
СZ - постоянная, равная 2,2 для нежелательных ангармонических резонансов с образованием стоячей волны в направлении оси ZZ'.
Для нежелательных ангармонических резонансов с образованием стоячей волны в направлении оси XX' значение Сx=2,75.
Толщина кристаллических элементов, работающих на основной гармонике в диапазоне частот 40... 100 МГц, лежит в пределах 0,04... 0,016 мм. Диаметр электродов, как правило, меньше 1 мм. В качестве примера рассчитаем значение Δ f (величина, пропорциональная толщине электродов) для резонаторов с частотой ~65 МГц при диаметре электродов, равном 0,8 мм,
Значение толщины кристаллического элемента найдем из выражения
где N=1660 кГц· мм частотный коэффициент для AT среза
При диаметре электрода, равном 0,5 мм, значение Δ f=820 кГц. Если учесть, что разброс кристаллических элементов по частоте перед нанесением электродов составляет ± 100... 150 кГц, то в реальных условиях производства сверхвысокочастотных резонаторов выполнить условия критерия Бехмана в большинстве случаев невозможно. Кроме того, толщина электродного покрытия при таких значениях Δ f лежит в пределах 0,065... 0,1 мкм и имеет достаточно высокое сопротивление.
Другим недостатком использования традиционных круглых электродов в конструкциях ВЧ резонаторов является невозможность обеспечения заданного значения динамической индуктивности и сопротивления с приемлемым разбросом. Согласно классическим формулам индуктивность и сопротивление связаны с константами кварца и размерами пьезоэлемента следующими соотношениями:
где ρ - плотность кварца;
ε - обобщенный пьезоэлектрический модуль;
α m - постоянная затухания;
h - толщина кристаллического элемента;
Se - площадь электрода.
Из приведенных соотношений видно, что значения Lk и Rk прямо пропорциональны кубу толщины КЭ и обратно пропорциональны площади электрода.
Технология изготовления КЭ в настоящее время позволяет получить разброс по толщине менее ± 0,1 мкм. Разброс по динамической индуктивности, обусловленный разбросом по толщине, составляет в этом случае не более 2%. Основной разброс по индуктивности вызван неточностью исполнения геометрических размеров электродов. Например, при разбросе электродов по диаметру ± 0,05 мм, разброс по индуктивности составит около ± 10%. Наибольший вклад в разброс по индуктивности вносит несоосность электродов. Качественная оценка влияния несоосности электродов на величину индуктивности показана на фиг.1.
В конечном счете индуктивность резонатора пропорциональна пьезоэлектрическому току, протекающему в области электродов. Поток электронов, определяющий величину пьезоэлектрического тока, параллелен кристаллографической оси У. Таким образом, могут быть рассмотрены три случая расположения электродов на поверхности кристаллического элемента. На фиг.1а показан случай, когда смещение электродов симметрично относительно оси У, т.е. ось У делит верхний и нижний электроды на две равные части. В этом случае de=dэф (dэф - эффективный диаметр электродов, определяющий пьезоэлектрический ток). В области электродов протекает максимальный пьезоэлектрический ток, определяющий самое низкое значение динамической индуктивности Lk.
Фиг.1б соответствует соосному расположению электродов. В этом случае эффективный диаметр электрода меньше геометрического, что приводит к увеличению индуктивности.
В третьем случае, показанном на фиг.1в, смещение электродов несимметрично относительно оси У. Эффективный диаметр электрода наименьший, динамическая индуктивность максимальна.
Такая же закономерность наблюдается между величиной динамического сопротивления и характером несоосности электродов.
В литературе известны конструкции высокочастотных фильтровых резонаторов, в которых обеспечивается подавление нежелательных резонансов, при несоблюдении критерия Бехмана. В качестве аналога можно привести резонатор, предложенный в авторском свидетельстве №399045 от 27.03.74 “Высокочастотный пьезоэлектрический резонатор” [1]. В данном случае используется пьезоэлемент с параллельным полем возбуждения колебаний, что, по мнению авторов, позволяет управлять как интенсивностью нежелательных резонансов, так и их разносом по частоте относительно основного колебания. Недостатком таких резонаторов является завышенное значение динамической индуктивности, а также ограниченный диапазон выбора индуктивности, что не всегда приемлемо.
В авторских свидетельствах №362419, №362420 от 30.01.73 “Фильтровый пьезоэлектрический резонатор” [2-3] предлагается использовать вогнутые кристаллические элементы с обычными круглыми электродами. В конструкции по авторскому свидетельству №362420 дополнительно на торец пьезоэлемента наносится поглощающее покрытие.
Резонаторы с вогнутыми кристаллическими элементами, как правило, малоактивны, поскольку в таких конструкциях происходит значительная утечка акустической энергии основного колебания из центральной части пьезоэлемента к его краям. Кроме того, кристаллическим элементам, имеющим форму обратной мезаструктуры с толщиной в рабочей области 0,016... 0,04 мм, придать вогнутость практически невозможно.
Наиболее близким решением к предлагаемому в настоящей заявке является резонатор, изготовленный на основе пьезоэлемента, приведенного в авторском свидетельстве №325690 от 29.11.72 “Пьезоэлектрический элемент” [4].
В рассматриваемом изобретении предлагается наносить на кристаллический элемент, кроме основной пары электродов, образующей основной резонатор, дополнительно систему короткозамкнутых электродов, образующих дополнительные независимые резонаторы. Именно в области этих резонаторов с короткозамкнутыми электродами и происходит рассеивание акустической энергии побочных резонансов. К недостаткам таких резонаторов следует отнести сложность конструкции, требующей настройки нескольких резонаторов, расположенных на одном кристаллическом элементе, что несомненно приведет к уменьшению как производительности, так и процента выхода годных. Можно также ожидать, что на краях электродов дополнительных резонаторов будет происходить рассеивание акустической энергии основного резонанса.
Рассмотренные выше конструкции резонаторов с различными топологиями электродов на кристаллическом элементе обладают еще одним серьезным недостатком. В этих конструкциях не решается проблема разброса по динамической индуктивности и сопротивлению, обусловленным неточностью выполнения геометрических размеров электродных покрытий.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции миниатюрного высокочастотного кварцевого резонатора для фильтров, работающего по основной гармонике в диапазоне частот 40... 100 МГц, с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамической индуктивности и сопротивлению.
Решение задачи достигается использованием пьезоэлемента с нестандартными круглыми или квадратными электродами, а с электродами крестообразной формы, показанными на фиг.2, где 1 - кристаллический элемент, выполненный в форме обратной мезаструктуры; 2 - электроды крестообразной формы; Da - диаметр области кристаллического элемента, в который вписываются выступы крестообразных электродов; d - расстояние от центра перекрытия до края продольного электрода.
Такая форма электродов позволяет значительно расширить частотный диапазон резонаторов с обеспечением требований по моночастотности, вытекающих из теории захвата энергии.
Следует отметить, что электроды просто квадратной или прямоугольной формы имеют преимущество по сравнению с круглой. Например, для обеспечения заданной динамической индуктивности резонатора, работающего по основной гармонике на частоте 65 МГц, потребовалось использовать круглый электрод диаметром 0,5 мм (площадь электрода равна 0,2 мм2). Из критерия моночастотности следует, что максимальное ослабление побочных резонансов может быть обеспечено при Δ f=820 кГц. При квадратной форме электрода та же площадь реализуется при размерах dex× dez=0,45× 0,45 мм. При этом оптимальное значение Δ f=1025 кГц. Если использовать прямоугольную форму электродов с отношением сторон, вытекающим из соотношения постоянных Сnх и Cnz, равном 1,25, то заданную площадь электродов можно получить при размерах dex× dez=0,4× 0,5 мм. При этом значение Δ f будет равно 1282 кГц. Таким образом, прямоугольная форма электродов позволяет увеличить примерно на 50% толщину электродов по сравнению с круглой при сохранении заданных динамических параметров.
Крестообразная форма электродов позволяет увеличить этот выигрыш по существу в 2 раза по отношению к прямоугольной.
Обоснованно это может быть на основе следующих соображений. Одной из основных величин в критерии моночастотности (1) является величина Δ f=fs-fe. При круглой или квадратной (прямоугольной) форме электродов значение fs соответствует частоте неметаллизированного кристаллического элемента. При крестообразной форме электродов частота fs соответствует области с нанесенным с одной стороны электродным покрытием. Это и позволяет обеспечить оптимальное значение Δ f при удвоенной толщине электродных покрытий.
Другим преимуществом применения электродов крестообразной формы в конструкциях высокочастотных фильтровых резонаторов является резкое уменьшение разбросов по динамической индуктивности и сопротивлению, поскольку исключается один из основных технологических факторов, связанный с разбросом, несоосность электродов.
Что касается продольных размеров крестообразных электродов, то они могут быть выбраны из широко известного соотношения, на основе которого рассчитывается размер плоского круглого кристаллического элемента для высокочастотного резонатора. Соотношение это имеет вид D/h≥ 60. При таком соотношении диаметра D кристаллического элемента к его толщине h обеспечивается полное затухание на краю пьезоэлемента акустических колебаний основного резонанса, возбуждаемых в области электродов. Это, в свою очередь, обеспечивает стабильность резонансных колебаний и эквивалентных динамических параметров резонатора при воздействии на него различных дестабилизирующих факторов. При крестообразной форме электродных покрытий не должно происходить рассеивание акустической энергии основного резонанса на краях электродных покрытий. Это обеспечивается при выполнении соотношения Da/h≥ 60, где Da - диаметр области кристаллического элемента, в который вписываются выступы крестообразных электродов, фиг.2. Таким образом, расстояние от центра перекрытия d до края продольного электрода должно удовлетворять соотношению d/h≥ 30.
Экспериментальная проверка изложенных выше выкладок была проведена на основе резонаторов, работающих на основной гармонике на частоте 65000 кГц, изготовленных на основе пьезоэлементов, имеющих крестообразные электроды с размерами перекрытия 0,5× 0,5 мм и круглые электроды диаметром 0,8 мм.
В таблице 1 приведены значения динамической индуктивности Lk, сопротивления Rk, ослабление нежелательных резонансов Δ а и частотное расстояние Δ F между частотой нежелательного и основного резонансов при значении Δ f=2100... 2300 кГц для резонаторов с крестообразной формой электродов. Как видно из этой таблицы, среднее значение индуктивности L=2,8 мГн, разброс по индуктивности составляет ± 0,1 мГн, что составляет ± 3,6%. Ослабление побочных резонансов составляет 30... 35 дБ. Типичная спектральная характеристика для резонаторов с толщиной электродов, соответствующих Δ f=2100... 2300 кГц, приведена на фиг.3. Главное, что следует отметить, это наличие широкого частотного диапазона (около 1000 кГц), в котором полностью отсутствуют нежелательные резонансы.
На фиг.4 приведена спектральная характеристика резонаторов с крестообразной формой электродов при Δ f=800... 1000 кГц. Ослабление нежелательных резонансов также лежит в пределах 30... 35 дБ. Однако ближайший побочный резонанс отстоит от основного всего на 300 кГц.
В таблице 2 приведены значения тех же динамических параметров для резонаторов с круглой формой электродов диаметром 0,8 мм. Среднее значение индуктивности для этих резонаторов составляет 1,5 мГн. Разброс по индуктивности составляет ± 0,3 мГн, что соответствует ± 20%. Ослабление побочных резонансов составляет всего лишь 10... 20 дБ.
Типичная спектральная характеристика резонаторов с круглыми электродами диаметром 0,8 мм при Δ f=2100... 2300 кГц, приведена на фиг.5. Как видно из фиг.5, частотный диапазон полного отсутствия побочных резонансов сузился до 250 кГц, возросло общее количество побочных колебаний.
Приведенные экспериментальные данные убедительно подтверждают сделанные выводы о преимуществах крестообразной формы электродов. Более чем в 5 раз уменьшился разброс по динамической индуктивности. Ослабление побочных резонансов лежит в пределах 30... 35 дБ, при этом появляется возможность в широких пределах регулировать частотный диапазон полного отсутствия нежелательных резонансов.
Claims (1)
- Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамической индуктивности и сопротивлению, изготавливаемый на основе арматуры типа НС-45, включающий кристаллический элемент, выполненый в виде обратной мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность электродными покрытиями, отличающийся тем, что электродные покрытия имеют крестообразную форму, причем один электрод направлен по оси ZZ', второй - по оси XX', а поперечные размеры электрода рассчитаны согласно критерию моночастотности при удвоенном значении Δf-величины, пропорциональной толщине электродов, а размер выступов электродов d за пересечение определяется соотношением d/h≥30, где h - толщина рабочей области кристаллического элемента.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002109112/09A RU2232461C2 (ru) | 2002-04-08 | 2002-04-08 | Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамическим параметрам |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002109112/09A RU2232461C2 (ru) | 2002-04-08 | 2002-04-08 | Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамическим параметрам |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002109112A RU2002109112A (ru) | 2003-10-27 |
RU2232461C2 true RU2232461C2 (ru) | 2004-07-10 |
Family
ID=33412396
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002109112/09A RU2232461C2 (ru) | 2002-04-08 | 2002-04-08 | Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамическим параметрам |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2232461C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2536389C2 (ru) * | 2009-12-15 | 2014-12-20 | Те Свотч Груп Рисерч Энд Дивелопмент Лтд | Резонатор с температурной компенсацией по меньшей мере первого и втрого порядка |
RU2724795C1 (ru) * | 2019-11-07 | 2020-06-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Схема возбуждения частотного датчика |
-
2002
- 2002-04-08 RU RU2002109112/09A patent/RU2232461C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2536389C2 (ru) * | 2009-12-15 | 2014-12-20 | Те Свотч Груп Рисерч Энд Дивелопмент Лтд | Резонатор с температурной компенсацией по меньшей мере первого и втрого порядка |
RU2724795C1 (ru) * | 2019-11-07 | 2020-06-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Схема возбуждения частотного датчика |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7868517B2 (en) | Lamb wave resonator | |
US8446079B2 (en) | Piezoelectric resonator with vibration isolation | |
US6812619B1 (en) | Resonator structure and a filter comprising such a resonator structure | |
CN115021705B (zh) | 一种高频声波谐振器及应用其的滤波器 | |
WO1998038736A1 (fr) | Vibrateur piezoelectrique et son procede de fabrication | |
JP6505152B2 (ja) | 質量調整構造付きバルク音波共振器およびバルク音波フィルター | |
DE2849782C2 (de) | Piezoelektrischer Schwinger | |
JP2005124107A (ja) | 圧電薄膜共振子及びフィルタ | |
US20130300253A1 (en) | Surface acoustic wave device | |
JPS5938764B2 (ja) | 厚みすべり水晶振動子 | |
US7320164B2 (en) | Method of manufacturing an electronic component | |
RU2232461C2 (ru) | Миниатюрный высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамическим параметрам | |
EP3883130A1 (en) | Bulk acoustic wave resonator, filter, and electronic device | |
DE2713672C2 (de) | Frequenzselektive Anordnung | |
JPS5842649B2 (ja) | アツデンロハキ | |
WO2022000590A1 (zh) | 容性、感性交叉耦合结构及介质波导滤波器 | |
JPH0370921B2 (ru) | ||
CA1180809A (en) | Twt interaction circuit with broad ladder rungs | |
US4455503A (en) | Rectangular piezoelectric resonator with a slot in one surface | |
CN113676150A (zh) | 一种兰姆波器件及其制备方法 | |
Iwata | Measured resonance characteristics of a 2-GHz-fundamental quartz resonator | |
WO2021062923A1 (zh) | 介质滤波器的容性耦合结构、平衡度调节方法及滤波器 | |
CN113726307B (zh) | 有效机电耦合系数可调的超高频谐振器 | |
CN118041282A (zh) | 兰姆波谐振器及其制作方法 | |
CA1196398A (en) | Piezoelectric resonator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080409 |