CC BY
141881
технологии
Влияние крепления
на температурно-частотную характеристику резонаторов
Максим БОИЧУК
При миниатюризации пьезоэлементов возрастает влияние на температурно-частотную характеристику (ТЧХ) размеров места крепления. Наиболее распространенными в производстве пьезоэлементов являются места крепления (контактные площадки) в виде полоски вожженной серебросодер-жащей пасты. Площадь ее занимает до 15 и 25% площади пьезоэлементов диаметром 6 и 4 мм соответственно.
Исследования влияния размеров контактных площадок на ТЧХ проводились на кварцевых резонаторах частотой fном и 36 МГц (1-я гармоника) и fаом и 53 МГц (3-я гармоника). Все кристаллические элементы изготавливались из естественного кварца и крепились по оси Z'. Точность разметки проверялась с помощью поляризационного микроскопа марки Motic BA300 Pol и составила 18° и 14° для пьезоэлементов диаметром 4 и 6 мм соответственно. Размеры контактных площадок определялись малым инструментальным микроскопом с точностью до 0,01 мм. Кристаллические элементы каждой частоты делились на две группы: с контактными площадками в форме полоски (рис. 1а) и точки (рис. 1б). Серебряные электроды толщиной до 0,1 мкм наносились на кристаллические элементы методом вакуумной металлизации. Пьезоэлементы монтировались в кварцедержатель. Влияние размеров контактных площадок на ТЧХ определялось путем оценки неидентичности ТЧХ кварцевых резонаторов в крайних точках интервала рабочих температур (-60.. .+85 °C). Результаты дисперсионного анализа показывают, что это влияние значительно (табл. 1).
Анализ кривых, приведенных на рис. 2 и 3а, свидетельствует, что уменьшение в 2,3-3 раза размеров контактных площадок при одной и той же конструкции кварцедержателя позволяет снизить разброс ТЧХ в 1,5-1,9 раза. Применение контактных площадок в форме точки приводит к сокращению площади, занимаемой серебросодержа-щей пастой, уменьшению механических напряжений, возникающих при ее вжигании, и стабилизации значений коэффициента силовой чувствительности К. Кривые ТЧХ «поворачиваются» против часовой стрелки на угол, эквивалентный уменьшению угла среза, в среднем на 5,5' и 2,1' для пьезоэлементов диаметром 4 и 6 мм соответственно.
Исследование влияния азимутального угла крепления на идентичность ТЧХ пьезоэлементов малых размеров проводилось на резонаторах с 53 МГц с контактными площадками в форме точек, вожженных по оси Z'. Часть резонаторов этой партии была демонтирована. На про-
Рис. 1. Схема расположения контактных площадок на поверхности пьезоэлемента в форме: а) полосок; б) точек
Таблица 1. Анализ влияния контактных площадок на ТЧХ
Размеры Предельные значения относительных отклонений частоты (при T = -60 °C) (Af/f)x106 Средне-арифметические значения (Af/f)x106 Дисперсия ТЧХ
контактных площадок lxb, мм Обусловленная влиянием размеров контактных площадок Обусловленная погрешностью измерения
Частота резонаторов f - 36 МГц
2,99x0,6 +1,9...-34,5 -5,4 8464,2 248,8
0,99x0,69 -31.-62 -49
Частота резонаторов f - 53 МГц
3,5x0,8 -12,8.-57,4 -39,1 3494,5 83,7
1,5x0,8 -32,1.-64,7 -53,7
Рис. 2. Дисперсия ТЧХ кварцевых резонаторов % 36 МГц с контактными площадками в форме полосок (1) и точек (2)
Рис. 3. Дисперсия ТЧХ кварцевого резонатора (ном и 53 МГц:
а) с контактными площадками в форме полосок (1) и точек (2);
б) с контактными площадками в форме точек и крепление по оси Х (1) и Z' (2)
Таблица 2. Данные дисперсионного анализа влияния азимутального угла крепления на ТЧХ резонаторов (ном и 53 МГц
_ Дисперсия ТЧХ Предельные значения
Крепление относительныхотклонений ^ед^ифиети^ки«! обусловленная влиянием ориентации Обусловленная
1ьезоэлеиента част°ть| (при Т =-60 с) значения ИЛ)х№ контактных площадок относительно погрешностью
( ' )х кристаллографических осей измерения
погрешностью измерения
-26..-56 -46...-65
-38,2
1169,8
По оси Х
По оси Z
нумерованные кристаллические элементы вновь были нанесены контактные площадки в форме точек, вожженных по оси Х, и серебряные электроды. Пьезоэлементы были смонтированы в тех же кварцедержателях.
Результаты измерения ТЧХ приведены на рис. 3б. Анализ ТЧХ показывает, что крепление пьезоэлемента диаметром 6 мм по оси Х, то есть изменение угла на 90°, приводит к увеличению разброса ТЧХ в 1,3-1,6 раза. Кривые ТЧХ «поворачиваются» по часовой стрелке на угол, эквивалентный увеличению угла среза, в среднем на 2,4'.
Результаты дисперсионного анализа свидетельствуют, что влияние на ТЧХ ориентации контактных площадок относительно кристаллографических осей значительно (табл. 2).
Анализ степени влияния на ТЧХ размеров контактных площадок и их ориентации относительно кристаллографических осей (табл. 1 и 2) показывает, что для пьезоэле-ментов диаметром 6 мм (частота 53 МГц) крепление по оси Х приводит к увеличению эквивалентной контактной площадки в 2,3-2,5 раза, а угла среза — на 2,1-2,4'.
Исследование влияния на ТЧХ промежуточных значений азимутального угла крепления (0 < < 90°) проводилось на серийных резонаторах /ном и 36 МГц (1-я гармоника) и /ном и 53 МГц (3-я гармоника) с пьезоэле-
ментами диаметром 4 мм. Контактные площадки имели форму полосок.
Измерялись ТЧХ готовых резонаторов, которые затем демонтировались, определялся азимутальный угол крепления и измерялся угол среза кристаллических элементов. Влияние на ТЧХ оценивалось по изменению частоты в крайних точках интервала рабочих температур и эквивалентному ему изменению угла среза: Ар = /(у^). Результаты расчета иллюстрируют графики на рис. 4б, в. Сравнение зависимостей угла среза и коэффициента силовой чувствительности от азимутального угла крепления К=/(Уг) (рис. 4а) выявляет взаимную корреляцию. С ростом до 70-90° (в зависимости от конкретного резонатора) увеличивается К и растет поправка к ТЧХ за счет силовой чувствительности пьезоэлемента, что эквивалентно изменению угла среза на 22-24' для /ном и 36 МГц и на 6-11' для /ном и 53 МГц. Поскольку поправка к ТЧХ за счет силовой чувствительности обратно пропорциональна сечению пьезоэлемента, разница в степени влияния азимутального угла крепления на ТЧХ объясняется прежде всего разными значениями поперечных сечений пьезоэлементов. Причем S1/S2 = 3,48, где S1 и S2 — поперечные сечения пьезоэле-ментов резонаторов частотой 53 и 36 МГц соответственно. Поправка к углу среза за счет изменения диаметра электрода на частотах
технологии 1139
Рис. 4. Зависимость от азимутального угла крепления
а) силовая чувствительность пьезоэлементов
диаметром 6 мм (1) и 13 мм (2);
б, в) изменения ТЧХ (угла среза Ар) пьезоэлементов
диаметром 4 мм для резонаторов частотой 36 и 53 МГц
соответственно: 1 — усредненные значения;
2 и 3 — конкретные площадки в форме полоски и точки
соответственно
36 и 53 МГц не должна превышать 1,5', что значительно меньше поправки за счет силовой чувствительности на тех же частотах.
Влияние на ТЧХ способа крепления пье-зоэлемента по оси Х определялось двумя методами: изменялся одних и тех же пьезоэлементов или демонтировались готовые резонаторы с разными (рис. 4б, в). Во втором случае эта зависимость была больше, что соответствует погрешности измерения эквивалентного угла среза примерно на 5-7'. Анализ влияния на ТЧХ размеров контактной площадки подтверждает сказанное: во втором случае оно примерно в 2 раза существеннее, чем в первом, и также определяется погрешностью измерения угла среза, которая отсутствует в первом случае.
Заштрихованные области на рис. 4б-в характеризуют дисперсию ТЧХ, определяемую производственной погрешностью по у2>: область 2 — контактные площадки в форме полоски, область 3 — в форме точки.
190
технологии
Минимальные поправки к углу среза Aß соответствуют yz> и 0 и 30° для пьезоэлементов диаметром 4 и 6 мм соответственно (рис. 4б, в). Однако при креплении пьезоэлементов под углом yz> ^ 0 к погрешности определения оси Z' прибавляются погрешности отсчета угла yz> и разметки кристаллического элемента по периметру. Эти погрешности растут с уменьшением диаметра кристаллического элемента. Поэтому, учитывая производственные погрешности по углу yz>,
все пьезоэлементы диаметром 6 мм и менее целесообразно крепить по оси Z'.
Размеры контактных площадок и их ориентация относительно кристаллографической оси Z' оказывают существенное влияние на идентичность ТЧХ высокочастотных миниатюрных кварцевых резонаторов АТ-среза. Уменьшение размеров контактных площадок в 2,3-3 раза приводит к повышению разброса ТЧХ в 1,4-1,9 раза и «повороту» ее кривых против часовой стрелки, что эквивалентно
уменьшению угла среза в среднем на 2,1-5,5' в зависимости от размеров пьезоэлемента.
Изменение азимутального угла крепления от 0 до 90° приводит к увеличению разброса ТЧХ в 1,3-1,6 раза и «повороту» ее кривых по часовой стрелке.
Идентичность ТЧХ резонаторов малых размеров может быть обеспечена при креплении пьезоэлемента диаметром 6 и 4 мм по оси Z' к контактным площадкам размером не более 1,5x0,8 и 1x0,7 мм соответственно. ■
