Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 [6] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

минимальные, не превышающие заданного значения изменения щстоты в диапазоне температур. С точки зрения поиска термостабильных ориентации существенны два момента, характерные для пьезокварца:

1) наиболее термочувствительным из параметров, определяющих частоту пьезорезонатора, является упругий модуль (или упругая податливость) . По этой пртчине ТКЧ решающим образом определяется температурным коэффициентом (ТК) упругих констант;

2) знак ТК первого порядка для упругих модулей cj {Sjj) может быть как положительным, так и отртцательным. Поскольку действующие значения упругих констант представляют, как правило, комбинацию из нескольких упругих модулей, то для ряда ориентации пьезоэлементов при определенных типах колебаний температурные изменения действующих значений упругих констант, а следовательно, и ТКЧ могут быть сделаны близкими к нулевым благодаря взаимной компенсации температурных изменений модулей с,у (s,y), определяющих действующую упругую константу.

Так, для резонаторов повернутых У-срезов с колебаниями сдвига по толщине частота резонанса определяется соотношением

сбб = Сбб cose +C44Sin0 + Ci4sin20;

(2.10) (2.11)

в - угол между осью Z и плоскостью пьезоэлемента.

Температурные коэффициенты модулей с,7, входящих в (2.11), имеют различные знаки: 7-/= 178 10* 1/°С; 74!,=-177-10-* 1/°С; Tc = = 101-10-* 1/°С.

Поэтому можно найти ориентации в, при которых температурный коэффициент Т =0. Это достигается при условии

7(1) = та) +27),(>.

(2.12)

В [4] получена фо)мула зависимости Tjr от угла в, график которой для пьезоэлементов У-срезов показан на рис. 2.1, а. Как видно из графика, при двух значениях угла TJr переходит через нуль, т.е. для пьезоэлементов с ориентациями в =-49° н в = +35° имеют место экстремумы ТЧХ. Срез с ориентацией в -49° получил название ДГ-среза, а срез с ориентацией в =+35° - название у4Г-среза.

Нулевым ТКЧ первого порядка обладают и резонаторы семейства У-срезов с колебаниями сдвига по контуру (рис. 2.1, в). Здесь также npi двух ориентациях в =-52° (ПГ-срез) и в =+38° (СТ-срез) коэффициент TJ = 0. Если перейти от рассмотрения одноповоротных срезов к двухповоротным, то можно обнаружить существование большого чис-38

20 О -20

ВО -100

А 7"А

"-90 -70 -50 -J0 -10 О 30 50 70° в а)

20 О -20

-100

-30 -70 -50 -30 -10 О 10 30 50 70" в Ю

Tjll/CCf

О -fO -80 -120 -160

-200

п = 1

П

-30 -60 -0 -20 О 20 ❖ff 60 80 в В)

Рис. 2-1. Зависимость ТКЧ первого (и = 1), второго (и = 2) и третьего (и =3) порядков от угла в для повернутых У-срезов :

а, б - колебания сдвига по толщине; в - колебания сдвига по контуру




Рис. 2.2- ТЧХ кварцевых пьезорезонаторов различных срезов

ла ориентации с нулевыми i

Однако практическая ценность боль-ишнства из них невелика, поскольку для обеспечения высокой термо-°°1о4о-20 О 20 1о 60 80 стабильности резонаторюв требуют-

ся малые значения ту> и Ту•

Этому условию из двухповоротных срезов, использующих колебания сдвига по толщине, удовлевторяют ЛГ-срез (р = 15°, в = 19°) и ГГ-срез (if = 20°, 9 = 35°). Наряду с резонаторами, использующими колебания сдвига по толщине и контуру, в устройствах стабилизации частоты получили распространение термостабильные кварцевые резонаторы другах ориентации, использующие продольные и изгибные колебания [3], однако в пьезорезонансных датчиках они почти не применяются.

На рис. 2-2 приведены ТЧХ наиболее распространенных термостабильных резонаторов. Наилучшую температурную стабильность имеют резонаторы ЛГ-среза. Этот момент в сочетании с рядом других полезных качеств, о которых будет сказано ниже, ставит резонаторы Л Г-сре-за в особое положение. ПРД на основе тензо- и масс-чувствительных резонаторов строятся в подавляющем числе случаев на пьезозлементах этой ориентации.

С точки зрения применений в датчиках интересны низкочастотные резонаторы камертонного типа. У применяемых на практике элементов срезы zyb/+5° ТЧХ имеет вид параболы с ТК второго порядка Г=4-10~* 1/°С и температурой экстремума вблизи 25 °С.

б) Пьезорезонаторы Л Г-среза

Пьезорезонаторы ЛГ-среза применяются в диапазоне частот 0,3- 100 МГц. При частотах до 20 МГц используются резонаторы, работающие на основной частоте, вьпие - на гармониках (и = 3,5,7). Конструктивно резонаторы выполняются в виде пластин или линз. Частотная постоянная для колебаний толщинного сдвигаiV=fh = 1770 кГц-мм.

Температурно-частотная характеристика в зависимости от угла среза в (рис. 2.3, а) может не иметь перегиба и экстремумов вообще, иметь только перегиб или два экстремума. Экстремумы расположены симметрично относительно температуры 27 °С и с увеличением угла в уходят один в область положительных, а другой в область отрицательных температур. Как видно из рис. 2.3, а, чувствительность ТЧХ к углу среза для рассматриваемых резонаторов достаточно велика: ТКЧ меняется в среднем на 10" 1/°С при изменении б на 1. 40

150 100

-100

-150

-200

-250 -273

J5 36 37 38 39 tO" в a) S)

Рис. 2.3. ТЧХ пьезорезонаторов /4Г-среза:

а - влияние угла Ь\ б - зависимость температур экстремумов ТЧХ от угла 9

При оптимальном угле среза боТКЧ равны соответственно ГЯ =0;

=0,4-10"* 1/°С; =109,5-10" 1/°С.

Для угла 9, незначительно отличающегося от 9о

Т =-5,15 - 10"* (е-бо): Tf =0,4-10"-4,7(9-бо);

Tf"> = 109,5-10- -2(9-00),

где е и 00 измеряются в градусах.

Регулируя ТЧХ изменением угла среза, можно добиваться максимальной температурной стабильности при различных температурах. Как видно из рис. 2.3, б, точки экстремумов могут передвигаться в диапазоне от комнатных температур к температурам, близким к абсолютному нулю и 300 °С. Этот момент очень важен с точки зрения оптимизации характеристик ПРД различных типов. В окрестностях экстремальных точек относительные уходы частоты не превышают 10"* 1/°С.

Обычно ПРД предназначен для работы в широком диапазоне температур. В этом случае срез резонатора должен быть выбран таким образом, чтобы суммарный уход частоты в диапазоне температур был ми-» нимальным. Минимальные суммарные уходы частоты в диапазоне температур характеризуются следующими цифрами:



Диапазон температур,

°С......... 10-45

Суммарный уход,

0-55 -10-Н+65

10"

±0,27 ±1,1 ±2,8

-40-+95

+ 13

С точки зрения работы пьезорезонаторов в автогенераторах существенным является емкостное отношение т = С/Со- Для резонаторов ЛГ-среза это отношение наибольшее для термостабильных кварцевых резонаторов m = 4,5 10" .

Добротность резонаторов обычно лежит в пределах от 3-10* для герметизированных резонаторов с пьезоэлементами в виде пластин до 10 для прецизионных линзовых резонаторов. Добротность зависит от множества факторов (качества сырья, формы элемента, чистоты обработки). С уменьшением температуры добротность возрастает. А.Г. Сма-гину удалось разработать резонатор добротностью 700-10* при температуре 2 К на частоте 4,7 МГц (пятый обертон) [34].

Пьезорезонаторы АТ-среза сегодня уже не являются "монополистами" в технике стабилизации высокой частоты. С ними успешно конкурируют резонаторы двухповоротных срезов, в первую очередь срезов группы SC, о которых пойдет речь в следующем разделе.

Из других резонаторов, получающих распространение в последние годы, целесообразно отметить резонаторы АК-среза с ориентадаей вблизи углов 21,00° < е < 28,44°; 30° < < 46,1°. ТЧХ АК-среза в 60 раз менее чувствительна к погрешностям ориентации. К недостаткам Л/Г-сре-за, как и многих двухповоротных, следует отнести сложный спектр колебаний ПР и сравнительно высокие значения температур экстремумов ТЧХ (75-f-160 С).

в) Пьезорезонаторы SC-среза [38]

Внедрение кварцевых резонаторов С-среза в практику стабилизации частоты - одно из наиболее важных достижений последнего десятилетия. В настоящее время резонаторы 5С-среза и генераторы на их основе уверенно вытесняют резонаторы АТ-среза во многих технических применениях.

К резонаторам 5С-среза сегодня принято относить приборы, ориентация пьезоэлементов для которых лежит в пределах

21,9° < < 22,8°; 33,9° < е< 34,3°.

Сокращение SC характеризует основное свойство резонаторов этого среза - нечувствительность по отношению к действующим напряжениям (stress compensated). ТЧХ резонаторов С-среза имеет вид параболы с точкой экстремума 70 °С.

Большим достоинством С-среза является малая крутизна ТЧХ вблизи точки экстремума. Уходы частоты вблизи экстремуа у резонаторов во много раз меньше, чем у резонаторов Л ГиЛГ. 42

Время установления частоты при включении термостата у резонаторов 5С-среза оказывается в 2,5 раза меньше, чем у резонаторов среза Л Г. При изменении температуры от О до 100 °С частота резонатора 5С устанавливается с точностью 2-10" за время, меньшее 20 с. Снижение чувствительности к механическим напряжениям определяет уменьшение гистерезиса частоты при термоциклированиях, включениях питания прибора. Повышается долговременная стабильность пьезорезонаторов.

Известно, что ток, протекающий через пьезорезонатор, вызывает перегрев активной области, что приводит к термонапряжениям в ней и, как следствие, сдвиг частоты, растущий с уровнем рассеиваемой мощности. В резонаторах С-среза этот эффект значительно (в 3-10 раз) ослаблен по сравнению со сдвигом частоты в резонаторах Л Г-среза. Существенно выше оказывается и кратковременная стабильность частоты в генераторах с резонаторами С-среза. Так, при времени усреднения 16 с удалось снизить кратковременную нестабильность до 10", а при времени усреднения 128 с - до 6 10" *.

В отличие от резонаторов AT- и ЛГ-срезов резонаторы 5С-среза не обнаруживают провалов активности (изменений сопротивления) в широком диапазоне температур и при изменениях размеров и формы, номера рабочей гармоники и т.п.

Термочувствительная мода в резонаторах 5С-среза используется в схемах термостатированных генераторов для формирования сигнала управления нагревателем. Совмещение в одном пьезоэлементе функций опорного резонатора и термодатчика практически устраняет ошибки регулирования, связанные с температурным градиентом при пространственном разнесении ПР и датчика температуры в традиционных конструкциях термостатов.

г) Пьезокварцевые резонаторы с высокой термочувствительностью

Коэффициент термочувствительности Ct, как следует из (2.2), увеличивается проПорщонапьно частоте резонатора. Поскольку максимальные значения ТКЧ для резонаторов различных типов различаются не более чем в 5-10 раз, существенного увеличения коэффициента термочувствительности можно достичь, используя высокочастотные резонаторы, в первую очередь резонаторы с колебаниями сдвига по толщине.

Ш1я резонаторов У-срезов (рис. 2.1, а) экстремальные значения Г (достигаются при углах 9 ss+5° ss+70° и близки к 10"* 1/°С. Практический интерес представляет только в =+5°, так как при в = = +70° сдвиговый пьезомодуль (d) близок к нулю и возбудить резонансные колебания сдвига трудно. Вблизи среза ух1/+5° находится У-срез. (ух1/0°), имеющий лишь несколько меньший ТКЧ (92,5 х х10-* 1/°С против 95,6-10-* 1/°Сусреза7х +5°).

Анализ показьшает, что переход к двухповоротным срезам никаких преимуществ в шине повышения термочувствительности не дает.



0 1 2 3 4 5 [6] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.001