CH618298A5

CH618298A5 -

Info

Publication number: CH618298A5
Application number: CH665577A
Authority: CH
Inventors: Mutsumi Negita
Original assignee: Matsushima Kogyo Kk
Priority date: 1976-05-31
Filing date: 1977-05-31
Publication date: 1980-07-15
Also published as: FR2353961B1; JPS52146588A; GB1560846A; US4176030A; DE2724082A1; US4205248A; FR2353961A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Quarzkristalloszillator gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Es ist üblich, bei einer Oszillatorschaltung eine Feinabstimmung der Schwingfrequenz dadurch vorzunehmen, dass die Kapazität variabler Kondensatoren CG und CD geändert wird. Der veränderte Wert der Schwingfrequenz Af(=fosc-fs) wird ausgedrückt durch fs Q/2 (Co+Q). Dabei ist CL etwa CDxCG/ Cd+Cg), fosc ist die Schwingfrequenz, fs ist eine individuelle Frequenz des Quarzkristalloszillators, Q ist eine dynamische Kapazität und Co ist eine elektrostatische Kapazität.

Wie man aus der Formel entnehmen kann, ist der veränderte Wert der Schwingfrequenz, der im Bereich der durch die variablen Kondensatoren Co und Cc eingestellten Schwingfrequenz liegt, proportional zur dynamischen Kapazität Q.

Demgemäss ist der Wert der dynamischen Kapazität Q, der gross sein muss, um das Vor- und Nachziehen in einem begrenzten Kapazitätsbereich des variablen Kondensators in einer Quarzkristalloszillatorschaltung einstellen zu können, wichtig, da er die Effizienz des Quarzkristalloszillators festlegt.

Ätzen ist eine wirksame Methode zur Herstellung von sub-miniaturisierten Quarzkristallplättchen. Hierdurch können diese Plättchen bei niedrigen Herstellkosten subminiaturisiert und die Elektroden vereinfacht werden.

Eine generelle Ätzmethode umfasst einen Vorgang zur Erzeugung einer leitenden Dünnschicht mit der Form eines Schwingers, die korrosionsbeständig ist gegen das Quarzkristallätzmittel, auf einer dünnen quarzkristallplatte, ferner einen Vorgang zur Erzeugungeines Fotolackes, der die Form von Elektroden auf der leitenden Dünnschicht mit der Form des Schwingerplättchens aufweist, sowie einen Vorgang zum Ätzen des Quarzkristalls mit Ausnahme jenes Teils der leitenden Dünnschicht mit der Form des Schwingerplättchens, um einen schwingungsfähigen Quarzkristall zu erhalten, und einen Vorgang zum Ätzen der leitenden Dünnschicht mit Ausnahme des Teils der elektrodenförmigen Fotolackschicht, um Elektroden zu erzeugen.

Infolge der Orientierung des Quarzkristalls verläuft die Korrosion längs der Z-Achse. Daher muss ein Z-Platten- oder NT-geschnittener Quarzkristall genommen werden, wobei die Seitenflächen des Schwingerplättchens keine Elektroden haben können, wie es in der DE-AS 1 247 415 beschrieben ist, die einen piezoelektrischen Quarzkristall mit NT- oder MT-Schnitt zeigt, der für ein Brückenfilter mit grosser Bandbreite verwendet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mittels eines durch Ätzen hergestellten Subminiatur-Quarzkristallschwin-gers das elektrische Verhalten und insbesondere die Frequenz-

abstimmbarkeit eines Oszillators zu verbessern.

• Çiese Aufgabe'wird mit einem Quarzkristalloszillator gemäss Anspruch 1 gelöst Ein Verfahren zu dessen Herstellung gibt Anspruch 2 an.

5 Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform und durch Gegenüberstellung mit herkömmlichen Quarzkristallschwingern erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine allgemeine Quarzkristalloszillatorschaltung; io Fig. 2a und 2b Draufsichten auf ein Quarzkristallschwinger-plättchen, das durch Ätzen erhalten worden ist und in einem herkömmlichen Quarzkristalloszillator verwendet wird;

Fig. 2c eine Schnittansicht zur Darstellung der Elektrodenverdrahtung des in den Fig. 2a und 2b gezeigten Quarzkristall- • 's plättchens;

Fig. 3a und 3b Draufsichten auf ein anderes durch Ätzen erhaltenes und in einem herkömmlichen Quarzkristalloszillator verwendetes Quarzkristallplättchen;

Fig. 3c eine Schnittansicht der Elektrodenverdrahtung des so in den Fig. 3a und 3b gezeigten Quarzkristallplättchens;

Fig. 4a und 4b Draufsichten auf ein erfindungsgemässes Quarzkristallschwingerplättchen;

Fig. 4c einen Querschnitt und die Elektrodenverdrahtung des in den Fig. 4a und 4b gezeigten Quarzkristallplättchens; 25 Fig. 5 Kennlinien, welche eine Veränderung der Schwingfrequenz fosc mit dem variablen Kondensator Q, zeigen;

Fig. 6a und 6b ein Verfahren zur Herstellung eines erfin-dungsgemässen Quarzkristallplättchens.

Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen bedeuten: 30 2 und 3 Elektroden auf der oberen Oberfläche, 4 eine Elektrode auf der unteren Oberfläche; 5 ein Quarzkristallschwingerplätt-chen; 6 und 7 Elektroden auf der oberen Oberfläche; 8 und 9 Elektroden auf der unteren Oberfläche; 10 und 11 Seitenelektroden; 12,13,14 und 15 Kennlinien der Schwingfrequenzände-35 rung; 16 eine obere Maske und 11 eine untere Maske.

Wie bereits erwähnt, können beim NT-geschnittenen Quarzkristall die Seitenoberflächen des Schwingerplättchens nicht mit Elektroden versehen werden. Deshalb ist es bei dem durch Ätzen erhaltenen Schwingerplättchen erwünscht, auf 40 effektive Weise ein elektrisches Feld anzulegen oder ein angelegtes elektrisches Feld effektiv zu nutzen, um den Oszillator zu betreiben, und aus diesem Grund sind viele Arten von Elektrodenkonfigurationen geschaffen worden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines bekannten Quarzkristall-45 schwingers. In Fig. 2a bedeutet 1 ein Quarzkristallplättchen, auf dessen oberer Oberfläche zwei Elektroden 2 und 3 gebildet sind. In Fig. 2b ist eine Elektrode 4 auf der unteren Oberfläche des Quarzkristallplättchens 1 gebildet Bei einem Plättchen dieser Art ist nur die X-Achsenkomponente Ex des elektrischen 50 Feldes E wirksam, wie es Fig. 2c zeigt Dies wirkt sich nachteilig aus, da der elektromechanische Wirkungsgrad klein, die dynamische Impedanz des Quarzkristalloszillators gross und dessen dynamische Kapazität Ci klein sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel eines bekannten Quarzkri-55 stallschwingerplättchens, das durch Ätzen erhalten worden ist und für einen Quarzkristalloszillator verwendet wird.

Gemäss den Fig. 3a und 3c ist das Quarzplättchen 5 auf der oberen und auf der unteren Oberfläche je mit zwei Elektroden versehen. Die Elektroden 6,7 auf der oberen Fläche haben die eo gleiche Konfiguration wie die Elektroden 8,9 auf der unteren Fläche. Der in Fig. 1 dargestellte Quarzkristalloszillator ist verbessert wenn er das Quarzplättchen gemäss Fig. 3 verwendet, da das Plättchen eine niedrigere dynamische Impedanz und eine höhere dynamische Kapazität Ci aufweist als beim Plätt-b5 chen gemäss Fig. 2. Die dynamische Kapazität Ci des in Fig. 3 gezeigten Plättchens ist jedoch immer noch klein gegenüber dem herkömmlichen und relativ grossen Quarzkristallschwinger, der durch ein mechanisches Verfahren hergestellt worden

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ist und bei dem ein stimmgabelartiges Quarzkristallschwinger- Bereich der Schwingfrequenz vergrössert, so dass man fol-

plättchen mit Elektroden auf fast allen Oberflächen der Stimm- gende zusätzliche Vorteile erhält:

gabel verwendet wird. 1. Der veränderliche Bereich der individuellen Frequenz

Wie zuvor erwähnt, ergeben alle Quarzkristalloszillatoren, des Quarzkristalloszillators kann ausgeweitet werden, so lange die mit einem Quarzkristallschwingerplâttchen aufgebaut sind, s der Bereich des Quarzkristalloszillators in solchen Grenzen das durch einen bekannten Ätzprozess hergestellt worden ist, liegt, dass er durch einen variablen Kondensator eingestellt eine kleine, dynamische Kapazität Ci, was zu dem Nachteil werden kann.

führt, dass der Bereich der Schwingfrequenz, der sich mit 2. Es wird leichter, eine Änderung der individuellen Fre-

einem variablen Kondensator ändern lässt, ebenfalls klein ist. quenz zu kompensieren, die bedingt ist z. B. durch einen Alte-

Dieser Nachteil bildete einen Hinderungsgrund dafür, dass der 'o rungseffekt oder durch eine vakuumdichte Einkapselung, die

Quarzkristalloszillator mit einem durch Ätzen hergestellten durchgeführt wird, nachdem die individuelle Frequenz des

Quarzkristallschwingerplättchen zu weitläufiger Anwendung Quarzkristalloszillators eingestellt worden ist.

gelangte. 3. Bei einer Quarzkristalloszillatorschaltung mit hoher Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Nachteil über- Genauigkeit wird zur Erhaltung einer stabilen Schwingfre-wunden, da mit ihr ein Quarzkristalloszillator verwirklicht wird,15 quenz in weitem Temperaturbereich ein Kondensator mit einer der ein durch Ätzen erhaltenes dünnes Quarzkristallschwinger- temperaturabhängigen Kapazität, wie ein BaTi03-Kondensa-

plättchen verwendet, das einen besseren oder gleichen Wir- tor, zusammen mit dem Quarzkristalloszillator verwendet, um kungsgrad wie jener Quarzkristalloszillator aufweist, der ein die durch die Umgebungstemperatur bewirkte Änderung der durch mechanische Bearbeitung erhaltenes, relativ grosses individuellen Frequenz des Quarzkristalloszillators zu kompen-

Quarzkristallschwingerplättchen verwendet. 20 sieren. Es ist schwer, bei einem Quarzkristalloszillator mit

Im erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wird einem Quarzkristallplättchen gemäss Fig. 2 oder 3 eine Tempe-

eine Methode verwendet, mit der eine Dünnschicht mit einer . raturkompensation durchzuführen. Bei dem erfindungsgemäs-

Dicke von einigen hundert Angström bis einigen jim auf den sen Quarzkristalloszillator ist dies jedoch leichter, da die Ände-

Seitenoberflächen des durch Ätzen erhaltenen, dünnen Quarz- rung der Schwingfrequenz fosc in Abhängigkeit der Kapazität kristallschwingerplättchens aufgestäubt wird, so dass ein mit 25 CL des Kondensators bedeutend grösser ist

Seitenelektroden versehener Quarzkristalloszillator erhalten Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin-

wird. dungsgemässen Quarzkristallplättchens. 5 ist ein Quarzkristall-

schwingerplättchen, wie es auch in Fig. 3 gezeigt ist. Masken 16

Das Plättchen 5 in Fig. 4 ist mit zwei Elektroden 6 und 7 auf und 17 sind Beispiele für Maskierungen, die nahezu die gesamte der oberen und mit zwei Elektroden 8 und 9 auf der unteren 30 obere und die gesamte untere Oberfläche des Quarzkristall-Oberfläche versehen, wie sie auch in Fig. 3 gezeigt sind. Ausser- schwingerplättchens bedecken, um zu vermeiden, dass die dem ist das Plättchen durch eine leitende Dünnschicht auf den darauf befindlichen Elektroden kurzgeschlossen werden, und

Seitenoberflächen auch mit Seitenelektroden 10 und 11 verse- um zu ermöglichen, dass die Seitenelektroden aus leitender hen. Bei einem Quarzschwinger mit solchen Elektroden sind Dünnschicht mit den Elektroden in leitender Verbindung ste-

die X-Achsenkomponenten vergrössert, wenn ein elektrisches 35 hen, wenn die leitende Dünnschicht auf den Seitenflächen des

Feld anliegt Deshalb ist die dynamische Kapazität im Ver- Quarzkristallschwingerplättchens erzeugt ist. Die Seitenflä-

gleich zu dem in Fig. 3 gezeigten Quarzkristalloszillatorplätt- chen und Kontaktierungsteile für die obere und die untere chen stark vergrössert, was es ermöglicht, den variablen Oberfläche und die Seitenelektroden des Quarzkristallplätt-

Bereich der Schwingfrequenz entsprechend auszudehnen. chens werden aufgestäubt, wobei Masken aufgebracht worden

Fig. 5 zeigt die Kennlinien einer mit Hilfe des variablen 40 sind, nachdem die Elektroden auf der oberen und auf der unte-

Kondensators CL geänderten Schwingfrequenz. Kurve 12 in ren Oberfläche erzeugt worden sind, so dass man folgende Vor-

Fig. 5 zeigt die typische Kennlinie der Schwingfrequenz eines teile erhält:

Quarzkristalloszillators, bei dem ein stimmgabelartiges Quarzkristallplättchen verwendet wird, das durch einen mechani- 1. Quarzkristallplättchen können durch Massenproduktion sehen Prozess hergestellt worden ist und auf nahezu allen 45 hergestellt werden, da sie nach dem Ätzen partien- oder char-Oberflächen mit Elektroden versehen ist Kurve 13 zeigt eine genweise behandelt werden können.

typische Kennlinie der Schwingfrequenz eines Quarzkristalloszillators, für den das in Fig. 2 gezeigte Quarzkristallplättchen 2. Die Seitenelektroden können auf den Innen- und Aussen-verwendet worden ist. Kurve 14 zeigt die Schwingfrequenz- seiten der Stimmgabel erzeugt werden, und gleichphasig wir-kennlinie eines Quarzkristalloszillators, für den das in Fig. 3 so kende Elektroden können durch einen Aufstäubungsvorgang gezeigte Quarzkristallplättchen verwendet worden ist. Und leitend verbunden werden, da es die Aufstäubungsbehandlung Kurve 15 zeigt die Schwingfrequenzkennlinie eines ermöglicht, eine leitende Dünnschicht nicht nur auf der oberen Quarzkristalloszillators, für den das in Fig. 4 gezeigte Oberfläche zu erzeugen, sondern auch auf den Seitenflächen Quarzkristalloszillatorplättchen verwendet wird. Aus den Kur- und auf Teilen der unteren Oberfläche, während es bei einem ven 14 und 15 geht klar hervor, dass der durch den variablen 55 Beschichten nicht möglich ist, eine leitende Dünnschicht auf Kondensator CL einstellbare veränderliche Bereich der der Innenseitenoberfläche der Stimmgabel zu erzeugen. Schwingfrequenz fosc durch die erfindungsgemässe Vergrösse-

rung der dynamischen Kapazität Ci stark vergrössert werden Durch die erfindungsgemässe Massnahme kann mindestens kann. der gleiche Wirkungsgrad wie bei durch einen mechanischen Durch die erfindungsgemässe Massnahme wird vorteilhaf- t>o Prozess hergestellten grossen Quarzoszillatoren erzielt werterweise der mit einem variablen Kondensator erzielbare den.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims

618298 PATENTANSPRÜCHE

1. Quarzkristalloszillator mît einem stimmgabelförmigen Schwingquarzplättchen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der oberen und auf der unteren Oberfläche des Plättchens (5) Elektroden (6,7,8,9) vorgesehen sind und dass die seitlichen Oberflächen des Plättchens mit Dünnschichtelektroden (10,11) versehen sind, die mit den Elektroden auf der oberen und auf der unteren Oberfläche in elektrischer Verbindung stehen.

2. Verfahren zur Herstellung eines Quarzkristalloszillators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst durch Foto-Ätzen die Elektroden auf der oberen und auf der unteren Oberfläche hergestellt und anschliessend maskiert werden und dass dann auf die nicht maskierten Seitenbereiche des Plättchens leitende Dünnschichten so aufgestäubt werden, dass sie mit den Elektroden in elektrischer Verbindung stehen.