РОЗДІЛ 2
НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ СТРУННИЙ РЕЗОНАТОР
ЯК ЧАСТОТОЗАДАЮЧИЙ ЕЛЕМЕНТ АВТОГЕНЕРАТОРА
2.1. Будова, принцип роботи та обгрунтування вибору геометричних розмірів НСР
Структурна досконалість та високі пружні властивості кремнію використані в НСР.
В ньому для струни застосовано НК кремнію.
Будова НСР показана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Будова напівпровідникового струнного резонатора.
Він складається з НК 1 жорстко защемленого двома кінцями у вузлах кріплення 2
на певній відстані від збуджуючого електрода 3, що є одночасно і пружним
елементом резонатора. Для зчитування частоти коливань через НК пропускається
струм, який підводиться платиновими дротинами 4. Коливання збуджуються
електростатичною силою, що виникає між НК та електродом збудження від імпульсів
напруги яка до них прикладається.
При поперечних механічних коливаннях НК двічі за період буде відхилений від
свого середнього положення, тобто він двічі за період буде максимально
розтягнутий і відповідно двічі зміниться опір кристала внаслідок тензоефекту.
При протіканні через кристал струму на його кінцях виникне пульсуюча напруга з
частотою у два рази більшою ніж частота механічних коливань. Таким чином
відпадає необхідність в пристрої, що здійснює перетворення механічних коливань
в електричний сигнал. Таке перетворення відбувається безпосередньо в кристалі
за рахунок його властивостей. Немає необхідності і в пристрої збудження
коливань бо ним за сумісництвом є пружний елемент.
За результатами випробовувань виготовлених резонаторів [62], встоновлена сильна
залежність частоти коливань коротких (3…4,5 мм) і тонких (11…25 мкм) кристалів
від струму кристала, напруги збудження та температури навколишнього
середовища.
Для кристалів діаметром 11 мкм і довжиною 3 мм зміна напруги збудження на 0,9 В
спричинила зміну частоти на 203 Гц. Для кристалів діаметром 25 мкм і довжиною
4,5 мм така ж зміна напруги привела до зміни частоти на 74 Гц. Для кристалів
діаметром 50 мкм зміна частоти при такій самій зміні напруги збудження, рівна
40 Гц. Порівнявши діаметри (11 мкм, 50 мкм) та зміну частоти (203 Гц, 40 Гц),
можна прийти до висновку, що між діаметром кристала та зміною частоти
спостерігається обернено-пропорціональна залежність.
Така тенденція пояснюється тим, що маса тонкого кристала є меншою і зростання
електростатичної сили притягання, при збільшенні напруги збудження, повинно
викликати його більше прискорення. Це прискорення збільшує амплітуду коливань.
При цьому зростає ефективна сила натягу кристала, що спричинює зростання
частоти.
Для вивчення впливу струму, через кристали довжиною 7,6 мм з діаметром 30 мкм
та 50мкм пропускався однаковий струм, який змінювався від 0,6 до 3 мА. Таке
збільшення струму викликало зменшення частоти на 577 Гц у кристалі з меншим
діаметром і на 162 Гц у кристалі з більшим діаметром. Менша зміна частоти під
дією однакового струму у кристалі з більшим діаметром пояснюється меншою
густиною струму. Це викликає менше нагрівання і, відповідно, менше температурне
розширення кристалів з більшим діаметром. Тому у меншій мірі змінюється
видовження та сила натягу НК, від якої залежить резонансна частота.
Також досліджувалася зміна частоти тих самих кристалів при зміні температури
навколишнього середовища від –40 до 50 оС. Зміна частоти у кристалі з діаметром
50 мкм, при струмі кристала 1мА дорівнювала 70 Гц, у кристалі з діаметром 30
мкм 600 Гц. Отже на кристали з більшим діаметром зміна температури впливає
менше.
Оскільки, зчитування сигналу з НК тензорезистивне, то для того, щоб отримати
максимальний сигнал, необхідне велике видовження кристала. Це можливе при
достатньо великому його зміщенні від положення рівноваги. Для цього кристал
повинен бути гнучким. Гнучкість кристала визначається не тільки властивостями
матеріалу, але і відношенням довжини кристала до розміру поперечного перетину у
площині згину. Важливо зберегти діаметр кристала рівним 50 мкм. Тому, для
достатньої гнучкості, він повинен мати відповідну довжину. Така довжина вибрана
експериментально і дорівнює 7,8±0,2 мм. При цій довжині початкова частота
кристала знаходиться в межах 11...14 кГц, а зміна частоти під час вимірювань
становить 5 кГц.
Під час дослідження кристалів довжиною 7,8±0,2 мм встановлено, що найменше
залежить від струму, напруги та температури частота кристалів з діаметром 50
мкм. Однак, при роботі в повітряному середовищі, для їх збудження потрібна
досить висока напруга 130…160 В. Тому перевага надана кристалам такої ж
довжини, але з діаметром 40 мкм. Вони збуджуються при напрузі 75…85 В і їх
частота змінюється у відносно малих межах під час дії вказаних факторів.
При встановленні відстані від пружного елемента до кристала, до уваги
приймалися наступні міркування: з віддаленням кристала від пружного елемента
електростатична сила між ними зменшується. Для того щоб компенсувати таке
зменшення необхідно збільшувати напругу імпульсів збудження. При наближенні
кристала, з ростом амплітуди коливань під час резонансу, виникає небезпека
торкання НК до пружного елемента. Таке торкання небезпечне тим, що напруга
імпульсів збудження замикалась через кристал на спільний провід приладу. В
результаті, струм кристала зростав у сотню разів. Це приводило до його
руйнування.
За результатами експериментів було встановлено, що для кріплення кристала
оптимальною є відстань у 60 мкм або у півтори діаметри кристала.
Екпериментально встановлені геометричні розміри НСР: довжина кристала 7,8±0,2
мм, діаметр 40±2 мкм та відстань від кристала до пружного елемента 60±5 мкм.
Такі розміри вважаються оптимальними з точки зору зменшення дестабілізуючого
впливу температури,
- Київ+380960830922