eng
Выпуск #10/2015
В.Кочемасов, Е.Хасьянова
Кварцевые резонаторы – особенности и области применения
Кварцевые резонаторы – особенности и области применения
Просмотры: 11941
Рассматриваются параметры кварцевых резонаторов: диапазоны частот и рабочих температур, стабильность частоты и ее зависимость от температуры, старение, типы корпусов и др. Отмечены достоинства и недостатки кварцевых резонаторов различных типов и области их применения.
Кварцевые резонаторы – это высокодобротные пьезоэлектрические элементы, которые применяются для стабилизации частоты колебаний. Они широко используются в системах связи, измерительной и бытовой аппаратуре, вычислительной технике, высокочувствительных датчиках и др. Различные типы резонаторов имеют свои достоинства и недостатки, в конечном итоге оказывающие влияние на характеристики автогенераторов. Об особенностях и областях применения кварцевых резонаторов рассказывается в этой статье.
Вследствие высокой цены природного кварца и ограниченных его запасов, в электронике используют синтетические кристаллы кварца, получаемые методом гидротермального синтеза, при температуре 350°C под давлением около двух тысяч атмосфер. Выращивание кристаллов занимает от 30 до 260 дней. По мере увеличения срока получения кварца повышаются его однородность и чистота, что приводит к сближению качественных показателей синтетического и природного кварца [1]. Большое внимание уделяется также завершающей обработке полученных пластин, поскольку любые шероховатости приводят к ухудшению электрических характеристик и увеличению уровня фликкер-шумов.
Основные характеристики, по которым оценивается качество резонаторов, – добротность, частотный и рабочий температурный диапазоны, начальная точность калибровки, показатели стабильности частоты: частотно-температурная стабильность и старение.
Поскольку кварц анизотропен, механические, электрические и температурные свойства вырезанной из него пластины зависят от угла ее наклона в кристалле (рис.1). Ориентация пластины кварца относительно кристаллографических осей более всего влияет на частотно-температурную характеристику, определяемую как максимально возможный уровень отклонения частоты резонатора от номинального значения в заданном температурном диапазоне, в интервале от нескольких минут до нескольких часов. Эта характеристика зависит от точности, с которой пластину вырезают из кристалла, и оказывает наибольшее влияние на стоимость автогенератора.
Важный параметр кварца – температура Кюри (573°C), при превышении которой он теряет большую часть пьезоэлектрических свойств и переходит в форму, получившую название бета-кварц.
Стабильность частоты кварца зависит не только от температуры, но и от внутренних изменений в кристалле с течением времени, то есть старения. На его значение оказывают влияние многие факторы, связанные с производством и эксплуатацией. Производители, как правило, указывают максимальный уровень старения в первый и последующие годы.
На процесс старения кварца влияет и радиация. Для увеличения радиационной стойкости существует специальная технология очистки (sweeping) кристалла кварца. Для этого кварц помещают в термостат с температурой в 500°C и медленно пропускают через электромагнитное поле. Это позволяет собрать все щелочные металлы, ухудшающие радиационную стойкость, в одном месте и отрезать эту часть кристалла [2].
В электронике для мегагерцового диапазона чаще всего применяются кристаллы с типом среза АТ. Для таких кварцевых пластин характерна кубическая зависимость частоты от температуры, с точкой перегиба (Ti) от 25 до 30°C, зависящей от особенностей производства. Подобная частотно-температурная характеристика позволяет обеспечить стабильные свойства для автогенераторов в более широком диапазоне температур, по сравнению со срезами BT, CT, NT, имеющими параболическую зависимость (рис.2) [3].
Недостатки AT-резонаторов – их хрупкость, длительное время вхождения в рабочий режим, наличие провалов на частотно-температурной кривой (рис.3) [2], вызванных резким изменением сопротивления резонатора при определенных температурах.
Для работы в высокотемпературных условиях применяются кварцевые пластины "с двойным вращением" (double rotated), то есть вырезанные из кристалла под углом к оптической и электрической осям. К ним относятся пластины со срезами типа FC, IT и SC. Они отличаются более высокой добротностью (около миллиона) и имеют более высокую температуру точки перегиба Ti (рис.4) [4]: для кварцев с FC-срезом Ti = 45–55°C, для пластин с IT-срезом Ti = 70–80°C, а для кварцевых пластин SC-среза Ti = 85–95°C.
Кроме того, резонаторам из кварца с двойным вращением свойственны более медленное старение, меньшая чувствительность к механическим воздействиям и большая виброустойчивость. Стоит отметить, что характеристика старения для кристаллов с двойным вращением будет соответствовать указанной производителем только после 30 дней с момента начала работы автогенератора.
При температурах ниже 60–70°C частотно-температурная стабильность резонаторов с SC-срезом резко ухудшается. Поэтому они применяются в термостатированных автогенераторах с рабочими температурами кварца 60–110°С [3]. Платой за лучшие значения параметров температурной стабильности, старения, меньший уровень фазового шума является более высокая цена, обусловленная необходимостью дополнительной коррекции угла среза и помещения кварца в вакуумный металлический корпус.
В килогерцовом диапазоне частот применяют так называемые камертонные резонаторы. Свое название они получили из-за внешнего вида (см. рис.1). Возможный диапазон частот для таких резонаторов составляет 30–500 кГц. Наиболее распространенная номинальная частота резонаторов этого типа – 32,768 кГц. Такие резонаторы применяются в часовой промышленности. Автогенераторы на основе этих резонаторов потребляют весьма малую мощность, что делает их незаменимыми в устройствах с батарейным питанием.
Схема замещения кварцевой пластины представляет собой колебательный контур [1, 2, 5]. Механические режимы колебаний зависят от типа среза кварцевого резонатора (рис.5). Эти колебания могут происходить на частотах как первой, так и третьей, пятой, седьмой, а иногда и девятой гармоник. Так, например, для кварцевых резонаторов с АТ-срезом колебания на основной частоте происходят до 30–40 МГц, на третьей гармонике – до 60–65 МГц, на пятой – до 125 МГц, на седьмой – до 256 МГц.
Кварцевые пластины, работающие на гармониках, имеют более высокую добротность, низкие уровни джиттера и фазового шума. Недостатки таких режимов – более высокий уровень негармонических искажений, для снижения которого изменяют форму и размеры напыляемых электродов. Кроме того, для кварца с АТ-срезом колебания на частоте первой (75–350 МГц) или более высоких (150–800 МГц) гармоник можно получить [2], используя технологию "инвертированных меза-кристаллов" (рис.6). Эта технология основана на зависимости частоты колебаний от толщины резонатора и заключается в вырезании из пластины кварца центральной области определенного размера. Такие резонаторы применяют для высокочастотных тактовых генераторов. Недостатки данной технологии – более высокий показатель старения ± (2–3 ppm) и увеличение стоимости кварцевого резонатора. Последнее обусловлено сложностью вытравливания центральной области и необходимостью использования предварительно очищенного кварца.
Компаниями-производителями (см. таблицу) [6–31] предлагаются кварцевые резонаторы с различными типами срезов в металлических или керамических корпусах нескольких видов (рис.7), толщиной от 13 до 0,7 мм для частотного диапазона 1,84–350 МГц. Рабочий частотный диапазон кварцевого резонатора зависит не только от особенностей его производства, но и от типа корпусирования (рис.8).
В корпусах типа HС-49/U (рис.9а) или HC-35/U (рис.9б) выводы кварцедержателей изолируются от металлического основания стеклянными уплотнителями. При сгибании или укорочении выводов уплотнители вследствие их хрупкости могут сломаться, что нарушит герметичность кварцедержателя. В процессе эксплуатации такие нарушения условий вакуумирования ухудшают показатели стабильности частоты. Для устранения этого недостатка по возможности используется SMD-корпусирование (рис.9в). Целостность стеклянных уплотнителей в этом случае тестируется производителем.
В качестве базового напыления электродов используют золото или серебро. Для окончательной корректировки частоты часть напыления при необходимости удаляется. Золото из-за более высокой стоимости применяется для высокочастотных прецизионных кварцевых резонаторов.
Для прецизионных высокодобротных кварцевых резонаторов используют более сложные системы их крепления. Так, компания Vectron International разработала конструкцию крепления пьезопластины на четырех разгружающих опорах (Quad Relief Mount, QRM) (рис.10) [7]. Основные преимущества данной конструкции – увеличение долговременной стабильности частоты и виброустойчивости. Испытания резонаторов с данной конструкцией кристаллодержателя показали их низкую чувствительность к вибрациям вплоть до величин 10 g.
Свойства кварцевых резонаторов в конечном итоге определяют такие важные характеристики автогенераторов, как стабильность частоты, рабочий температурный диапазон, возможность перестройки частоты и др. Многообразие срезов кварцев позволяет подобрать нужный вариант в зависимости от области применения.
Литература
1.www.jauch.de/ablage/med_00000818_1327049076_Quartz%20Crystal%20Theory%202007.pdf
2.Cerda R.M. Understanding Quartz Crystals and oscillators. – Artech House. – 2014, 299 p.
3.txccrystal.com/term.html
4.www.crovencrystals.com
5.Радиопередающие устройства / Под ред. Шахгильдяна В.В. – М.: Радио и Связь, 2003. – 560 с.
6.www.raltron.com
7.www.vectron.com
8.www.sjk-crystal.com
9.www.kds.info/index_en.htm
10.www.txccrystal.com
11.www.rakon.com
12.www.morion.com.ru/rus
13.www.ecliptek.com
14.www.taitien.com.tw/en
15.www5.epsondevice.com/en/products
16.www.lit-phonon.ru
17.www.pericom.com
18.www.euroquartz.co.uk
19.www.river-ele.co.jp/products_en/p-at.html
20.www.kyocera-crystal.jp/eng/about-us/business-development/xtal1
21.www.oaopiezo.com
22.www.kvg-gmbh.de
23.www.piezotron.ru
24.Jones T. B. et al. Electromechanics and MEMS, New York: Cambridge University Press, 2013.
25.www.wi2wi.com/products/product-types/crystals
26.www.golledge.com
27.www.geyer-electronic.com/Quartz-Crystals
28.www.microcrystal.com/index.php
29.www.foxonline.com
30.www.icmfg.com
31.www.iqdfrequencyproducts.com
Вследствие высокой цены природного кварца и ограниченных его запасов, в электронике используют синтетические кристаллы кварца, получаемые методом гидротермального синтеза, при температуре 350°C под давлением около двух тысяч атмосфер. Выращивание кристаллов занимает от 30 до 260 дней. По мере увеличения срока получения кварца повышаются его однородность и чистота, что приводит к сближению качественных показателей синтетического и природного кварца [1]. Большое внимание уделяется также завершающей обработке полученных пластин, поскольку любые шероховатости приводят к ухудшению электрических характеристик и увеличению уровня фликкер-шумов.
Основные характеристики, по которым оценивается качество резонаторов, – добротность, частотный и рабочий температурный диапазоны, начальная точность калибровки, показатели стабильности частоты: частотно-температурная стабильность и старение.
Поскольку кварц анизотропен, механические, электрические и температурные свойства вырезанной из него пластины зависят от угла ее наклона в кристалле (рис.1). Ориентация пластины кварца относительно кристаллографических осей более всего влияет на частотно-температурную характеристику, определяемую как максимально возможный уровень отклонения частоты резонатора от номинального значения в заданном температурном диапазоне, в интервале от нескольких минут до нескольких часов. Эта характеристика зависит от точности, с которой пластину вырезают из кристалла, и оказывает наибольшее влияние на стоимость автогенератора.
Важный параметр кварца – температура Кюри (573°C), при превышении которой он теряет большую часть пьезоэлектрических свойств и переходит в форму, получившую название бета-кварц.
Стабильность частоты кварца зависит не только от температуры, но и от внутренних изменений в кристалле с течением времени, то есть старения. На его значение оказывают влияние многие факторы, связанные с производством и эксплуатацией. Производители, как правило, указывают максимальный уровень старения в первый и последующие годы.
На процесс старения кварца влияет и радиация. Для увеличения радиационной стойкости существует специальная технология очистки (sweeping) кристалла кварца. Для этого кварц помещают в термостат с температурой в 500°C и медленно пропускают через электромагнитное поле. Это позволяет собрать все щелочные металлы, ухудшающие радиационную стойкость, в одном месте и отрезать эту часть кристалла [2].
В электронике для мегагерцового диапазона чаще всего применяются кристаллы с типом среза АТ. Для таких кварцевых пластин характерна кубическая зависимость частоты от температуры, с точкой перегиба (Ti) от 25 до 30°C, зависящей от особенностей производства. Подобная частотно-температурная характеристика позволяет обеспечить стабильные свойства для автогенераторов в более широком диапазоне температур, по сравнению со срезами BT, CT, NT, имеющими параболическую зависимость (рис.2) [3].
Недостатки AT-резонаторов – их хрупкость, длительное время вхождения в рабочий режим, наличие провалов на частотно-температурной кривой (рис.3) [2], вызванных резким изменением сопротивления резонатора при определенных температурах.
Для работы в высокотемпературных условиях применяются кварцевые пластины "с двойным вращением" (double rotated), то есть вырезанные из кристалла под углом к оптической и электрической осям. К ним относятся пластины со срезами типа FC, IT и SC. Они отличаются более высокой добротностью (около миллиона) и имеют более высокую температуру точки перегиба Ti (рис.4) [4]: для кварцев с FC-срезом Ti = 45–55°C, для пластин с IT-срезом Ti = 70–80°C, а для кварцевых пластин SC-среза Ti = 85–95°C.
Кроме того, резонаторам из кварца с двойным вращением свойственны более медленное старение, меньшая чувствительность к механическим воздействиям и большая виброустойчивость. Стоит отметить, что характеристика старения для кристаллов с двойным вращением будет соответствовать указанной производителем только после 30 дней с момента начала работы автогенератора.
При температурах ниже 60–70°C частотно-температурная стабильность резонаторов с SC-срезом резко ухудшается. Поэтому они применяются в термостатированных автогенераторах с рабочими температурами кварца 60–110°С [3]. Платой за лучшие значения параметров температурной стабильности, старения, меньший уровень фазового шума является более высокая цена, обусловленная необходимостью дополнительной коррекции угла среза и помещения кварца в вакуумный металлический корпус.
В килогерцовом диапазоне частот применяют так называемые камертонные резонаторы. Свое название они получили из-за внешнего вида (см. рис.1). Возможный диапазон частот для таких резонаторов составляет 30–500 кГц. Наиболее распространенная номинальная частота резонаторов этого типа – 32,768 кГц. Такие резонаторы применяются в часовой промышленности. Автогенераторы на основе этих резонаторов потребляют весьма малую мощность, что делает их незаменимыми в устройствах с батарейным питанием.
Схема замещения кварцевой пластины представляет собой колебательный контур [1, 2, 5]. Механические режимы колебаний зависят от типа среза кварцевого резонатора (рис.5). Эти колебания могут происходить на частотах как первой, так и третьей, пятой, седьмой, а иногда и девятой гармоник. Так, например, для кварцевых резонаторов с АТ-срезом колебания на основной частоте происходят до 30–40 МГц, на третьей гармонике – до 60–65 МГц, на пятой – до 125 МГц, на седьмой – до 256 МГц.
Кварцевые пластины, работающие на гармониках, имеют более высокую добротность, низкие уровни джиттера и фазового шума. Недостатки таких режимов – более высокий уровень негармонических искажений, для снижения которого изменяют форму и размеры напыляемых электродов. Кроме того, для кварца с АТ-срезом колебания на частоте первой (75–350 МГц) или более высоких (150–800 МГц) гармоник можно получить [2], используя технологию "инвертированных меза-кристаллов" (рис.6). Эта технология основана на зависимости частоты колебаний от толщины резонатора и заключается в вырезании из пластины кварца центральной области определенного размера. Такие резонаторы применяют для высокочастотных тактовых генераторов. Недостатки данной технологии – более высокий показатель старения ± (2–3 ppm) и увеличение стоимости кварцевого резонатора. Последнее обусловлено сложностью вытравливания центральной области и необходимостью использования предварительно очищенного кварца.
Компаниями-производителями (см. таблицу) [6–31] предлагаются кварцевые резонаторы с различными типами срезов в металлических или керамических корпусах нескольких видов (рис.7), толщиной от 13 до 0,7 мм для частотного диапазона 1,84–350 МГц. Рабочий частотный диапазон кварцевого резонатора зависит не только от особенностей его производства, но и от типа корпусирования (рис.8).
В корпусах типа HС-49/U (рис.9а) или HC-35/U (рис.9б) выводы кварцедержателей изолируются от металлического основания стеклянными уплотнителями. При сгибании или укорочении выводов уплотнители вследствие их хрупкости могут сломаться, что нарушит герметичность кварцедержателя. В процессе эксплуатации такие нарушения условий вакуумирования ухудшают показатели стабильности частоты. Для устранения этого недостатка по возможности используется SMD-корпусирование (рис.9в). Целостность стеклянных уплотнителей в этом случае тестируется производителем.
В качестве базового напыления электродов используют золото или серебро. Для окончательной корректировки частоты часть напыления при необходимости удаляется. Золото из-за более высокой стоимости применяется для высокочастотных прецизионных кварцевых резонаторов.
Для прецизионных высокодобротных кварцевых резонаторов используют более сложные системы их крепления. Так, компания Vectron International разработала конструкцию крепления пьезопластины на четырех разгружающих опорах (Quad Relief Mount, QRM) (рис.10) [7]. Основные преимущества данной конструкции – увеличение долговременной стабильности частоты и виброустойчивости. Испытания резонаторов с данной конструкцией кристаллодержателя показали их низкую чувствительность к вибрациям вплоть до величин 10 g.
Свойства кварцевых резонаторов в конечном итоге определяют такие важные характеристики автогенераторов, как стабильность частоты, рабочий температурный диапазон, возможность перестройки частоты и др. Многообразие срезов кварцев позволяет подобрать нужный вариант в зависимости от области применения.
Литература
1.www.jauch.de/ablage/med_00000818_1327049076_Quartz%20Crystal%20Theory%202007.pdf
2.Cerda R.M. Understanding Quartz Crystals and oscillators. – Artech House. – 2014, 299 p.
3.txccrystal.com/term.html
4.www.crovencrystals.com
5.Радиопередающие устройства / Под ред. Шахгильдяна В.В. – М.: Радио и Связь, 2003. – 560 с.
6.www.raltron.com
7.www.vectron.com
8.www.sjk-crystal.com
9.www.kds.info/index_en.htm
10.www.txccrystal.com
11.www.rakon.com
12.www.morion.com.ru/rus
13.www.ecliptek.com
14.www.taitien.com.tw/en
15.www5.epsondevice.com/en/products
16.www.lit-phonon.ru
17.www.pericom.com
18.www.euroquartz.co.uk
19.www.river-ele.co.jp/products_en/p-at.html
20.www.kyocera-crystal.jp/eng/about-us/business-development/xtal1
21.www.oaopiezo.com
22.www.kvg-gmbh.de
23.www.piezotron.ru
24.Jones T. B. et al. Electromechanics and MEMS, New York: Cambridge University Press, 2013.
25.www.wi2wi.com/products/product-types/crystals
26.www.golledge.com
27.www.geyer-electronic.com/Quartz-Crystals
28.www.microcrystal.com/index.php
29.www.foxonline.com
30.www.icmfg.com
31.www.iqdfrequencyproducts.com
Отзывы читателей
