Кварцевые резонаторы. Общие сведения о кварцевых резонаторах

Кварцевые резонаторы

1.  Общие сведения о кварцевых резонаторах

Кварцевый резонатор – это упругое твердое тело, обладающее пьезоэффектом и способное приходить в состояние резонансных колебаний под действием электрического поля соответствующей частоты. Кварцевые резонаторы изготавливают из кристаллов кварца.

Кварц по химическому составу – двуокись кремния SiО₂. Весовое содержание элементов: кремния 46,7% и кислорода 53,3%, молекулярный вес 60,06. Кварц относится к числу наиболее твердых минералов и имеет твердость 7 по десятибальной шкале, плотность 2,65 г/см³. Горный хрусталь, дымчатый и черный кварц, аметист и цитрин – разновидности кварца. Химически он очень устойчив и не растворяется ни в одной кислоте, кроме плавиковой. Температура плавления – 1710°С, однако при нагреве свыше 573°С кварц переходит из одной модификации в другую и теряет пьезоэффект.

Кристалл кварца имеет вид шестигранной призмы с двумя шестигранными пирамидами на концах, однако в таком виде он встречается редко.

Кварц – анизотропное тело и его физические свойства зависят от направления. Он имеет несколько кристаллографических осей, положение которых относительно решетки кристалла неизменно, эти оси взаимно перпендикулярны. «Ось» - характеризует направления, свойства которых одинаковы. Различают следующие оси.

Ось z – оптическая ось, совпадает с продольной осью кристалла, в этом направлении электропроводность максимальна и отсутствует двойное преломление светового луча.

Ось x – электрическая ось, направлена параллельно одной из граней призмы, осей x в кристалле призмы три. В направлении оси х механические силы вызывают интенсивное возникновение электрических зарядов.

Ось у – механическая ось, направлена перпендикулярно плоскости xz. Осей у также три; они перпендикулярны осям х.

Диэлектрическая проницаемость зависит от направления электрического поля и имеет значение 4,6 для направления, параллельного оси z, и 4,5 для направления, перпендикулярного оси z.

Кварцевые пластины могут быть вырезаны из кристалла кварца под различными углами относительно кристаллографических осей. Для обозначения среза кварцевой пластины [35] вводится понятие первоначальной ориентации пластинки -–эта ориентация соответствует такому срезу, у которого все ребра параллельны кристаллографическим осям. Условное обозначение первоначальной ориентации кварцевой пластины состоит из двух букв: первая {x, y или z} указывает, какой из осей параллельна толщина пластины, вторая (x, y или z) – какой из осей параллельна длина пластины.

Условное обозначение ориентации пластины, грани которой образуют углы с кристаллографическими осями, составляется из обозначения первоначальной ориентации, к которому добавляется одна, две или три буквы (l, b, s). Первая буква указывает, какое направление (вдоль длины l, ширины b или толщины s) имеет то ребро пластины, которое служит осью первого его поворота из положения первоначальной ориентации. Последующие буквы (если они имеются) показывают, вокруг каких ребер пластины производятся последующие повороты. Числа после букв указывают последовательно углы (в градусах и минутах) первого, второго и третьего поворотов. Положительным считается угол поворота против часовой стрелки, при этом смотреть нужно со стороны положительного конца ребра, которое служит осью соответствующего поворота в направлении начала координат. Поворот вокруг толщины (s) пластины обозначается буквой , поворот вокруг длины (l) – буквой b и поворот вокруг ширины (b) – буквой g.

В настоящее время применяются буквенные обозначения срезов (например, срезы АТ или ДТ), которые и будут использованы в тексте.

Кварц обладает прямым и обратным пьезоэффектами. Прямым пьезоэффектом называется возникновение зарядов под действием приложенного механического напряжения. Поляризация пропорциональна напряжению и меняет знак при изменении его направления.

Если заряды возникают на той поверхности, которая подвергается механическому напряжению, то пьезоэлектрический эффект называется продольным, если заряды возникают на поверхности, не подвергнувшейся механическому напряжению, - поперечным.

Кварц обладает и обратным пьезоэффектом, который заключается в появлении механического напряжения при электрической поляризации кварцевой пластины. Величина механического напряжения пропорциональна напряженности поляризующего электрического поля. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты позволяют связать механические и электрические колебания. Рассмотрим подробнее механические колебания кварцевых пластин.