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]

при этом изменяется его резонансная частота. С точкн зрения эксплуатации некоторых типов кварцевых резонаторов с пьезоэлементами, колеблющимися по толщине или длине и большимп по геометрическим размерам, можно допустить ток даже до 100 мА. Плотность тока должна быть не более 20 мА/см при колебаниях по толщине или 10 мА/см-по длине. Это предохраняет пьезоэлементы от разрушения и позволяет избежать их нагревания и связанного с ним изменения номинальной частоты резонатора и его сопротивления. Восстановление номинальной частоты после перегрузки пьезоэлемента наблюдается через значительный промежуток времени после снижения тока. На рис. 6.14 приведена кривая, показывающая изменение резонансной частоты пьезоэлемента среза yxlsl+ --517 + 45°, вызванное увеличением тока до 100 мкА на 1 мм ширины пьезоэлемента. Кро.ме того! при изменении тока через пьезо-элемент (или амплитуды колебаний) изменяется и характер ста рения. Например, при увеличении тока от значения 75 мкА для пре цизионных резонаторов частотой, 5 и 2,5 МГц, работающих на пятой гармонике, на порядок изме


2 S ГО го 50 миА/т

Рис. 6.14. Кривая изменения резо in i арминике, ма порядок изме нансной частоты пьезоэлемента няется уход частоты за месяц з среза i/;cis/-1-51/+45°, вызванного стаоения (от М0-« Д

увеличением проходящего тока LidptrtiMM yui i lu д

1,5-10-) [40].

Долговременные изменения частоты зависят от температуры, при которой работает резонатор, и еще больше от рассеиваемой .на нем мощности. Сочетание высокой температуры и большой мощности рассеивания может на 1-2 порядка увеличить долговременную нестабильность его частоты.

Резонаторы на одну и ту же частоту обладают различной дол говременной нестабильностью в зависимости от того, на основной частоте илн на гармонике совершаются их колебания. При колебаниях на гармониках отмечаются значительно меньшие изменения частоты при старении.

Следует строго разделять процесс старения самой системы кварцевого резонатора и изменение частоты генератора как следствие влияния ряда нестабилизирующих факторов на работу самого генератора.

Для стабилизации работы кварцевых резонаторов проводится их искусственное старение. Одним из известных способов искусственного старения является выдержка кварцевых резонаторов до герметизации в термокамере в течение достаточно длительного времени. Цикл термотренировки при этом может быть следующим: нагрев от комнатной температуры (-f20°C±5°C) до тем-194

.ггературы +70° С и выдержка в течение 24 ч, затем охлаждение до комнатной температуры в течение 30 мин. Цикл повторяется несколько раз в зависимости от требований к старению. Желательно все типы кварцевых резонаторов подвергать искусственно-jviy старению при воздействии тепла. Беспрерывная длительная работа кварцевого резонатора в генераторе также является одним 1!3 способов искусственного старения. Еще один способ искусственного старения - это нагрев кварцевого резонатора от температуры нулевого ТКЧ до 100° С, затем до температуры 200, 300, 400° С -всего четыре цикла с промежуточным охлаждением до температуры нулевого ТКЧ.

Весьма важной остается разработка новых методов ускорения процессов старения для уменьшения времени окончательного установления частоты.

Старение серийных кварцевых резонаторов приводит к изменению их резонансной частоты на 15-10"-10-10~ за первый год (в относительных единицах), тогда как у резонаторов, выпускавшихся 30 лет тому назад, когда не применялись существуют щие теперь способы обработки пьезоэлементов, это изменение составляло 300-10~ н больше. Проводившиеся в течение длительного времени исследования позволили лучше понять явление ста-, рения.

Известно, что процесс старения замедляется при пониженной температуре, поэтому старение удобно изучать при низких температурах окружающего воздуха.

Современное состояние качества обработки пьезоэлементов и знание причин старения позволяют изготовлять прецизионные высокочастотные кварцевые резонаторы с круглыми пьезоэлементами среза yxlj+ 35° со старением порядка Го~ в течение одного месяца и менее. Получение лучших данных связано с совершенствованием технологической аппаратуры, технологических процессов и созданием вакуумной гигиены в производственных помещениях.

Для исследования старения применяются установки с групповыми термостатами и общими блоками питания, рассчитанные на 100 резонаторов одновременно. В схеме и конструкции генераторных блоков предусмотрена возможность измерения частоты и активности каждого резонатора. Отдельный генераторный блок содержит 12 отдельных кварцевых генераторов и общий термостат для нпх. Схема генератора позволяет создать различные Уровни возбуждения и провести их контроль, а также переводить Испытуемый резонатор на время измерения из рабочего режима в облегченный режим повышенной стабильности.

Приводятся данные измерения ухода частоты, полученные после искусственного старения прецизионных вакуумных резонаторов частотой 2,5 и 5 МГц [46].

На рис. 6.15 приведена кривая зависимости частоты от времени для резонатора частотой 5 МГц. После искусственного старе-7* 195



ния изменение частоты незначительно, оно не превышает 1-1 в неделю.

Изображенная на рис. 6.16,а, кривая старения для резонатора частотой 2,5 МГц имеет обратный характер по сравнению с кривой на рис. 6.16,6 и отличается значительно меньшей ста

2 so 80 700 сут.

Рис. 6.15. Кривая старения кварцевого резонатора частотой 5 МГц

бильностью частоты. Такой характер кривой старения объясняется попаданием в баллон примесей, загрязнивших пьезоэлемент вследствие недостаточного соблюдения чистоты при заварке баллона резонатора. Здесь частота стабилизируется на 500-е сутки. Такой резонатор может служить примером некачественного изготовления.

••••

ч8а S60 51/0 а/т.

70- -50 -55

80 720 760

700 Ш сут.

Рис. 6.16. Кривые старения кварцевых резонаторов частотой 2,5 МГц

На рис. 6.16,6 показана кривая старения более качественна го резонатора частотой 2,5 МГц. После начального возрастани5 частота постепенно снижается. Стабилизация частоты резонаторов, кривые старения которых изображены на рис. 6.15 и 6.16, наступает к концу трех месяцев.

Измерения уходов частоты прецизионных кварцевых резонаторов отечественного производства дают значительно лучшу! 196

картину старения, что объясняется более совершенными технологическими процессами изготовления кварцевых резонаторов.

Частотно-временные характеристики старения прецизионных кварцевых резонаторов можно разделить на два периода [40] - начальный период стабилизации, в течение которого наблюдаются изменения частоты, достигающие ЫО" за месяц, и период более медленного ухода частоты, в течение которого изменение частоты составляет 1 10-°-3-10"° за месяц. Эффекты, связанные с адсорбцией и выделением остаточных газов, а также с ослаблением механических напряжений, вызванных температурой, могут компенсировать друг друга. Кратковременное изменение частоты также вызывается либо адсорбцией и выделением газов, либо механическими напряжениями между элементами и присоединенными к нему электродами. Известно влияние примесей в кристалле кварца на старение, особенно щелочных ионов Na и Li. Причиной кратковременной нестабильности может быть присутствие водорода в кристалле кварца. Проводились опыты по удалению примесей Na и Li путем электроочистки.

Относительное изменение частоты после удаления примесных ионов методом электроочистки в вакууме при давлении 0,13 Па, температуре в печи 350°С составляет 0,9-10**. (Электроочистка происходит путем подачи на электроды пьезоэлемента-бруска высокого напряжения 500-2000 В при токе несколько десятков миллиампер, в процессе очистки ток менялся до 2 мА, что указывало на окончание процесса очистки.) Старение очищенных таким образом пьезоэлементов меньше, так как исключается диффузия примесных ионов на поверхность пьезоэлемента в процессе эксплуатации резонатора.

В [20] приводятся данные, характеризующие старение резо-. наторов из естественного и искусственного сырья. Такие данные полезны для оценки возможности использования искусственных кристаллов кварца.

Сравнительные данные эквивалентных электрических параметров вакуумных кварцевых резонаторов из искусственного и природного сырья с круглыми пьезоэлементами диаметром 26 мм, плосковыпуклыми среза (/х -г35°(АТ) на 5 МГц (пятая механическая гармоника), при ТКЧ = 2-10- в области рабочей температуры приведены в табл. 6.1. Как видно из этой таблицы, эквива-

Таблица 6.1

Эквивалентные характеристики резонаторов

Кварц

L„, Гн

Л„. Ом

Q 10»

ТКЧ • 10- прн Г = 60- 70° С

Природный

3,2-3,4

45-52

2,1-2,3

0,2-1,1

Искусственный

3,1-3,4

40-50

2,1-2,6

0,1-1,1



лентные электрические характеристики резонаторов из искусственного и природного кварцевого сырья идентичны.

Не отличаются эти резонаторы и изменением частоты во времени: уход частоты за 6 мес. для природных кристаллов кварца составил (0,4+-3) • IQ-, для искусственных (0,4-1,2) • 10~.

Результаты проведенных исследований подтверждают идентичность природного и искусственного сырья по эквивалентным пара-метра.м, а также по долговременному изменению частоты во времени.

6.9. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ЧАСТОТУ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ, ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ

В настоящее время кварцевые резонаторы, применяемые в аппаратуре, в ряде случаев могут оказаться подверженными воздействию ядерных излучений. Опыты [40] показали, что при воз-Действии больших доз гамма-излучений кварцевые резонаторы, изготовленные из искусственно выращенных кристаллов кварца, обнаруживают меньшие постоянные изменения частоты, чем резонаторы, изготовленные из естественного кварца. Чем меньше содержание примесей, т. е. ионов алюминия и натрия, имеющихся в кварце, тем меньше воздействие радиации на изменение частоты резонаторов. И в этом случае наличие примесей в кристалле кварца, как и при увеличении добротности резонаторов (см. § 1.12), играет существенную роль.

В табл. 6.2[52] приведены данные испытания кварцевых резонаторов при ядерном облучении. Наиболее сильным оказалось

Таблица 6.2

Частота резона-Тора в вакуумном кварцедержателе, МГц

Доза облучения

Наблюдаемый эффект

Источ.чик излучения

Гамма-лучи, Кл/кг

Быстрые нейтроны, ней-трон/см

Постоянное изменение частоты, ед. • 10-»

Старение после

облучения, ед. 10-» за неделю

Реактор для учебных целей

25,8

4,6-1012

От -7,6 ДО - 16

От -1,4 ДО + 1,2

Ядерный

22,19

1,4-1012

От-165

От+8 ДО +54

(третья гармоника) 19

взрыг То же

4,6.10"

ДО-97Ю ±40 (макс)

От-3,2 до +1,6

(третья гармоника)

воздействие ядерного облучения от ядерного взрыва нарезонатор частотой 16 МГц, работающий на третьей гармонике. Для сравнения приведены данные для резонатора частотой 5 МГц, облученного с помощью реактора. В этом случае постоянное изменение частоты было значительно меньше. Автор эксперимента

[52] указхет, что для обеспечения статистической достоверности данных, полученных в ходе испытаний, необходимы дальнейшие исследования влияния ядерного излучения на изменение частоты кварцевых резонаторов.

Гравитационное поле. При использовании кварцевых резонаторов в высокостабильных опорных генераторах, устанавливаемых, например, в спутниках Земли, необходимо учитывать влияние изменения гравитационного поля Земли на частоту кварцевых резонаторов. В работе [52] указывается, что влияние изменения гравитационного поля или влияние ориентации резонатора в пространстве на частоту можно зафиксировать только при измерениях высокой точности.

Уходы частоты от изменения положения резонатора в пространстве составляют всего несколько единиц на 10. Таким образом, точность измерения частоты должна быть не хуже 10"°.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

Испытания кварцевых резонаторов

7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСПЫТАНИЯХ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Целью испытаний кварцевых резонаторов является проверка соответствия их параметров заданным значениям и работоспособности при различных климатических условиях и механических воздействиях, что в конечном счете определяет надежность работы кварцевого резонатора. Нормальными климатическими условиями для испытаний считаются температура --25° С+5° С, относительная влажность воздуха 65+15% и атмосферное давление 10 Па ±4-10 Па. Испытания кварцевых резонаторов подразделяются на электрические, механические, климатические и испытания на старение в условиях хранения.

Электрические испытания. К ним относят: измерение номинальной частоты кварцевых резонаторов и отклонения частоты от заданного номинального значения, измерения максимальных относительных изменений частоты в рабочем интервале температур и определение температурного коэффициента частоты (ТКЧ), измерение эквивалентных электрических параметров резонаторов, измерение динамического сопротивления и добротности резонаторов в интервале температур, проверка активности резонаторов, проверка моночастотности резонаторов, измерение сопротивления изоляции.

Такие испытания кварцевых резонаторов, как измерение частоты, эквивалентных параметров резонаторов, добротности, измерение зависимости частоты, динамического сопротивления и добротности от температуры, а также проверка моночастотности,



[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