ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Создание современных радиотехнических систем, электронных вычислительных комплексов и устройств автоматики немыслимо без применения пьезоэлектрических приборов. Обладая уникальными свойствами, эти приборы вытесняют традиционные узлы аппаратуры, выполненные на катушках индуктивности и конденсаторах: колебательные.контуры, фильтры,линии задержки, обеспечивая при этом существенно лучшие качества аппаратуры: высокие избирательность радиоприемников и стабильность частоты генераторов, меньшие массу и габариты. Пьезокристаллы.используются также в приборах на поверхностных акустических волнах (ПАВ), на основе которых создаются электронные устройства различного назначения: автогенераторы, резонаторы, фильтры, устройства обработки сигналов и др.

В справочнике приведены также сведения об электромеханических фильтрах и диэлектрических резонаторах.

Особенностью настоящего издания по отношению к другим публикациям по пьезоэлектрическим приборам являются краткость и простота изложения физических принципов действия приборов. Справочные же сведения приводятся только для тех приборов, которые уже приняты к производству за последние годы, или будут приняты к производству ко времени выхода справочника в свет.

Справочные сведения включают в себя электрические параметры и характеристики пьезоэлектрических-приборов.и электромеханических, фильтров, габаритные чертежи и варианты конструктивного исполнения, особенности включения и области (Применения. Эти сведения помогут специалистам выбрать из существующего ряда приборов необходимый для конкретного применения.

Настоящая книга является первой публикацией из серии книг "Изделия электронной техники", охватывающей всю современную элементную базу.

Авторы благодарны А. А. Липатову за помощь в подготовке материалов по СВЧ приборам. . .

1. Назначение и общая классификация

Основное назначение пьезоэлектрических приборов (ПЭП) - высокостабильная генерация, селекция, обработка и преобразование сигналов.

Пьезоэлектрический прибор представляет собой электромеханическое устройство, основой которого является пьезоэлектрический элем€нт, изготовленный из кристала пьезоэлектрика. Этот элемент является преобразователем механической энергии в электрическую и наоборот. Работа его основана на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте.

Прямой пьезоэлектрический эффект возникает в пьезоэлементе, имеющем механический вход и электрический выход. Под действие внешних механических сил, приложенных к пьезоэлементу, на его поверхности образуются электрические заряды. Этот эффект используется в микрофонах, звукоснимателях, датчиках и т. п.

Обратный пьезоэлектрический эффект возникает в пьезоэлементе, имеющем электрический вход и механический выход. Под действием внешнего электрического напряжения, приложенного к пьезоэлементу, он деформируется. Этот эффект используется в телефонах, ультразвуковых излучателях и т. п. Несмотря на то, что величины деформаций, получаемые за счет пьезоэффекта, крайне малы (например, пластина кварца длиной 1 см, помешенная в электрическое поле с напряжецностью 100 В/см, удлиняется лишь на 2,25-10~* мкм), возникающее при этом напряжение достаточно для практического использования.

При воздействии на пьезоэлектрик переменного напряжения с частотой, равной или близкой к частоте его собственных.колебаний, в нем возникают резонансные механические колебания. Благодаря прямому пьезоэффекту они обусловливают электрические колебания, оказывающие воздействие на возбудившую их электрическую цепь так, что частота электрических колебаний в этой цепи стабилизируется частотой собственных механических колебаний пьезоэлемента, которая определяется его физическими свойствами и геометрическими размерами.

Для получения пьезоэлементов с различными параметрами их вырезают из кристалла пьезоэлектрика под различными углами относительно кристаллографических осей: электрической X, механической Y и оптической Z (рис. 1.1). Ориентация элемента относительно кристаллографических осей пьезоэлектрика называется срезом. Для обозначения срезов элементов, вырезанных из кристаллов, вводится понятие первоначальная ориентация кристаллического элемента. Это такое положение элемента, имеющего форму.параллелепипеда, по отношению к координатным осям, при котором все его ребра параллельны этим осям. Длина элемента обозначается буквой /, ширина - Ь, толщина - s. Любое расположение элемента может быть получено его поворотом относительно осей X, Y, Z.

Условное обозначение первоначальной ориентации элемента состоит из двух букв, обозначающих кристаллографические оси, вдоль которых он расположен. Первая буква показывает, вдоль какой оси направлена толщина элемента, вторая буква - вдоль какой оси направлена его длина. За толщину принимают наименьший размер, а за длину - наибольший. Далее к обозначению добавляется одна, две или три буквы (/, Ъ, s). Первая буква указывает, какое направление вдоль длины, ширины или толщины имеет то ребро элемента, которое служит осью первого его поворота из положения первоначальной ориентации. Остальные буквы показывают, вокруг каких ребер элемента производятся остальные повороты. Далее в обозначении через косые линии указываются последовательно углы первого, второго и третьего поворотов сознаком "+", если поворот будет происходить по часовой стрелке, и сознаком "-" - если против часовой стрелки. Угол поворота вокруг толщины элемента s

Рис. 1.1. Ориентация осей пьезокристалла

обозначается буЖвой а", вокруг длины элемента / - буквой Р", вокруг ширины элемента b - буквой у°. Углы поворота измеряются в градусах и минутах.

Для возбуждения колебаний к пьезоэлементу подводится через электроды переменное напр1яжение. Пьезоэлемент в соответствии с обрат.ным пьезоэффектом начинает колебаться; при этом форма его изменяется. Различают продольные коле-баныя(сжатие - растяжение),происходящиеподлине(рис. 1.2,а), - здесьчастоту колебаний определяет длина пьезоэлемента; поперечные колебания (колебания сдвига по толщине) (рис. 1.2, б), - здесь частоту колебаний определяет толщина; колебания сдвига по контуру (по грани в плоскости колебаний) (рис. 1.2, в) - здесь частоту колебаний определяет контурный размер; колебания изгиб,а{пзткЬ элемен-