Elektrische Einrichtung mit piezoelektrischem Schwingkristall. Es sind elektrische Einrichtungen be kannt, in denen schwingende piezoelektri- sche Kristalle verwendet werden. Deren Eigenschaften sind im allgemeinen von der Temperatur abhängig. Dies ist auch für den Temperaturkoeffizienten Tk der Eigenfre quenz des Kristalles, das heisst für die Grösse
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der Fall.
In dieser Formel bedeuten f die Eigenfrequenz des Kristalles und t die Tem peratur desselben. Es tritt nun oft der Fall ein, dass dieser Temperaturkoeffizient Tk nicht den verlangten Wert besitzt, so dass eine Veränderung desselben wünschenswert wäre.
Insbesondere wird im allgemeinen an gestrebt werden, diesen möglichst klein zu machen, weil in diesem Fall die aufgewand ten Mittel zur Konstanthaltung der Fre quenz während des Betriebes, die z. B. aus einem Thermostaten bestehen können, ein facher gehalten oder gegebenenfalls über haupt weggelassen werden können.
Es hat sich nun gezeigt, dass der Verlauf des Temperaturkoeffizienten Tk der Eigen frequenz als Funktion der Temperatur t eines Kristalles sich durch eine Veränderung des Ionenradius der Kationen resp. der Anionen mindestens bei einem Teil der Git terbausteine des betreffenden griställes ver ändern lässt, was praktisch dadurch erreicht wird, dass zur Lösung, aus der der Kristall gezüchtet wird, eine zweite kristallisierbare Komponente beigefügt wird,
so dass ein Mischkristall entsteht. Dabei bedingt eine Vergrösserung des Kationenradius eine Ver schiebung der Funktion Tk (t) in Richtung zunehmender Temperaturwerte.
Die Erfindung betrifft demnach eine elektrische Einrichtung mit einem piezoelek- trischen Schwingkristall, welche dadurch ge kennzeichnet ist, dass der letztere ein aus mindestens. zwei Komponenten bestehender Mischkristall ist.
Unter der Summe der Ionenradien zweier Ionen eines Kristalles sei ihr gegenseitiger Abstand verstanden. Was die numerischen Werte dieser Ionenradien betrifft, so sei zu diesem Zweck auf die einschlägige Literatur verwiesen, wie z.
B. Pauling, Nature of the chemieal bond, oder Euken, Lehrbuch der chemischen Physik, in welcher die numeri schen Werte dieser Radien angegeben sind.
Die Veränderung des Ionenradius der Gitterbausteine kann auf verschiedene Arten erfolgen. Im einen Fall werden in das Gitter Gitterbausteine eingefügt, die von den ur sprünglichen chemisch verschieden sind, im andern Fall werden nur gewisse Elemente der Kristallverbindung durch Isotope ersetzt. Im ersteren Fall besteht der Kristall aus mindestens zwei chemisch verschiedenen Komponenten, im zweiten Fall unterscheiden sich die Komponenten chemisch nicht von einander.
Im folgenden seien einige Beispiele für die Zusammensetzung des piezoelektrischen Kristalles aufgeführt.
Eine Verkleinerung des Temperatur koeffizienten. der Resonanzfrequenz eines zum primären Kalium-Phosphat gehörenden Kristalles (KHzP04) lässt sich erreichen, indem zu demselben ein Teil der Kaliun ionen durch Rubidium- und/oder Thallium- ionen ersetzt sind.
Weil nämlich der Ionen radius des Kaliumions den Wert 1,33, der jenige des Rubidiumions den Wert 1,48 und derjenige des Thalliumions den Wert 1,56 aufweist, so ergibt sich durch diese Mass nahme eine Verschiebung des Verlaufes der den Temperaturkoeffizienten als Funktion der Temperatur charakterisierenden Kurve TI; <I>(t)</I> in Richtung zunehmender Temperatur, und gleichzeitig wird der bei Zimmertempe- ratur vorhandene Temperaturkoeffizient kleiner.
Bei einem Kristall aus<B>80%</B> Ammonium phosphat und 20% Thalliumphosphat ist der Temperaturkoeffizient des Mischkristal- les <B>30%</B> kleiner als der des reinen Ammo- niumphosphatkristalles. Dabei ist der Ionen radius des NH4-Ions 1,48.
Sehr vorteilhaft erweist es sich auch, beispielsweise beim primären Kaliumphos- phat, den Wasserstoff teilweise durch Deu terium zu ersetzen. Es ist in diesem Falle zu empfehlen, so weit zu gehen, da.ss der grösste Teil der im KH2P04-1VIolekül vorhan denen Wasserstoffionen durch Deuterium er setzt ist.
Da der Temperaturkoeffizient der Reso nanzfrequenz vom primären Kaliumdeutero- phosphat KD1P04 bei einer Temperatur von 20 Null ist, empfiehlt es sich, diesen Null punkt durch geeignete Zusätze in den Bereich zwischen 30 und 40 zu legen. In diesem Falle kann nämlich dessen Temperatur unter normalen klimatischen Verhältnissen durch einen Thermostaten, der nur zur Heizung eingerichtet sein muss, konstant gehalten wer den, was eine wesentliche Vereinfachung des Thermostaten darstellt.
Auf diese Weise erhält mann eine sehr gute Frequenzkonstanz der Kristallschwingungen. Zusätze, welche eine solche Verschiebung des Kurvenpunktes - 0 bedingen, sind beispielsweise primä- jdt res Thalliumphosphat TI H_PO,, primäres Rubidiumphosphat Rb H,P04 oder primäres Cäsiumphosphat Cs H2P04. .
Schliesslich besteht eine vorteilhafte Aus führungsform der erfindungsgemässen elek- trischen Einrichtung auch darin, dass die entsprechenden Verbindungen mindestens teilweise an Stelle von gewöhnlichem Wasser stoff sohweren Wasserstoff enthalten. Zum Beispiel können an Stelle von primärem Ammoniumphosphat die Stoffe NH.IDZP04 oder ND,DIP04 vorgesehen sein.
Natürlich brauchen die Kristalle nicht nur aus zwei Komponenten zu bestehen, son dern es lassen sich auch solche, die aus mehr als zwei Komponenten aufgebaut sind, vor teilhaft verwenden.
Im allgemeinen wird bei der Züchtung eines Kristalles darauf geachtet werden, dass der gewünschte Wert der Eigenfrequenz eher in den Bereich zu hoher Temperaturen zu liegen kommt; denn in der Serieschaltuug einer Kapazität zum Kristall besitzt man ein einfaches Mittel, um eine Verschiebung der Funktion Ti, (t) gegen tiefere Temperaturen herbeizuführen.
Daher erfolgt vorzugsweise bei Oszillatoren die genaue Einstellung des Temperaturkoeffizienten durch Verändern dieser Kapazität. Eine einfache, diesen Zweck erfüllende Ausführungsform besteht darin, dass man bei dem den Kristall tragen den Kondensator den Luftspalt veränderbar ausführt.
Bei einem Kristall, bei dem keine solchen zusätzlichen Mittel zur Beeinflussung des Temperaturkoeffizienten vorhanden sind, erfolgt die Züchtung im allgemeinen so, dass der Nullwert desselben in den Bereich -zwi schen 15 und 30 zu liegen kommt.
Die beschriebenen Kristalle .erweisen sich insbesondere geeignet als frequenzbestim- mende Elemente in Sendern, wo sie in ihrer Eigenfrequenz schwingen.
Electrical device with piezoelectric oscillating crystal. Electrical devices are known in which oscillating piezoelectric crystals are used. Their properties generally depend on the temperature. This is also the natural frequency of the crystal for the temperature coefficient Tk, i.e. for the size
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the case.
In this formula, f is the natural frequency of the crystal and t is its temperature. The case now often occurs that this temperature coefficient Tk does not have the required value, so that a change in it would be desirable.
In particular, efforts are generally made to make this as small as possible, because in this case the expended means to keep the Fre quency constant during operation, the z. B. can consist of a thermostat, kept a fold or possibly omitted at all.
It has now been shown that the course of the temperature coefficient Tk of the natural frequency as a function of the temperature t of a crystal by changing the ion radius of the cations, respectively. the anions can change at least in part of the lattice building blocks of the relevant granule, which is achieved in practice by adding a second crystallizable component to the solution from which the crystal is grown,
so that a mixed crystal is formed. An increase in the cation radius causes a shift in the function Tk (t) in the direction of increasing temperature values.
The invention accordingly relates to an electrical device with a piezoelectric oscillating crystal, which is characterized in that the latter one of at least. two-component mixed crystal is.
The sum of the ionic radii of two ions of a crystal is understood to mean their mutual distance. As far as the numerical values of these ionic radii are concerned, reference is made to the relevant literature for this purpose, e.g.
B. Pauling, Nature of the chemical bond, or Euken, textbook of chemical physics, in which the numerical values of these radii are given.
The ion radius of the lattice building blocks can be changed in various ways. In one case, lattice building blocks are inserted into the lattice that are chemically different from the original ones, in the other case only certain elements of the crystal compound are replaced by isotopes. In the first case the crystal consists of at least two chemically different components, in the second case the components do not differ chemically from one another.
Some examples of the composition of the piezoelectric crystal are given below.
A reduction in the temperature coefficient. The resonance frequency of a crystal belonging to the primary potassium phosphate (KHzP04) can be achieved by replacing some of the potassium ions with rubidium and / or thallium ions.
Because the ion radius of the potassium ion has the value 1.33, that of the rubidium ion has the value 1.48 and that of the thallium ion has the value 1.56, this measure results in a shift in the course of the temperature coefficient as a function of Temperature characteristic curve TI; <I> (t) </I> in the direction of increasing temperature, and at the same time the temperature coefficient existing at room temperature becomes smaller.
With a crystal made of <B> 80% </B> ammonium phosphate and 20% thallium phosphate, the temperature coefficient of the mixed crystal is <B> 30% </B> smaller than that of the pure ammonium phosphate crystal. The ion radius of the NH4 ion is 1.48.
It has also proven to be very advantageous, for example in the case of primary potassium phosphate, to partially replace the hydrogen with deuterium. In this case it is advisable to go so far that the majority of the hydrogen ions in the KH2P04-1VI molecule are replaced by deuterium.
Since the temperature coefficient of the resonance frequency of the primary potassium deuterophosphate KD1P04 is zero at a temperature of 20, it is advisable to set this zero point in the range between 30 and 40 using suitable additives. In this case, namely, its temperature can be kept constant under normal climatic conditions by a thermostat, which only needs to be set up for heating, which is a significant simplification of the thermostat.
In this way you get a very good frequency constancy of the crystal vibrations. Additions which cause such a shift of the curve point - 0 are, for example, primary jdt res thallium phosphate TI H_PO ,, primary rubidium phosphate Rb H, PO4 or primary cesium phosphate Cs H2P04. .
Finally, an advantageous embodiment of the electrical device according to the invention also consists in the fact that the corresponding connections contain at least some hydrogen instead of ordinary hydrogen. For example, the substances NH.IDZP04 or ND, DIP04 can be provided instead of primary ammonium phosphate.
Of course, the crystals do not only have to consist of two components, but those that are composed of more than two components can also be used advantageously.
In general, when growing a crystal, care should be taken to ensure that the desired value of the natural frequency is in the range of excessively high temperatures; because in the series connection of a capacitance to the crystal one has a simple means to bring about a shift of the function Ti, (t) against lower temperatures.
In oscillators, therefore, the temperature coefficient is preferably set precisely by changing this capacitance. A simple embodiment which fulfills this purpose consists in carrying out the condenser in such a way that the air gap is variable.
In the case of a crystal in which there are no such additional means for influencing the temperature coefficient, the growth is generally carried out in such a way that its zero value lies in the range between 15 and 30.
The crystals described prove to be particularly suitable as frequency-determining elements in transmitters, where they oscillate at their natural frequency.