14. Изготовление пьезоэлектрических резонаторов и звукопроводов

НА поВЕРХНОСТНО-АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

В настоящее время из пьезоэлектри­ческих материалов изготавливают ряд изделий, которые находят широкое применение в устройствах радиоэлектронных средств: резонаторы для стабилизации частоты; фильтры и линии задержки на поверхностно-акустических (ПАВ); пьезоэлектрические преобразователи для ультразвуковых линий задержек; ультразвуковые генераторы, используемые в технологических целях. Получение определенных параметров устройств достигается выбором материала пьезоэлектрика и технологии изготовления.

Материалами для резонаторов и подложек устройств на ПАВ служат пьезоэлектрические монокристаллы (кварц, ниобат лития, танталат лития и др.) и поликристаллические пьезоматериалы (титанат бария, цирконат титанат свинца, метаниобат свинца и др.).

Исходным материалом для изготовления резонаторов из кварца является, например, природный горный хрусталь - бесцветный прозрачный кварц в виде кристаллических многогранников (рис. 14.1 а). Если такой кристалл разрезать по плоскости, перпендикулярной к плоскости грани гексагональной призмы, то в сечении будет получен шестиугольник, имеющий две оси (рис.14.1 б): электрическая ось Х, в направлении которой возбуждаются продольные упругие волны; механическая ось Y, в направлении которой возбуждаются поперечные сдвиговые волны. Третья ось Z, называемая оптической осью, направлена вдоль кристалла кварца и вдоль направления этой оси кристалл кварца не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Срезы, полученные перпендикулярно осям Х и Y, называются соответственно Х-срезом и Y-срезом (рис.14.2). Резонаторы, изготовленные из кварца Х-среза и Y-среза, применяются сравнительно редко, так как они имеют высокий температурный коэффициент скорости распространения упругих волн. В настоящее время широко применяются другие срезы, например AT и ВТ, находящиеся под различными углами β к оси Y и Z, и более стабильные в определенном температурном интервале. Существуют другие виды срезов, применяемые для изготовления резонаторов с малым температурным коэффициентом частоты, например, СТ-срез под углом β = 42^о к оси Z. Технологический процесс изготовления резонаторов из монокристаллических пьезоэлектрических материалов состоит из следующих основных этапов.

а) б)

Рис. 14.1. Кристалл кварца и сечение кристалла в плоскости, перпендикулярной грани гексагональной призмы

Рис. 14.2. Ориентировка типовых срезов относительно осей кварца

Ориентировка кристаталлографических осей в кристалле производится рентгеноструктурным или оптическим методами. При этом точность определения ориентировки осей должна быть не ниже ±10'.

Распиловка. Кварц является весьма твердым материалом, и механическая обработка его возможна лишь при помощи абразивных материалов, превосходящих его по твердости (алмаз, карбид кремния, карбид бора). Для распиловки кварца применяют дисковые пилы с внутренней или наружной режущей кромкой из искусственного алмаза. Дисковые пилы представляют собой стальной диск толщиной 0,1 - 0,2 мм, на режущую кромку которого наносят абразивный порошок из искусственного или природного алмаза. Толщина пластин выдерживается с учетом припуска на последующую обработку. Припуск на сторону составляет 0,4 – 0,8 мм, шероховатость поверхности Rа 1,25 – 2,5 мкм.

Моночастотность резонаторов достигается ориентацией монокристалла при его распиловке на заготовки с учетом положения кристаллографических осей и через обеспечение параллельности его основных плоскостей при последующих обработках: шлифовке и полировке. Свойства пьезоэлектрических резонаторов улучшаются и с уменьшением шероховатости их рабочих поверхностей.

Обработка поверхностей заготовки. Обработку поверхностей заготовок начинают с обеспечения размеров по контуру. Для этого заготовки склеивают в блоки клеющей мастикой и обрабатывают по нужному размеру дисковыми пилами с последующей шлифовкой. Шлифование проводят абразивной суспензией на шлифовальных станках планетарного типа. Затем заготовки отклеивают, промывают в бензине, визуально проверяют на сколы, трещины и другие дефекты. После этого производят обработку основных плоскостей. Обработка основных плоскостей включает в себя шлифование, доводку (тонкое шлифование) и полирование. Процессы обработки рабочих поверхностей пластин из пьезоэлектрических материалов и достигаемая точность размеров рассмотрены в п. 10.6. При выполнении этих операций осуществляют не только снижение шероховатости поверхностей, но и подгонку основного размера пьезопластины. Толщина пластин контролируется измерением собственной частоты колебаний пьезоэлементов, а не сам размер.

Опыт длительной эксплуатации и хранения кварцевых резонаторов показывает, что с течением времени собственная частота их самопроизвольно увеличивается. Предполагается, что главная причина старения лежит в образовании дефектного слоя на поверхности кварце­вой пластины при шлифовке. Тонкий дефектный поверхностный слой с течением времени переходит в гидрат окиси кремния, поглощая воду из окружающего воздуха. Увеличение частоты объясняется уменьшением действующей толщины пластинки.

Для удаления дефектного слоя и остатков полировальной суспензии кварцевые резонаторы подвергают химической очистке и травлению с последующей промывкой и сушкой. Травление осуществляют в плавиковой кислоте (HF) или растворе двухфтористого аммония (NH₄HF₂).

Для стабилизации свойств кварцевых резонаторов во времени применяют искусственное старение их, которое заключается в термотренировке по определенной температурно-временной программе. Стабилизация заключается в нагреве до 70 ^оС с выдержкой в течение 24 ч и в медленном охлаждении до комнатной температуры. Цикл старения повторяется многократно в зависимости от требования стабильности.

Металлизация резонаторов. В качестве электродов пьезоэлектрических резонаторов применяют металлические покрытия на основе никеля, индия, серебра. Толщина металлического слоя влияет на добротность резонатора. Очень тонкая пленка способствует повышению добротности, но обладает высоким электрическим сопротивлением, а толстая пленка снижает добротность вследствие дополнительных потерь энергии в металлическом слое. Обычно толщина металлического электрода в резонаторах мегагерцового диапазона составляет 0,5 – 1 мкм. Металлизацию осуществляют методами вакуумного термического напыления. Для улучшения адгезии металла к поверхности пьезоэлементов применяют предварительное напыление очень тонкого слоя ванадия или хрома.

Металлизация кварцевых пластин вызывает понижение резонансной частоты, что учитывается при напылении толщины слоя металла. Настройку на нужную частоту осуществляют изменением толщины электродов или контурных размеров резонаторов.

Качество изготовления кварцевых резонаторов проверяют на величину резонансной частоты, добротности и температурного коэффициента ухода частоты.

Изготовление резонаторов из поликристаллических пьезоматериалов. В качестве пьезоэлектрических поликристаллических резонаторов применяют пьезокерамические материалы на основе титана бария (BaTiO₃), цирконата титаната свинца (PbZrO₃-PbTiO₃), на основе твердых растворов (BaNb₂O₆-PbNb₂O₆) и (NaNbO₃-KNbO₃) и др.

Пьезокерамические резонаторы применяют для возбуждения акустических волн в ультразвуковых линиях задержки на основе термостабильных стекол, в технологических целях для очистки деталей от загрязнений, в ультразвуковых паяльниках, при микросварке электрических выводов микросхемы, излучателей и приемников гидроакустических устройств.

Технологический процесс изготовления пьезокерамических резонаторов состоит из следующих основных этапов: изготовления заготовок, обработки поверхности резонаторов, нанесения металлических электродов на поверхности пластин, поляризации, контроля.

Исходными материалами для изготовления пьезокерамических резонаторов служат окислы соответствующих металлов. Заготовки изготавливают методом прессования по керамической технологии (см. гл.7.3).

Обработка поверхностей заготовок включает шлифование, доводку и полирование. Процесс обработки поверхностей пьезокерамических пластин рассмотрен в гл.10.6.

После обработки рабочих поверхностей производят очистку пластин от загрязнений ультразвуковым методом, а затем нанесение металлических электродов вакуумным термическим напылением или химическим осаждением. В качестве основного металла для электродов применяют алюминий, никель, серебро и др.

Полученные заготовки не обладают пьезоэлектрическими свойствами, а являются сегнетоэлектриками, в которых электрические диполи разупорядочены относительно друг друга. Для придания заготовкам пьезоэлектрических свойств их подвергают поляризации в постоянном электрическом поле. При этом электрические домены получают преимущественную ориентацию в одном направлении, и сегнетокерамика приобретает высокие пьезоэлектрические свойства.

Поляризация заключается в нагреве заготовок до определенной температуры под действием постоянного электрического поля, выдержке и охлаждении. Поляризацию проводят на воздухе, в трансформаторном масле или силиконовой жидкости. Максимальную температуру выбирают близкой к температуре Кюри, которая зависит от типа пьезокерамики. Величину напряженности постоянного электрического поля подбирают исходя из электрической прочности пьезокерамики. Например, резонаторы из титана бария поляризуют при температуре 130 ^оС и напряженности электрического поля 0,6 – 1,5 мВ/м. Поляризацию резонаторов на основе цирконата титаната свинца (ЦТС) производят при температуре 140 – 300 ^оС и напряженности электрического поля 0,2 – 0,8 мВ/м.

Пьезоэлектрические элементы подвержены временному или температурному старению (изменению свойств изделий со временем и при воздействии температур). Для стабилизации свойств пьезокерамики в технологии изготовления пьезоэлементов используют искусственное старение, заключающееся в многократном нагреве изделий до 70 ^оС и охлаждении.

Контроль резонаторов заключается в проверке наличия рисок, сколов, геометрических размеров и электрических параметров (резонансной частоты, диэлектрической проницаемости и коэффициента электромеханической связи).

Технологический процесс изготовления звукопроводов устройств на поверхностно-акустических волнах состоит из следующих основных этапов: разделки сырья на пластины, обработки поверхностей, нанесения тонкопленочных электродов и контактных площадок.

В качестве материалов для изготовления звукопроводов применяют монокристаллические пьезоэлектрики: кварц определенных срезов, ниобат лития (LiNbO₃), танталат лития (LiTaO₃), германат висмута (Bi₁₂GeO₂₀) и поликристаллическую пьезокерамику. Содержание и последовательность основных операций изготовления звукопроводов аналогичны операциям изготовления резонаторов из кварца. В отличие от кварцевых резонаторов тщательной обработке подвергают только рабочие поверхности пластин.

Металлизацию рабочих поверхностей звукопроводов производят: вакуумным термическим испарением, высокочастотным распылением. Наиболее распространенные материалы, используемые для металлизации – алюминий, золото. Алюминий наносится на поверхность с подслоем ванадия, а золото с подслоем хрома. Рисунок электродов в зависимости от частотного диапазона устройства получают методами фотолитографии, электронной или рентгеновской литографии.

Контрольные вопросы

1. Какие пьезоматериалы используют для изготовления резонаторов, применяемых для стабилизации частоты автогенераторов?

2. Какой срез кварца обладает наибольшей температурной стабильностью?

3. Какие материалы применяют при изготовлении пьезокерамических преобразователей?

4. Какие материалы используют при изготовлении звукопроводов устройств на поверхностно-акустических волнах?

5. Изложите основные технологические операции при изготовлении резонаторов из кварца.

6. Приведите основные операции при изготовлении пьезопреобразователей из пьезокерамики.

7. В чем заключается стабилизация параметров кварцевых резонаторов?

8. Объясните, для каких целей применяют поляризацию пьезокерамических изделий? Приведите режимы поляризации.

9. Изложите особенности изготовления звукопроводов для устройств на поверхностно-акустических волнах.