浙江嘉康电子股份有限公司 邹康俊 倪鹏飞 杜 文

基于压电陶瓷压电效应理论研究，压电陶瓷振子选择以Pb3O4、ZrO2、TiO2、MnO2为主要配方料，通过1230～1240℃、保温时间3h烧结而成，再经过直流高压极化使压电陶瓷材料具备了压电特性；组装采用全陶瓷结构的环氧胶水封装工艺技术研制了一款小型SMD压电陶瓷谐振器，结果得到了频率精度高、幅频特性好、温度特性等的优越技术参数，并对幅频特性曲线和温度特性曲线的结果进行了分析。

近年来，随着电子信息技术日益走向集成化、薄型化、智能化和微型化，以半导体技术为基础的有源器件和集成电路迅速发展，而无源电子元件日益成为电子元器件技术的发展瓶颈，因此电子陶瓷材料及其制备加工技术越来越成为制约电子信息技术发展的重要核心技术之一。而压电陶瓷谐振器作为频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。压电器件正向多层化、片式化和小型化方向发展，文章选择以Pb3O4、ZrO2、TiO2、MnO2为主要成份的压电陶瓷原材料，介电常数为700左右的瓷片，采用全陶瓷结构的环氧封装工艺技术对一款小型SMD压电陶瓷谐振器进行研制并分析。

图1 压电陶瓷的压电效应

1 压电陶瓷的压电效应的产生与应用

压电陶瓷具有压电效应，是其特殊的内在规律，压电体可以是当晶体如石英，也可以是多晶体如压电陶瓷。各晶粒内部电畴的自发极化方向作定向排列时才具有压电性，而极化是指压电陶瓷内部的电畴取向在外直流电场的作用下，沿电场方向作定向排列的过程，压电陶瓷只有在经过极化处理后才能显示出压电效应，具有压电效应的陶瓷叫压电陶瓷。

当对压电陶瓷施加压力（拉力）时，压电陶瓷收缩（伸长）变形，瓷体两端产生电荷如图1(a)所示，这种由“压”产生“电”的效应叫正压电效应。

当对压电陶瓷施加与极化方向相同（相反）的电场时，极化强度增加（减少），压电陶瓷沿极化方向伸长（收缩）如图1(b)所示，这种由“电”产生“收缩”的效应叫逆压电效应。

正压电效应：施加应力T产生额外的电荷，D=d×T；d：压电常数、库仑/牛顿；

逆压电效应：施加电声强度E，成比例的产生应变S，S=d×E，T、S机械量，E、d电学量。

2 压电陶瓷振子的谐振特性、等效电路

2.1 压电振子的谐振特性

经过直流高压极化的压电陶瓷就已具备了压电特性，当陶瓷振子接入交流电路中，由于交变电场的作用，陶瓷振子会产生机械振动，在机械振动过程中，两个电极上会产生符号相反的电荷。当外加电压的某一频率使压电振子产生谐振时就发现此时输出的电流最大如图2所示，而振子阻抗最小，常以fm表示最小阻抗的频率—谐振频率，且连续改变交流电压的频率，（向增加的方向）振子有形变最小的一点，此时电流表上会出现最小读数，这个现象叫做陶瓷振子的反谐振，也就是就，当频率继续增大到某一值时，输出电流最小，阻抗最大，常以fn表示最大阻抗的频率—反谐振频率。

压电谐振器主要电性能参数：F0(震荡频率)、谐振阻抗（Zr）、反谐振阻抗（Za）。

图2 压电振子的谐振特性

2.2 压电陶瓷的谐波特性

当我们将信号频率继续由低到高缓慢改变时，可以发现通过压电振子的电流I随信号频率的变化而变化，即有规律的出现一系列的电流次最大值和最小值，其相应的频率即有规律的出现一系列的fm2、fn2......等如图3所示。

2.3 压电振子的等效电路

陶瓷振子的谐振特性，即阻抗随频率变化的曲线与LC电路谐振特性类似，即二端网络的三个元件（一个电感与一个电容串联，再与一个电容并联的电路如图4所示的阻抗随频率的变化曲线类似，对于压电振子来说，基频是主要的，泛音频率的响应越来越弱，一般省略。同时为了表示实际的压电振子是有损耗存在的，用一个等效电阻R1表示：在等效电路中，L1为动态电感，它与材料的机械损耗有关，R1为等效电阻，它与材料的机械损耗有关，C0为静电容（或并联电容），C1为动态电容。当压电振子机械损耗为零R1=0时（无机械损耗）。

图3 压电振子的谐波特性

图4 压电振子的等效电路

3 压电谐振器的设计与制造工艺

3.1 压电陶瓷材料的选择与加工

衡量压电陶瓷材料的质量标准有哪些呢？根据材料的特性和各种使用要求，主要是介电性质方面有；（介电常数ε、介电损耗因子tagδ），弹性性质方面有；（弹性常数、机械品质因子Qm），压电性质方面有；（压电常数d、机电耦合系数k）等几方面。弹性性质方面有弹性模量Y、柏松比σ，此外还有频率常数N、密度ρ以及谐振频率的温度系数TKf等。

压电陶瓷材料的介电常数，随不同配方和工艺条件的差别较大。例如；PZT材料的介电常数一般在200～2000之间，越大表明电介质的极化程度越高。设计选择介电常数为700左右，主要成份为Pb3O4、ZrO2、TiO2、MnO2的压电陶瓷配方；陶瓷外壳的主要原材料有MgO、CaCO3、TiO2、La2O3等。

原材料配方是基础，而烧结也是关键工艺。经实践试验证明预烧工序的预烧温度不合适时，原组成中有微过量的氧化铅以及新生成的游离氧化铅，在高温下极易挥发，而使配方组成产生波动，质量不稳定，对后续的烧结会产生明显的质量波动。而烧结工序是特别重要的一道工序，烧结的质量情况直接影响制品的性能。以压电陶瓷振子材料为例，通过对比跟踪试验，在相同保温3h的条件下，烧结温度的变化对损耗的影响较明显；烧结温度在1230℃～1240℃之间，产品的机械性能和电性能最佳。试验后得出在配方确定的情况下，原材料质量的波动（含量、松装密度等）直接影响制品的性能。压电振子烧结温度不同对抗折强度的影响试验对比如表1所示。

表1 压电振子烧结试验对比

相同密度不同烧结温度，抗折强度不同；而抗折强度小则瓷片强度不够，会影响瓷片后道机械加工的合格率，造成增加生产成本和降低生产效率。

3.2 小型压电陶瓷谐振器的设计

为了适用市场发展的需求，研制了3.2×1.3×1.0mm的外形尺寸如图5所示，产品采用的是全陶瓷环氧胶水封装的工艺，产品小型化后最大的困难在于产品内部的压电陶瓷振子的设计与加工，尺寸越小产品的幅频特性相对会更差；另外一个难度就是如何将产品各组件进行封装，实际使用中对产品的密封性要求很高，不但要满足压电陶瓷振子工作时需要的振动空间，还要考虑压电振子的电性能可靠引出后的参数符合要求，产品的结构图如图6所示，结构图中的各组件及主要成份如表2所示。

图5 压电谐振器外形尺寸图

图6 压电谐振器结构图

表2 结构图中的各组件及主要成份

由于产品尺寸小，组装加工精度要求高，所以必须要求各组装件的外形尺寸以及电极加工精度极高，尤其是陶瓷盖板的空腔加工，空腔形成方式有很多种，有瓷片成型前利用磨具干压，此种工艺在小尺寸腔体难度较大，成烧过程中的收缩一致性很难控制；有拼接而成腔体，此种工艺最大的缺点是空腔的密封性恨难得到保证；另外一种，也就是本文产品设计中所采用的工艺，利用喷砂工艺成腔，此工艺最大的优点是密封性好、加工一致性精度高，产品的盖板空腔尺寸设计为：长×宽×深（2.9×0.8×0.3mm）。

3.2.1 压电陶瓷振子的设计与加工

压电陶瓷的振动模式有多种，而本文产品所设计的是细长条剪切型陶瓷振子如图7所示。

图7 陶瓷振子外形设计图

根据材料特性以及图形的设计，该设计采用的是基频，基频的幅频特性最优；输出的是中心频率为8M的产品，当材料固定后，产品的频率主要取决于瓷片的厚度以及电极的设计。产品小型化后频率越低越难实现，试验后得出频率越低后成品的输出波形变差，成品的谐振阻抗、反谐振阻抗变差，直接会导致无法正常起振；产品小型化后也不会越高越好实现，频率高后容易跳三次谐波和五次谐波，所以需要优化材料的性能和压电振子的特殊设计、加工。成品的幅频特性曲线主要取决于陶瓷振子，而作为核心组件的陶瓷压电振子加工工艺是一个极其复杂的过程，主要的生产流程：瓷片选用—→粗磨—→清洗—→细磨—→端磨—→超声波清洗—→厚度分类—→溅射电极—→极化、老化—→Δf调整、分选—→腐蚀—→切割片—→溅射电极—→频率分类—→频率调整—→频率分选—→切割只—→振子分选—→入库。

3.2.2 陶瓷基板与盖板的设计与加工

陶瓷盖板、基板的加工想比于陶瓷振子要简单一些，主要考虑的是要选择与陶瓷振子相匹配的材料和加工精度的控制，主要生产流程：配料—→混料—→预烧—→粉碎—→成型块—→拌粉—→排胶—→成烧—→剥片分选—→瓷片性能检测—→粗磨—→清洗—→端磨—→溅射、被银、烧银—→待组装。

3.2.3 产品的封装与工艺

产品组装工艺是采用大片组装方式，将若干只压电陶瓷振子用导电银胶连接按所需的矩阵的安装于陶瓷基板的台阶上；再将陶瓷带腔盖板、装有压电陶瓷振子的陶瓷基板板及最底层陶瓷陶瓷基板通过环氧胶水加压后固化组装而成，然后再直接切割成单只，产品侧面再做好引出电极，最后外电极进行电镀处理。此工艺优点是加工精度高、生产效率高、成本低等特点。主要生产流程：组装—→固化—→切割—→侧电极处理—→电镀—→电性能分选—→标志—→外观分选—→编带、包装。

4 小型谐振器的研制结果与分析

成品电性能参数的优良程度，主要取决于压电陶瓷振子本身的电性能，陶瓷振子从选材、电极的设计以及尺寸精度的保证，才能得到很好的电性能参数；当然陶瓷外壳也很关键，尤其是带有内置的电容基板，搭配介电常数小、介质损耗低的材料成品的幅频特性越好，组装的精度要求也是极高的，尤其是使用导电银胶连接工艺，要求包裹的面积不易过大，过大之后会严重影响产品的幅频特性曲线，过小则会造成连接可靠性不良，经反复的试验验证，包裹振子的距离控制在0.3mm左右为最佳；为此方方面面需要控制和精密设计，通过大量的试验调整，最后才能制造出性能优越的谐振器，经测试成品可输出的幅频特性曲线及数据如图8所示。

陶瓷谐振器的输出频率和IC有关，同一个产品在不同的IC上所输出的频率是不一样的，因此新的线路设计之初，需要与产品进行匹配测试，选择最优的产品规格，陶瓷谐振器的标准频率测试线路如图9所示。

图8 幅频特性曲线

图9 标准测试线路

产品温度特性的变化，也是实际应用过程中线路上非常重要的参数，实际应用线路的不一样，要求产品随工作温度变化而需要产品电性能参数相对稳定，温度特性的优良，主要取决于压电陶瓷振子以及陶瓷外壳的合理搭配，每一种材料配方的变化均会导致成品特性发生变化，本设计产品的频率测试变化值和温度特性曲线如图10所示。

温度特性变化（TC）：F0±0.2%（-40～+85℃），能够满足市场上各种线路的使用要求，而常规压电陶瓷谐振器使用的温度为：（-25～+85℃），汽车电子或一些特定使用环境则要求使用温度为：（-40～+125℃）；温度特性的变化率主要取决于陶瓷振子的设计，而且要求盖、底板等外壳材料的温度特性与之相近，所选择的每一种组件都是关键，才能得到比较好的温度特性曲线。在攻克了设计以及工艺上的一些技术难点，反复试验调整方案，最后成功研制出了小型SMD压电陶瓷谐振（3.2×1.3×1.0mm），并得到了优越的技术参数如表3所示。

表3 小型SMD压电陶瓷谐振器技术参数

图10 温度特性变化曲线图

结束语：通过了对压电陶瓷压电特性的研究，基于压电陶瓷工作原理研制了微小型细长条型压电陶瓷振子（2.4×0.35×0.15mm）；采用压电陶瓷的基频，基频相对于三次谐波和五次谐波幅频特性曲线更优，主要体现在谐振阻抗（Zr）和反谐振阻抗(Za)。组装工艺采用全陶瓷环氧胶水封装技术，在狭小的空腔内完成压电陶瓷振子的可靠连接并有效的引出，成功研制出了小型化片式压电陶瓷谐振器（3.2×1.3×1.0mm），得到了优越的电技术参数。频率精度±0.5%，谐振阻抗（Zr）小于20Ω和反谐振阻抗(Za)大于20KΩ，同时成品温度特性可以满足（F0±0.2%，-40～+85℃）。还具有频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，压电陶瓷谐振器还具有起振反应快、阻抗小等优势，在特定场合无法取代，并使其一直保有强而有力的价值。压电陶瓷谐振器配合着IC使用，作为频率装置中的核心元件已广泛应用在通讯设备、家用电器、汽车电子、安全安防以及智能控制等方面。