CN102655400A - Gt切割石英晶体谐振器 - Google Patents

Gt切割石英晶体谐振器 Download PDF

Info

Publication number
CN102655400A
CN102655400A CN2012100427332A CN201210042733A CN102655400A CN 102655400 A CN102655400 A CN 102655400A CN 2012100427332 A CN2012100427332 A CN 2012100427332A CN 201210042733 A CN201210042733 A CN 201210042733A CN 102655400 A CN102655400 A CN 102655400A
Authority
CN
China
Prior art keywords
crystal wafer
crystal
wafer
neighboring
crystal resonator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2012100427332A
Other languages
English (en)
Inventor
山口贵士
山田博章
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Original Assignee
Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2011037086A external-priority patent/JP5661506B2/ja
Priority claimed from JP2011244672A external-priority patent/JP5789485B2/ja
Application filed by Nihon Dempa Kogyo Co Ltd filed Critical Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Publication of CN102655400A publication Critical patent/CN102655400A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02015—Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles
    • H03H9/02023—Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles consisting of quartz
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02157—Dimensional parameters, e.g. ratio between two dimension parameters, length, width or thickness
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/05—Holders; Supports
    • H03H9/0595—Holders; Supports the holder support and resonator being formed in one body
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/13—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials
    • H03H9/132—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials characterized by a particular shape
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/205—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having multiple resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
    • H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/2436—Disk resonators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

一种具有支撑部件的GT切割晶体谐振器，所述支撑部件具有较小尺寸和简单结构并且不会不利的影响振动特性，包括：形成为椭圆形的晶体片，具有与在GT切割中彼此垂直的两个纵向振动模式的振动方向分别对应的长轴和短轴；以及支撑晶体片的支撑部件，所述支撑部件连接到晶体片的外周边上在耦合两个纵向振动模式时获得最小振动位移的位置处。

Description

GT切割石英晶体谐振器
技术领域
本发明涉及GT切割石英晶体谐振器。
背景技术
根据从单个石英晶体切割出晶体片或晶体坯(即构成晶体谐振器的振动片)时得到的晶体学方向，可以把用作频率或时间参考源的晶体谐振器分类为几种“切割”类型(例如参见Hirofumi Kawashima，KoichiHirama，Naoya Saito和Mitsuaki Koyama，″Quartz Resonators andDevices″，Transactions of the Institute of Electronics，Information and Communication Engineers C-I，第J82-C-I卷，第12期，第667至682页，1999年12月)。AT切割和SC切割作为这种“切割”的示例已经广泛为人所知。其中，GT切割晶体坯具有优异的频率-温度特性，并在环境温度改变时表现出谐振频率的极小变化。因此，例如GT切割晶体坯可望应用于具有高精度和高稳定性的晶体振荡器。此外，GT切割晶体谐振器还具有的优点是即使当它的谐振频率较低时也可以配置较小尺寸。
众所周知，X轴、Y轴和Z轴这三个晶轴是在石英中按晶体学定义。沿着垂直Y轴的平面切割的晶体片称为“Y片”。垂直于Y轴的平面平行于X轴和Z轴的表面。GT切割晶体片如下形成的石英片：Y片绕X轴旋转+51.5°(即，φ＝+51.5°)，并且该Y片在片平面内旋转+45°(即，θ＝+45°)。角度“φ”和“θ”是通常用于指定石英切割方向的参数。图1显示了当从单石英晶体(即原石11)切割出GT切割晶体片时得到的切割方向12。为了便于参照，除了GT切割之外，图1还显示了典型切割的切割方向。为了说明GT切割晶体片内的方向，通过将X轴、Y轴和Z轴绕X轴旋转+51.5°的得到的坐标轴分别定义为X’轴、Y’轴和Z’轴。由于X’轴是通过将X轴绕X轴旋转得到的轴，X’轴与X轴相同。沿着从Z’轴到X’轴的方向将X’轴和Z’轴绕着Y’轴旋转45°得到的坐标轴分别定义为X”轴和Z”轴。
下面将描述GT切割晶体片中的振动模式。如图2所示，GT切割晶体片21中的振动模式是X”轴方向上的纵向振动模式和Z”轴方向上的纵向振动模式的组合振动模式。在X”轴方向和Z”轴方向上的两个纵向振动模式是长度延伸振动模式。通过结合这两个纵向振动模式得到的振动模式也成为“宽度-长度延伸耦合振动模式”。在附图中，长度延伸振动方向用箭头指示，通过振动移动的轮廓用虚线表示。但是，在这种情况下，为了便于说明，移动的轮廓显示为具有比晶体片21的实际位移大得多的位移。由于这两个纵向振动模式的耦合振动模式，现有技术的GT切割晶体片形成为矩形形状或正方形(其一对边平行于X”轴，另一对边平行于Z”轴)以用作晶体谐振器中的振动片，即晶体坯。晶体片的两个主要表面设置有激励电极，其激励晶体片使其作为振动片工作。
在使用GT切割晶体片作为振动片(即晶体坯)以构成晶体谐振器的情况下，需要在容器中保持住晶体片以使其不会接触晶体谐振器的容器的壁面。考虑到这点，提出了一种技术，其中通过使用光刻技术从石英晶体的片状部件整体形成振动片的主要部件(即振动部件)和用于支持振动部件的支撑部件(参见JP-9-246898A；以及Hirofumi Kawashima，Osamu Ochiai，Akihito Kudo和Atsunobu Nakajima，″MiniaturizedGT-Cut Quartz Resonators″The Horological Institute of Japan，第104卷，第36-48页，1983)。在这种情况下，如图3所示，支撑部件22连接到用作振动片的晶体片21中矩形形状的主要部件中一对相对边的中点位置。每个支撑部件22的形状是利用有限元或者类似方法设计的，以使其振动部件的谐振频率与包括支撑部件22在内的整个谐振系统的谐振频率实质上相同。
应注意到，石英晶体板的振动模式根据切割类型而变化。例如，在广泛使用的AT切割晶体片的情况下，振动模式是厚度剪切振动模式，并且谐振频率仅由厚度确定。因此，AT切割晶体片的平面形状可以是任意确定。例如，如JP-2007-158486A中所述，该平面形状可以是圆形或椭圆形。此外，可以在与厚度剪切振动的驻点对应的位置支持AT切割的晶体坯。
但是，在GT切割晶体坯的情况下，振动模式是宽度-长度延伸耦合振动模式，这意味着谐振频率会根据晶体坯的平面形状和宽度、长度等尺寸而改变，并且在耦合在一起的两个振动模式中的振动必须可靠地产生。因此，不可能任意地设置平面形状并在任意位置设置支撑部件。特别地，在矩形GT切割晶体片的外周边部分上通常没有振动位移的驻点。
如上所述，GT切割晶体片具有优异的频率-温度特性，并且适于构建具有高稳定性和高精度的晶体振荡器。但是，现有技术的GT切割晶体坯具有矩形形状，并且支撑部件连接到一对相对边的中点。由于GT切割晶体片的振动模式是宽度-长度延伸耦合振动模式，晶体片是在支撑部件的连接位置处振动和位移，并且设置支撑部件可能妨碍晶体片的振动。已经尝试使用有限元方法设计每个支撑部件，使其形成为在晶体片振动时没有不利影响的形状。但是，由于每个支撑部件具有复杂的形状，难以制造出这种支撑部件。此外，相比于振动片的主要部件的尺寸，支撑部件自身的尺寸也不能忽视。因此，每个支撑部件尺寸的变化会大大影响晶体片的振动特性，并妨碍了晶体谐振器的小型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有支撑部件的GT切割晶体谐振器，所述支撑部件具有较小尺寸和简单结构并且不会不利的影响振动特性。
根据本发明的一个方面，GT切割晶体谐振器包括：形成为椭圆形的晶体片，具有与在GT切割中彼此垂直的两个纵向振动模式的振动方向分别对应的长轴和短轴；以及支撑晶体片的支撑部件，所述支撑部件连接到晶体片的外周边上在耦合两个纵向振动模式时获得最小振动位移的位置处。
所述GT切割晶体片传统地形成为矩形，在本发明中形成为椭圆形。如下文所述，在椭圆形的GT切割晶体片中，在晶体片的外周边部分上存在可以获得最小振动位移的四个点。支撑晶体片的支撑部件连接到每个这样的点。根据本发明，可以在振动位移的实质上驻点位置处支撑晶体片，并且可以采用具有较小尺寸和简单结构的支撑部件，而不会对振动特性产生不利的影响。因此，可以获得具有优异温度特性和高稳定性的晶体谐振器。
在本发明中，可以在一个晶体谐振器中设置多个GT切割晶体片。这种GT切割晶体谐振器包括：框架；具有相同谐振频率的多个晶体片，每个所述晶体片形成为椭圆形，并具有与在GT切割中彼此垂直的两个纵向振动模式的振动方向分别对应的长轴和短轴；分别形成在每个晶体片的两个主表面上的一对激励电极；和为每个晶体片提供的支撑部件，在框架上支撑对应晶体片的支撑部件，所述支撑部件连接到该对应晶体片的外周边上在耦合两个纵向振动模式时获得最小振动位移的位置处，其中所述多个晶体片布置在包括所述两个纵向振动模式的振动方向的同一平面内，相邻两个晶体片中的一个晶体片的外周边机械耦合到该相邻两个晶体片中的另一个晶体片的外周边上，以及在激励电极之间形成电导线，使得当所述一个晶体片在第一方向伸展时，所述另一个晶体片在垂直于该第一方向的第二方向伸展。
附图说明
图1是GT切割晶体片的切割方向示意图；
图2是说明GT切割晶体片的振动模式的平面图；
图3是说明设置有支撑部件的相关技术的方形GT切割晶体谐振器的平面图；
图4是说明根据本发明第一实施例的GT切割晶体谐振器的基本结构的示意图；
图5是说明根据第一实施例的晶体元件的具体结构示例的平面图；
图6是沿着图5的A-A’线的截面图；
图7是说明晶体片中轴线方向的示意图；
图8是说明椭圆GT切割晶体谐振器的纵横比与其频率-温度特性的一阶温度系数之间关系的曲线图；
图9A是说明根据本发明第二实施例的GT切割晶体谐振器的平面图；
图9B是解释图9A所示晶体谐振器中的激励电极之间的导线关系的示意图；
图9C是解释图9A所示晶体谐振器中振动状态的示意图；
图10是说明根据本发明第三实施例的GT切割晶体谐振器的平面图；和
图11是说明根据本发明第四实施例的GT切割晶体谐振器的平面图。
具体实施方式
根据图4所示的第一实施例的石英晶体谐振器与上述现有技术中描述的晶体谐振器的相同之处在于都采用了GT切割晶体片31，但是不同之处在于晶体片31具有椭圆平面形状。
椭圆形晶体片31具有这样的结构，其中晶体片表面垂直于GT切割中的Y’轴。该椭圆的长轴与GT切割中的X”轴一致；该椭圆的短轴与Z”轴一致；结果，晶体片31具有宽度-长度延伸耦合振动模式作为其振动模式，该模式是沿着X”轴方向的纵向振动模式和沿着Z”轴方向的纵向振动模式的耦合，并且允许沿着X”轴方向和Z”轴方向交替的伸展和收缩，如图2中所示的晶体片21那样。参照图4，用虚线突出显示了振动位移的晶体片31的轮廓。但是，当关注晶体片31的外周边部分时，振动位移的幅度在该外周边上的每个点处不是恒定的。在图中，在用P1到P4表示的点处，振动位移的幅度是最小的。由于椭圆形晶体片31在作为长轴的X”轴方向上和作为短轴的Z”轴方向上交替的伸展和收缩，在晶体片31的外周边(即椭圆上)上总是存在四个可以获得最小振动位移的点。
假定在每个纵向振动模式中的振动振幅比晶体片31的尺寸足够小，点P1到P4是宽度-长度延伸耦合振动模式中振动位移的实际驻点。与形成为椭圆形状的晶体片31的外周边上的驻点对应的位置依赖于晶体片31的长轴长度“a”和短轴长度“b”之间的比值而变化。该比值是纵横比(b/a)。例如，当纵横比是0.855时，每个驻点位于当从晶体片31的中心(即椭圆中心)观察时从长轴方向到短轴方向形成57.5°角度的方向上。
在第一实施例的晶体谐振器中，支撑部件连接到晶体片31的驻点P1到P4中的一个或多个，从而使其可以支撑晶体片31，而不会给晶体片31的振动特性带来不利影响。由于支撑部件连接到晶体片31的振动模式中的驻点上，因而不必使得支撑部件的谐振频率与晶体片31的谐振频率匹配，从而简化了支撑部件的结构。例如，每个支撑部件可以由简单的杆状部件或梁部件连接到晶体片31的外周边上形成。使用GT切割晶体片31可以获得优异的频率-温度特性，并且通过将晶体谐振器与振荡电路相结合可以获得具有高精度和高稳定性的晶体振荡器。
图5-图6说明根据本实施例构造的晶体谐振器的详细结构示例。
该晶体谐振器包括形成为实质上矩形的框架33，并且在框架33的开口中保持椭圆形GT切割晶体片31。在图5-6所示的晶体谐振器中，椭圆形晶体片31具有垂直于GT切割中Y’轴的片表面。椭圆的长轴与GT切割中的X”轴一致，椭圆的短轴与Z”轴一致。晶体片31由两个从框架33的内壁延伸的杆状支撑部件32支持。两个支撑部件32在位于椭圆形晶体片31的外周边上的上述四个驻点P1到P4中的两个驻点处机械连接到晶体片31。这里，支撑部件32连接到将晶体片31的中心(即椭圆的中心)夹在中间的一对驻点P2和P4(参见图4)。框架33的厚度比晶体片31的厚度足够地大。因此，例如当将盖体布置在框架33的上表面和下表面上，以将晶体片31容纳在由框架33和盖体环绕的空间内时，可以防止晶体片31接触到这些盖体。
这种晶体谐振器可以这样形成，例如使用与GT切割对应的石英片状部件，对该片状部件采用光刻技术以使得对应于晶体片31、支撑部件32和框架33的部分保留，并且去除其他部分。当对石英片状部件采用光刻技术形成晶体谐振器时，支撑部件32和框架33是由石英形成并且与晶体片31整体地形成。
此外，激励电极34形成在晶体片31的一个主平面的几乎整个面积上，并且，用于实现与激励电极34的电接触的引出电极36形成在一个支撑部件32的表面上，并从激励电极34延伸到形成在框架33的上表面上的接点焊盘37。类似地，激励电极35也形成在晶体片31的另一个主平面的几乎整个面积上。激励电极35通过形成在另一个支撑部件表面上的引出电极(未示出)电连接到形成在框架33下表面上的接点焊盘(未示出)上。
在图5-图6所示的晶体谐振器中，在两个点处支撑晶体片31。但是，只要晶体片31是在上述驻点P1到P4处被支持，支撑晶体片31的支持点的数量和驻点位置就可以任意的确定。
图7说明椭圆形GT切割晶体片31的轴线晶体学方向。
在GT切割晶体片的情形下，在X”轴方向上的弹性系数C’11与在Z”轴方向上的弹性系数C’33彼此相等，因此，即使当X”轴方向上的尺寸被Z”轴方向上的尺寸代替时，也可以表现出相同的振动特性。也就是说，在上述描述中，长轴对应于椭圆形晶体片的X”轴方向，短轴对应于Z”轴方向。替代地，即使在长轴对应于Z”轴方向而短轴对应于X”轴方向时，也可以获得如上所述的相同效果。
下一步，关于根据本实施例的晶体谐振器，将要描述当改变椭圆形晶体片31的纵横比(b/a)时频率-温度特性的变化。图8是说明通过观察纵横比与一阶温度系数之间的关系而得到的结果的曲线图。显然，只要纵横比落在0.75到0.90的范围内，就可以获得优异的温度特性。这里描述的优异的温度特性是指一阶温度系数落在大约±10ppm/℃的范围内。
以上描述了根据第一实施例一方面的晶体谐振器。根据第一实施例另一方面，提供了一种晶体谐振器，其包括：
沿着通过将垂直于石英晶体Y轴的表面绕X轴旋转+51.5°得到的表面，从石英晶体切割出的晶体片；和
支撑该晶体片的支撑部件，
其中，所述晶体片形成为椭圆形，该椭圆形的长轴和短轴分别与相对于晶体片表面内的X轴倾斜45°的方向对应，以及
支撑部件在晶体片的外周边上的如下位置处连接到晶体片：在通过将长轴方向上的纵向振动模式与短轴方向上的纵向振动模式耦合在一起得到的耦合振动模式中，在该位置获得最小振动位移。在这种晶体谐振器中，支撑部件可以由石英制造，并且晶体片和支撑部件可以整体地形成。进一步，短轴长度相对于长轴长度的比值优选地设置在0.75到0.90的范围内。此外，在晶体片的每个主平面上可以形成激励电极。
应注意到，GT切割晶体谐振器还具有这样的特性，即使当激励电极相对于晶体片的片表面形成得尽可能大时，也可以使得等效串联电容C1变小，等效串联电阻ESR变大，例如变为1kΩ。关于这一点的原因是GT切割晶体谐振器的谐振频率是根据其外部尺寸确定的。因此，无法采取措施来增大晶体片的平面尺寸以减小等效串联电阻。例如，在GT切割晶体片中，等效串联电容C1大约是AT切割晶体片中等效串联电容的三分之一，而等效串联电阻ESR大约是AT切割晶体片的等效串联电阻的三倍。结果，当设计与GT切割晶体谐振器连接的振荡器时，用于实现振荡并具有高稳定性的电路结构变得复杂。特别地，当晶体谐振器的等效串联电阻较大时，振荡器电路的振荡容限减小。
下面将描述具有更大等效串联电容和更小等效串联电阻的GT切割晶体谐振器。
根据图9A到图9C显示的第二实施例的GT切割晶体谐振器具有两个GT切割晶体片41a和41b，每个晶体片具有椭圆形状，并且每个都类似于图4所示的晶体片。晶体谐振器具有这样的结构，其中晶体片41a和41b保持在框架43的开口中。晶体片41a和41b的每一个的短轴和长轴的方向分别与GT切割石英晶体中的两个纵向振动模式的振动方向一致。这两个振动方向彼此垂直。晶体片41a和41b的外形彼此相同，因而晶体片41a和41b在GT切割振动模式下都具有相同的谐振频率。
晶体片41a和41b的每一个都由两个从框架43的内壁延伸的杆状支撑部件42支撑。每个晶体片的两个支撑部件42在位于椭圆形晶体片的外周边上的上述四个驻点P1到P4中的两个驻点处机械连接到相应的晶体片。框架43的厚度比晶体片41a和41b的厚度足够地大。
晶体片41a和41b布置为使得它们的短轴沿直线布置。晶体片41a和41b通过杆状连接件48彼此机械耦合在一起。特别地，连接件48连接到在晶体片41a外周边上的点以及在晶体片41b外周边上的点。这里，晶体片41a短轴的一端与晶体片41b短轴的一端通过连接件48相互连接。但是，也可以将晶体片41a和41b布置为使得它们的长轴沿直线布置，并且使得晶体片41a长轴的一端连接到晶体片41b长轴的一端。不必将连接件48的连接位置设置到晶体片长轴或短轴的一端。但是，如果连接件连接到晶体片周边的上述驻点处，将丧失设置连接件的意义，并且两个晶体片不会机械耦合在一起。
晶体片41a和41b、支撑部件42、框架43和连接件48可以由石英整体地形成。例如，通过准备GT切割石英晶体晶片并采用光刻技术对该石英晶体晶片执行刻蚀工艺，可以同时并整体地形成晶体片41a和41b、支撑部件42、框架43和连接件48。结果，两个晶体片41a和41b布置在由GT切割石英晶体的两个纵向振动模式的振动方向所形成的平面内，并且支撑部件42和连接件48也布置在该平面内。
这里，假定晶体片的两个主表面中出现在晶体谐振器平面图中的表面是“晶体片的顶面”，布置在该平面图的背侧的另一个主表面是“晶体片的背面”。
如图9B所示，激励电极44形成在每个晶体片41a和41b的两个主平面的每一个的几乎全部面积上。形成在晶体片41a顶面上的激励电极44通过导电通道45a电连接到形成在晶体片41b背面上的激励电极，该导电通道45a形成在支撑部件42的顶面和框架43上。用于将该晶体谐振器连接到外部电路的电极焊盘47a也布置在该导电通道45a中。类似地，形成在晶体片41a背面上的激励电极通过导电通道45b电连接到形成在晶体片41b顶面上的激励电极44，该导电通道45b形成在支撑部件42和框架43上。用于连接外部电路的电极焊盘47b布置在导电通道45b中。电极焊盘47a和47b形成在框架43的顶面上。由于需要将顶面上的激励电极电连接到背面上的激励电极，将穿过框架43的通孔46布置在导电通道45a和45b中。
由于激励电极以这种方式电连接在晶体片41a和41b之间，晶体片41a和41b上的各个电极性在受到激励时彼此反转极性。结果，如图9C所示，在晶体片41a在短轴方向上伸展并在长轴方向上收缩的情形下，即在图中用实线箭头显示的情形下，晶体片41b在长轴方向上伸展并在短轴方向上收缩。另一方面，在晶体片41a在长轴方向上伸展并在短轴方向上收缩的情形下，即在图中用虚线箭头显示的情形下，晶体片41b在短轴方向上伸展并在长轴方向上收缩。当两个晶体片41a和41b以这种方式振动时，在晶体片41a和41b二者之间在连接件48位置处的间隔变化很小。因此，连接件48可以机械地耦合两个晶体片41a和41b，而不会干扰这些晶体片的振动。根据本实施例，由于提供了连接件48，即使在这些晶体片的固有谐振频率彼此略微不同的情况下，也可以获得作为晶体谐振器在相同频率和高Q值(品质因数)整体地谐振的两个晶体片41a和41b。如果不提供连接件48，所述结构在电气上等效于如下的情形：在该情形下具有略微不同谐振频率的两个晶体谐振器并联在一起，这导致整体上Q值的降低。
在根据第二实施例的晶体谐振器中，由于每个晶体片41a和41b是在晶体片的外周边上可获得最小振动位移的点处被支撑部件42支持，支撑部件42不会影响晶体片41a和41b的振动特性。连接件48可以机械地耦合两个晶体片41a和41b，而不会干扰这些晶体片的振动。由于晶体片41a和41b具有相同的谐振频率，晶体片41a和41b可以在该公共的谐振频率下振荡。此外，晶体片41a和41b可以在耦合两个振动片的单一振动模式中作为整体的晶体谐振器稳定振动。结果，这种晶体谐振器可以非常高的稳定性振动，而不会产生寄生振动(spurious vibration)。
在根据本实施例的晶体谐振器中，激励电极的面积变为图4所示晶体谐振器的激励电极面积的两倍大，而没有改变谐振频率。因此，与图4所示的晶体谐振器相比，等效串联电容加倍，并且等效串联电阻减半。当把本实施例的GT切割晶体谐振器应用于振荡器电路时，可以用简单的电路结构获得较大的振动余量(oscillation margin)，并且由于具有更小的等效串联电阻，可以构建具有高稳定性的振荡电路。
在图9A到9C所示的示例中，晶体片41a短轴的一端机械地耦合到晶体片41b短轴的一端。但是，在GT切割晶体片的情况下，X”轴方向上的弹性系数C’11与Z”轴方向上的弹性系数C’33彼此相等，因此，在一个晶体片的长轴的一端机械地耦合到另一个晶体片的长轴的一端的情况下，可以获得如上所述相同的效果。
下面，将描述根据本发明第三实施例的GT切割晶体谐振器。
在第二实施例中，两个晶体片41a和41b构成晶体谐振器。但是，在本发明中，也可以采用三个或更多个GT切割晶体片，通过反复地使两个相邻的晶体片机械耦合把所有的晶体片耦合到单一振动模式中。
如图10所示根据第三实施例的晶体谐振器与图9A到9C所示的类似，区别在于设置了三个晶体片41a到41c。晶体片41a到41c的每一个通过为每个晶体片提供的两个杆状支撑部件42连接到框架43。支撑部件42在对应晶体片的外周边上获得最小振动位移的位置处连接到该晶体片。晶体片41a短轴的一端通过杆状连接件48a连接到晶体片41b短轴的一端，晶体片41b短轴的另一端通过杆状连接件48b连接到晶体片41c短轴的一端。因此，晶体片41a和41b彼此机械地耦合，而晶体片41b和41c也彼此机械地耦合。
激励电极44形成在每个晶体片41a到41c的两个主表面的每一个上。形成在晶体片41a和41c顶面上的激励电极与形成在晶体片41b背面上的激励电极通过导电通道45a彼此电连接。电极焊盘47a也布置在导电通道45a中。类似地，形成在晶体片41a和41c背面上的激励电极与形成在晶体片41b顶面上的激励电极通过导电通道45b彼此电连接。电极焊盘47b也布置在导电通道45b中。结果，在晶体片受到激励时，晶体片41a和41b彼此极性相反，而晶体片41b和41c彼此极性相反。晶体片41a和41c处于相同的极性。通过第二实施例，连接件48a和48b可以将晶体片41a到41c机械耦合在一起，而不会干扰这些晶体片的振动。在晶体谐振器中，晶体片41a到41c以公共的谐振频率振荡，并且在耦合晶体片41a到41c的单一振动模式中作为整体晶体谐振器稳定振动。此外，在根据本实施例的晶体谐振器中，激励电极的面积变为图4所示晶体谐振器的激励电极面积的三倍大，而没有改变谐振频率。因此，与图4所示的晶体谐振器相比，等效串联电容增至三倍，并且等效串联电阻减为三分之一。当把本实施例的GT切割晶体谐振器应用于振荡器电路时，可以采用简单的电路结构获得较大的振动余量(oscillation margin)，并且可以构建具有高稳定性的振荡电路。
下面将描述根据本发明第四实施例的GT切割晶体谐振器。
在根据第二实施例的晶体谐振器中，连接件48布置在相邻的晶体片41a和41b之间以将晶体片41a和41b机械耦合在一起。但是，在晶体片之间机械耦合的方式不限制于此。根据图11所示第四实施例的晶体谐振器与第二实施例的类似，区别在于是通过将晶体片41a短轴的一端与晶体片41b短轴的一端直接接合(不设置连接件)来实现晶体片41a和41b之间的机械耦合。如上所述，由于晶体片41a和41b在受到电激励时彼此处于相反极性，当直接接合晶体片时在晶体片41a和41b之间的连接位置处不会产生应力。根据本实施例的晶体谐振器具有与第二实施例类似的有利效果。
在根据第二到第四实施例其中之一的晶体谐振器中，布置有多个具有相同谐振频率的GT切割晶体片，相邻两个晶体片的外周边彼此机械耦合，并且在激励电极之间形成有电导线，这样，当两个相邻晶体片中的一个晶体片沿着第一方向伸展时，另一个晶体片沿着垂直于第一方向的第二方向伸展。结果，该多个晶体片彼此并联电连接。因此，相比于只具有一个晶体片的晶体谐振器来说，可以从整体上增大晶体谐振器的等效串联电容并减小等效串联电阻。根据第二到第四实施例其中之一的晶体谐振器例如具有与AT切割晶体谐振器的等效串联电阻等效的等效串联电阻。同时，可以通过机械耦合晶体片并以上述方式电连接激励电极，将晶体片整体耦合到单一振动模式中。结果，这种晶体谐振器表现出非常高的稳定性，而不会产生寄生振动。
利用第一实施例，可以在根据第二到第四实施例其中之一的晶体谐振器中优选地将椭圆形晶体片41a到41c每个的纵横比(b/a)设置在0.75到0.90的范围内。

Claims (13)

1.一种GT切割晶体谐振器，包括：
形成为椭圆形的晶体片，具有与在GT切割中彼此垂直的两个纵向振动模式的振动方向分别对应的长轴和短轴；以及
支撑晶体片的支撑部件，所述支撑部件连接到晶体片的外周边上在耦合两个纵向振动模式时获得最小振动位移的位置处。
2.根据权利要求1所述的晶体谐振器，其中支撑部件由石英制成并且与晶体片整体地形成。
3.根据权利要求1所述的晶体谐振器，其中短轴长度在相对于长轴长度的0.75到0.90倍的范围内。
4.根据权利要求1所述的晶体谐振器，还包括形成在晶体片每个主表面上的激励电极。
5.根据权利要求1所述的晶体谐振器，其中
提供有多个晶体片，
所述晶体谐振器还包括：框架；以及分别形成在每个晶体片的两个主表面上的一对激励电极，
为每个晶体片提供支撑部件，并且该支撑部件支撑框架上对应的晶体片，
所述多个晶体片布置在包括所述两个纵向振动模式的振动方向的同一平面内，
相邻两个晶体片中的一个晶体片的外周边机械耦合到该相邻两个晶体片中的另一个晶体片的外周边上，以及
在激励电极之间形成电导线，使得当所述一个晶体片在第一方向伸展时，所述另一个晶体片在垂直于该第一方向的第二方向伸展。
6.根据权利要求5所述的晶体谐振器，其中在所述一个晶体片的长轴和短轴的其中之一的一端与所述另一个晶体片的长轴和短轴的其中之一的一端之间，形成所述一个晶体片的外周边与另一个晶体片的外周边之间的机械耦合。
7.根据权利要求5所述的晶体谐振器，还包括连接到所述一个晶体片的外周边和所述另一个晶体片的外周边的连接件，该连接件机械地连接所述一个晶体片和所述另一个晶体片。
8.根据权利要求6所述的晶体谐振器，还包括连接到所述一个晶体片的长轴和短轴的其中之一的所述一端以及所述另一个晶体片的长轴和短轴的其中之一的所述一端的连接件，所述连接件机械地连接所述一个晶体片和所述另一个晶体片。
9.根据权利要求7所述的晶体谐振器，其中所述框架、所述支撑部件和所述连接件由石英制成并且与晶体片整体地形成。
10.根据权利要求5所述的晶体谐振器，其中通过将所述一个晶体片的外周边上的点与所述另一个晶体片的外周边上的点直接接合，机械耦合所述一个晶体片和所述另一个晶体片。
11.根据权利要求6所述的晶体谐振器，其中通过将所述一个晶体片的长轴和短轴的其中之一的所述一端与所述另一个晶体片的长轴和短轴的其中之一的所述一端直接接合，机械耦合所述一个晶体片和所述另一个晶体片。
12.根据权利要求10所述的晶体谐振器，其中所述框架和所述支撑部件由石英制成并且与晶体片整体地形成。
13.根据权利要求5所述的晶体谐振器，其中在每个所述晶体片中，短轴长度在相对于长轴长度的0.75到0.90倍的范围内。
CN2012100427332A 2011-02-23 2012-02-22 Gt切割石英晶体谐振器 Pending CN102655400A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011-037086 2011-02-23
JP2011037086A JP5661506B2 (ja) 2011-02-23 2011-02-23 水晶振動子
JP2011244672A JP5789485B2 (ja) 2011-11-08 2011-11-08 水晶振動子
JP2011-244672 2011-11-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102655400A true CN102655400A (zh) 2012-09-05

Family

ID=45656357

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2012100427332A Pending CN102655400A (zh) 2011-02-23 2012-02-22 Gt切割石英晶体谐振器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8957569B2 (zh)
EP (1) EP2493072A3 (zh)
CN (1) CN102655400A (zh)
TW (1) TW201238244A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106982042A (zh) * 2017-03-20 2017-07-25 电子科技大学 一种新型支撑结构的mems压电谐振器
CN107154789A (zh) * 2016-03-04 2017-09-12 日本电波工业株式会社 晶体振子
CN107231139A (zh) * 2016-03-23 2017-10-03 日本电波工业株式会社 晶体振子
CN107294507A (zh) * 2016-04-13 2017-10-24 日本电波工业株式会社 晶体振子

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6295611B2 (ja) * 2013-11-05 2018-03-20 セイコーエプソン株式会社 振動子、発振器、電子機器、および移動体
JP6338367B2 (ja) * 2013-12-24 2018-06-06 日本電波工業株式会社 水晶振動子
JP6797764B2 (ja) * 2017-08-09 2020-12-09 日本電波工業株式会社 水晶振動子およびその製造方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03150911A (ja) * 1989-11-07 1991-06-27 Seiko Electronic Components Ltd 高調波結合振動子
US5274297A (en) * 1991-06-04 1993-12-28 Centre Suisse D'electronique Et De Microtechnique Sa Quartz resonator vibrating in a fundamental torsion mode
US5323083A (en) * 1991-10-25 1994-06-21 Piezo Technology, Inc. Crystal resonator having reduced acceleration sensitivity
JP2006311303A (ja) * 2005-04-28 2006-11-09 River Eletec Kk モード結合型圧電振動子
US20080252178A1 (en) * 2007-04-10 2008-10-16 Epson Toyocom Corporation Contour resonator
FI20105849A0 (fi) * 2010-08-13 2010-08-13 Valtion Teknillinen Mikromekaaninen resonaattorijärjestelmä ja menetelmä sen valmistamiseksi
CN101847975A (zh) * 2010-03-31 2010-09-29 山东大学 NdCa4O(BO3)3晶体零频率温度系数切型及应用

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09246898A (ja) 1996-03-05 1997-09-19 S I I Quartz Techno:Kk 水晶振動子の製造方法
JP2001313537A (ja) 2000-04-28 2001-11-09 River Eletec Kk 圧電素子とその製造方法
JP3743913B2 (ja) 2002-09-19 2006-02-08 有限会社ピエデック技術研究所 水晶振動子、水晶ユニット、水晶発振器とそれらの製造方法
JP2007158486A (ja) 2005-12-01 2007-06-21 Epson Toyocom Corp 水晶振動素子、水晶振動子、及び水晶発振器
JP2013081022A (ja) * 2011-10-03 2013-05-02 Nippon Dempa Kogyo Co Ltd 水晶振動子及びその製造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03150911A (ja) * 1989-11-07 1991-06-27 Seiko Electronic Components Ltd 高調波結合振動子
US5274297A (en) * 1991-06-04 1993-12-28 Centre Suisse D'electronique Et De Microtechnique Sa Quartz resonator vibrating in a fundamental torsion mode
US5323083A (en) * 1991-10-25 1994-06-21 Piezo Technology, Inc. Crystal resonator having reduced acceleration sensitivity
JP2006311303A (ja) * 2005-04-28 2006-11-09 River Eletec Kk モード結合型圧電振動子
US20080252178A1 (en) * 2007-04-10 2008-10-16 Epson Toyocom Corporation Contour resonator
CN101847975A (zh) * 2010-03-31 2010-09-29 山东大学 NdCa4O(BO3)3晶体零频率温度系数切型及应用
FI20105849A0 (fi) * 2010-08-13 2010-08-13 Valtion Teknillinen Mikromekaaninen resonaattorijärjestelmä ja menetelmä sen valmistamiseksi

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107154789A (zh) * 2016-03-04 2017-09-12 日本电波工业株式会社 晶体振子
CN107231139A (zh) * 2016-03-23 2017-10-03 日本电波工业株式会社 晶体振子
CN107294507A (zh) * 2016-04-13 2017-10-24 日本电波工业株式会社 晶体振子
CN106982042A (zh) * 2017-03-20 2017-07-25 电子科技大学 一种新型支撑结构的mems压电谐振器
CN106982042B (zh) * 2017-03-20 2020-06-16 电子科技大学 一种支撑结构的mems压电谐振器

Also Published As

Publication number Publication date
EP2493072A2 (en) 2012-08-29
US8957569B2 (en) 2015-02-17
US20120212107A1 (en) 2012-08-23
EP2493072A3 (en) 2015-04-08
TW201238244A (en) 2012-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102655400A (zh) Gt切割石英晶体谐振器
US7944132B2 (en) Tuning-fork resonator with grooves on principal surfaces
KR101682035B1 (ko) 음차형 압전 진동편, 및 음차형 압전 진동 디바이스
US7561010B2 (en) Piezoelectric thin film resonators
KR101219211B1 (ko) 진동편, 진동자, 발진기, 전자기기, 및 주파수 조정 방법
TW201251157A (en) Piezoelectric vibration element, manufacturing method for piezoelectric vibration element, piezoelectric vibrator, electronic device, and electronic apparatus
KR20110076774A (ko) 진동편, 진동자, 발진기, 전자 기기, 및 주파수 조정 방법
JP6719313B2 (ja) 圧電振動片および圧電振動子
JP4636093B2 (ja) 振動片、振動子、発振器及び振動片の製造方法
US11005420B2 (en) Quartz crystal unit, quartz crystal oscillator and electronic apparatus
JP2007208771A (ja) 圧電振動素子、圧電振動子及び圧電発振器
US10707831B2 (en) Resonator
JP2016063542A (ja) 圧電振動片、その製造方法及び圧電振動子
JP5789485B2 (ja) 水晶振動子
JP2015033087A (ja) 音叉型振動片及び振動デバイス
KR100301716B1 (ko) 압전공진자,압전공진자의주파수조정방법및압전공진자를포함하는통신기장치
JP4992411B2 (ja) 圧電振動片、及び圧電振動デバイス
JPWO2016132766A1 (ja) 水晶振動子及び水晶振動デバイス
JP2010187307A (ja) Ａｔカット水晶振動子およびその製造方法
JP2006311303A (ja) モード結合型圧電振動子
JP5661506B2 (ja) 水晶振動子
WO2014002892A1 (ja) 音叉型水晶振動子
WO2016060204A1 (ja) 水晶振動子
JP2019016977A (ja) 水晶振動子
JP6577791B2 (ja) 水晶素板、水晶振動素子及び水晶デバイス

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120905