Кварцевые резонаторы

Физические свойства кварца

Кварц является двуокисью кремния, минералом, относящимся к диэлектрикам, широко представленным в земной коре. Из четырех его разновидностей для изготовления резонаторов используется одна — β-кварц. Он в отличие от остальных трех разновидностей обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Пьезоэлектричество открыто французскими физиками — братьями Ж. и П. Кюри в 1881 г. при опытах именно с β-кварцем. Они обнаружили появление на гранях кристалла электрических зарядов при действии механических напряжений (прямой пьезоэффект) и возникновение механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэффект). Основы теории кристаллов кварца и его применения разрабатывались в СССР А. В. Шубниковым.

Кварц (здесь и далее будет пониматься β-кварц) встречается в природе и выращивается искусственно в форме кристаллов. Идеализированной формой кристалла является шестигранная призма, оканчивающаяся с торцов шестигранными пирамидами (рис. 1. а). У кристалла кварца различают семь кристаллографических осей (рис. 1. б): три электрические (X — X), проходящие через ребра, три механические (У—У), перпендикулярные граням, одну оптическую (Z — Z), проходящую через вершины пирамид.

Кристаллографические оси указывают на анизотропность физических свойств кварца, т. е. некоторые из них зависят от направления наблюдения или измерения. Так, например, пьезоэлектрические свойства проявляются только в направлениях осей X и Y. Физические свойства кварца очень слабо зависят от внешних условий. Наиболее существенно они зависят от температуры: изменяется диэлектрическая проницаемость и удельное сопротивление. При температуре более 573°С кварц теряет пьезоэлектрические свойства и переходит в другую разновидность.

По твердости он незначительно уступает алмазу. Кристаллы или прозрачны, или имеют цвет, определяемый примесями. Искусственные кристаллы обладают несколько худшими параметрами.

В заключение краткого рассмотрения физических свойств кварца укажем на причины, из-закоторых именно он широко используется для изготовления кварцевых резонаторов, несмотря на то что более 1500 веществ обладают пьезоэффектом: прямой и опрятным пьезоэффект, высокая эталонность параметров, большая добротность, химическая стойкость, прочность, широкая распространенность в природе, что определяет сравнительно низкую его стоимость.

Кварцевый резонатор является высокодобротной электромеханической системой. Он состоит из кристаллического элемента 1 (рис 2. а) и кварцедержателя 2,который посредством выводов 3 подключается к схеме АГ. Кристаллический элемент (КЭ) в кварцедержателе может помещаться в

Рис. 1. Кристалл β-кварца: а – идеализированная форма кварца; б – ориентация кристаллографических осей.

вакуумном баллоне 4 или герметизированном кожухе для исключения влияния атмосферы КЭ вырезается из кристалла кварца в форме прямоугольной пластинки, бруска, диска или линзы Электромеханическиесвойства КЭ зависят как от его размеров и формы, так и от среза — ориентации относительно осей кристалла. Различают простые и косые срезы. У простых

срезов плоскость среза перпендикулярна или оси X (это Х-срез), или оси Y (это Y-cрез) КЭ, соответствующие X и Y- срезам, имеют большие температурные коэффициенты частоты (ТКЧ).

Рис. 2. Кварцевый резонатор:

а – вариант конструкции (1 – кристаллический элемент; 2 – кварцедержатель; 3 – выводы; 4 – баллон; 5 - электроды); б – кристаллический элемент с электродами.

ТКЧ — это относительная нестабильность при изменении температуры на один градус Цельсия, причем ТКЧ Х-среза отрицательный (до — 3*10^-5), a ТКЧ Y-среза -положительный (до 18*10^-5). Закономерен был поиск косых срезов, при которых пъезоэлементы ориентированы иначе, чем X и Y-срезы, относительно кристаллографических осей.

И были найдены срезы, для которых ТКЧ в некотором интервале температур близок к нулю.

КЭ, помещенный между двумя электродами, образует пьезоэлемент (рис. 2.б). Электроды закрепляются определенным образом в узлах механических колебаний пьезоэлемента, чтобы не увеличивать его затухания.

Габариты пьезоэлемента уменьшаются с ростом номинальной частоты, на которую рассчитывается резонатор, поскольку они определяют собственные резонансные частоты. Это условие обязательно для расстояния между гранями КЭ, с которыми контактируют электроды. Изготовление КЭ тоньше 0,1 мм затруднено из-за хрупкости кварца. Следовательно, ограничивается сверху предел стабилизируемых частот. Практически он не превышает 150 МГц. Трудно также изготовить резонатор точно на заданную частоту стабилизации. Это зачастую приводит к необходимости устанав­ливать добавочные реактивные элементы подстройки. Они же необходимы, чтобы устранить уход частоты при старении пьезоэлемента.

Полное условное обозначение РК в технической документации состоит из девяти элементов. На баллоне или кожухе указывается только номинальная частота (рис. 2.в). Например, в обозначении РК 1 КБ-12Г Б-6ДМ-В-В цифры 6,1 в сочетании с буквой М указывают частоту в мегагерцах, буква М означает также, что РК работает на высшей гармонике (n > 1). Если РК работает на основной (первой) гармонике (n= 1), частота обозначается в килогерцах, например, было бы 6100K.

Дата добавления: 2014-12-07