Исследование пространственного распределения деформаций в кварцевых пьезоэлементах методом рентгеновской топографии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методом рентгеновской топографии на лабораторном и синхротронном источниках рентгеновского излучения получены распределения деформаций в объеме двух типов кварцевых резонаторов АТ-среза, различающихся соотношениями размеров. Из сравнения рентгенотопографических данных и амплитудно-частотных характеристик резонаторов установлено соответствие между деформационными картинами и особенностями колебательных процессов для рабочих мод и их гармоник, а также для колебаний на паразитных модах. Обнаружена связь между колебаниями на паразитных модах, проявляющимися в виде неоднородности амплитуды, и топологией резонаторов. Отмечена прикладная значимость полученных результатов для разработки и оптимизации новых конструкций пьезоэлементов и развития технологии их изготовления.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Э. С. Ибрагимов

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, 119333 Москва, Ленинский пр-кт, 59; пл. Академика Курчатова 1, Москва, 123182

Ф. С. Пиляк

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, 119333 Москва, Ленинский пр-кт, 59; пл. Академика Курчатова 1, Москва, 123182

А. Г. Куликов

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: ontonic@gmail.com
Россия, 119333 Москва, Ленинский пр-кт, 59; пл. Академика Курчатова 1, Москва, 123182

Н. В. Марченков

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, 119333 Москва, Ленинский пр-кт, 59; пл. Академика Курчатова 1, Москва, 123182

Ю. В. Писаревский

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, 119333 Москва, Ленинский пр-кт, 59; пл. Академика Курчатова 1, Москва, 123182

А. А. Калоян

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, пл. Академика Курчатова 1, Москва, 123182

Ю. А. Першин

ОАО “Лит-Фонон”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, ул. Краснобогатырская 44, стр. 1, Москва, 107076

Ю. А. Глазунова

ОАО “Лит-Фонон”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, ул. Краснобогатырская 44, стр. 1, Москва, 107076

С. А. Демин

ОАО “Лит-Фонон”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, ул. Краснобогатырская 44, стр. 1, Москва, 107076

А. С. Южалкин

ОАО “Лит-Фонон”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, ул. Краснобогатырская 44, стр. 1, Москва, 107076

С. С. Пашков

ОАО “Лит-Фонон”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, ул. Краснобогатырская 44, стр. 1, Москва, 107076

Г. Н. Черпухина

ОАО “Лит-Фонон”

Email: ontonic@gmail.com
Россия, ул. Краснобогатырская 44, стр. 1, Москва, 107076

Список литературы

  1. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М.: Энергия, 1970. 488 с.
  2. Мостяев В.А., Дюжиков В.И. Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. М.: Ягуар, 1993. 280 с.
  3. Савицкий О.А. Резонатор с управляемой прозрачностью границ // Акуст. журн. 2022. T. 68. № 4. С. 385–390. doi: 10.31857/S0320791922040104
  4. Туральчук П.А., Вендик И.Б. Синтез полосовых фильтров на объемных акустических волнах с учетом материальных параметров многослойной структуры резонаторов // Акуст. журн. 2022. T. 68. № 6. С. 611–617. doi: 10.31857/S0320791922050124
  5. Квашнин Г.М., Сорокин Б.П., Бурков С.И. Анализ распространения СВЧ волн Лэмба в пьезоэлектрической слоистой структуре на основе алмаза // Акуст. журн. 2021. T. 67. № 6. С. 595–602. doi: 10.31857/S0320791921060058
  6. Onoe M., Kamada K., Okazak M., Tajika F., Manabe N. 4 MHz AT-Cut Strip Resonator for Wrist Watch / Proc. of the 31st Annual Symposium on Frequency Control. New Jercey: IEEE, 1977. Р. 48–54. https://doi.org/10.1109/FREQ.1977.200128
  7. Zumsteg A.E., Suda P. Properties of a 4 MHZ miniature flat rectangular quartz resonator vibrating in a coupled mode / Proc. of the 30th Annual Symposium on Frequency Control. New Jercey: IEEE, 1976. Р. 196–201. https://doi.org/10.1109/FREQ.1976.201314
  8. Okano S., Kudama T., Yamazaki K., Kotake H. 4.19 MHZ Cylindrical AT-cut Miniature Resonator / Proc. of the 35th Annual Symposium on Frequency Control. New Jercey: IEEE, 1981. P. 166–173. https://doi.org/10.1109/FREQ.1981.200471
  9. Dvorsky L. AT-quartz strip resonatore / Proc. of the 41st Annual Symposium on Frequency Control. New Jercey: IEEE, 1987. P. 295−302. https://doi.org/10.1109/FREQ.1987.201037
  10. Mindlin R.D. High frequency vibrations of plated crystal plates // Intl. J. Solids and Struct. 1972. V. 8. P. 891–906. https://doi.org/10.1016/0020-7683(72)90004-2
  11. Lee P.C. Extensional, Flexural and Width-Shear Vibrations of Thin Rectangular Crystal Plates / Proc. of the 25th Annual Symposium on Frequency Control. New Jercey: IEEE, 1971. P. 63−69. https://doi.org/10.1109/FREQ.1971.199834
  12. Zumsteg A.E., Suda P., Zingg W. Energy trapping of coupled modes in rectangular AT-cut resonators / Proc. of the 32nd Annual Symposium on Frequency Control. New Jercey: IEEE, 1978. P. 260–266. https://doi.org/10.1109/FREQ.1978.200246
  13. Андросова В.Г. и др. Пьезоэлектрические резонаторы: справочник. Под ред. Кандыбы П.Е. и Позднякова П.Г. М.: Радио и связь, 1992. 392 с.
  14. Букштам Б.М., Караульник А.Е. Акустические колебания кварцевых резонаторов среза AT // Акуст. журн. 1983. Т. 29. № 4. С. 440–445.
  15. Куликов А.Г., Марченков Н.В., Благов А.Е., Кожемякин К.Г., Насонов М.Ю., Пашков С.С., Писаревский Ю.В., Черпухина Г.Н. Рентгенотопографические исследования кварцевых резонаторов с «тройным» электродом // Акуст. журн. 2016. T. 62. № 6. С. 675−680. https://doi.org/10.7868/S0320791916050087
  16. Mkrtchyan A.R., Blagov A.E., Kocharyan V.R., Kulikov A.G., Movsisyan A.E., Muradyan T.R., Targonsky A.V., Eliovich Ya.A., Darinski A.N., Pisarevski Yu.V., Kovalchuk M.V. Distribution of Deformations in the Oscillating X-Ray Acoustic Element Based on the X-Cut Quartz Crystal // J. Contemp. Phys. 2019. V. 54. № 2. P. 210–218. https://doi.org/10.3103/S1068337219020142
  17. Snegirev N., Lyubutin I., Kulikov A., Zolotov D., Vasiliev A., Lyubutina M., Yagupov S., Mogilenec Yu., Seleznyova K., Strugatsky M. Structural perfection of Fe1-xGaxBO3 single crystals designed for nuclear resonant synchrotron experiments // J. Alloys and Compounds. 2022. V. 889. P. 161702. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161702
  18. Buzanov O.A., Kozlova N.S., Kozlova A.P., Zabelina E.V., Blagov A.E., Eliovich I.A., Kulikov A.G., Targonskiy A.V. Crystal growth and optical properties of Ca3TaGa3Si2O14 single crystals // Japan. J. Appl. Phys. 2018. V. 57. № 11S. P. 11UD08. https://doi.org/10.7567/JJAP.57.11UD08
  19. Kulikov A., Blagov A., Marchenkov N., Targonsky A., Eliovich Ya., Pisarevsky Yu., Kovalchuk M. LiNbO3-based bimorph piezoactuator for fast X-Ray experiments: Static and quasistatic modes // Sensors and Actuators A: Physical. 2019. V. 291. P. 68−74. https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.03.041
  20. Marchenkov N., Kulikov A., Targonsky A., Eliovich Ya., Pisarevsky Yu., Seregin A., Blagov A., Kovalchuk M. LiNbO3-based bimorph piezoactuator for fast X-Ray experiments: Resonant mode // Sensors and Actuators A: Physical. 2019. V. 293. P. 48−55. https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.04.028
  21. Bechmann R. Elastic and Piezoelectric Constants of Alpha-Quartz // Phys. Rev. 1958. V. 110. № 5. P. 1060–1061. https://doi.org/10.1103/PhysRev.110.1060
  22. Lang A.R. Topography / International Tables for Crystallography. 2006. Vol. C. Ch. 2.7. P. 113–123. https://doi.org/10.1107/97809553602060000582
  23. Bowen D.K., Tanner B.K. High Resolution X-Ray Diffractometry and Topography. London: Taylor & Francis, 1998. 252 p.
  24. Sykes R.A. Modes of Motion in Quartz Crystals, the Effects of Coupling and Methods of Design // Bell System Technical Journal. 1944. V. 23. P. 52–96.
  25. Резонаторы пьезоэлектрические кварцевые РК319 (ВП) аЦ0.338.105ТУ.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Общий вид и габаритные размеры резонаторов (а) — РК563 (тип 1) в корпусе поверхностного монтажа и (б) — РК319 (тип 2) в корпусе четвертьволнового резонатора.

Скачать (78KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схемы реализации измерений. (а) — Топография на белом пучке в однокристальной схеме дифракции, реализованная на синхротронной станции «Медиана» КИСИ-Курчатов. 1 — поворотный магнит, 2 — входная маска белого пучка, 3 — алюминиевый фильтр для поглощения длинноволновой части спектра, 4 — гониометрическая система, 5 — образец с держателем, 6 — двумерный детектор, 7 — генератор/анализатор электрического сигнала. (б) — Топография на монохроматическом пучке в двухкристальной схеме дифракции, реализованная на лабораторном трехкристальном рентгеновском спектрометре ТРС-К: 1 — рентгеновская трубка, 2 – щель предварительной коллимации, 3 — асимметричный однокристальный монохроматор, 4 — гониометрическая система, 5 — образец с держателем, 6 — двумерный детектор, 7 — генератор/анализатор электрического сигнала.

Скачать (128KB)
Метаданные
4. Рис. 3. (а) — Схематическое представление кристаллографической ориентации АТ-среза кварца; (б) и (в) — исходные топограммы резонаторов РК563 и РК319 соответственно, полученные в нормальных условиях (без внешнего воздействия).

Скачать (242KB)
Метаданные
5. Рис. 4. (а) — Топограмма и (б), (в) — графики распределения по двум направлениям амплитуды деформаций пьезоэлемента на резонансной частоте 9.99217 МГц, соответствующей 1-ой гармонике.

Скачать (72KB)
Метаданные
6. Рис. 5. (а) — Топограмма и (б), (в) — графики распределения по двум направлениям амплитуды деформаций пьезоэлемента резонатора 1-го типа на резонансной частоте 31.73469 МГц, соответствующей 3-ей гармонике.

Скачать (86KB)
Метаданные
7. Рис. 6. (а) — Топограмма и (б), (в) — графики распределения по двум направлениям амплитуды деформаций пьезоэлемента на резонансной частоте 10.43383 МГц, соответствующей ангармоническому колебанию.

Скачать (91KB)
Метаданные
8. Рис. 7. (а) — Топограмма и (б), (в) — графики распределения по двум направлениям амплитуды деформаций пьезоэлемента на резонансной частоте 13.99129 МГц, соответствующей 1-ой гармонике.

Скачать (105KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика резонатора 2-го типа.

Скачать (45KB)
Метаданные
10. Рис. 9. (а) — Топограмма и (б), (в) — графики распределения по двум направлениям деформаций пьезоэлемента на резонансной частоте 12.91492 МГц.

Скачать (93KB)
Метаданные
11. Рис. 10. (а) — Топограмма и (б), (в) — графики распределения по двум направлениям деформаций пьезоэлемента на резонансной частоте 13.42367 МГц, соответствующей ангармоническому колебанию.

Скачать (95KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024