Investigation of the spatial distribution of deformations in quartz piezo elements by x-ray topography

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Using X-ray topography on laboratory and synchrotron X-ray sources, the distribution of deformations in the volume of two types of AT-cut quartz resonators of different sizes were obtained. From a comparison of X-ray data and the amplitude-frequency characteristics of the resonators, a correlation between the deformation patterns and the features of oscillatory processes for operating modes and their harmonics, as well as for parasitic modes, was established. A connection between oscillations in parasitic modes, which manifest themselves in the amplitude inhomogeneity, and the topology of the resonators is found. The applied significance of the obtained results for the development and optimization of new designs of piezoelectric elements and the development of their manufacturing technology is noted.

Full Text

Restricted Access

About the authors

E. S. Ibragimov

Shubnikov Institute of Crystallography FSRC "Crystallography and photonics" RAS; NRC "Kurchatov Institute"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 119333 Moscow, Leninskiy pr-kt 59; 123182 Moscow, Academician Kurchatov Sq. 1

F. S. Pilyak

Shubnikov Institute of Crystallography FSRC "Crystallography and photonics" RAS; NRC "Kurchatov Institute"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 119333 Moscow, Leninskiy pr-kt 59; 123182 Moscow, Academician Kurchatov Sq. 1

A. G. Kulikov

Shubnikov Institute of Crystallography FSRC "Crystallography and photonics" RAS; NRC "Kurchatov Institute"

Author for correspondence.
Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 119333 Moscow, Leninskiy pr-kt 59; 123182 Moscow, Academician Kurchatov Sq. 1

N. V. Marchenkov

Shubnikov Institute of Crystallography FSRC "Crystallography and photonics" RAS; NRC "Kurchatov Institute"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 119333 Moscow, Leninskiy pr-kt 59; 123182 Moscow, Academician Kurchatov Sq. 1

Y. V. Pisarevsky

Shubnikov Institute of Crystallography FSRC "Crystallography and photonics" RAS; NRC "Kurchatov Institute"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 119333 Moscow, Leninskiy pr-kt 59; 123182 Moscow, Academician Kurchatov Sq. 1

A. A. Kaloyan

NRC "Kurchatov Institute"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 123182 Moscow, Academician Kurchatov Pl. 1

Y. A. Pershin

JSC "Lit-Fonon"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 107076 Moscow, Krasnobogatyrskaya str. 44, bld. 1

Y. A. Glazunova

JSC "Lit-Fonon"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 107076 Moscow, Krasnobogatyrskaya str. 44, bld. 1

S. A. Demin

JSC "Lit-Fonon"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 107076 Moscow, Krasnobogatyrskaya str. 44, bld. 1

A. S. Yuzhalkin

JSC "Lit-Fonon"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 107076 Moscow, Krasnobogatyrskaya str. 44, bld. 1

S. S. Pashkov

JSC "Lit-Fonon"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 107076 Moscow, Krasnobogatyrskaya str. 44, bld. 1

G. N. Cherpukhina

JSC "Lit-Fonon"

Email: ontonic@gmail.com
Russian Federation, 107076 Moscow, Krasnobogatyrskaya str. 44, bld. 1

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. General appearance and overall dimensions of resonators (a) — РК563 (type 1) in a surface-mount housing and (b) — РК319 (type 2) in a quarter-wave resonator housing.

Download (78KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Measurement implementation schemes. (a) — White beam topography in a single-crystal diffraction scheme implemented at the Mediana synchrotron station of KISI-Kurchatov. 1 — bending magnet, 2 — white beam input mask, 3 — aluminum filter for absorption of the long-wavelength part of the spectrum, 4 — goniometric system, 5 — sample with holder, 6 — two-dimensional detector, 7 — electrical signal generator/analyzer. (b) — Monochromatic beam topography in a two-crystal diffraction scheme implemented on the TRS-K laboratory three-crystal X-ray spectrometer: 1 — X-ray tube, 2 — preliminary collimation slit, 3 — asymmetric single-crystal monochromator, 4 — goniometric system, 5 — sample with holder, 6 — two-dimensional detector, 7 — electrical signal generator/analyzer.

Download (128KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. (a) — Schematic representation of the crystallographic orientation of the AT-cut quartz; (b) and (c) — initial topograms of the RK563 and RK319 resonators, respectively, obtained under normal conditions (without external influence).

Download (242KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. (a) — Topogram and (b), (c) — graphs of the distribution in two directions of the amplitude of deformations of the piezoelectric element at the resonant frequency of 9.99217 MHz, corresponding to the 1st harmonic.

Download (72KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. (a) — Topogram and (b), (c) — graphs of the distribution in two directions of the amplitude of deformations of the piezoelectric element of the 1st type resonator at a resonant frequency of 31.73469 MHz, corresponding to the 3rd harmonic.

Download (86KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. (a) — Topogram and (b), (c) — graphs of the distribution in two directions of the amplitude of deformations of the piezoelectric element at the resonant frequency of 10.43383 MHz, corresponding to anharmonic oscillation.

Download (91KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. (a) — Topogram and (b), (c) — graphs of the distribution in two directions of the amplitude of deformations of the piezoelectric element at the resonant frequency of 13.99129 MHz, corresponding to the 1st harmonic.

Download (105KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Amplitude-frequency characteristic of the resonator of the 2nd type.

Download (45KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. (a) — Topogram and (b), (c) — graphs of distribution in two directions of deformations of the piezoelectric element at a resonant frequency of 12.91492 MHz.

Download (93KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. (a) — Topogram and (b), (c) — graphs of distribution in two directions of deformations of the piezoelectric element at a resonant frequency of 13.42367 MHz, corresponding to anharmonic oscillation.

Download (95KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».