ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТРОВЫЙ КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР АТ-СРЕЗА

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано для изготовления кварцевых звеньев в высокочастотных фильтрах.

Аналогом изобретения является высокочастотный кварцевый резонатор [1], который содержит кристаллический элемент АТ-среза в форме обратной мезаструктуры с нанесенными на его поверхности с обеих сторон эллиптическими электродами, токоотводами и контактными площадками в местах крепления кристаллического элемента в арматуру типа НС-45; при этом большие диаметры электродов ориентированы вдоль кристаллографической оси X, малые диаметры ориентированы вдоль оси Z', где Z' - проекция кристаллографической оси Z на плоскость кристаллического элемента, а отношение диаметров равно 1,25. Электроды в форме эллипса действительно позволяют эффективно реализовать колебания основной моды кристаллического элемента (КЭ), обеспечивая стабильность динамических параметров. Однако в описании к патенту [2] проведен анализ геометрических размеров и формы электродов и влияния их на параметры резонаторов. Установлено, что несоосность круглых и эллиптических электродов по диаметрам ±0,05 мм, характерная для производственных условий, приводит к разбросу значений динамического сопротивления и индуктивности ±10%.

Ближайшим аналогом является миниатюрный высокочастотный кварцевый резонатор с улучшенной моночастотностью и малым разбросом по динамическим параметрам [2]. Резонатор изготовлен на основе арматуры НС-45 и включает кристаллический элемент, выполненный в виде обратной мезаструктуры с нанесенными на его поверхности крестообразными электродами, причем один электрод направлен по оси X, а второй - по проекции оси Z на плоскость КЭ, а размер выступов электродов за пересечение d определяется соотношением d/h≥30, где h - толщина рабочей области КЭ. В такой конструкции удалось расширить частотный диапазон до 100 МГц с обеспечением требований по моночастотности исходя из теории захвата энергии, а также резко уменьшить разбросы по индуктивности и сопротивлению, которые связаны с несоосностью электродов.

Основным недостатком рассмотренных аналоговых устройств является отсутствие связи ориентации электродов, токоотводов и контактных площадок с профилем обратной мезаструктуры. Это не позволило авторам указанных изобретений получить стабильность динамических параметров фильтровых кварцевых резонаторов, например, в диапазоне 100-400 МГц.

Задачей изобретения является разработка серийной конструкции фильтрового кварцевого резонатора AT-среза с улучшенной моночастотностью и динамическими параметрами, работающего как в диапазоне до 100 МГц, так и выше 100 МГц по основной моде. Практически - повышение выхода годных изделий и их качества.

Для решения поставленной задачи предложен высокочастотный фильтровый кварцевый резонатор AT-среза, включающий кристаллический элемент, выполненный в виде обратной мезаструктуры с нанесенными на его поверхность крестообразными электродами, токоотводами и контактными площадками в местах крепления в арматуру НС-45, причем размер выступов крестообразных электродов за пересечение d определяется соотношением d/h≥30, где h - толщина рабочей области КЭ, а отношение размера области пересечения электродов в направлении кристаллографической оси Х к размеру в направлении Z' равно 1,25, и при этом область пересечения электродов имеет форму ромба, большая диагональ которого совпадает с направлением оси X, малая диагональ совпадает с направлением Z', выступающие концы электродов повернуты в сторону положительного направления оси X, а электроды, токоотводы и контактные площадки расположены в одной плоскости с каждой стороны КЭ.

На фиг.1 изображен пьезоэлемент резонатора в трех проекциях.

На фиг.2 - фрагмент крестообразных электродов.

На фиг.3 показана схема поэтапного изготовления КЭ в форме обратной мезаструктуры: а - круглая пластина кварца AT-среза, ориентированная сегментным скосом по +Х; б - после предварительного жидкостного химического травления; в - с двусторонним защитным покрытием; г - после формирования обратной мезаструктуры полирующим травлением; д - после удаления защитного покрытия.

На фиг.4 изображен профиль травления КЭ из кварца AT-среза в растворе NaOH.

На фиг.5 - подобный профиль в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Пьезоэлемент предложенного резонатора (фиг.1) содержит кварцевый КЭ АТ-среза в форме обратной мезаструктуры 1, ориентированный по оси X, например, сегментным скосом 2, крестообразные электроды 3, токоотводы 4 и контактные площадки 5 в местах крепления пьезоэлемента в арматуру НС-45. Крестообразные электроды 3 имеют область пересечения в форме ромба ABCD (фиг.2), большая диагональ АС которого совпадает с направлением оси X, малая диагональ BD - с направлением Z', отношение диагоналей AC/BD=1,25, а выступающие концы электродов 3 повернуты в сторону положительного направления оси X. При этом крестообразные электроды 3, токоотводы 4 и контактные площадки 5 получены вакуумным напылением серебра с адгезионным подслоем нихрома и расположены в одной плоскости на каждой из сторон КЭ 1. На контактных площадках 5 условно овалами обозначены места крепления, обычно - клеевой монтаж.

Электроды с рабочей областью в форме ромба позволяют максимально использовать преимущества крестообразных электродов с размером выступов d (фиг.2), показанные в техническом решении [2], и в то же время близки по эффективности захвата колебательной энергии к электродам с эллипсообразной формой [1].

Технологический процесс изготовления кварцевого КЭ схематично показан на фиг.3. На первом этапе полированные кварцевые пластины (фиг.3а) диаметром 5 мм и толщиной 80-90 мкм (зависит от поставки) подвергают предварительному травлению до толщины 50-60 мкм в 80% водном растворе NaOH, при температуре (195±2)°С по аналогии с [3]. Травление осуществляют на установке, изготовленной по патенту [4] и дополнительно оборудованной блоком нагрева и стабилизации температуры в пределах 80-250°С. В результате поверхности пластин остаются полированными, однако образуются фаски 6 (фиг.3б) с двух сторон как проявление анизотропных свойств раствора NaOH. На втором этапе на кварцевых пластинах формируют защитное покрытие 7 (фиг.3в) определенной формы, например, вакуумным напылением меди с адгезионным подслоем нихрома. Пластины снова травят при температуре (195±2)°С и получают КЭ 1 (фиг.3г) в форме обратной мезаструктуры. На последнем этапе удаляют защитное покрытие 7 (фиг.3д), растворяя пленки меди и нихрома. Далее готовые КЭ 1 (фиг.3д) передают на финишные операции изготовления кварцевых резонаторов: вакуумное напыление электродов, токоотводов и контактных площадок; крепление в корпус арматуры НС-45; настройка на рабочую частоту и герметизация корпуса.

Изготовлены опытные партии фильтровых кварцевых резонаторов AT-среза на частоту 130 МГц и 234-237 МГц по основной гармонике. Установлены форма и размеры КЭ для этих резонаторов. Размеры получены с помощью интерферометра МИИ-4 с применением стандартных калибров. На фиг.4 показан профиль травления КЭ для резонатора на 130 МГц в виде сечения по диаметру пластины, совпадающему с осью X. Цифрами на чертеже указаны размеры в микрометрах. Анализ чертежа позволяет сделать следующие заключения.

Профиль травления имеет характер зеркального изображения по вертикали относительно центра О. В направлении +Х, кроме упомянутых фасок 6 на внешней кромке КЭ, образуются пологие склоны протяженностью до 25 мкм, наклон которых совпадает с нормалью к линии PP. В направлении -X пологие участки склонов (7 мкм) переходят в отвесные. Очевидно, что причиной появления и пологих, и отвесных склонов на профиле обратной мезаструктуры является анизотропия, т.е. более высокая скорость травления кварца в направлении нормали к линии РР в плоскости чертежа.

С одной стороны, фаски и пологие склоны удобны для ориентации пластин по направлениям -X и +Х даже в производственных условиях. Например, поступила партия пластин из 1000 штук. Обычно сегментный скос 2 на пластинах (фиг.3) задает только направление оси X. Пробное травление одной или нескольких пластин в растворе NaOH уже за 15 мин выявляет фаски 6 (фиг.3), которые задают направление +Х для всей партии, относительно которого ориентируют маски для напыления защитного покрытия 7 (фиг.3в и 3г) и электродов 3 (фиг.1).

С другой стороны, образование отвесных склонов на профиле травления нарушает электрическую связь электродов с контактными площадками в резонаторах. В опыте изготовлено 10 резонаторов на 130 МГц. В каждом из последующих резонаторов, начиная со второго, диаметрально противоположные токоотводы и контактные площадки развернуты на 30° по окружности относительно предыдущего. При этом разброс величины динамического сопротивления R_d резонаторов имеет пределы 20-400 Ом. Нанесение электропроводящего клея на профиль КЭ с крутыми склонами выравнивает R_d этой партии до 20-30 Ом. По этой же причине авторы [3] изготовили КЭ в форме обратной мезаструктуры с одной стороны пластин кварца AT-среза, а токоотводы от круглых электродов на контактные площадки строго сориентировали по оси +Х, где получен пологий склон на профиле травления.

Однако в результате несовмещения круглых электродов в партии из 10 резонаторов на частоту 139,26 МГц разброс по динамической индуктивности превышает 11% от среднего значения, а по R_d разброс достигает 24% (табл.1 в работе [3]).

Оптимальным является условие, когда электроды, токоотводы и контактные площадки находятся на одной плоскости с каждой стороны КЭ, что и реализовано в предложенной конструкции резонатора (фиг.1).

Дополнительное подтверждение можно увидеть на чертежах фиг.5а и 5б, где изображены сечения КЭ для резонатора на 250 МГц в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: вдоль оси Х и в направлении Z'. Здесь глубина травления (22 мкм) с каждой стороны КЭ сравнима с аналогичной глубиной (19 мкм) в изделиях [3]. Совпадают и отношения а/b (фиг.5а), и ориентация пологих склонов профиля травления в направлении +Х. В направлении -X склон профиля травления имеет отрицательный угол наклона; в направлениях Z' (фиг.5б) наблюдаются отвесные склоны и склоны с отрицательным углом наклона. Вот причина ослабления или разрыва электрической связи между электродами, токоотводами и контактными площадками в резонаторах без строгой ориентации их относительно профиля травления.

Следует заметить, что авторы [1] и [2] для травления КЭ из кварца AT-среза использовали полирующий раствор плавиковой кислоты и бутанола при 80°С. Анизотропия при этом тоже проявляется, а профили травления качественно подобны изображенным на фиг.4 и фиг.5 и отличаются только размерами. Поэтому использование указанных технических решений не гарантирует высокую производительность и качество изделий при серийном изготовлении фильтровых резонаторов, например, в диапазоне частот 100-400 МГц.

В заявленной конструкции резонатора выступающие концы электродов повернуты в сторону +Х (фиг.1). Выбор сделан по результатам опытов. При такой геометрии электродов число годных резонаторов на 130 МГц с допустимым разбросом динамических параметров увеличивается на 15% по сравнению с обратным направлением электродов. Причиной и объяснением этого, вероятно, является анизотропность кварца. Например, в работе [5] при глубоком травлении кварцевых пластин AT-среза скорости растворения кварца в направлениях -m и -n (фиг.1) почти в 2 раза выше, чем в направлениях +m и +n. Возможно, и условия распространения акустических колебаний в этих направлениях тоже отличаются.

В таблице 1 приведены параметры резонаторов на 130 МГц: F - частота основной моды; R_d, L_d - динамическое сопротивление и индуктивность; Q - добротность.

Резонаторы имеют вакуумное исполнение и герметизированы в арматуре НС-45 контактной сваркой. Электроды резонаторов шириной 0,3 мм выполнены термическим напылением серебра с толщиной, соответствующей сдвигу частоты 6000 кГц. Анализ показывает, что при высокой добротности на частоте 130 МГц разброс динамических параметров существенно ниже, чем в прототипе. Побочный резонанс сдвинут относительно основного на 2000 кГц и имеет ослабление 10 дБ.

Предложенный резонатор имеет добротность в два раза выше, чем аналогичный резонатор на 139,26 МГц (см. табл.1 в работе [3]). Побочный резонанс в аналоговом резонаторе сдвинут всего на 600 кГц при ослаблении 10 дБ.

В таблице 2 приведены параметры резонаторов на 234-237 МГц, выполненные согласно заявленному техническому решению, но без настройки частоты. Исполнение аналогичное, как для резонаторов на 130 МГц.

Добротность резонаторов в табл.2 имеет тот же уровень, что и на частоте 130 МГц. Это указывает на оптимальную реализацию в заявленной конструкции акустических свойств кварца AT-среза.

Эффективность реализации акустической энергии оценивается фактором Q·F, где F измеряется в Гц. Например, в условиях серийного производства [6] известно для высокочастотных резонаторов:

F=139 МГц→Q·F=3·10¹²

F=220 МГц→Q·F=3,7·10¹².

Для резонаторов из табл.1 и табл.2 средние величины Q·F:

F=130 MГц→Q·F=5,1·10¹²

F=237 МГц→Q·F=6,4·10¹²,

что подтверждает высокое качество резонаторов в предложенном изобретении.

Источники информации

1. Патент России 2264029 С1, 27.04.2004, Н03Н 9/22, 9/54.

2. Патент России 2232461 С2, 08.04.2002, Н03Н 9/13.

3. High Frequency Quartz Resonators Manufactured by Chemical Process. G.Pentovelis, P.Collet, 8^th European Frequency and Time Forum with Exhibition, Germany, vol.1, march 9-11, 1994, p.263-272.

4. Патент России 2296417 С2, 30.05.2005, Н03Н 3/02.

5. Micromachining of Quartz Crystals: Experiments and Three-Dimensional Simulation of Etched Shapes. C.R.Teller and D.Benmessaouda, 8^th European Frequency and Time Forum with Exhibition, Germany, vol.1, march 9-11, 1994, p.245-255.

6. An Industrial Quartz Manufacturing Process by Chemical Etching. O.Cambon at all, 8^th European Frequency and Time Forum with Exhibition, Germany, vol.1, march 9-11, p.261.