AT410497B

AT410497B - Ofenbeheizter kristallresonator und oszillatoranordnung

Info

Publication number: AT410497B
Application number: AT0903699A
Authority: AT
Original assignee: Capital Formation Inc
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2003-05-26
Also published as: JP3284469B2; IL139837A; DE19983298T1; ATA903699A; WO1999065087A1; CH691247A5; AU4324699A; GB2353634B; IL139837A0; SE0004487L; GB0029527D0; SE0004487D0; US5917272A; DE19983298B4; GB2353634A8; GB2353634A; SE521729C2; JP2001500715A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Kristalloszillatoren im Allgemeinen und insbesondere eine Anordnung mit sogenannten ofengesteuerten Oszillatoren, bei denen ein piezoelektrischer Resonator inner- halb einer Kapsel auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird.

Hintergrund der Erfindung
Ofengesteuerte Kristalloszillatoren, häufig OCXOs genannt, sind in der Industrie gut bekannt.

Im allgemeinen schwingen Kristallresonatoren mit einer Frequenz, die mit der Temperatur vari- iert. Das Ausmass dieser Änderung wird häufig durch Verwendung einer Temperaturkompensation mit Wärme erzeugenden Elementen, wie Thermistoren, Widerständen und Infrarotstrahlung, kon- trolliert. In US-Patent 4. 259.606 wird ein Infrarot-Erhitzer zum Erwärmen des Resonators mittels Strahlung in einem Vakuum verwendet, um auf diese Art die Zeit, die gebraucht wird, um die Betriebsfrequenz des Resonators zu stabilisieren, zu verringern. Der Resonator wird von isolieren- den Halterungen unterstützt, die dünne Leiter haben, um elektrischen Kontakt mit den aktiven Flächen der Resonatorplatte herzustellen. Die ganze Struktur wird dann in eine evakuierte Kapsel gestellt, wobei Infrarotstrahlung durch ein Fenster von der Aussenseite der evakuierten Kapsel eingestrahlt wird.

US-Patente 5. 500.628 und 5. 438.219 beschreiben eine doppelseitige Oszillatorpackung, worin ein Piezoelement unterhalb einer Plattform befestigt ist, während sich andere Schaltungskompo- nenten oberhalb der Plattform befinden und Drähte in der Plattform eingebettet sind. Ein anderer OCXO ist in US-Patent 5. 180.942 beschrieben, welches auf Marvin et al ausgestellt wurde. Eine keramische Packung für einen Kristalloszillator ist in US-Patent 4.627.533 beschrieben.

Obwohl diese Geräte nach dem Stand der Technik für tragbare Anwendungen brauchbar sein können, entsteht ein Problem aus einer ineffizienten Erwärmung des Resonators und der sich daraus ergebenden Verringerung der Lebensdauer einer Batterieladung.

Zusammenfassung der Erfindung
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen ofengesteuerten Kristallresonator zum Gebrauch in einem Oszillator zu schaffen, der Ofenwärme auf eine effiziente Art verwendet. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen infrarot geheizten OCXO zu schaffen, der effizient ist, so dass seine Belastung der Stromversorgungsbatterien reduziert ist und deren nützliche Ladung ausgedehnt wird.

In einem ofenkontrollierten Kristallresonator entsprechend der Erfindung ist der Resonator in wärmeleitender Art über einem wärmeleitenden Substrat befestigt, welches seinerseits in wärme- isolierender Art über einer Grundfläche befestigt ist. Das Substrat ist aus einem wärmeleitenden Material geformt und trägt eine oder mehrere Heizelemente. Die Wärme vom Heizelement und dem geheizten Substrat wird zum Resonator geführt, um seine gewünschte Temperatur einzustel- len, während die isolierte Struktur zur Grundfläche einen übermässigen Wärmeverlust verhindert.

Auf diese Weise kann der Resonator auf einer erhöhten Temperatur ohne übermässige Belastung der Batterieenergie gehalten werden. Eine Abdeckung steht mit der Grundfläche in Verbindung und schliesst den Resonator, das Substrat und die elektrischen Leitungen, die das Substrat mit Leitern auf der Grundfläche verbinden, ein. Die elektrischen Leitungen werden aus sehr feinen Drähten gemacht, um die Wärmeleitung durch sie einzugrenzen, sodass Wärmeverluste vom Resonator eingegrenzt sind.

Diese und andere Vorteile und Aufgaben der Erfindung können von der folgenden Beschrei- bung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung verstanden werden, wie in den Zeichnungen erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist ein Querschnitt eines ofengesteuerten Kristallresonators entsprechend der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den ofengesteuerten Kristallresonator von Fig. 1 entlang der

Linie 2-2 in Fig. 1 ; 3 ist ein Querschnitt eines anderen ofengesteuerten Kristallresonators entsprechend der Erfindung;
Fig. 4 ist ein Querschnitt eines kristallgesteuerten Oszillators, der einen ofengesteuerten Kristallresonator verwendet, entsprechend der Erfindung;
Fig. 5 ist ein Querschnitt einer anderen Form eines kristallgesteuerten Oszillators entsprechend der Erfindung;
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 ist ein ofengesteuerter Kristallresonator 10 gezeigt mit einem Stan- dardkristallresonator 12, wie einem piezo-elektrischen Kristall 14.

Der Kristall 14 ist aus einem Material hergestellt, das gut bekannt ist, und hat eine flache Konstruktion mit Elektroden 16 und 18 auf gegenüberliegenden Flächen 20,22 des Kristalls 14. Die Elektroden 16,18 sind mit elektrisch leitenden und gut wärmeleitenden festen Haltern 24,26 verbunden, die ihrerseits auf einem Sub- strat 28 befestigt sind. Das Substrat 28 ist wiederum auf einer Grundfläche 30 mit festen, nicht wärmeleitenden Isolatoren 32. 1-3 befestigt.

Das Substrat 28 ist aus einem gut wärmeleitenden, aber elektrisch isolierendem keramischen Material, wie Berylliumxid oder Aluminiumnitrid oder irgend einem anderem ähnlich geeignetem Material gebildet. Das keramische Substrat 28 ist durch einen sehr geringen Temperaturgradienten quer zur Ebene, d. h. zur Oberfläche 34, des Substrats 28 gekennzeichnet.

Ein oder mehrere Heizelemente 40 sind auf der wärmeleitenden Oberfläche 28 befestigt und elektrisch mit einer Energiequelle mittels Leitungen 42. 1 und 42. 2 verbunden. Diese Leitungen 42 sind so dünn wie möglich im Durchmesser, sodass nur wenig Wärme durch die Leitungen 42 vom Substrat 28 weg geleitet wird. Ähnlich verbinden Leitungen 44. 1 und 44. 2 die Halter 24 bzw. 26 mit entsprechenden Leiter-Anschlussflächen 46. 1 und 46. 2 auf der Grundfläche 30. Eine Abdeckung 48 schliesst die Kristallresonatoranordnung 12 ein, um mit der Grundfläche 30 eine dichte Kammer zu bilden, die mit einem Gas gefüllt oder evakuiert werden kann, was gut bekannte Methoden bei der Herstellung von Kristalloszillatoren sind.

Ein Temperatursensor 49 ist auf dem beheizten Sub- strat 28 angeordnet, als Teil einer herkömmlichen Regelungsschaltung, die daran und an den Heizelementen 40 angeschlossen ist, um die Temperatur des Substrats 28 zu regeln.

Die Grundfläche 30 kann aus Keramik, Metall oder anderem geeignetem Material gemacht werden. Die schlecht wärmeleitenden, thermisch isolierenden Stützen 32 können aus Glas ge- macht und an der Grundfläche 30 angeschmolzen oder daran angeklebt werden. Die Abdeckung 48 kann Metall sein und ist zur Grundfläche 30 gedichtet. Die Halter können am keramischen Substrat 28 mit einem geeigneten, wärmeleitenden Epoxidmaterial befestigt werden.

Mit einem Kristallresonator entsprechend der Erfindung wird eine signifikante Verbesserung bezüglich des Wirkungsgrads erhalten, weil etwa 5 % bis 10 % der für konventionelle Vorrichtun- gen benötigten Wärme ausreichend ist, damit der Kristallresonator mit der gewünschten Tempera- tur betrieben werden kann.

Fig. 3 erläutert einen ähnlichen Kristallresonator 12 wie in Fig. 1, wobei aber Anschlussflächen 46 durch Leiter 50 ersetzt sind, die sich durch die Grundplatte 30 erstrecken. Solch eine Struktur kann zum Beispiel verwendet werden, um den Kristalloszillator mit einer Oszillatorschaltung 52 zu verbinden, die sich unterhalb der Grundfläche 30 befindet, wie in Fig. 5 gezeigt. Fig. 4 erläutert eine Kristalloszillatoranordnung 56, worin ein Kristallresonator 12, wie in Fig. 1 erläutert, wiederum von einer Abdeckung 58 eingekapselt gezeigt ist, die auch eine Oszillatorschaltung 60 auf einem verlängerten Segment 62 der Grundfläche 30 umschliesst. Temperaturempfindliche Oszillatorkom- ponenten 49 können auch auf dem beheizten Substrat 28 angeordnet und mit einer herkömmlichen Regelschaltung 64 verbunden werden, die auf dem Segment 62 befestigt werden kann.

Die Schal- tung 64 wiederum ist verbunden, um die Heizelemente 40 zu treiben, um eine gewünschte Tempe- ratur des Substrats 28 einzustellen.

Nachdem nun mehrere Ausführungsformen entsprechend der Erfindung beschrieben wurden, können ihre Vorteile abgeschätzt werden. Abwandlungen von den erläuterten Zeichnungen und Beschreibungen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der von den folgen- den Ansprüchen bestimmt ist. Zum Beispiel kann der Resonator 12 ein Oberflächenwellenbauteil sein, das direkt auf das beheizte Substrat 28 geklebt ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Ofengesteuerte Resonatoranordnung, zur Temperierung eines Kristallresonators, mit einer Abdeckung auf einer Grundfläche die elektrische Kontakte umfasst, einem Heizelement, elektrischen Leitungen mit Leiteranschlussflächen, wärmeleitende und elektrisch leitende feste Halter, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallresonator (12) im Wesentlichen parallel mit der Oberfläche zum einem Substrat (28) befestigt ist, dass das Substrat (28) aus wärmeleitendem, elektrisch isolierendem Material besteht und dass das Substrat (28) über eine Oberfläche mit einem niedrigen Temperaturgefälle verfügt, wobei sich wärmelei- tende und elektrisch leitende feste Halter (24,26) vom Substrat (28) zum Kristallresonator (12) erstrecken, dass der Kristallresonator (12) knapp am Substrat (28) liegt, dass ein Heizelement (40) auf dem Substrat (28) befestigt ist,

dass elektrische Leitungen (44) die Leiteranschlussflächen (46. 1, 46. 2) auf der Grundfläche (30) mit den festen Haltern (24, 26) auf dem Substrat (28) verbinden, dass die elektrischen Leitungen (42, 44) sehr fein dimensioniert sind, dass das Substrat (28) mit einer Vielzahl starrer, wärmeisolierender Stützen (32.1, 32.2, 32. 3) über der Grundfläche gehalten ist und dass die Abdeckung (48), die den Kristallresonator (12), das Substrat (28) und die Leiteranschlussflächen (46) um- schliesst, mit der Grundfläche (30) eine dichte Kammer bildet.
2. Ofengesteuerte Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (32) aus Glasstäben gebildet sind, die an die Grundfläche (30) und an das wärmeleitende, elektrisch isolierende Substrat (28) angeschmolzen sind.
3. Ofengesteuerte Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (32) aus Glasstäben gebildet sind, die an die Grundfläche (30) und an das Substrat (28) angeklebt sind.
4. Ofengesteuerte Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (40) ein infrarot emittierendes Element ist, das mit seiner aktiven Fläche dem Kristallresonator (12) zugewandt ist.
5. Ofengesteuerte Resonatoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das infrarot emittierende Element eine IR-Diode umfasst, die infrarote Strahlung emittiert und in Richtung des Kristallresonators (12) orientiert ist.
6. Ofengesteuerte Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (28) Schaltungsmittel befestigt sind.
7. Ofengesteuerte Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Abdeckung (48) und der Grundfläche (30) eingeschlossene Raum ein Vakuum ist.
8. Ofengesteuerte Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (28) ein Temperatursensor (49) und Schaltungsmittel angeordnet sind, die miteinander und mit dem Heizelement (40) elektrisch verschaltet sind.
9. Ofengesteuerter Oszillator, zur Temperierung eines Kristallresonators, mit einer Abde- ckung auf einer Grundfläche die elektrische Kontakte umfasst, einem Heizelement, elektri- schen Leitungen mit Leiteranschlussflächen, wärmeleitende und elektrisch leitende feste Halter, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallresonator (12) im Wesentlichen parallel mit der Oberfläche zum einem Substrat (28) befestigt ist, dass das Substrat (28) aus wär- meleitendem, elektrisch isolierendem Material besteht und dass das Substrat (28) über ei- ne Oberfläche mit einem niedrigen Temperaturgefälle verfügt, wobei sich wärmeleitende und elektrisch leitende feste Halter (24,26) vom Substrat (28) zum Kristallresonator (12) erstrecken, dass der Kristallresonator (12) knapp am Substrat (28) liegt, dass ein Heizele- ment (40) auf dem Substrat (28) befestigt ist, dass elektrische Leitungen (44)

die Leiteran- schlussflächen (46. 1, 46. 2) auf der Grundfläche (30) mit den festen Haltern (24, 26) auf dem Substrat (28) verbinden, dass die elektrischen Leitungen (42,44) sehr fein dimensio- niert sind, dass das Substrat (28) mit einer Vielzahl starrer, wärmeisolierender Stützen (32. 1, 32. 2, 32. 3) über der Grundfläche gehalten ist, dass die Abdeckung (58), die den Kristallresonator (12), das Substrat (28) und die Leiteranschlussflächen (46) umschliesst, mit der Grundfläche (30) eine dichte Kammer bildet und dass eine Oszillatorschaltung (60) und eine Temperaturregelschaltung (64), auf der Grundfläche (30) befestigt sind und dass <Desc/Clms Page number 4> die Schaltungen elektrisch an den elektrischen Leitungen angeschlossen sind.

HIEZU 2 BLATT ZEICHNUNGEN