Влияние качества геометрических параметров кварцевых

Влияние качества геометрических параметров кварцевых пластин на
эксплуатационные характеристики резонатра
Р.А. Белухин, Д.Э. Яружный.
Волжский политехнический институт (филиал)
Волгоградского государственного технического университета, www.volpi.ru
Пластина кварца с нанесенными на нее электродами и держателем представляет
собой резонатор (электромеханический преобразователь).
Резонатор – колебательная
система,
в
которой
происходит
накопление энергии колебаний за счёт резонанса с вынуждающей силой. Обычно
резонаторы обладают дискретным набором резонансных частот.
В технике часто встречаются резонаторы с колебанием электромагнитных или
механических величин. Конструкция резонатора сильно зависит от его резонансных
частот.
Если на резонатор подать переменное напряжение, совпадающее с одной из
механических частот кварца, в пластине возникают сильные механические колебания
строго определенной частоты. Такие кварцевые пластины являются мощным излучателем
волн сверхвысокой частоты и используются в технике.
Пьезокварцевые пластинки используются для стабилизации частот от 1 кГц до 200
МГц, для генерации и приема ультразвука, для резонаторов высокой добротности, для
фильтров высокой избирательности, для измерения механического давления.
Принцип действия кварцевого резонатора.
На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым
образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски.
Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических
колебаний.
При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту
происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан
кусок кристалла.
Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического
эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление,
эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре.
Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных
механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний
пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже
соответствует поведению колебательного контура.
Рисунок 1 - Эквивалентная схема резонатора
Со – собственная ёмкость кристалла, образуемая кристаллодержателем и/или обкладками
резонатора; C1, L1 – эквивалентная ёмкость и индуктивность механической колебательной системы
резонатора; R1 – эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы.
1
Плохое качество обработки поверхностей пьезоэлементов увеличивают
эквивалентное сопротивление R1. Также очень важно, чтобы пластина подходила по
размеру, так как размер площади поверхности влияет на емкость Со.
При производстве кварцевых резонаторов на заводе «МЕТЕОР» для контроля
шероховатости используют профилометр модели 296.
Технические характеристики профилометра:
– диапазон измерений Ra, 0,02 – 10 мкм;
– верхние пределы диапазонов, 0,1; 1; 10 мкм.
Характеристики основной приведенной погрешности:
– погрешность профилометра не должна превышать требований ГОСТ 19300-73
для степени точности 2;
– предел допускаемой систематической составляющей:
– для диапазона 0,1 - 1 мкм – 10%;
– для диапазона 1 - 10 мкм – 10 Ra/Rabn%;
– предел допускаемого среднего квадратического отклонения случайной составляющей
2%.
Для
контроля
геометрических
параметров
используют
микроскоп
инструментальный БМИ–1Ц.
Технические характеристики микроскопа:
Диапазон измерения длин:
– в продольном направлении 0...150 мм
– в поперечном направлении 0...50 мм.
– фотоэлектрическими преобразователями 0...25 или 0...40 мм.
Диапазон измерения плоских углов окулярной угломерной головкой 0...360°.
Видимое увеличение отсчетного окулярной угломерной головки, 45 крат.
Максимальное расстояние между объективом и предметным стеклом
координатного стола, 200 мм.
Расстояние от колонки до оси тубуса (вылет), 165 мм.
Из проведенного исследования следует, что шероховатость и размер кварцевой
пластины являются одними из важнейших показателей работы резонатора.
Следовательно, для производства более качественных резонаторов, при контроле
шероховатости и геометрических размеров кварцевых пластин, необходимо стремиться к
уменьшению погрешности измерения.
2