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Die Erfindung betrifft einen Biegeschwinger, vorzugsweise Stimmgabeischwinger, und einen Längendehnungsschwinger aus einem piezoelektrischen, zu Quarz homöotypen Material.
Gut untersucht in diesem Zusammenhang sind die unterschiedlichen Quarz- schnitte, welche beispielsweise in B. Neubig und W. Briese, "Das grosse Quarz- kochbuch", Franzis, 1997 (Lit. I) beschrieben werden. In Fig. 1 sind dazu die wichtigsten Schnitte, deren Lage in Bezug auf die kristallographischen Achsen sowie der hauptsächliche Anwendungs- bzw. Frequenzbereich angeführt.
Die bisherigen Untersuchungen über andere Resonatoren z.B. aus GaP04 beschränkten sich überwiegend auf Dickenscher- und Dickendehnungsschwinger.
Diese werden für Frequenzen über ca. 1 MHz verwendet. Bei niedrigeren Fre- quenzen werden allerdings Flächenscherungs-, Längendehnungs-, Plattenbie- gungs- oder Stimmgabelschwinger benötigt.
Zur Abschätzung der Resonanzeigenschaften bestimmter Kristallschnitte unter- schiedlicher Kristallmaterialien sind aufwendige Analysen notwendig, wobei zum Teil brauchbare Näherungen anhand der relevanten effektiven elastischen, dielektrischen bzw. piezoelektrischen Tensorkomponenten, zumindest für die meist verwendeten einfach gedrehten Orientierungen, erzielt werden können.
Aktuelle Datensätze für GaP04 können z. B. aus C. Reiter, P. Krempl, H. Thanner, W. Wallnöfer, P. Worsch, Proc. 3rd Eur. Workshop on Piezoelectric Material, Mont- pellier 2000 (Lit. II), für Quarz aus B.J. James, Proceedings of the 42nd Annual Frequency Control Symposium (1988), 146-154 (Lit. III) entnommen werden.
Der Einfluss der Kopplung k auf die Frequenz f wurde bei den folgenden Betrachtungen vernachlässigt und eine Inversionstemperatur To von 25 C ange- nommen. Bei den in Frage kommenden Schnitten kann das Frequenz-Tempera- turverhalten mit der Gleichung einer Parabel beschrieben werden (I):
Af/f = a(T-To)2 (1) Alle Winkelangaben für # beziehen sich auf eine Drehung um die kristallographi- sche x-Achse, ausgehend von einer Orientierung mit Längenausdehnung parallel zur y-Achse gemäss Achsensystem nach Standard IEEE 176-1978 bzw. 1987.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von den bekannten Kris- tallschnitten bei Quarz für Biegeschwinger, insbesondere für Stimmgabelschwin- ger, oder für Längendehnungsschwinger geeignete temperaturkompensierte Kristallschnitte anzugeben, wobei vergleichbare oder bessere Werte für die
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Kopplung k sowie ein besseres Temperaturverhalten erzielt werden soll. Insbe- sondere sollen bei Raumtemperatur (RT) kompensierte Orientierungen angege- ben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Biegeschwinger bzw. Stimmgabelschwinger ein X-Schnitt aus einem GaP04-Einkristall ist, wobei die Drehung # des X-Schnittes um seine kristallographische x-Achse -2 bis -12 oder -55 bis -68 beträgt.
Insbesondere für eine Inversionstemperatur von ca. 25 C ist es von Vorteil, wenn die Drehung # des X-Schnittes um seine kristallographische x-Achse -6 bis -10 , vorzugsweise -7 bis -9 , oder -58 bis -62 , vorzugsweise -59 bis - 61 , beträgt.
Sowohl für Platten- und Stabbiegungsschwinger als auch für Stimmgabelschwin- ger, bei denen der Stiel entkoppelt ist, können im Wesentlichen dieselben theo- retischen Betrachtungen angestellt werden, wenn man die Breite b und Länge I einer Platte mit der Breite b und Länge I der "Zinken" einer Stimmgabel gleich- setzt. Weiters ist für Stimmgabelschwinger noch ein Formfaktor # zu berücksich- tigen. Nimmt man die Dicke in Richtung der kristallographischen x-Achse, was von der Anregung her optimal ist, so ergeben sich bei Quarz keine bei RT tem- peraturkompensierten Orientierungen. Man hat sich bisher auf zwei Arten behol- fen : 1) durch eine zusätzliche Drehung um die Längsachse um 0 von ca. 50 , sodass eine Temperaturkompensation mit Dickenanregung möglich ist.
Dieser soge- nannte NT-Schnitt (siehe Fig. 1) wird vorwiegend im Bereich 20 bis 50 kHz verwendet.
2) durch Anregung in Richtung der Breite, welche mit der x-Richtung zusammen- fällt. Dadurch wird allerdings die Elektrodenstruktur komplexer und der Reso- nator hochohmiger. Dieser sogenannte XY'-Schnitt wird für Stabbiegungs- schwinger im Bereich 5 bis 20 kHz sowie für Stimmgabelschwinger verwen- det.
Überraschender Weise ergeben sich für GaP04 - verglichen mit Quarz - zwei XY'- Orientierungen mit ca. dreimal besserem Temperaturverhalten. Das Temperatur- verhalten wird durch die Konstante a aus Formel (1), die sogenannte Parabelöff- nungskonstante, dargelegt Darüber hinaus ist es hier aber auch bei den sehr einfach herstellbaren X-Schnitten möglich, RT-temperaturkompensierte Orien- tierungen zu erzielen (siehe Fig. 4). Das Temperaturverhalten wird dadurch kaum verändert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 im Vergleich zu Quarz (Litera- tur (I) sowie. berechnet) aufgelistet. Näherungsformeln für die Berechnung der Quarz-Werte finden sich in R. A. Sykes, in R. A. Heising, "Quartz Crystals for Electrical Circuits", Van Nostrand 1946,217 ff (Lit. IV)
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Tabelle 1: Werte für Biegungsschwinger.
EMI3.1
<tb>
Quarz <SEP> Quarz <SEP> Quarz <SEP> Quarz <SEP> Quarz
<tb>
<tb> Lit. <SEP> (1) <SEP> ber. <SEP> Lit. <SEP> (1) <SEP> ber. <SEP> ber.
<tb>
EMI3.2
EMI3.3
<tb> #, <SEP> # <SEP> -5,1 <SEP> -7,7-0,2
<tb>
<tb>
<tb> f*#2/b*#, <SEP> Hz*m <SEP> 5707 <SEP> 5773 <SEP> 5450
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> a, <SEP> 10-9/K2 <SEP> -50 <SEP> -39 <SEP> -38..-45 <SEP> -45-33
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> k, <SEP> % <SEP> 9,8 <SEP> 10,3 <SEP> 9,8 <SEP> 10,3
<tb>
EMI3.4
<tb> GaP04 <SEP> GaP04 <SEP> GaP04 <SEP> GaP04
<tb>
<tb> Orientierung <SEP> X <SEP> X <SEP> XY' <SEP> XY'
<tb> #, <SEP> # <SEP> -60,9-8,1 <SEP> -62,1 <SEP> -4,1
<tb> f*#2/b*#, <SEP> Hz*m <SEP> 3345 <SEP> 3954 <SEP> 3394 <SEP> 3990
<tb> a, <SEP> 10-9/K2 <SEP> -12,5-13,9 <SEP> -11,5-13,2
<tb> k, <SEP> % <SEP> 7,3 <SEP> 15,9 <SEP> 7,5 <SEP> 16,4
<tb>
Damit ergeben sich für Biegeschwinger die Vorteile eines ca.
dreimal besseren Temperaturverhaltens bei vergleichbarer bzw. besseren Kopplung k sowie der Verwendbarkeit von ungedrehten X-Schnitten.
Diese Ergebnisse sind deshalb überraschend, da beispielsweise für Flächensche- rungsschwinger, welche vorwiegend im Bereich 200 bis 1000 kHz verwendet werden, keine derartigen Effekte nachgewiesen werden konnten. Sowohl für Quarz als auch für GaP04 ergeben sich bei den einfach gedrehten y-Schnitten zwei RT-temperaturkompensierte Orientierungen, die bei Quarz mit CT und DT bezeichnet werden (siehe Fig. 1).
Die für GaP04 aufgefundenen Werte zeigen jedoch, dass für Flächenscherungs- schwinger bei beiden RT-temperaturkompensierten Orientierungen weder das Temperaturverhalten noch die Kopplung k besser sind als beim Quarz-DT- Schnitt.
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Schliesslich wurden die Untersuchungen noch auf Längendehnungsschwinger aus- geweitet, welche vorwiegend im Bereich 50 bis 200 kHz verwendet werden. Bei den einfach gedrehten Y-Stäben liegen die beiden RT-temperaturkompensierten Schnitte für Quarz nahe beieinander. Verwendet wird z.B. gemäss (1) ein Y-Stab, welcher um die in Dickenrichtung verlaufende X-Achse um -5 gedreht ist (nach IEC-Norm und der angeführten Plattennormale als 5 X oder X+5 bezeichnet).
Gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Län- gendehnungsschwinger ein X-Schnitt aus einem GaP04-Einkristall ist, wobei die Drehung 9 des X-Schnittes um seine kristallographische x-Achse -2 bis -6 oder -54 bis -60 beträgt.
Besonders vorteilhafte Werte ergeben sich, wenn die Drehung # des X-Schnittes um seine kristallographische x-Achse für eine Inversionstemperatur von ca. 25 C -4 1 oder-57 2 beträgt.
Tabelle 2 : Werte für Längendehnungsschwinger
EMI4.1
<tb> Quarz <SEP> Quarz <SEP> Quarz <SEP> GaP04 <SEP> GaP04
<tb>
<tb> Lit. <SEP> (1) <SEP> ber. <SEP> ber.
<tb>
<tb>
<tb>
Orientierung <SEP> X <SEP> + <SEP> 5
<tb>
EMI4.2
EMI4.3
<tb> f*l, <SEP> Hz*m <SEP> 2886 <SEP> 2725 <SEP> 1614 <SEP> 1995
<tb>
<tb> a, <SEP> 10-9/K2 <SEP> -38.. <SEP> -45 <SEP> -45-33 <SEP> -14-13
<tb>
<tb> k, <SEP> % <SEP> 9,8 <SEP> 10,3 <SEP> 8,2 <SEP> 15,9
<tb>
Auch hier ergeben sich für die beiden temperaturkompensierten Orientierungen für GaP04 um einen Faktor von ca. 3 bessere Temperaturabhängigkeiten als bei Quarz. Die kleineren Resonatorabmessungen bei gegebener Frequenz und die höhere Kopplung des # = -4 -Schnittes könnten ebenfalls Vorteile bringen.
Die in den Tabellen 1 und 2 angeführten Ergebnisse beziehen sich alle auf eine Inversionstemperatur To von 25 C. Es können jedoch auch beliebige andere Inversionstemperaturen erzielt werden. Beispielsweise kann für die Y-Stab-nahen Längendehnungs- und Biegungsschwinger eine Inversionstemperatur um 300 C erreicht werden, wenn der negative Drehwinkel um ca. 3 vergrössert wird ; um 7 stärkerer Verdrehung steigt To auf ca. 700 C.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zum Teil schematischen Zeichnun- gen näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 verschiedene Quarzschnitte und deren Orientierung in einem Quarzkristall, Fig. 2 einen Biegungsschwinger samt Kontaktierung, Fig. 3 einen erfindungsgemässen Stimmgabelschwinger sowie Fig. 4 den Temperaturkoeffi- zient TK der Frequenz in K-1 als Funktion des Drehwinkels # für Biegungsschwin- ger aus Quarz und GaP04 mit Dickenrichtung in y' (jeweils obere Linie) und x (jeweils untere Linie).
Die verschiedenen Quarzschnitte und deren Orientierung in einem Quarzeinkris- tall werden in Fig. 1 aus (I) beschrieben. Besonders zu beachten sind vor allem die um den Winkel # gedrehten X- bzw. XY'- Schnitte,welche für GaP04 und für die in Tabelle 1 genannten Schnittwinkel # die erfindungsgemässen Vorteile erge- ben.
Fig. 2 zeigt einen Biegeschwinger (oben: X-Platte, unten Y-Stab) mit der jeweils typischen elektrischen Kontaktierung.
Ausgehend von einer X-Platte gemäss Fig. 2 kann ein Stimmgabelschwinger aus GaP04 gemäss Fig. 3 hergestellt werden, wobei der X-Schnitt um den Winkel # (beispielsweise -8,1 oder -60,9 ) gedreht wird.