Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Разработка ударопрочного кварцевого резонатора в стандартном микроминиатюрном корпусе типа UM-1

Полный текст:

Аннотация

Исследованы конструкционные особенности кварцевых резонаторов. Разработаны новые технологии, с применением которых были изготовлены кварцевые резонаторы в стандартном микроминиатюрном корпусе типа UM-1, способные выдерживать повышенные механические нагрузки. По результатам испытаний установлено, что такие резонаторы могут выдерживать три одиночных удара с пиковым ударным ускорением 150 000, 200 000 и 250 000 м/с2 и длительностью действия 0,1…0,5 мс в трех направлениях.

Для цитирования:


Батрамеев Н.В., Курочка С.П., Миленин П.П., Дзыба С.И. Разработка ударопрочного кварцевого резонатора в стандартном микроминиатюрном корпусе типа UM-1. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):11-14.

For citation:


Batrameev N.V., Kurochka S.P., Milenin P.P., Dzyba S.I. Development of impact-resistant quartz-crystal resonator in a standard microminiature UM-1 type package. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(3):11-14. (In Russ.)

Современная военная и специальная техни­ка, начиная с командных модулей и радиос­вязи низового звена, заканчивая элементами авиационной и космической бортовой аппаратуры, работает в условиях экстремальных механических нагрузок. Сохранение работо­способности радиоэлектронных устройств под воздействием транспортных вибраций, ме­ханических и акустических ударов является одной из приоритетных задач при разработке радиоэлектронной аппаратуры специального назначения. Особые требования предъявля­ют к механической прочности и устойчиво­сти электронных модулей и устройств, явля­ющихся частью современных боеприпасов. Для обеспечения надежного срабатывания та­ких устройств используемые комплектующие изделия межотраслевого применения в целом и кварцевые резонаторы в частности долж­ны иметь существенный запас механической прочности и устойчивости.

В настоящее время стойкость к удару одиночного действия с пиковым ускорением 50 000 м/с2 и длительностью действия 0,1...0,3 мс имеют резонаторы на частоты от 10 до 20 МГц с максимальным относительным изменением рабочей частоты ±75 ·10-6 в интервале рабочих температур от -60 до +85 °С [1]. К разрабаты­ваемым современным и перспективным ти­пам радиоэлектронной аппаратуры выдвигают требования увеличить стойкость резонаторов к механическим воздействиям и стабильность частоты в интервале рабочих температур. Дан­ные требования были выполнены с помощью новых конструктивных решений и технологий изготовления кварцевых резонаторов.

Целью исследования являлась разра­ботка кварцевых резонаторов в стандартном микроминиатюрном корпусе типа UM-1 на частоты от 10 до 15 МГц с увеличенным механическим ударом до 200 000 м/с2, длитель­ностью действия 0,1.0,5 мс и максимальным относительным изменением рабочей частоты ±3010-6 в интервале рабочих температур от -60 до +120 °С.

По результатам проведенных исследо­ваний влияния повышенных механических нагрузок на кварцевые резонаторы можно вы­делить основные причины отказов кварцевых резонаторов: дефекты кварцевого сырья, спо­собы обработки поверхности кварцевого кри­сталлического элемента, механические пара­метры клея, элементы конструкции.

В процессе работы были отобраны кри­сталлы с увеличенной добротностью для из­готовления кварцевых резонаторов, способ­ных выдерживать повышенные механические нагрузки. Метод оценки качества кристаллов кварца базируется на прямом измерении доб­ротности кристаллических элементов АТ-среза диаметром 14 мм, имеющих форму плоско­выпуклой линзы с радиусом сферы R = 50 мм на частоте 5 МГц (n = 5) или двояковыпуклой линзы с R = 30 мм на основной частоте 1 МГц (n = 1) и изготовленных из представительного кристалла одного промышленного съема [2]. Добротность материала - основной показатель качества выращенного кристалла.

Наличие дислокаций в кристалле и дру­гих дефектов кварца в процессе работы оцени­вали с помощью метода химического травления кристаллических элементов, в результате кото­рого на поверхности кристалла под действием травителя (в данном случае - насыщенного раствора фтористого аммония NH4F) появля­ются ямки травления. Были выбраны образцы кристаллов с плотностью ямок травления ме­нее 20 на см2. Малое количество дислокаций обусловливает высокую прочность кристал­лических элементов. Достигнутый сегодня уровень химической чистоты и структурно­го совершенства выращиваемых высококаче­ственных монокристаллов кварца [3] обеспе­чивает высокую добротность (Qir > 2,5 · 106), низкое сопротивление, воспроизводимость параметров и характеристик, возможность ми­ниатюризации с сохранением высокой ста­бильности частоты и параметров кварцевых резонаторов и устройств на их основе, отвеча­ющих высоким эксплуатационным требовани­ям к механическим, климатическим и радиа­ционным воздействиям.

Интенсивные механические воздействия на кварцевые резонаторы могут вызвать от­рыв клеевого соединения. Наиболее слабым местом является точка крепления кристаллического элемента к металлическому кварцедержателю [4]. После испытаний кварцевых резонаторов, изготовленных по стандартной конструкторской и технологической докумен­тации, на механический удар в 200 000 м/с2 с длительностью действия 0,1...0,5 мс, наблю­далось разрушение кристаллического элемен­та именно в этой области, а если крепление не обрывалось, то возникала остаточная де­формация элементов крепления (изменение формы пятна клея), вызывающая увеличение затухания и необратимые изменения частоты.

Для устранения причин, влияющих на работоспособность кварцевого резонатора в процессе и после испытаний на механический удар в 200 000 м/с2 с длительностью действия 0,1…0,5 мс, в технологию изготовления квар­цевых резонаторов был внедрен модернизи­рованный клей ЭПЭ на силиконовой основе с повышенными упругими свойствами по срав­нению со стандартным клеем ТОК 2, и изме­нена ориентация кристаллического элемента в кварцедержателе. Для удаления нарушенных слоев и снижения потенциальных центров трещинообразований, поверхность кварцевого кри­сталлического элемента подвергалась обработ­ке полирующим травителем на глубину 2 мкм, а также для создания буферного слоя между кварцевым элементом и крышкой резонатора была помещена фторопластовая прокладка.

В процессе испытаний были произве­дены три одиночных удара с силой 150 000, 200 000 и 250 000 м/с2 и длительностью дей­ствия 0,1...0,5 мс в трех направлениях. После проведения испытаний у кварцевых резона­торов, изготовленных с применением новых технологий, были измерены их электрические параметры. Изменение частоты и сопротивле­ния кварцевых резонаторов в корпусе UM-1 на частоту 10 МГц до и после испытания приве­дены в таблице.

 

Изменение частоты и сопротивления кварцевых резонаторов в корпусе UM-1 на частоту 10 МГц до и после испытания при температуре +60 °С

№ изделия

Вид испытания

Измерения до испытаний

Испытания на воздействие ударов одиночного действия не более ±10 · 10-6

Fраб, Гц

R, Ом

Fраб, Гц

∆f / F · 10-6

R, Ом

AR, Ом

4554

9999812

12,3

9999812

0

12,7

0,4

4555

9999764

12,1

9999767

0,3

12,2

0,1

4556

9999893

15,4

9999896

0,3

15,4

0

4557

9999807

14,5

9999804

-0,3

14,7

0,2

4558

9999848

12,8

9999851

0,3

13,0

0,2

4559

9999790

12,8

9999793

0,3

12,8

0

4560

9999843

12,2

9999852

0,9

12,5

0,3

4561

9999803

14,1

9999811

0,8

13,8

-0,3

4562

9999878

13,3

9999873

-0,5

13,3

0

4563

9999793

14,9

9999805

1,2

15,3

0,4

Как видно из таблицы, все десять экспе­риментальных образцов выдержали воздей­ствие трех одиночных ударов с силой 150 000, 200 000, 250 000 м/с2 и длительностью действия 0,1...0,5 мс в трех направлениях.

На рис. 1 представлен график темпера­турно-частотной характеристики (ТЧХ) квар­цевого резонатора № 4563 на частоту 10 МГц, изготовленного с применением новых технологий, до и после воздействия перечисленных выше испытаний. Характер кривой и гладкость ТЧХ практически не изменились, следователь­но, их воздействие не повлияло на частотоза­дающие параметры кварцевого резонатора (см. рис. 1). После вскрытия резонатора не было обнаружено конструктивных изменений.

На рис. 2 приведен график амплитуд­но-частотной характеристики (АЧХ) кварце­вого резонатора № 4563 на частоту 10 МГц, изготовленного с применением новых техно­логий, после воздействия испытаний. На ри­сунке показано, что интенсивность побочных резонансов не оказывает влияния на рабочий резонанс, следовательно, испытания не воздействуют на моночастотность резонатора.

Рис. 2. АЧХ кварцевого резонатора после воздействия испытаний

С применением новых технологий и кон­структивных решений при изготовлении квар­цевых резонаторов в стандартном микроми­ниатюрном корпусе типа UM-1 на частоты от 10 до 15 МГц были выпущены ударопроч­ные кварцевые резонаторы, которые способны выдержать механический удар одиночного дей­ствия с пиковым ускорением до 200 000 м/с2 и длительностью действия 0,1...0,5 мс и обеспе­чить максимальное относительное изменение рабочей частоты ±30 10-6 в интервале рабочих температур от -60 до +120 °С, используемых для изготовления устройств и комплексов для эксплуатации в экстремальных условиях.

Список литературы

1. Резонаторы пьезоэлектрические кварцевые РК319 вакуумные механически прочные // ОАО «ЛИТ-ФОНОН». URL: http://www.litphonon.ru/downloads/RK319.pdf (дата обращения 05.12.2016).

2. Мостяев В. А., Дюжиков В. И. Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. М.: Ягуар, 1993. 280 с.

3. Возможности послеростового обогащения синтетического кварца / Н. И. Коновалов и др. // Новые промышленные технологии. 2007. № 6. С. 25–29.

4. Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник / В. Г. Андросова и др.; под ред. П. Е. Кандыбы, П. Г. Позднякова. М.: Радио и связь, 1992. 392 с.


Об авторах

Н. В. Батрамеев
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»; ОАО «Пьезо»
Россия

Батрамеев Николай Владимирович – аспирант Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» института новых материалов и нанотехнологий, заместитель генерального директора по коммерческим вопросам ОАО «Пьезо»

Область научных интересов – технология пьезо- и акустоэлектронных устройств

г. Москва



С. П. Курочка
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Курочка Сергей Петрович – кандидат технических наук, доцент кафедры технологии материалов электроники института новых материалов и нанотехнологий

Область научных интересов: силовая полупроводниковая электроника, технология пьезо- и акустоэлектронных устройств.

г. Москва



П. П. Миленин
ОАО «Пьезо»
Россия

Миленин Павел Павлович – кандидат технических наук, главный конструктор

Область научных интересов: технология пьезо- и акустоэлектронных устройств.

г. Москва



С. И. Дзыба
ОАО «Пьезо»
Россия

Дзыба Сергей Иванович – окончил Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделева, начальник бюро новых разработок

Область научных интересов: технология пьезо- и акустоэлектронных устройств.

г. Москва



Для цитирования:


Батрамеев Н.В., Курочка С.П., Миленин П.П., Дзыба С.И. Разработка ударопрочного кварцевого резонатора в стандартном микроминиатюрном корпусе типа UM-1. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):11-14.

For citation:


Batrameev N.V., Kurochka S.P., Milenin P.P., Dzyba S.I. Development of impact-resistant quartz-crystal resonator in a standard microminiature UM-1 type package. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(3):11-14. (In Russ.)

Просмотров: 34


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)