Кварцевый резонатор-термостат

Кварцевый резонатор-термостат, содержащий кристаллический элемент прямоугольной формы, на главных гранях в центральной области которого размещены возбуждающие электроды с выводами, а на одной из главных граней в периферийной области кристаллического элемента с разных сторон относительно продольной оси его симметрии и параллельно ей размещены резистивные пленочные нагреватели, первые концевые участки которых соединены между собой токопроводящей перемычкой, а вторые концевые участки соединены соответственно выводами для подключения к выходным клеммам блока терморегулирования, и датчик температуры с выводами для подключения к входным клеммам блока терморегулирования, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности частоты и сокращения времени установления частоты, в качестве кристаллического элемента использован элемент SC-cpeза, угол между продольной осью симметрии кристаллического элемента и кристаллографической осью X' выбран в пределах (-15)-(+15)°, а соотношение длины кристаллического элемента и его ширины выбрано в пределах 1,7-2,3, при этом внешняя кромка резистивных пленочных нагревателей совмещена с торцовой гранью кристаллического элемента.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к пьезоэлектронике, и может быть использовано в качестве частотозадающего элемента в высокостабильных кварцевых генераторах.
Известны кварцевые резонаторы-термостаты (КРТ) содержащие кристаллический элемент (КЭ) SC-среза, размещенный в замкнутом термостатирусмом объеме.
Недостатком данного КРТ является значительное время установления частоты после включения генератора; около 5 мин, обусловленное слабой связью КЭ с источником тепла и большой теплоемкостью термостатируемого объема.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является серийно выпускаемый КРТ "Сонет", содержащий КЭ АТ-среза в форме прямоугольника с длиной, ориентированной вдоль кристаллографической оси Z¹, на центральную часть поверхностей которого нанесены возбуждающие электроды, а на периферийную часть вдоль длинных сторон нанесены резистивные пленочные нагреватели, а также датчик температуры, имеющие отводы для подключения к клеммам блока терморегулирования. Ориентация длины КЭ в данном КРТ выбрана из соображений минимальной чувствительности частоты к механическим напряжениям в системе крепления, которая в пластинах АТ-среза имеет место в направлении, близком к оси Z¹.
Недостатком данного КРТ является относительно большое время готовности: около 45 с, а также значительная температурная нестабильность частоты (1-2)х10^-7, что обусловлено сильным влиянием, температурных градиентов в КЭ на частоту КРТ в момент разогрева после включения шири изменении окружающей температуры.
Цель изобретения повышение температурной-стабильности частоты и сокращение времени установления частоты.
На чертеже представлен кварцевый резонатор-термостат.
В КРТ, содержащем КЭ 1 SC-среза в форме прямоугольной пластины, на главных гранях в центральной области которого размещены возбуждающие электроды 2 с выводами,а на одной из главных граней в периферийной области КЭ с разных сторон относительно продольной оси его симметрии и параллельно ей размещены резистивные пленочные нагреватели 3, первые концевые участки которых соединены между собой токопроводящей перемычкой 4, a вторые концевые участки соединены соответственно с выводами для подключения к выходным клеммам блока терморегулирования, и датчик 5 температуры с выводами для подключения к входным клеммам блока терморегулирования, продольная ось симметри КЭ составляет с кристаллографической осью Х¹ угол, выбранный в пределах от (-15) до (+15)^o, а отношение длины КЭ к его ширине выбрано в пределах от 1,7 до 2,3. При этом внешняя кромка резистивных пленочных нагревателей 3 совмещена с торцовой гранью КЭ 1.
Сущность изобретения основана на зависимости времени установления частоты КРТ после включения и температурной стабильности его частоты от конфигурации КЭ и ориентации его длины относительно кристаллографических осей X¹ и Z₂. Эта зависимость обусловлена тем, что соотношение длин сторон прямоугольного КЭ 1 и ориентация длины относительно кристаллографических осей определяют конфигурацию поля, температурных механических напряжений в КЭ 1, возникающих вследствие тепловых потоков по пластине от нагревателей 3 в окружающую среду, а также чувствительность к этим механическим напряжениям частоты КРТ. При этом экспериментальным путем установлено, что при ориентации длины КЭ 1 в пределах от (-15) до (+15) к оси X₁ и соотношении сторон КЭ 1 в пределах от 1,7 до 2,3 максимальные по величине компоненты поля механических напряжений действуют на активную область КЭ 1 в тех направлениях, в которых пьезопластина SC-среза имеет минимальную тензочувствительность. Совмещение внешней кромки резистивного пленочного нагревателя 3 с торцовой гранью КЭ 1 существенно уменьшает тепловой поток по пластине от нагревателей 3 в окружающую среду через торцовую поверхность, что приводит к уменьшению температурных градиентов в активной области. В результате в предлагаемом КРТ в момент его разогрева после включения температурные механические напряжения оказывают на частоту незначительное влияние, что исключает "подтягивание" частоты после установления в КЭ заданной температуры статирования и сокращает время установления частоты КРТ. По тем же причинам изменение окружающей температуры, вызывающее изменение поля температурных механических напряжений в КЭ 1, не оказывает существенного влияния на частоту КРТ, что обеспечивает повышение температурной стабильности частоты КРТ.
КРТ работает следующим образом. В момент его включения начинается быстрый разогрев КЭ 1 через посредство пленочных нагревателей 3, вызывающий через 10-15 с нагрев пластины до температуры термостатирования, которая контролируется при помощи датчика 5 температуры. Однако, после этого в пластине еще длительное время сохраняются изменяющиеся во времени температурные градиенты, вызывающие в КЭ 1 температурные механические напряжения, влияющие на частоту и увеличивающие время готовности резонатора. Поскольку в предлагаемом КРТ температурные механические напряжения не оказывают сущестренного влияния на частоту, то обеспечивается сокращение времени установления частоты резонатора. После завершения переходного процесса в КЭ 1 устанавливается стационарное температурное поле, обуславливающее соответствующее поле механических напряжений. При изменении окружающей температуры изменяется тепловой поток от нагревателей 3 в окружающую среду, вызывающий изменение поля температурных механических напряжений в пластине. Однако, поскольку в предлагаемом КРТ данные напряжения не оказывают существенного влияния на его частоту то обеспечивается повышение температурной стабильности частоты КРТ.
Для практической проверки предлагаемого изображения были изготовлены и испытаны КРТ на частоту 10 МГц по третьей гармонике, содержащие КЭ прямоугольной формы размерами 7х10, 7х12, 7х14, 7х16 и 7х18 мм, т.е. с соотношением сторон 1,4; 1,7; 2 2,3; 2,6. Ориентация длины пластины к кристаллографической оси Х составляла углы 0, ( 15), ( 30), ( 45), 90^o. На поверхности КЭ 1 в центральной части нанесены возбуждающие электроды 2, а в периферийной области пленочные резистивные нагреватели 3, соединенные последовательно проводящей перемычкой 4, внешняя кромка которых совмещена с торцовой гранью КЭ 1. Кроме того, на периферийной части КЭ размещался датчик 5 температуры с выводами, для подключения к блоку терморегулирования КРТ вакуумировались. Проведенные испытания показали, что КРТ с КЭ, соотношение сторон которых находится в пределах 1,7-2,3, а длина ориентирована к кристаллографической оси X¹ под углами от (-15) до(+15)^o имеют время готовности в 3-5 раз меньшее, чем выбранный в качестве прототипа КРТ "Сонет", являющийся одновременно базовым объектом. Температурная стабильность заявляемых КРТ составила 2-5х10, что в несколько раз выше,чем у КРТ "Сонет".
Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к пьезоэлектронике, и может быть использовано в качестве частотозадающего элемента в высокостабильных кварцевых генераторах. Кварцевый резонатор-термостат содержит кристаллический элемент 1 SC-среза в виде прямоугольника, длина которого ориентирована к кристаллографической оси X' под углом, выбранным в пределах от (-15) до (+15)^o, а соотношение сторон кристаллического элемента выбрано в пределах 1,7-2,3. Ha центральные части главных поверхностей кристаллического элемента 1 нанесены возбуждающие электроды 2, а на периферийную часть одной из поверхностей нанесены пленочные резистивные нагреватели 3, а такие датчик 5 температуры, снабженные выводами для подключения к блоку терморегулирования. Изобретение позволяет значительно уменьшить влияние на частоту кварцевого резонатора-термостата температурных механических напряжений, возникающих в кристаллическом элементе 1 в момент разогрева, а также в стационарном режиме при изменении окружающей температуры, в несколько раз уменьшить температурную нестабильность частоты и время установления частоты после включения. 1 ил.