<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Einkristallelement, welches an zumindest einer Oberfläche oder an gegenüberliegenden Oberflächen Anregungselektroden aufweist und zu einer Dickenscherschwingung anregbar ist sowie unterschiedlich Anwendungen und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen piezoelektrischen Einkristallelementes bzw. Resonatorelementes.
Die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Resonators ist neben den effektiv wirkenden Materialkonstanten und den physikalischen Abmessungen massgeblich
EMI1.1
B. :sätzlich unterschiedliche Anwendungsbereiche. Zum Einen werden piezoelektrische Resonatoren als Frequenznormal verwendet, wobei sich der Resonator üblicherweise im Rückkopplungszweig eines Oszillators befindet und dadurch die Oszillatorfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz stabilisiert wird. Bei dieser Anwendung werden die Einflüsse der Umgebung auf die Resonanzfrequenz durch hermetisch dichte Gehäuse, welche entweder mit Schutzgas gefüllt oder evakuiert sind möglichst konstant gehalten.
Zum Anderen werden piezoelektrische Resonatoren als Sensorelement verwendet, wobei aus den gemessenen Änderungen der Resonanzeigenschaften auf die physikalischen oder. chemischen Eigenschaften bzw. deren zeitliche Änderung der Umgebung Rückschlüsse gezogen werden. In beiden Anwendungsbereichen ist eine möglichst hohe Schwingungsgüte der betreffenden Resonanzfrequenz erwünscht, um einerseits eine besonders hohe Kurzzeitstabilität und andererseits eine besonders hohe Messauflösung bzw. Messempfindlichkeit zu erreichen.
Definition der Güte Q :
EMI1.2
EMI1.3
l)f..... Frequenz fm.... Frequenz bei maximaler Admittanz wobei (p in Radiant und 1, lm in Hz einzusetzen sind.
<Desc/Clms Page number 2>
Die Güte kann durch Messen der Änderung der Phase A (p weiche in einem Frequenzintervall Af in der unmittelbaren Umgebung der maximalen Admittanz, z. B. mit einem Netzwerkanalysator gemessen werden. Nach diesem Verfahren wur-
EMI2.1
EMI2.2
EMI2.3
abhängig und können aus den Materialkonstanten des betreffenden Kristallmaterials berechnet werden (siehe beispielsweise S. Haussühl, Kristallphysik, Physik Verlag, ISBN 3-87664-587-5).
Der effektiv wirkende elektromechanische Kopplungsfaktor keff kann zum Beispiel durch eine Netzwerkanalyse bestimmt werden. Dabei wird dem Resonanzverhalten des piezoelektrischen Resonators das Modell eines Serienresonanzkreises mit Parallelkapazität zugrundegelegt. Aus dem Abstand zwischen Serienresonanzfrequenz fssfm (Definition siehe Fig. 1) und Parallelresonanzfrequenz fi- fin (fn.... Frequenz bei minimaler Admittanz, siehe Fig. 1) ergibt sich der effektiv wir-
EMI2.4
EMI2.5
EMI2.6
:lungsfaktor keff beziehen sich auf die Grundtonresonanzfrequenz fs des jeweiligen piezoelektrischen Kristallschnitt bzw. piezoelektrischen Resonators.
<Desc/Clms Page number 3>
So ist zum Beispiel aus Warner A. W., Design and Performance of Ultraprecise 2. 5-mc Quartz Crystal Units", Bell Sys. Tech. J., Sept., 1960, pp. 1193-1215, bekannt, dass ein Quarz AT-Schnitt Resonator (effektiv wirkender elektromechanischer Kopplungsfaktor keff = 8 %... 9 %), mit einem Durchmesser von 30 mm, plankonvexen Oberflächen, mit Gold-Elektroden, bei Raumtemperatur und in Vakuum (p=1, 33*10-9 bar), im 5. Oberton bei einer Resonanzfrequenz von 2, 5 MHz, eine Güte Q von 5 bis 6 Millionen erreicht. Ebenso ist ein inverser Zusammenhang zwischen Resonanzfrequenz fs (Definition siehe Fig. 1) und maximal erreichbarer Güte Q festgestellt worden.
Für einen Quarz AT-Schnitt Resonator lässt sich dieser empirisch gefundene Zusammenhang durch die Angabe des Produktes von Q*fs = 16*106 MHz ausdrücken.
Weiters ist aus Ch. Longet, G. Robichon, EFTF, 1995, pp. 141-145, eine elektrodenlose Anordung bekannt, mit welcher - basierend auf einen Quarz BT-Schnitt Resonator- ein Produkt Q*fg = 30*106 MHz erreicht wird. Dabei befinden sich die Anregungselektroden nicht direkt auf den Resonatoroberflächen, sondern in einem Abstand von einigen am (sogenannte PVA-Resonatoren). Derartige Quarzresonatoren, welche z. B. aus der US-A 4, 135, 108 bekannt sind, bedürfen einer aufwendigen Herstellung und weisen grosse Baugrössen auf.
Ebenso ist aus R. C. Smythe, R. C. Helmbold, G. E. Hague, & K. A. Snow, Joint Meeting EFTF - IEEE IFCS, 1999, pp. 816-820, bekannt, dass ein Y-Schnitt Langanit (LGT) Resonator (effektiv wirkender elektromechanischer Kopplungsfaktor keff > 10 %) mit einem Durchmesser von 14 mm, plan-konvexen Oberflächen, Gold-Elektroden, bei Raumtemperatur und in Vakuum (p=1, 33*10-7 bar), im 7.
Oberton bei einer Resonanzfrequenz von 14, 058 MHz, eine Güte Q von 1, 8 Millionen erreicht. Das entspricht einem Produkt Q*fs = 25, 6*106 MHz.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Einkristall bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, bei welchem die Güte Q - insbe- sondere bei Vakuumdrücken unter 10 mbar - besonders hohe Werte annimmt.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe dadurch dass das Einkristallelement einen Kristallschnitt mit einer anregbaren Grundtonresonanzfrequenz im Dickenschermode aufweist, bei welcher der effektiv wirkende elektromechanische Kopplungsfaktor keff zwischen 0, 05 % und 3 %, vorzugsweise zwischen 0, 1 % und 2 %, liegt.
Vorteilhafterweise werden Kristallmaterialien mit einer effektiv wirkenden elasti-
EMI3.1
Von Vorteil ist es weiters, Kristallmaterialien zu wählen, bei welchen für den ausgewählten Kristallschnitt keine Hysterese zwischen dem über die Anregungs-
<Desc/Clms Page number 4>
elektroden erzeugten elektrischen Feld E und dem Feld der dielektrischen Verschiebung D entsteht.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass beispielsweise ein piezoelektrischer Resonator auf der Basis von Galliumorthophospat (GaP04), mit einem Durchmesser von 7. 4 mm und Gold-Elektroden, welcher einen relativ geringen, effektiv wirkenden elektromechanischen Kopplungsfaktor keff von ca. 0, 2 % bis 0, 4 % aufweist, bei einem Absolutdruck von 5*10"5 bar einen sehr hohen Gütewert aufweist. Verglichen mit einem Quarzresonator ist der GaP04-Resonator wesentlich kompakter (Durchmesser von z. B. 7, 4 mm) und weist bei einer Dicke von 0, 2 mm (bei einer Resonanzfrequenz von ca. 10 MHz) ein besseres Durchmes- ser/Dicken-Verhältnis auf.
Insbesondere wenn das Kristallelement nach dem Aufbringung der Anregungselektroden einer thermischen Behandlung über 150 OC ausgesetzt wird, können Gütewerte von über 8, 7 Millionen bei einer Resonanzfrequenz fs von ca.
9, 816 MHz im Grundton erreicht werden. Daraus ergibt sich für das Produkt Q*fs = 85*106 MHz. Weiters ist es auch möglich, das Kristallelement während der Aufbringung der Anregungselektroden auf Temperaturen von über 150 OC zu erwärmen. Die Aufbringung der Elektroden kann durch ein CVD-Verfahren (che- mical vapour deposition) oder ein PVD-Verfahren (physical vapour deposition), vorzugsweise durch Sputtern, erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, den piezoelektrischen Resonator nach dem Aufbringen der Elektroden für mehre Stunden auf Temperaturen von über 150 OC zu erwärmen. So zeigt zum Beispiel ein für ca. 10 Stunden auf ca. 350 OC getemperter GaP04-Resonator (fs=5, 903 MHz) einen Güteanstieg von etwa 350. 000 unter Normaldruck auf ca. 13 Millionen bei einem Absolutdruck p=40 Jlbar. Hingegen erreicht ein nicht getemperter GaP04 Resonator (f=5, 872 MHz), welcher bei Normaldruck eine Güte von ca. 350. 000 aufweist, bei einem Absolutdruck von 30 Jlbar eine Güte von ca. 1, 75 Millionen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist somit durch folgende Schritte gekennzeichnet : . Herstellen eines Kristallschnittes mit einer anregbaren Grundresonanz- frequenz, bei welcher der effektiv wirkende elektromechanische Kopp- lungsfaktor keff zwischen 0, 05 % und 3 %, vorzugsweise zwischen 0, 1 % und 2 %, liegt ; sowie 'Aufbringen von Anregungselektroden auf zumindest einer Oberfläche oder auf gegenüberliegenden Oberflächen des Einkristallelementes ; sowie ggf.
<Desc/Clms Page number 5>
Tempern des Kristallschnittes bei Temperaturen von über 150 C Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist dadurch gegeben, dass der Frequenzabstand zur nächstgelegenen, anregbaren Nebenresonanzfrequenz > 80 kHz, vorzugsweise > 100 kHz. Darüber hinaus soll die maximale Admittanz der harmonischen Oberschwingungen nur < 10 %, vorzugsweise < 5 % relativ zur Grundtonresonanzfrequenz erreichen, d. h. der n-te Oberton (n=3, 5,...) soll nicht mehr deutlich anregbar sein.
Das thermische Ausdehnungsverhalten in der Ebene des Kristallschnittes ist beispielsweise bei Kristallen der Punktgruppe 32 durch zwei voneinander linear unabhängige Ausdehnungskoeffizienten an = 022 und a33 vollständig beschreibbar. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, einen Kristallschnitt zu wählen, bei welchem die effektiv wirkenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten (a'l1 und a'33) in der Ebene des Kristallschnittes lediglich um einen Faktor < 1, 5 voneinander abweichen.
Als weiteres Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, einen Kristallschnitt auszuwählen, bei welchem der Temperaturgang der Resonanzfrequenz der anzuregenden Dickenscherschwingung im Anwendungstemperaturbereich möglichst gering ist. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn der lineare Temperaturkoeffizient der Grundtonresonanzfrequenz an zumindest einer Stelle im Bereich der Betriebstemperatur des piezoelektrischen Einkristallelementes, vorzugsweise im Bereich zwischen 10 C und 1000 (, Null ist (temperaturkompensierter Schnitt).
Dazu muss der Temperaturgang der Resonanzfrequenz einen parabolischen oder einen kubischen Frequenzgang aufweisen, womit der lineare Temperaturkoeffizient innerhalb des Anwendungstemperaturbereich Null wird.
Gemäss einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung gehört das Kristallmaterial der kristallographischen Punktgruppe 32 an, wobei das Kristalielement vorzugsweise aus quarzhomöotypem Galliumorthophosphat (GaP04) besteht.
Eine Kombination der besonders günstigen Eigenschaften wie extrem hohe Gütewerte, Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz und grossem Abstand zwischen Grundtonresonanzfrequenz und deren Nebenmoden kann durch die Anwendung eines piezoelektrischen Resonator auf der Basis von GaP04 erreicht werden, wobei ein einfach rotierten Y-Schnitt verwendet wird und sich der Schnittwinkel (D in einem Bereich zwischen -80 0 und -88 0, insbesondere zwischen -82 0 und -86 0 befindet.
Die Angabe des Vorzeichens der Schnittwinkel (D bezüglich deren Drehrichtung um die kristallografischen Achsen erfolgen nach dem IEEE Standard on Piezoelectricity ; ANSI/IEEE Std. 176-1987.
<Desc/Clms Page number 6>
Gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, piezoelektrische Kristallelemente zu verwenden, welche der kristallografischen Raumgruppe P321 angehören, welche z. B. in INTERNATIONAL TABLES FOR X-RAY CRYSTALLOGRAPHY, The Kynoch Press, 1969, pp. 255, erwähnt wird. Kristalle dieser
EMI6.1
some Properties of Single Crystals with the Ca3Ga2Ge4014 Structure", Joint Meeting EFTF-IEEE IFCS, 1999, pp. 829-834, angeführt.
Insbesondere bei Langasit (La3GasSi014) Einkristallen ist durch die Wahl eines einfach rotierten Y-Schnittes, wobei der Drehwinkel (D zwischen -550 und -850, vorzugsweise zwischen -600 und -700 liegt, eine Kombination von niedriger Kopplung und Temperaturkompensation erreichbar.
Elektrische Vakuummeter messen den Druck indirekt über die Teilchenzahldichte welcher bei gegebenem Druck von der Gasart abhängig ist. Die Druckskaien dieser Geräte sind üblicherweise auf Stickstoffdrücke bezogen. Wenn also der Druck eines anderen Gas (-gemisches) bestimmt werden soll, muss der angezeigte Druck mit einem Faktor multipliziert werden. Zusätzlich sind diese Faktoren bei Wärmeleitungs-Vakuummetern (Pirani) auch druckabhängig.
Aufgrund der besonders empfindlichen Druckabhängigkeit der Güte, insbesondere bei Vakuumdrücken unter 10 mbar, sind daher die erfindungsgemässen Kristallelemente hervorragend zur Druckmessung zu verwenden, wobei eine Druckmessung unabhängig von der Gasart bzw. Gaszusammensetzung möglich ist.
Aufgrund der möglichen Kombination von Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz und geringer elektromechanischer Kopplung, beispielsweise bei GaP04 und Langasit, kann das erfindungsgemässe Kristallelement als frequenzbestimmendes Bauelement (Frequenznormal) in ofenkontrollierten bzw. thermostatisierten Oszillatoren verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung besteht darin, das erfindungsgemässe Kristallelement im Vakuum (p < 10 mbar) als Mikrowaagen-Sensorelement zu verwenden, bei welchem eine extrem hohe Empfindlichkeit gegenüber Massenbeiadung erreicht werden kann.
Schliesslich kann das erfindungsgemässe Kristallelement als elektronisches Filter mit besonders hoher Flankensteilheit eingesetzt werden.
<Desc/Clms Page number 7>
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen die Fig. 1 ein Diagramm der Admittanz, bei welchem auf der Abszisse die Konduktanz und auf der Ordinate die Suszeptanz aufgetragen ist, Fig. 2 ein Diagramm der Güte Q in Abhängigkeit vom Druck für GaP04 sowie Fig. 3 den ersten Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz eines GaP04-Dichenscher- Resonators in Abhängigkeit vom Schnittwinkel (D.
Fig. 1 zeigt den Ortskreis der Admittanz, welcher für die Beschreibung des elektrischen Verhaltens eines piezoelektrischen Resonators verwendet wird. Ebenso sind die relevanten Definitionen der Serienresonanzfrequenz fs, der Frequenz bei maximaler Admittanz fm, der Parallelresonanzfrequenz fp sowie der Frequenz bei minimaler Admittanz fn ersichtlich. Der Abstand des Mittelpunktes des Ortkreises von der Abszisse ist proportional der Parallelkapazität Co, welche durch den Resonator zusammen mit den aufgebrachten Anregungselektroden gebildet wird.
Fig. 2 zeigt beispielsweise den Güteanstieg eines GaP04 Resonators (einfach gedrehter Y-Schnitt mit keff zwischen 0, 2 und 0, 4 %), welcher nach dem Aufbringen der Anregungselektroden getempert wurde im Vergleich zu einem nicht getemperten Resonator (Grundtonresonanzfrequenz ca. 6MHz). Bei Normaldruck liegen die Gütewerte in beiden Fällen etwa auf dem gleichen, hohen Niveau.
Während der Druckreduktion steigen die Gütewerte des getemperten Resonators wesentlich stärker an, als im Falle des ungetemperten Resonators.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des linearen Temperaturkoeffizienten (l. TCF) der Resonanzfrequenz eines einfach rotierten Y-Schnittes eines GaP04 DickenscherResonators (C-Mode) in Abhängigkeit des Drehwinkels < 1 > bei einer Temperatur von ca. 85 C.