Пьезоэлектрический резонатор¶

Пьезоэлектрический резонатор — это электроакустическое устройство, работающее на основе пьезоэлектрического эффекта, предназначенное для стабилизации и выделения электрических колебаний определённой частоты. Конструктивно представляет собой пластину, стержень или диск из пьезоэлектрического материала (например, кварца, ниобата лития, керамики), на поверхности которого нанесены электроды. При подаче переменного электрического поля резонатор совершает механические колебания, частота которых определяется его геометрическими размерами, упругими свойствами материала и типом колебаний. Благодаря высокой добротности и температурной стабильности, пьезоэлектрические резонаторы широко применяются в радиоэлектронике, измерительной технике и системах синхронизации.

¶История

¶Открытие пьезоэлектричества

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они обнаружили, что при механической деформации кристаллов кварца, турмалина и сегнетовой соли на их гранях возникают электрические заряды (прямой эффект). Обратный эффект — деформация кристалла под действием электрического поля — был предсказан и экспериментально подтверждён в 1881 году.

¶Первые резонаторы

Идея использования пьезоэлектрических кристаллов для стабилизации частоты электрических колебаний впервые была реализована в 1917 году американским инженером Уолтером Кэди. Он предложил использовать кварцевую пластину в качестве резонатора в радиопередатчиках. В 1921 году Кэди получил патент на «пьезоэлектрический резонатор». В 1923 году советский физик Александр Шубин создал первый в СССР кварцевый резонатор для радиотехнических целей.

¶Развитие в XX веке

В 1930-е годы кварцевые резонаторы стали массово применяться в радиовещании и связи. В 1940-е годы, с развитием радиолокации, потребовались более точные и стабильные резонаторы. В 1950-е годы были разработаны методы синтеза искусственного кварца, что позволило снизить стоимость и повысить качество резонаторов. В 1960-е годы появились пьезокерамические резонаторы на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС), которые были дешевле кварцевых, но уступали им по стабильности. В 1970-е годы началось применение резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ-резонаторы).

¶Физические основы работы

¶Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект возникает в кристаллах, не имеющих центра симметрии. При деформации кристаллической решётки происходит смещение положительных и отрицательных ионов, что приводит к появлению электрического поля. В обратном эффекте внешнее электрическое поле вызывает деформацию кристалла. В резонаторе оба эффекта используются одновременно: переменное электрическое поле возбуждает механические колебания, которые, в свою очередь, генерируют электрическое поле, поддерживающее колебания.

¶Резонанс

Механические колебания пьезоэлемента имеют собственные резонансные частоты, определяемые его размерами и упругими свойствами. При совпадении частоты внешнего электрического поля с одной из собственных частот амплитуда колебаний резко возрастает — наступает резонанс. Добротность кварцевого резонатора может достигать 10⁵–10⁶, что значительно выше, чем у LC-контуров.

¶Эквивалентная схема

Пьезоэлектрический резонатор вблизи резонансной частоты описывается эквивалентной электрической схемой, содержащей последовательный RLC-контур (механические колебания) и параллельную ёмкость (электроды и подводящие провода). Последовательный резонанс возникает при минимальном импедансе, параллельный — при максимальном.

¶Классификация

¶По материалу

Кварцевые резонаторы — наиболее распространённые. Используют монокристаллический кварц (SiO₂). Обладают высокой добротностью (до 10⁶), хорошей температурной стабильностью и малым старением.
Пьезокерамические резонаторы — изготавливаются из поликристаллической керамики (например, ЦТС). Дешевле кварцевых, но имеют меньшую добротность (10³–10⁴) и худшую стабильность. Применяются в фильтрах, датчиках и генераторах невысокой точности.
Резонаторы на ниобате лития — используются в высокочастотных приложениях (до нескольких ГГц) и в ПАВ-устройствах.
Резонаторы на танталате лития — применяются в широкополосных фильтрах и генераторах.

¶По типу колебаний

Резонаторы с объёмными акустическими волнами (ОАВ) — колебания распространяются по всему объёму пьезоэлемента. Основные виды: сдвиговые, продольные, изгибные.
Резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) — колебания распространяются вдоль поверхности пьезоэлектрической подложки. Используются в фильтрах и генераторах на частотах от 10 МГц до 3 ГГц.
Тонкоплёночные резонаторы (FBAR) — представляют собой тонкую пьезоэлектрическую плёнку (например, нитрид алюминия), заключённую между электродами. Работают на частотах до 20 ГГц.

¶По конструктивному исполнению

Бескорпусные — пьезоэлемент без защиты, используется в составе модулей.
В металлическом корпусе — герметизированные, часто с вакуумом или инертным газом для уменьшения затухания.
В керамическом корпусе — для поверхностного монтажа (SMD).
В пластиковом корпусе — дешёвые, для бытовой электроники.

¶Характеристики

¶Основные параметры

Номинальная частота — частота, на которую рассчитан резонатор (обычно от нескольких кГц до сотен МГц).
Добротность — отношение запасённой энергии к потерям за период колебаний. Для кварцевых резонаторов — 10⁴–10⁶.
Температурный коэффициент частоты (ТКЧ) — изменение частоты при изменении температуры. Для кварцевых резонаторов может быть от -20 до +20 ppm/°C в зависимости от среза кристалла.
Старение — медленное изменение частоты со временем (обычно 1–5 ppm в год).
Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — сопротивление потерь в резонаторе (от единиц до сотен Ом).
Ёмкость — статическая ёмкость между электродами (обычно 1–30 пФ).

¶Типы срезов кварца

AT-срез — наиболее распространённый. Обеспечивает малую температурную зависимость в диапазоне -55…+125 °C. Используется для частот от 500 кГц до 300 МГц.
BT-срез — имеет более крутую температурную характеристику, но лучшую стабильность при высоких частотах.
SC-срез — улучшенный AT-срез с более низким ТКЧ и меньшим старением. Применяется в прецизионных генераторах.
GT-срез — для низких частот (до 500 кГц).

¶Применение

¶Генераторы и синтезаторы частоты

Пьезоэлектрические резонаторы являются основой кварцевых генераторов — источников стабильных электрических колебаний. Они используются в часах, компьютерах, микроконтроллерах, радиопередатчиках и приёмниках. В синтезаторах частоты резонаторы задают опорную частоту для фазовой автоподстройки (ФАПЧ).

¶Фильтры

Резонаторы применяются в полосовых и режекторных фильтрах. Кварцевые фильтры обеспечивают высокую избирательность в радиоприёмных устройствах. ПАВ-фильтры используются в мобильных телефонах, телевизорах и спутниковой связи.

¶Датчики

Пьезоэлектрические резонаторы чувствительны к массе, температуре, давлению и влажности. На их основе создаются:

Кварцевые микровесы — для измерения массы тонких плёнок.
Датчики давления — изменение частоты под действием деформации.
Термодатчики — используются в термокомпенсированных генераторах.
Газовые сенсоры — изменение частоты при адсорбции газа на поверхности.

¶Часы и таймеры

Кварцевые резонаторы на частоту 32 768 Гц (2¹⁵ Гц) являются стандартом для электронных часов. Эта частота легко делится на 1 Гц с помощью двоичного счётчика.

¶Медицинская техника

В ультразвуковых сканерах и терапевтических аппаратах используются пьезокерамические резонаторы для генерации и приёма ультразвука.

¶Интересные факты

Первый кварцевый генератор, созданный Уолтером Кэди в 1921 году, имел частоту 50 кГц и стабильность около 0,1 %.
В 1927 году кварцевые резонаторы впервые использовались в часах — в кварцевых часах Уоррена Мариссона.
Самый высокочастотный кварцевый резонатор (около 300 МГц) работает на обертонных колебаниях (третьей или пятой гармонике).
В СССР массовое производство кварцевых резонаторов началось в 1930-е годы на заводе «Радиодеталь» (ныне — ПАО «Кварц»).
Пьезокерамические резонаторы на основе ЦТС были разработаны в 1950-х годах в СССР под руководством Бориса Вула.

¶Источники

Кэди У. Пьезоэлектричество и его практическое применение. — М.: Иностранная литература, 1949.
Шубин А. А. Пьезоэлектрические резонаторы. — М.: Связьиздат, 1935.
Мейер В. Кварцевые резонаторы и генераторы. — М.: Энергия, 1966.
Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца. — М.: Наука, 1970.
IEEE Standard for Quartz Crystal Units. — IEEE Std 177-1998.