Keramisk resonator

Keramisk resonator for 16 MHz

Keramiske resonatorer eller piezoceramic resonatorer er elektroniske komponenter laget av piezoceramics eller et ferroelektrisk materiale. Denne forskjellen er viktig fordi ikke alle piezoceramic har ferroelektriske egenskaper, men alle ferroelektriske har piezoelektriske egenskaper. De bruker den piezoelektriske effekten for applikasjoner for frekvensbestemmelse eller frekvensvalg og brukes på samme måte som oscillerende krystaller , men har ikke samme frekvensnøyaktighet og stabilitet. Sammenlignet med kvartsoscillatorer har keramiske resonatorer mindre dimensjoner og mindre behov for eksterne elektroniske komponenter, er mer robuste med hensyn til mekaniske belastninger og koster mindre. Enkle elektriske filtre kan også produseres ved mekanisk å koble to eller flere resonatorer .

funksjonalitet

Tykkelse skjærtransduser

Hvis visse anisotrope krystaller eller ferroelektriske keramiske materialer blir deformert mekanisk, genereres elektriske ladninger på overflaten. Denne piezoelektriske effekten, piezoelektrisiteten, er også reversibel, det vil si at hvis et elektrisk felt påføres dette materialet, blir det deformert (invers piezoelektrisk effekt). Så snart det elektriske feltet ikke lenger er tilstede, får materialet sin opprinnelige form igjen, hvorved en elektrisk spenning genereres.

Den mekaniske deformasjonen av det ferroelektriske materialet til en keramisk resonator, en gang forårsaket av påføring av en spenning, genererer et elektrisk signal etter at spenningen er slått av . Ved hjelp av en tilbakekoblingskrets kan dette signalet brukes til å generere en mekanisk resonansvibrasjon av materialet, med et stabilt klokkesignal med en relativt presis frekvens og definert amplitude som opprettes.

Keramiske resonatorer vibrerer som en tykkelse-skjæroscillator over keramikkens lengdeakse. For frekvenser over 8 MHz brukes den tredje harmoniske av resonansen til å klokke kretsen

Bygg og produksjon

Blandinger av finmalt granulat laget av ferroelektriske materialer tjener som grunnlag for keramiske resonatorer . Ofte er dette blandinger basert på bly-zirkonat-titanater , bly-magnesium-niob-titanater eller kalium-natrium-niobater , til hvilke små tilsetninger av niob , strontium , barium , lantan og antimon blir tilsatt for å modifisere egenskapene.

Produksjonen av piezoelektrisk keramikk kan demonstreres ved hjelp av eksemplet på en blysirkonat-titanatkeramikk. En første termisk behandling brukes til å bringe utgangsmaterialet, en flerfasepulverblanding, inn i en ønsket kjemisk forbindelse. Dette skjer under reaksjonen av flerfasepulverblandingen for å danne blysirkonattitanat ved rundt 800 ° C. Det er resultatet av fastfasereaksjonen fra den kjemiske reaksjonen som foregår under atomdiffusjon ved temperaturer under smeltepunktet til råvarekomponentene. Når råvarene brytes ned frigjøres også gassformige biprodukter (f.eks. CO ₂ , O ₂ ). Reaksjonen under denne første termiske behandlingen kalles kalsinering eller for-sintring.

Etter kalsinering er materialet finmalt igjen. Dette øker keramikkens homogenitet. Den kornstørrelse av dette pulver er da vanligvis 3-6 um. Et bindemiddel gjør deretter pulveret til en plastisk deformerbar masse som kan presses til hvilken som helst form som skiver eller kuboider og størrelser. I den andre oppvarmingsprosessen for produksjon, som finner sted i to påfølgende oppvarmingsprosesser, blir komprimatene først fyrte ved lave temperaturer for å fjerne bindemidlet, deretter brennes keramikken i resonatorcellen fra komprimatene ved høye temperaturer i en sintring prosess . Keramikken er kjemisk inert og ufølsom overfor fuktighet og andre atmosfæriske påvirkninger.

Mikrostrukturen til sintret keramikk produsert på denne måten er nå et polykrystallinsk materiale, hvis krystallitter inneholder hvite områder (domener) hvis elementære dipoler er innrettet parallelt, men hvis innretting er statistisk fordelt i materialet. Hvis dette materialet nå utsettes for mekanisk spenning, finner ladeskift sted i det på grunn av deformasjonen, som et resultat av at det oppstår frie ladninger på krystallgrensesnittene. På grunn av den statistiske retningsfordelingen av domenene, hvis hele den sintrede kroppen ble mekanisk stresset, ville summen av alle ladningsskift være null. Av denne grunn, når keramiske resonatorer produseres, polariseres materialet etter sintring, det vil si domenene som helhet blir rettet. Dette gjøres ved å påføre et sterkt eksternt konstant felt ved temperaturer som er like under Curie-temperaturen på ca 340 ° C. Denne polarisasjonen resulterer også i en (liten) endring i lengden på den sintrede kroppen. Etter avkjøling beholder de elektriske dipolene sin polarisasjonsretning (restpolarisering) påført av det konstante feltet, og materialet har de ønskede piezoelektriske egenskapene.

Imprinting en polariseringsretning ved å tilpasse dipolene i et elektrisk felt

De individuelle resonatorcellene blir deretter kuttet til ønsket størrelse fra sintret og polarisert keramikk og malt. De elektroder , med hvilken den spenning som genereres ved oscillasjonene av keramiske fjernes, blir så metallisert på endeflatene. Koblingsledninger eller tilkoblingsflater, som er koblet til elektrodene på en elektrisk ledende måte, danner kontakten for den påfølgende kretsen.

Belegget til den keramiske resonatoren har en spesiell funksjon. Den sintrede kroppen må kunne vibrere fritt og hvis mulig uten demping. For dette formål kan piezoceramic forsynt med elektroder og forbindelser først belegges med et lag med voks. Et porøst plastbelegg påføres deretter kroppen og herdes. Under påfølgende oppvarming suger dette opp voks og resonatoren kan vibrere fritt i konvolutten.

Et spesielt trekk ved keramiske resonatorer er at to lastkapasitanser blir brakt ut. Dette er fordi de metalliserte endeflatene til keramikken, med en metallisering anordnet sentralt på det keramiske legemet, danner to kondensatorer i serie, hvis midtforbindelse kan bringes ut.

Elektrisk oppførsel

Elektrisk oppfører en keramisk resonator seg som en oscillatorkrets , bestående av en resonanskrets med tapsfri serie med en induktans , en kapasitans , den elektriske tapsmotstanden og en (statisk) parallell kapasitans . ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle C}$ ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle C_ {0}}$

Siden en keramisk resonator er et oscillerende mekanisk system, konverteres de mekaniske egenskapene til tilsvarende elektriske verdier for resonanskretsen. Den oscillerende massen til resonatoren tilsvarer deretter induktansen , det mekaniske systemet til den dynamiske kapasitansen og de mekaniske friksjonstapene er representert av den ohmske motstanden . Den statiske kapasiteten er skapt av metalliserte elektriske tilkoblinger på keramikken. Det kalles "lastekapasitans" i databladene, og i mange resonatorkonstruksjoner blir det ført til utsiden ved hjelp av en tredje tilkobling i midten og kan kobles til tilsvarende, slik at de tilsvarende eksterne komponentene ikke er nødvendige. Resonatorer som er ment for bruk i diskriminatorer er vanligvis av dette 3-polede designet. Resonatorer som er ment for bruk i oscillatorer er vanligvis 2-polede og er koblet som kvartsoscillatorer. ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle C}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle C_ {0}}$

• Kretsskjema, ekvivalent krets og grunnkrets for en oscillatorkrets
• 

  Kretssymbol for en keramisk resonator med kapasitiv tilkobling

• 

  Elektrisk ekvivalent krets for en keramisk resonator

• 

  Grunnleggende krets for en Pierce-oscillatorkrets med en keramisk resonator med en kapasitiv tilkobling

Grunnleggende frekvensadferd for impedansen til en keramisk resonator

Frekvensoppførselen til en keramisk resonator kan vises på impedanskurven. Mengden av impedans | avtar i denne kurven | med økende frekvens, i utgangspunktet ned til et minimum, poenget med serieresonans , hvor den kapasitive og induktive reaktansen avbryter hverandre i en serieresonanskrets , og bare de ohmske tapene er effektive. Når frekvensen fortsetter å stige, stiger impedansen til et maksimum, punktet med parallell resonans, også kjent som antiresonansfrekvensen. I området mellom de to resonanspunktene oppfører resonatoren seg induktivt, utenfor dette området oppfører den seg kapasitivt. Keramiske resonatorer drives i utgangspunktet i det induktive området mellom de to resonansfrekvensene. Resonansen startes og opprettholdes av inverterende forsterkere eller inverterende logiske porter med en forsterkerfunksjon, som genererer en faseforskyvning på 360 °.${\ displaystyle Z}$${\ displaystyle f}$${\ displaystyle f_ {s}}$${\ displaystyle f_ {p}}$

eiendommer

Hus og dimensjoner

• Typer keramiske resonatorer
• 

  4 MHz keramisk resonator med kapasitiv tilkobling

• 

  SMD keramiske resonatorer med kapasitiv tilkobling

• 

  Design av en kommersielt tilgjengelig keramisk resonator

Keramiske resonatorer leveres i mange industrielle hus, plastbelagt eller keramisk innkapslet. Naturligvis har resonatorene for de lavere frekvensene i kHz-området de største dimensjonene og tilbys vanligvis bare i radielt kablet form for kretskortsamling. For frekvenser fra rundt 2 MHz dominerer SMD-design for overflatemontering på kretskort eller underlag.

En stor fordel med keramiske resonatorer er deres, i noen tilfeller, betydelig mindre dimensjoner sammenlignet med kvartsoscillatorer, fordi de mekaniske egenskapene til piezoceramics gjør dem i stand til å oppnå en ønsket resonansfrekvens selv med mindre kroppsdimensjoner. I tillegg kan de utføre sin funksjon uten store glass- eller metallhus. Det er z. B. SMD keramiske resonatorer for 10 MHz i 0805-format (3,2 mm × 1,2 mm fotavtrykk) tilbys.

En tilsvarende SMD-krystall har z. B. dimensjonene 3,2 mm × 2,5 mm basisareal. Dette betyr at kvartsoscillatorer krever omtrent dobbelt så mye gulvplass som tilsvarende keramiske resonatorer. I tillegg har de fleste keramiske resonatorer innebygde lastkondensatorer. Som et resultat kan hele komponentutgiften og dermed hele plassbehovet i oscillatorkretsen reduseres.

Resonansfrekvens

Keramiske resonatorer for elektroniske enheter produseres for resonansfrekvenser fra ca. 300 kHz til ca. 70 MHz. De dekker et veldig stort utvalg av arbeidsfrekvenser innen elektronikk.

I tillegg til standard keramiske resonatorer på opptil 70 MHz, kan spesielle produksjonsprosesser også dekke det mye høyere frekvensområdet opp til rundt 3 GHz.

Frekvens toleranse

I oscillatorkretser er det vanligvis vanlig å spesifisere toleransen for resonansfrekvensen med kvalitetsfaktoren eller for kort sagt kvaliteten Q. Kvaliteten er resultatet av verdiene til induktansen , kapasitansen og tapsmotstanden til det tilsvarende kretsdiagrammet. ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle C}$${\ displaystyle R}$

${\ displaystyle Q = {\ frac {1} {R}} {\ sqrt {\ frac {L} {C}}}}$

Ved hjelp av kvaliteten kan båndbredden ved resonansfrekvensen beregnes: ${\ displaystyle B}$${\ displaystyle f _ {\ mathrm {r}}}$

${\ displaystyle B = {\ frac {f _ {\ mathrm {r}}} {Q}}}$

Båndbredden til en frekvenskurve er mindre, jo større kvalitet eller kvalitetsfaktor . ${\ displaystyle Q}$

Eksempel: En kvartskrystall med en resonansfrekvens på 10 MHz er spesifisert med en kvalitet på 10 ⁵ . Båndbredden er da 100 Hz. Vanlige frekvenstoleranser for keramiske resonatorer er mellom ± 0,1 og ± 0,5%. De er spesifisert som en innledende toleranse ved en definert temperatur, og sammenlignet med kvartskrystaller har de en betydelig bredere båndbredde ved deres resonansfrekvens. Avviket fra resonansfrekvensen er gitt enten i prosent eller i deler per million (ppm). I denne spesifikasjonen tilsvarer 0,1% deretter 1000 ppm. Imidlertid er indikasjonen i prosent forsynt med tegnet “±”, slik at ± 0,1% resulterer i en total bredde på 0,2% eller 2000 ppm. I forhold til resonansfrekvensen på 10 MHz betyr dette at resonatoren i dette eksemplet har en båndbredde på 5 kHz, som i dette tilfellet tilsvarer 50 ganger verdien sammenlignet med kvartsoscillatoren.

Den spesifiserte frekvenstoleransen til en keramisk resonator er et mål på nøyaktigheten til utgangsfrekvensen ved en spesifisert temperatur i leveringstilstanden. Hele frekvenstoleransen består av den opprinnelige toleransen bestemt av materialegenskapene, den temperaturavhengige toleransen over driftstemperaturområdet og aldring. Summen av alle tre toleransene resulterer i verdien som er avgjørende for ønsket anvendelsesområde.

Med keramiske resonatorer som er vanlig i dag, resulterer de temperaturavhengige materialegenskapene i en total toleranse for resonatoren i tillegg til den innledende toleransen, som kan nå verdier på ± 9000 ppm eller mer. Denne verdien, som er ganske høy sammenlignet med kvartskrystaller, er imidlertid egnet for mange anvendelser i elektroniske enheter, f.eks. B. i tidspunktet for mikrokontrollere, fortsatt akseptabelt. Imidlertid har nyere utvikling gjort frekvenstoleransen for keramiske resonatorer betydelig lavere. Verdier på ± 3000 ppm karakteriserer denne utviklingstrenden, og nye materialer med bedre temperaturegenskaper for keramiske resonatorer, som tilbyr en frekvenstoleranse på ± 500 ppm, tillater nå til og med en direkte sammenligning med kvartsoscillatorer.

Jitter

Under jitter (engl. For "svingninger" eller "svingninger") menes de uønskede svingningene i kloksignalet , vanligvis forårsaket av termisk støy eller fasestøy. Jitter er normalt uønsket som et interferenssignal. Siden frekvenstoleransene for kvartsoscillatorer vanligvis er betydelig lavere enn for keramiske resonatorer, antas det generelt at jitteren til keramiske resonatorer er større enn for kvartsresonatorer. Imidlertid har komparative tester mellom kvarts og keramiske resonatorer nå vist at z. B. den kortvarige jitteren (periodisk jitter) på ca. 10 ppm ved 8 MHz mellom keramiske og kvartsresonatorer er omtrent den samme. Den langsiktige jitteren i begge resonatortypene har nå også vist seg å være stort sett identisk.

Aldring

Endringen i resonansfrekvensen til keramiske resonatorer over tid kalles aldring. Det er basert på det faktum at noen av de parallelljusterte dielektriske dipolene i deres dielektriske domener forfaller over tid på grunn av manglende stabilitet. Dette betyr at de endrer justeringen og da ikke lenger bidrar til den piezoelektriske effekten. Dette endrer til slutt resonansfrekvensen og resonatoren "eldes". Endringen i frekvens er størst den første timen etter at keramikken er polarisert, hvoretter den følger en logaritmisk lov. Noen dager etter polarisering er den målbare frekvensendringen over tid ganske liten. Det er oppgitt i databladene til ledende produsenter på rundt ± 0,3% per 10 år. Imidlertid kan høyere temperaturer over det nominelle området akselerere aldring.

Koblingsfaktor

Effektiviteten ved konvertering av elektrisk til mekanisk energi eller omvendt i det respektive piezoelektriske materialet er indikert av den elektromekaniske koblingsfaktoren. For ferroelektrisk keramikk er denne verdien 5 ganger høyere enn for kvartsmaterialer .

En annen kilde setter koblingsfaktoren for keramiske resonatorer som 1000 ganger større enn for kvartskrystaller . Keramiske resonatorer leverer derfor et signal med en betydelig høyere amplitude enn oscillerende krystaller med samme drivspenning.

Innkoblingshastighet

På grunn av den høye effektiviteten ved konvertering av mekanisk til elektrisk energi, er den forbigående oppførselen til keramiske resonatorer, den såkalte oppstartstiden, delvis betydelig raskere enn med kvartsoscillatorer med tilsvarende raskere tilbakemelding. Oppstartstiden er tidsperioden som går etter at førerspenningen er påført til svingningen har nådd 90% av full amplitude. Keramiske resonatorer løper opptil tjue ganger raskere enn kvartsresonatorer og kan nå avregningshastigheter ned til 0,4 ms.

Beskyttelseskrets

I kvartsoscillatorkretser brukes ofte en ekstern motstand for å beskytte mot overspenninger som kan føre til tap av kvarts piezoelektriske egenskaper. Siden denne risikoen ikke eksisterer med keramiske resonatorer, er antall komponenter som kreves for oscillatorkretser med keramiske resonatorer lavere ved å dispensere med beskyttelsesmotstanden.

Bruksområder

Keramiske resonatorer brukes i et stort antall elektroniske enheter på grunn av deres lave pris og små dimensjoner. De brukes for eksempel som klokkegeneratorer i mikroprosessorkretser der frekvensnøyaktigheten ikke er kritisk. De kan også bli funnet i mellomfrekvensfiltre i radiomottakere, som klokker eller signalgeneratorer i billig klokke kretser, TV , videospillere , hvitevarer, mobiltelefoner , kopimaskiner , digitale kameraer , tale generatorer , fjernkontroller og i leker.

Nyere utvikling innen keramiske resonatorer har en betydelig bedre frekvensnøyaktighet og lavere temperaturavhengighet, slik at de også kan brukes i typiske applikasjonsområder av frekvensstabile krystalloscillatorer, for eksempel i USB- grensesnitt eller i lokale nettverk i motor kjøretøyelektronikk . Denne nye utviklingen er basert på forbedringer i prosesseringsmetoder og nye materialer og gjør det mulig å tilby SMD keramiske resonatorer i 0805-format (3,2 mm × 1,2 mm) i omtrent halvparten av størrelsen på tilsvarende kvartskomponenter.

Individuelle bevis

1. ↑ Piezocide-omformer, Valvo-brosjyre, 1968
2. ↑ ^{a b} Keramiske resonatorer (PDF; 714 kB). Abracon applikasjonsmerknader. 2009, åpnet 28. juli 2010.
3. ↑ TEKNISK MERKNAD # 1: Piezoceramic, Integrity Technology, [1] (PDF; 31 kB). Hentet 7. februar 2016.
4. ↑ Helke, Günter: Piezoelektrisk keramikk, fysiske egenskaper, sammensetning, produksjonsprosess, parametere og praktiske anvendelser
5. ↑ J. Koch: VALVO Piezoxide (PXE), egenskaper og applikasjoner. Hüthig Verlag, 1988, ISBN 3-7785-1755-4 .
6. ↑ Phil Elliott, AVX, TEKNISK INFORMASJON, OVERFLATEMONTERING KERAMISKE RESONATORER, PDF
7. ↑ Keramiske resonatorprinsipper, ECS, PDF
8. ↑ Murata, keramiske resonatorer (CERALOCKr) (CSTCE_G_A, 8.00-13.99 MHz) PDF; 1,2 MB . (Tilgang 14. februar 2018)
9. ↑ Petermann-Technik GmbH, MINI-SMD-CRYSTAL SERIES SMD03025 / 4 arkivert kopi ( minnesmerke av den opprinnelige fra 14 februar 2016 i Internet Archive ) Omtale: The arkivet koblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. (åpnet 7. februar 2016) @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.petermann-technik.com
10. ↑ Murata, Keramiske resonatorer Keramiske resonatorer (CERALOCK)
11. Rich Ulrich L. Rohde: Ceramic Resonator Oscillators Challenge SAW Performance, Microwaves & RF, september 2003, [2] (åpnet 14. februar 2016; ED Online ID # 5895).
12. ↑ ^{a b c d e} Kazutaka Hori, Murata, elektroniknet.de, 17. april 2008, Ceramic Resonators vs. Quartz Oscillators ( Memento of the original from 19. november 2011 i Internet Archive ) Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og har ennå ikke blitt sjekket. Vennligst sjekk originalen og arkivlenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. og [3] (åpnet 14. februar 2016) @1@ 2Mal: Webachiv / IABot / www.elektroniknet.de
13. Ie Piezoceramic resonator. I: Dieter Sautter, Hans Weinerth: Lexicon Electronics og Microelectronics. VDI-Verlag, 1990, ISBN 3-18-400896-7 , s. 507 ( begrenset forhåndsvisning i Google- boksøk ).
14. ↑ 8-pinners FLASH-basert 8-biters CMOS-mikrokontrollere, PIC12F629 / 675 datablad, (PDF; 5,0 MB) (åpnet 14. februar 2016)