Главная  Пьезоэлектрический резонатор 

[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]

электрические колебания кварца, за.г.. d!)

цевая пластина «ли -брусок служит исто-.. ква1рцевого генератора (высокой частоты. В ш раторе зависимость частоты от изменения параметуо. л . работы электронной схемы минимальна, также мала зависим, частоты от окружающей температуры. Это обеспечивает высокую стабильность работы пьезокварцевого генератора. Кварцевый резонатор колеблется с частотой порядка десятков килогерц. Делители частоты понижают эту частоту до 250-1000 Гц и питают синхронный электродвигатель малой мЪщвости (понижение частоты важно для устойчивой работы электродвигателя). Электродвигатель управляет движением секундных и минутных часов, по циферблату.

Пьезоэлектрические колебания кварца обладают неизмеримо большим постоянством частоты, чем колебания маятника часов, и не зависят от силы тяжести и колебаний почвы. Таким образом, кварцевые часы значительно точнее любых существующих часов с маятником. Так, например, с помощью кварцевых часов были обнаружены изменения скорости вращения Земли.

Единица частоты герц - производная от единицы времени секунды, поэтому переменный ток высокой частоты, получаемый от пьезокварцевого генератора кварцевых часов, может служить не только масштабом времени, но и мерилом частоты. Следовательно, кварцевые часы дают возможность отсчитывать моменты времени, служить эталоном для воспроизведения единиц времени и частоты. В настоящее время созданы кварцевые часы с суточным относительным отклонением частоты от номинала в пределах (0,8-2) 10°. Группа кварцевых часов является составной частью Государственного эталона СССР.

Кварцевые резонаторы используются также в схемах фильтров с высокой избирательностью. Такие фильтры, применяемые в многоканальной телефонии, где большое число одновременных телефонных переговоров передается но одному проводу, дали возможность создать высокочастотную многоканальную телефонную связь.

Полосовые кварцевые фильтры значительно повышают изби-рателыность супер гетеродинных радиоприемников.

На земном шаре работает большое число передающих радиостанций. Естественно, что должны быть очень жесткие требования к точности установки и поддержанию частоты этих радиостанций, чтобы избавить их от взаимных помех. Эти требования заставляют принимать специальные меры и могут быть удовлетворены при помощи пьезокварцевой стабилизации частоты. Без этого широкое применение радиотехники для радиовещания, возможно, отодвинулось бы еще на длительное время. Действитель- но, только кварцевая стабилизация позволила разделить прием тысяч передающих радиостанций.

Возросшие требования к «варцевьгм резонаторЗМ вызывают необходимость уменьшения ухода их частоты, вызванного различ-

54И - нестат)

пяться под воз1А J можно достигнуть повышением точности Долггкр fpewJ,J.,gJщgдJJJ температурнопо коэффициента часто--""лиЖенйем влияния старения на основе научно разработан-

технологических процессов.

В.шяние изменения температуры окружающей среды на частоту кварцевого резонатора можно уменьшить, применяя высококачественные термостаты. Постоянство температуры поддерживается в термостатах с большой точностью - до ±0,ОГС в зависимости от их конструкции.

Изменение частоты (кварцевых резонаторов под воздействием механических нагрузок можно значительно уменьшить применением вибропрочных держателей.

Мало (изучено влияние радиации на кварцевые резонаторы. Оно имеет большое значение для обеспечения космических полетов.

Будущее кварцевого производства - это автоматизация производственных процессов, создание механизированных поточных линий для изготовления кварцевых резонаторов. Все возможности для решения этой задачи в настоящее время существуют.



ГЛАВА ПЕРВАЯ

Кварцевые кристаллы

и кристаллические элементы

1.1. ОПИСАНИЕ КРИСТАЛЛА КВАРЦА

Кристаллический кварц SiOz (кремнезем) - безводная двуокись Кремния - самое распространенное «а земле соединение. Редко встречающиеся в природе прозрачные кристаллы кварца - ценное техническое сырье, широко используемое в технике. В кварце сочетаются высокая механическая прочность, химическая стойкость и диэлектрические свойства с ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами, что позволяет конструировать пьезоэлектрические устройства с высокой стабильностью характеристик.

В природе существуют четыре разновидности кварца в зависимости от температуры его образования. Приставкой греческих букв а и Р в СССР принято обозначать кристаллы кварца, образовавшиеся при температуре от 573 до 880°С (а-кварц) и при температуре до 573°С (Р-кварц). Две еще более высокотемпературные модификации кварца представляют собой тридимит, образовавшийся при температуре от 880 до 1470°С, и кристабалит, образовавшийся при температуре от 1470 до 1710°C. Выше 1710°С любой вид кварца переходит в жидкое состояние. Главное значение в технике имеет р-кварц, обладающий пьезоэффектом, поэтому в книге дано описание свойств и техники обработки р-кварцз (в дальнейшем будем называть его просто кварцем). На рис. 1.1

показано расположение атомов в кристалле р-кварца в проекции на плоскость, перпендикулярную оси Z.

При нагревании выше 573°С в результате полиморфного превращения р-к&арц переходит в а-кварц, Который не обладает свойством пьезоэффекта, так как а-кварц нмеет совершенно другие электрические свойства, отличные от свойств р-кварца. При этой температуре происходят резкие изменения электрической проводимости кварца, его диэлектрических ПОСТ0Я1ННЫХ, коэффициента преломления, коэффициента линейного и объемного теплово-


Рис. 1.1.

Расположение Р-кварце

атомов в

ро расширения . j процессе производства, когда кварцевые резона -аЯТ различные стадии технологической обработ-

1- - вьгсМих температурах, следует остерегаться превышения

у,й температуры.

Чаще всего встречается р-жварц следующих цветов: бесцветный- горный хрусталь, дымчатый- раухтопаз, черный - морион, золотисто-желтый - цитрин, сиреневый - аметист. Нагревание кристалла кварца до температуры 350°С приводит к обесцвечиванию его за счет обесцвечивания примесей, кристалл приобретает прозрачность.

Форма кристалла кварца показана на рис. 1.2. Кристалл кварца имеет вид шестигранной призмы с двумя шестигранными пирамидами на концах. В таком ВИде кристаллы кварца встречаются редко, так как вследствие естественных причин и при добыче кристаллы обычно в большей или меньшей степени разрушаются.


V---

Рис. 1.2. Кристалл кварца

Рис. 1.3. Левый (а) и правый (б) кристаллы кварца .

Форма кристалла «варца образована гранями пяти видов (рис. 1.3). Этих граней в кристалле кварца по шесть (всего в кристалле может быть до 30 граней): т-грани, или призматические (грани гексагональной призмы); R-грапя, или грани большого ромбоэдра; г-грани, или грани малого ромбоэдра. Три треугольные грани R и три грани г на концах кристалла образуют шестигранный конус. Кроме того, имеются еще грани тригональной би-лирамиды S И тригонального трапецоэдра х. Эти граниредко сохраняются на кристаллах и расположены у грани большого ромбоэдра (R-rpme). По их доложешю кристалл кварца определяйся как левый или правый.

В природе встречаются правый и левый кристаллы, являющиеся зеркальным отображением друг друга.

Кристаллография кварца. Кристаллические твердые тела характеризуются геометрически правильным расположением состав-



ляющих их элементов - атомов или mi, . пространственную кри€талл:ическую решетку.

Кристаллы по признакам симметрии подраЗД,1.1лп, 32 класса, каждый класс имеет свои элементы симметрии, т. оси, плоскости н центр симметрии. Они объединяются в cei кристаллических систем.

К гексагональной системе григанально-трапецоэдричеоко: класса принадлежит а-кварц, к тритона л ьной системе - р-квар , Каждая система -имеет свой тип кристаллической решетки. Крис таялические системы отличаются типом элементарных ячеек, составляющих кристаллическую решетку с разными углами между ребрами ячеек. Кристаллографические -оси кристалла (оси а, й, с) • па-раллельны этим ребрам.

В разных криста-лличеоких системах кристал-лограф-ические оси а, Ь, с имеют различные углы наклона. Обычно кристалл-опрафи-ческая ОСь является осью симметрии или линией, пер-пендикуляр-ной пл-оскости симметрии, или ребром между двумя важнейшими гра-нями кристалла.

Элементарная ячейка пространственной кристаллической решетки кварца имеет форму па-раллел-епипеда. Ребра параллелепипеда - это -кристалл-о-ррафические оси кристалла, а его грани - rpaiH-и пинакоида -кр-исталла: для а-иварца - гексагональной призмы, для Р-жварца - двух тригональных призм. В тригональной системе, к которой относится р-кварц, за ось с принимается ось си1.м-метрии высшего порядка (тройная); перпендикулярные к ней три оси симметрии второго порядка являются эквивалентнымк ося.ми й], 2, аз, расположенными под углом 120° друг к другу При рассмотрении пьезоэлектрических явлений в кварце удобно -польз-оватьс?!.. прямоугольной системой -координат с обозначением осей X, Y, Z, принятым в математике и ф-»зике. Хотя эте оси сдвинуты на определенные углы к -истинны-м кристаллографическим осям -кварца, -их обычно называют кри-сталло-прафически-ми -осями (рис. 1.4).

Ось Z прямоугольной системы -с-овиа-да-ет с осью с. Ось X параллельна какой-либо из осей а, ось У перпендикулярна осям Z и X.

Понятие оси относится к неограниченнаму числу параллельных любой из кристаллографических осей линий, по которы-м физические свойства однородного кр-исталла кварца идентичны. Ось У (механическая ось) проходит в направлении, перпендикулярном любой грани -призмы. Осей У в кристалле кварца три (рис. 1.5). Ось X (электрическая ось) направлена -нерпендикулярно оси У и, следовательно, проходит параллельно как-ой-шибо из граней призмы. Три электрические оси X расположены в плосмости, перпендикулярной оптической оси, под -углом 120° друг к другу. Каждая из механических осей У перпендикулярна оптической оси и одной из электрических -осей.

По оси X -механические силы -вызывают наиболее -инте-нси-вное воэникяовение электрических зарядов на ребрах приэмы, т. е. в 12


,.1джталл кварца обла-дает наибольшими го раоширен-и-я свойствами. Электрические заряды (напря-Р..риложшное -вдоль оси X, вызывают механические на-гпяжения вдоль -оси У. Ось Z (оптическая ось) направлена перпендикулярно плоскости, образуемой -осями X и У, она совпадает


Рис. 1.5. Расположение кристаллографических осей X, Y, Z

Рис. 1.4. Левый (а) и правый (б) кристаллы кварца с кристаллографическими осями

с продольной осью кристалла. Направление Z называется оптической осью потому, что когда в этом направлении через кр-ис-талл проходит поляриэаванный свет, плоок-ость поляризации поворачивается.

За положительное направление оси У как в правом, так и в левом кристаллах принимают то ее -направление, в котором она пересекает грань т призмы, расположенную под гранью малого ромбоэдра кристалла.

Полож-ительиые направления осей X я Z выбирают таким образом, чтобы при выбранном положительном -направлении оси Y эти оси образовали правую прямоугольную систему координат. При это-м ребро гексагональной призмы т, соединяющее две грани трапецоэдра X, пересекается осью X в левом кр-исталле в ее положительном направлении, а в правом кр-исталле - в ее отрицательном направлении.

Электрическая проводимость кварца в направлении оптической оси значительно выше, чем в других направлениях. В левом кристалле кварца пл-оск-о-сть потяризации луча света, -идущего вдоль аптичес-кой оси кристалла, вращается влево - против часовой -стрелки. В нравом кристалле - по часовой стрелке. Полагают, что пьезоэлектрические свойства -кварца -овяза-ны с нали-



[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]

0.0008