КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР С ВНУТРЕННИМ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕМ

Изобретение относится области радиоэлектроники и может использоваться в устройствах стабилизации частоты.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в создании резонатора, лишенного недостатков, свойственных прототипу.

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.

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.

Контактные лепестки могут быть выполнены как часть указанной металлической пластины. Контактные лепестки могут быть также закреплены на опорном кольце.

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.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Следует отметить, что полностью подтвердились преимущества данного изобретения в части технологичности, пригодности к серийному производству и надежности.