CC BY
155Роман ГОШЛЯ
[email protected] Наталья АЛЕКСЕЕВА, к. т. н.
Современные достижения в области пьезоэлектроники позволяют изготавливать кварцевые резонаторы по основной гармонике на частоты до 400 МГц. При этом показателем качества кварцевых резонаторов, помимо точности настройки и значения динамического сопротивления, является систематический уход частоты резонатора со временем или старение кварцевых резонаторов в результате необратимого изменения свойств кристаллического элемента, системы пленочных электродов, крепления пьезоэлемента, изменения состава атмосферы внутри корпуса.
Рис. 1. Кварцевый резонатор в различном конструктивном исполнении (на фотографии — без кожуха): а) SMD-исполнение; б) корпус типа НС-45
Технология повышения временной стабильности
кварцевых резонаторов высокочастотного диапазона
На примере высокочастотных кварцевых резонаторов рассматривается применение новой технологии изготовления изделий пьезоэлектроники, которая позволяет повысить временную стабильность кварцевых резонаторов и сокращает цикл их изготовления.
Долговременная стабильность резонансной частоты резонаторов, которую часто называют старением, зависит от свойств используемого пьезоэлектрического материала, а также ориентации, размеров, типа колебаний, обработки и конечного исполнения резонаторов.
У пьезоэлектрических кристаллических резонаторов, помещенных в вакуум или герметичный корпус (рис. 1), заполненный газом, не вызывающим коррозию электродов или поверхности пластины, в большинстве случаев происходит повышение резонансной частоты. При длительном наблюдении за резонансной частотой можно выделить два периода. В течение первоначального периода, продолжающегося от нескольких недель до нескольких месяцев, временную зависимость резонансной частоты можно описать некоторой монотонно возрастающей функцией. В течение второго периода более или менее регулярное значение резонансной частоты изменяется около постоянного или незначительно меняющегося среднего значения.
Старение указанной группы пьезоэлектрических резонаторов в начальный период может быть вызвано отделением мельчайших частиц кварцевой пластины или электродов при колебаниях, изменением упругих свойств электродов с течением времени, диффузионными процессами, протекающими в электродах и поверхностных слоях пластины, нарушенных при обработке, и т. п.
Вследствие диффузионных процессов изменяется (как правило, уменьшается) внутреннее напряжение в электродах и поверхностных слоях пластины, связанное с предварительной температурной обработкой; при этом происходит перемещение массы в те области, где колебания менее интенсивны. Влияние температурной обработки электродов настолько существенно, что может явиться причиной и обратного характера старения, то есть уменьшения резонансной частоты с течением времени.
У кварцевых резонаторов АТ-среза временную зависимость резонансной частоты в начальный момент времени можно выразить следующим образом [1]:
d/dт(/-/J = -Кх (/-/ш), (1)
где / — резонансная частота в момент времени т; — конечное установившееся зна-
чение частоты; К — постоянная старения. К является величиной, обратной постоянной времени, и в соответствии с выражением Аррениуса есть функция температуры:
К = К0хе-ЕШЭ, (2)
где Е — активационная энергия процесса; к — постоянная Больцмана; ® — абсолютная температура.
Резонансная частота / в момент времени т может быть выражена как:
£ = (3)
где /0 — частота резонанса в начальный момент старения.
На рис. 3 приведены кривые измеренной временной зависимости резонансной частоты высокочастотных кварцевых резонаторов АТ-среза с обратной мезаструктурой с резонансной частотой 60 МГц, работающих на основной механической гармонике сдвиговых колебаний по толщине и выполненных в разных корпусах, заполненных азотом.
В объеме резонаторов возможны как процессы миграции атомов металла по поверхности пьезоэлемента, так и перемещение их с поверхности пьезоэлемента на стенки корпуса и обратно; диффузия атомов электродов в кварцевый кристаллический элемент и обратно чаще всего происходит по структурным каналам. Если атомы металла диффундируют внутрь кристалла, то знак изме-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 '2010
нения частоты будет отрицательным; если из кристалла, то положительным.
При отрыве атомов металла с поверхности происходит изменение массы пьезоэлемента, и знак будет положительным [2]:
А///= -(Ат/т), (4)
где Ат — изменение массы кристалла; А/— изменение частоты.
Помимо массопереноса, в кристаллическом элементе существуют и упругие напряжения, возникающие в электродном покрытии кварцевого резонатора.
На изменение резонансной частоты кварцевых резонаторов влияет качество подготовки поверхности кристаллического элемента перед нанесением электродного покрытия. В пленках, полученных методом вакуумного напыления, имеют место термические напряжения, обусловленные разными значениями коэффициентов температурного линейного расширения (ТКЛР) кварца (акв = 0,55х106 К-1) и электродного покрытия. (Чаще всего применяется серебро или никель: асер = 18,6х106 К-1, аник = 14х106 К-1.)
сер ' ' ник '
Эти напряжения могут привести к изменению частоты резонатора на несколько кГц.
Рассчитать величину напряжений, возникающих в результате деформации электродного покрытия вследствие изменения температуры кварцевого резонатора, можно на основании выражения:
F = ЕхахАТ, (5)
где Е — модуль Юнга материала электродного покрытия, Н/м2; а — температурный коэффициент линейного расширения электродного покрытия; АТ — разница температур кристаллического элемента до и после вакуумной металлизации.
Подставив значение силы F [Н] в выражение (6), можно определить величину изменения частоты кварцевого резонатора вследствие термических напряжений, возникающих в электродном покрытии:
А///= KFхF/D, (6)
где ^ — коэффициент силочувствительно-сти [6]; В — диаметр кристаллического элемента кварцевого резонатора, мм.
Для повышения временной стабильности частоты кварцевых резонаторов была оптимизирована технология их термотренировки после операции настройки частоты методом ионного травления перед герметизацией их в корпус.
Настройка, то есть установка номинального значения частоты кварцевого резонатора, осуществляется методом ионного травления поверхности электрода пьезоэлемента. При этом в процессе подстройки частоты резонаторов в номинал происходит одновременно и очистка поверхности пьезоэлементов резонаторов в плазме газового разряда.
Кварцевый резонатор
\1/
Рис. 2. Схема рабочего места для измерения резонансной частоты кварцевых резонаторов в процессе проведения термотренировки
Необходимость проведения цикла тренировок вызвана тем, что после монтажа пьезоэлементов в держатель (сборка кварцевого резонатора производится, как правило, путем приклейки пьезоэлемента к держателю токопроводящим клеем) и настройки резонаторов в номинал могут возникнуть остаточные напряжения в пьезоэлементах. Необходимо также исключить изменения частоты кварцевых резонаторов из-за газовыделения из мест приклейки пьезоэлемента к держателю токопроводящим клеем, так как клей в качестве связки включает органические соединения, которые могут заметно влиять на величину долговременной стабильности частоты резонатора.
Герметизация кварцевых резонаторов осуществляется методом конденсаторной сварки с продувкой инертным газом.
Цикл термотренировок резонаторов проводился в непрерывно откачиваемой вакуумной камере при остаточном давлении Р~1х10-3 Па и нагревом резонаторов до температуры Т = 130 °С с последующей 4-часовой площадкой при данной температуре. Затем нагрев отключали, и осуществлялось плавное остывание резонаторов до комнатной температуры. Контроль значения температуры в камере осуществлялся при помощи медного термометра сопротивления.
После каждого термоцикла производилось измерение частоты кварцевых резонаторов. На рис. 2 показана установка для измерения частоты кварцевых резонаторов.
На рис. 3 приведены кривые зависимости изменения частоты партии кварцевых резонаторов на частоту 60 МГц с точностью настройки ±2,0 кГц после проведения 224 часов термотренировок. Анализ этих кривых показывает, что проведение термоцикли-рования в течение 224 часов избыточно. Оптимальным значением времени термо-циклирования является 150 ч, что подтверждается экспериментальными результатами. Для проверки долговременной стабильности частоты партии кварцевых резонаторов после 150 ч термоциклов они были подвергнуты испытанию на долговременную стабильность: старению по методике, изложенной в [4]. При этом кварцевые резонаторы помещались в термостат при температуре 85 °С и выдерживались в течение 150 суток. Измерение частоты резонаторов проводилось после каждых 15 суток в течение 150 дней. После математической обработки результатов суммарное изменение резонансной частоты у каждой партии составило не более 0,5х10-6.
Данная методика проведения термотренировок кварцевых резонаторов позволяет повысить их качество путем повышения временной стабильности, а также сократить время изготовления этих устройств. ■
Литература
1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. Материалы, технология, конструкция, применение / Пер. с чешского. М.: Мир, 1990.
2. Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М.: Энергия, 1970.
3. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергия, 1989.
4. Мостяев В. А, Дюжиков В. И. Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. М.: Ягуар, 1993.
Часы
Рис. 3. Кривые зависимости изменения резонансной частоты в процессе термоциклирования
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 ’2010
www.kit-e.ru
