Пьезоэлектрический резонатор – это электромеханическая система, в которой используется явление прямого и обратного пьезоэффекта.Основой пьезоэлектрического резонатора является пьезоэлемент. Пьезоэлемент представляет собой механическую колебательную систему с распределенными параметрами. При совпадении частоты внешнего электрического напряжения с частотой механических собственных колебаний пьезоэлемента возникает резонанс на частоте собственных колебаний, который слабо зависит от внешних условий.

Конструктивно пьезоэлектрический резонатор состоит из пьезокристаллического элемента (пьезокварца, ниобата или танталата лития, лангасита или других пьезоэлектриков), на который нанесена пленка металла (чаще всего серебра или никеля), держателя, в котором крепится пьезокристаллический элемент, и корпуса с выводами, в котором размещен держатель с закрепленным в нем пьезокристаллическим элементом. Диапазон частот используемых в настоящее время пьезоэлектрических резонаторов на объёмных волнах находится в пределах от нескольких килогерц до нескольких сотен мегагерц.

Колебательную систему резонатора можно представить в виде последовательно расположенных сопротивления R_k, динамических индуктивности L_k и ёмкости С_k и параллельно подключенной статической ёмкости C₀ , как показано на рисунке 1.

 

На рисунке 2 приведена зависимость реактивного сопротивления резонатора от частоты приложенного к нему переменного напряжения. При низких частотах решающее значение имеет емкость С_k, резонатор ведет себя как емкость.

 

По мере повышения частоты емкостное сопротивление уменьшается, и на некоторой частоте F_s, называемой частотой последовательного резонанса или резонансной частотой резонатора, оно становится равным нулю. Резонатор проявляет свойства последовательного контура, его полное сопротивление минимально и равно активному сопротивлению R_k. В соответствии с формулой Томсона частота последовательного резонанса равна:

При этом добротность можно представить в виде выражения:

При дальнейшем повышении частоты увеличивается индуктивное сопротивление резонатора, и на частоте F_l резонатор приобретает свойства параллельного контура, имеющего при резонансе бесконечно большие и равные по абсолютной величине индуктивное и емкостное сопротивления. При еще большем повышении частоты начинает сказываться шунтирующее действие емкости С₀, и резонатор действует как конденсатор малой емкости. Частота параллельного резонанса выразится формулой:

 

Пьезоэлектрические резонаторы выпускаются для различных видов радиоэлектронных систем: измерительная техника, бытовые приборы и устройства, автомобильная электроника, авиационная и космическая техника, приборостроение и т. д. Например,прецизионные манометрические кварцевые резонаторы абсолютного и избыточного давления предназначены для цифровых приборов, измеряющих давление, скорость, расход жидкости (бензина, горячей и холодной воды), массу, уровень (воды в скважинах,море; нефтепродуктов в скважинах, хранилищах) и др. 

Пьезоэлектрический резонатор применяется для стабилизации частоты генераторов электромагнитных колебаний. При включении резонатора между выходом и входом лампового усилителя возникает цепь положительной обратной связи и осуществляется возбуждение резонатора на частоте собственных колебаний резонатора. При этом стабильность частоты генератора определяется прежде всего добротностью пьезоэлектрического резонатора. Пьезоэлектрические резонаторы имеют добротность в тысячи и десятки тысяч раз большую, чем добротность колебательных контуров, которые ранее использовались в генераторах электромагнитных колебаний. В соответствующее число раз повышается стабильность частоты генераторов при использовании в них пьезоэлектрических резонаторов. Стабильность частоты генераторов на колебательных контурах не может быть лучше 10^-3-10^-4, в то время как использование пьезоэлектрических резонаторов даже не самого лучшего качества позволяет увеличить стабильность частоты до 10^-7-10^-8.

 

На базе кварцевых пьезорезонаторов различных срезов выпускаются прецизионные датчики температуры, давления, усилия,влажности, ускорения. Так, чувствительный пьезоэлемент термочувствительного среза, смонтированный в корпус,образует камертонный малогабаритный термочувствительный кварцевый резонатор с малой постоянной времени тепловой инерции (до 5 с). Возможны варианты датчиков температуры в том же корпусе с меньшей постоянной времени, что достигается путем заполнения инертными газами пространства внутри корпуса.

Термочувствительные пьезорезонаторы применяются для измерения скорости глубоководных течений в океане. Используется датчик скорости,выполненный на основе двух термочувствительных резонаторов LC-среза. Скорость горизонтального потока измеряется по разности частот двух резонаторов.Верхний подогревной резонатор (Подогревные пьезорезонаторы являются преобразователями,объединяющими конструктивно пьезоэлектрический резонатор и дополнительный электронагреватель,предназначенный для перестройки частоты пьезорезонаторв посредствам изменения его температуры.
Подогревные термочувствительные резонаторы - устройства,в которых температура резонатора и соответственно его частота зависят от значения подводимой в нагреватель электрической мощности,а также от условий отвода тепла с пьезоэлемента)изменяет свою температуру и частоту в функции скорости в результате потерь тепла, возрастающих с увеличением скорости. Температура и частота второго резонатора от скорости потока не зависит,и он фактически измеряет среднюю температуру воды. Скорость течения определяется по градуированной кривой.

 

Пьезорезонаторы имеют применение в пьезорезонансных вакуумметрах. Пьезорезонансный вакуумметр - разновидность манометров теплового типа,в основе работы которых лежит зависимость коэффициента теплопроводности газа от давления. При изменении теплопроводности изменяется температура подогревного термочувствительного элемента (пьезорезонатора), что вызывает изменение его выходного сигнала. Основной характеристикой вакуумметра является зависимость частоты пьезорезонатора от давления окружающей среды.Пьезорезонатор возбуждается в генераторе, вынесенном из вакуумной камеры.Инерционность вакуумметра возрастает по мере уменьшения давления, поскольку при этом теплопроводность среды уменьшается.

 

 

Резонансные явления в электрической цепи пьезоэлемента обусловлены резонансами его механических колебаний. Резонансные колебания в твёрдом упругом теле наблюдаются тогда,когда частота возбуждающей силы оказывается близкой к частоте его собственных колебаний. Известно, что добротность Q механических колебательных систем существенно больше, чем электрических колебательных контуров,и характеризуется величинами от тысяч до сотен тысяч. Поэтому амплитуды механических колебаний пьезоэлемента при механическом резонансе в Q раз большк амплитуды его колебаний вне области резонанса. В момент механического резонанса возрастает ток через пьезоэлемент и частотная характеристика тока приобретает резонансный характер, точно соответствующий характеристике механических резонансных колебаний. Такова, в общем, картина резонансных явлений, наблюдаемых в пьезоэлектрическом резонаторе, объясняющая возникновение резонанса в электрической цепи.

Резонансные явления в электрической цепи резонатора имеют место для тех видов механических колебаний, которые возбуждаются пьезоэлектрически. Если частота внешнего электрического напряжения совпадает с частотой собственных механических колебаний, которые пьезоэлектрически не возбуждаются, то резонанса в электрической цепи наблюдаться не будет или он будет выражен очень слабо и обусловлен наличием механической связи с колебанием, возбуждаемым пьезоэлектрически. Однако при близости такого резонанса к частоте резонанса, возбуждаемого пьезоэлектрически, связь возрастает и побочный резонанс оказывается достаточно интенсивным.

Обычно резонаторы состоят из трёх основных частей: корпуса (оболочки), держателя и пьезоэлемента.

Корпус имеет выводы (вводы), предназначенные для соединения электродов пьезоэлемента с внешней электрической цепью.

Назначением корпуса является защита пьезоэлемента от внешних механических и климатических воздействий. Внутренний объем корпуса заполняют чистым сухим воздухом или инертным газом при давлении, близком к нормальному атмосферному, или создают внутри корпуса разрежение (вакуум) порядка 10...0,1 Па.

Пьезоэлемент - тело из пьезоэлектрика определённых размеров, геометрической формы и ориентацией относительно основных кристаллографических осей, и имеющее проводящие обкладки (электроды). Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Пьезоэлементы совершают интенсивные механические колебания, определяющие электрические параметры резонатора. Пьезоэлемент является основной частью резонатора, определяющий резонансный характер зависимости его полного сопротивления от частоты.

Держателем называют устройство для фиксации положения пьезоэлемента в корпусе резонатора или на плате функционального пьезоэлектрического прибора. Различают несколько основных видов держателей: со свободным положением пьезоэлемента, с зажимным креплением и с проволочным креплением.Держатель является весьма ответственной частью резонатора, существенно определяющей многие электрические и эксплуатационные характеристики резонатора. Держатель влияет на частоту и амплитуду колебаний пьезоэлемента. Пьезоэлемент и держатель образуют связанную, достаточно сложную механическую колебательную систему. Наиболее заметно на частоту резонатора влияют характеристики металла, связывающего пьезоэлемент с держателем, волноводные свойства проволочных элементов держателя и его силовые воздействия на пьезоэлемент. Влияние волноводных свойств проволочных держателей особенно заметно у низкочастотных пьезорезонаторов, пьезоэлементы которых не имеют пассивных зон колебаний.

На рисунке 1 представлины основные части резонатора: