DE102004022432B4

DE102004022432B4 - Piezoelektrisches Resonatorbauteil

Info

Publication number: DE102004022432B4
Application number: DE102004022432.3A
Authority: DE
Inventors: Masakazu Yoshio; Kenichi Kotani; Mitsuhiro Yamada
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2024-05-07
Also published as: CN1574622A; CN1574622B; JP4424009B2; DE102004022432A1; US6987347B2; US20040251779A1; JP2005020702A

Abstract

Piezoelektrisches Resonatorbauteil (1; 21) dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: – einen energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator (2), der eine dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration nutzt und ein Piezoelektrisches Substrat (3), das eine erste und zweite Hauptfläche hat und in seiner Dickenrichtung zwischen der ersten und zweiten Hauptfläche polarisiert ist und eine erste und zweite Vibrationselektrode (4, 5; 24, 25) enthält, die einander mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat (3) gegenüber liegen; und – ein erstes und zweites Gehäusesubstrat (8, 10), die jeweils auf die erste und die zweite Hauptfläche des piezoelektrischen Resonators (2) so laminiert sind, dass Kammern (H; H2) gebildet sind, die so angeordnet sind, dass das erste und zweite Gehäusesubstrat (8, 10) die Vibration eines Vibrationsabschnitts, wo sich die erste und zweite Vibrationselektrode (4, 5; 24, 25) mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat gegenüber liegen, nicht stört, wobei – die erste und zweite Vibrationselektrode (4, 5; 25, 25) so bemessen sind, dass die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen jeweils des S0- und S1-Modus der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in einen Bereich von ±5 Grad fällt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft energieeinfangende piezoelektrische Resonatorbauteile und besonders ein energieeinfangendes piezoelektrisches Resonatorbauteil, das eine als Streuwelle auftretende Grundwelle einer Dicken-Längsvibration unterdrückt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Häufig werden energieeinfangende piezoelektrische Resonatoren als Oszillatoren eingesetzt. Abhängig von einer Sollfrequenz werden wahlweise verschiedene Vibrationsmoden verwendet.
Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung JP H08-148967 A beschreibt einen energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator 101, der eine Grundwelle der Dicken-Längsvibration nutzt. Wie die perspektivische Darstellung in 9 zeigt, enthält der bekannte energieeinfangende piezoelektrische Resonator 101 ein piezoelektrisches Substrat 102 mit rechteckiger ebener Form. Das piezoelektrische Substrat 102 besteht aus einer piezoelektrischen Keramik, die in ihrer Dickenrichtung polarisiert ist. Eine kreisförmige Vibrationselektrode 103 liegt auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 102, und eine sich von der Vibrationselektrode 103 erstreckende Verlängerungselektrode 104 liegt ebenfalls auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 102. Außerdem ist auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats 102 eine Vibrationselektrode der oberen Vibrationselektrode 103 gegenüber liegend angeordnet. Von der unteren Vibrationselektrode erstreckt sich eine Verlängerungselektrode.
Zwischen der Vibrationselektrode 103 auf der Oberseite und der Vibrationselektrode auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats 102 wird bei dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator 101 ein elektrisches Wechselfeld angelegt, das die Dicken-Längsvibration anregt. Durch eine parasitäre Schwingung zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz der Dicken-Längsvibration werden große Streuvibrationen verursacht. Um die Streuvibration zu kontrollieren, werden Lackfilme 105 und 106, die aus einem ein Keramikpulver enthaltenden organischen Polymer bestehen, wenigstens auf einer der Hauptflächen des energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators 101 aufgebracht. Die Lackfilme 105 und 106 erhöhen das Gewicht des energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators 101 und kontrollieren dadurch die parasitäre Schwingung und die Streuvibration.
Die Lackfilme 105 und 106 dämpfen die parasitäre Schwingung bei der Nutzung der Grundwelle der Dicken-Längsvibration. Dem entsprechend müssen bei diesem Verfahren die Lackfilme 105 und 106 aufgebracht werden, erhöhen dadurch die Anzahl der Herstellungsschritte und führen zu einer Kostensteigerung. Wenn auf der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Resonators 101 Gehäusesubstrate angeordnet werden, verschlechtert sich die Dichtungseigenschaft in dem Bereich des mit den das Keramikpulver enthaltenden Lackfilmen 105 und 106 versehenen piezoelektrischen Substrat. Die Lackfilme 105 und 106 lassen auf Grund ihrer Dicke nur schwer eine Realisierung eines piezoelektrischen Resonatorbauteils mit flacher Gestalt zu. Die Lackfilme 105 und 106 können auf Grund des in den Lackfilmen 105 und 106 enthaltenden Keramikpulvers nicht gleichförmig aufgebracht werden und können dadurch die Streuwelle nicht stabil kontrollieren.
Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung JP 2003-087077 A beschreibt einen energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator, der eine dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration nutzt. Kreisförmige Vibrationselektroden sind auf beiden Hauptflächen des mit rechtwinkliger ebener Form hergestellten piezoelektrischen Substrats so aufgebracht, dass die Vibrationselektroden einander mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat gegenüber liegen. Außerhalb eines Bereichs des piezoelektrischen Substrats, wo sich die Vibrationselektroden gegenüber liegen, ist ein Dämpfungsmaterial angebracht. In dem piezoelektrischen Substrat ist die Dicke ”t” größer gewählt als eine Distanz ”L” zwischen der Außenkante der Vibrationselektrode und dem Dämpfungsmaterial. Durch die Dämpfungswirkung des Dämpfungsmaterials wird im piezoelektrischen Substrat die dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration angeregt und die Grundwelle als eine Streuwelle kontrolliert.
Das Dämpfungsmaterial dient dazu die Grundwelle der Dicken-Längsvibration in dem piezoelektrischen Resonatorbauteil, das mit der dritten Oberwelle der Dicken-Längsvibration arbeitet, zu unterdrücken. Dieses bekannte Verfahren nutzt demnach den Vorteil des Dämpfungseffekts des Dämpfungsmaterials, was die Anzahl der Herstellungsschritte und damit die Kosten erhöht.
Abhängig von Veränderungen der Position des Dämpfungsmaterials verändert sich auch die Dämpfungswirkung, so dass die stabile Kontrolle der Streuwelle schwierig ist.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, erzielen bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung ein piezoelektrisches Resonatorbauteil, das keine zusätzlichen Glieder, z. B. keinen Lackfilm und kein Dämpfungsglied, benötigt, die Herstellungsschritte vereinfacht und die Herstellungskosten reduziert und das eine Struktur hat, die die Wirkung der Grundwelle der Dicken-Längsvibration bei Verwendung der dritten Oberwelle der Dicken-Längsvibration zuverlässig kontrolliert.
Ein einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechendes piezoelektrisches Resonatorbauteil enthält einen energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator, der eine dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration nutzt und der ein piezoelektrisches Substrat mit einer ersten und zweiten Hauptfläche und einer Polarisation in Dickenrichtung zwischen der ersten und zweiten Hauptfläche, eine erste und zweite Vibrationselektrode, die einander mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat gegenüber liegen und ein erstes und zweites Gehäusesubstrat enthält, die jeweils auf die erste und zweite Hauptfläche des piezoelektrischen Resonators so laminiert sind, dass Kammern so gebildet sind, dass sie eine Wechselwirkung mit der Vibration eines Vibrationsabschnitts, wo sich die erste und zweite Vibrationselektrode durch das piezoelektrische Substrat gegenüber liegen, verhindern, wobei die erste und zweite Vibrationselektrode so dimensioniert sind, dass eine Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen der S0- und S1-Moden der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in einen Bereich von etwa ±5 Grad fällt.
Das diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechende piezoelektrische Resonatorbauteil enthält das erste und zweite Gehäusesubstrat, die jeweils auf die erste und zweite Hauptfläche des piezoelektrischen Resonators so laminiert sind, dass die entstandenen Kammern keine Wechselwirkung mit der Vibration eines Vibrationsabschnitts haben, wo sich die erste und zweite Vibrationselektrode durch das piezoelektrische Substrat gegenüber liegen. Das piezoelektrische Substrat ist ein energieeinfangender Typ, der die dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration nutzt. Da die erste und zweite Vibrationselektrode so dimensioniert sind, dass die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen der S0- und S1-Moden der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in einen Bereich von etwa ±5 Grad fällt, wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration unterdrückt. Die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wird unterdrückt, ohne dass zusätzliche Glieder, wie z. B. ein Dämpfungsglied oder ein Lackfilm notwendig sind, und ohne dass die dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration beeinflusst wird. Da kein Dämpfungsglied und kein Lackfilm benötigt werden, lässt sich eine miniaturisierte und flache Gestalt erzielen. Außerdem sind die Kosten des piezoelektrischen Resonatorbauteils verringert.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist die erste und zweite Vibrationselektrode bevorzugt im Wesentlichen kreisförmig und die Kammer hat eine im Wesentlichen quadratische ebene Form, wobei bevorzugt die Beziehung R/t = 0,40 A/t + 1,40 bis 0,33 A/t + 1,95 gilt, worin R (in mm) den Durchmesser der im Wesentlichen kreisförmigen ebenen Form der ersten und zweiten Vibrationselektrode, A (in mm) die Länge jeder Seite der im Wesentlichen quadratischen ebenen Form der Kammer und t (in mm) die Dicke des piezoelektrischen Substrats angeben.
Wenn die erste und zweite Vibrationselektrode jeweils im Wesentlichen kreisförmig sind und die Kammer eine im Wesentlichen quadratische ebene Gestalt hat, und die Beziehung R/t = 0,40 A/t + 1,40 bis 0,33 A/t + 1,95 bevorzugt gilt, fällt die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen der S0- und S1-Moden der Grundwelle der Dicken-Längsvibration zuverlässig in einen Bereich von etwa ±5 Grad. Die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wird auf diese Weise wirksam unterdrückt.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die erste und zweite Vibrationselektrode jeweils eine im Wesentlichen elliptische ebene Form und die Kammer ist im Wesentlichen quadratisch, und bevorzugt sind die Beziehungen R/t = 0,40 A/t + 1,40 bis 0,33 A/t + 1,95 und R_a = 2(S/π)^1/2 erfüllt, wobei R_a die Abmessung der ersten und zweiten Vibrationselektrode, S (in mm²) die Fläche jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode, A (in mm) die Länge jeder Seite der im Wesentlichen quadratischen ebenen Form der Kammer und t (in mm) die Dicke des piezoelektrischen Substrats angeben.
Wenn die erste und zweite Vibrationselektrode jeweils eine im Wesentlichen elliptische ebene Form und die Kammer eine im Wesentlichen quadratische ebene Form haben und die Beziehungen R_a/t = 0,40 A/t + 1,40 bis 0,33 A/t + 1,95 und R_a = 2(S/π)^1/2 erfüllt sind, fällt die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen der S0- und S1-Moden der Grundwelle der Dicken-Längsvibration zuverlässig in einen Bereich von etwa ±5 Grad. Damit wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam unterdrückt.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die erste und zweite Vibrationselektrode jeweils entweder eine im Wesentlichen kreisförmige oder im Wesentlichen elliptische ebene Form und die Kammer hat eine im Wesentlichen rechtwinklige ebene Form und bevorzugt sind die Beziehungen R_a/t = 0,40 A_a/t + 1,40 bis 0,33 A_a/t + 1,95; R_a = 2S^1/2 und A_a = S_r ^1/2 erfüllt, worin R_a die Abmessung der ersten und zweiten Elektrode, S (in mm²) die Fläche jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode, A_a die Abmessung der Kammer, S_r (in mm²) die Fläche der im Wesentlichen rechtwinkligen ebenen Form der Kammer und t (in mm) die Dicke des piezoelektrischen Substrats angeben.
Wenn die erste und zweite Vibrationselektrode jeweils eine im Wesentlichen kreisförmige oder eine im Wesentlichen elliptische ebene Gestalt und die Kammer eine im Wesentlichen rechtwinklige ebene Gestalt haben und die Beziehungen R_a/t = 0,40 A_a/t + 1,40 bis 0,33 A_a/t + 1,95; R_a = 2S^1/2 und A_a = S_r ^1/2 bevorzugt erfüllt sind, wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam unterdrückt.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung haben das erste und zweite Gehäusesubstrat jeweils Aussparungen auf ihren mit dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator verbundenen Oberflächen, und diese Aussparungen bilden jeweils die Kammer.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das erste und zweite Gehäusesubstrat ebene Glieder und durch ein Verbindungsmittel mit dem piezoelektrischen Resonator so verbunden, dass jeweils Kammern zwischen dem ersten und zweiten Gehäusesubstrat und dem piezoelektrischen Resonator gebildet werden. Wenn das erste und zweite Gehäusesubstrat auf ihren jeweiligen mit dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator verbundenen Oberflächen Aussparungen haben und diese die jeweiligen Kammern bilden, wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam durch die Einstellung der Abmessung der Aussparungen unterdrückt. Wenn das erste und zweite Gehäusesubstrat aus den ebenen Gliedern bestehen, sind sie bevorzugt unter Verwendung eines Verbindungsmittels mit dem piezoelektrischen Substrat so verbunden, dass zwischen dem ersten und zweiten Gehäusesubstrat und dem piezoelektrischen Substrat jeweils Kammern gebildet werden. In diesem Fall ist die Größe der Kammer so dimensioniert, wie zuvor beschrieben wurde.
Weitere Merkmale, Elemente, Eigenschaften, Schritte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele noch deutlicher, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1A und 1B sind jeweils ein Längsschnitt und eine perspektivische Ansicht eines einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteils;
2 stellt grafisch die Beziehung zwischen den Spitzenwerten der Phasen der S0- und S1-Moden der Dicken-Längsvibration des energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators und die Abmessung der Resonatorelektroden des mit dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung übereinstimmenden piezoelektrischen Resonatorbauteils dar;
3 stellt grafisch den Phasengang abhängig von der Frequenz eines typischen piezoelektrischen Resonators dar, bei dem der Spitzenwert der Phase des S0-Modus größer als der Spitzenwert der Phase des S1-Modus ist;
4 stellt grafisch den Phasengang abhängig von der Frequenz eines typischen piezoelektrischen Resonators dar, bei dem der Spitzenwert der Phase des S1-Modus größer als der Spitzenwert der Phase des S0-Modus ist;
5 zeigt grafisch einen Bereich der Abmessungen A einer Kammer und des Durchmessers R der Vibrationselektroden eines piezoelektrischen Resonatorbauteils, bei dem die Differenz zwischen dem Spitzenwert der Phase des S0-Modus und dem Spitzenwert der Phase des S1-Modus in einen Bereich von ±5 Grad fällt;
6 ist ein Frontalquerschnitt eines mit einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung übereinstimmenden piezoelektrischen Resonators;
7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils des mit dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung übereinstimmenden piezoelektrischen Resonatorbauteils;
8 stellt grafisch die Beziehung zwischen den Spitzenwerten der Phasen des S0- und S1-Modus der Dicken-Längsvibration des piezoelektrischen Resonators und der Abmessung der Resonatorelektroden bei einem dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteil dar; und
9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines bekannten energieeinfangenden piezoelektrischen Resonators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bezogen auf die Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beschrieben.
1A ist ein Längsschnitt eines mit einem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung übereinstimmenden piezoelektrischen Resonatorbauteils 1, und 1B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils dieses piezoelektrischen Resonatorbauteils.
Das piezoelektrische Resonatorbauteil 1 enthält einen energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator 2. Der piezoelektrische Resonator 2 enthält ein piezoelektrisches Substrat 3 mit im Wesentlichen rechteckiger ebener Form. Das piezoelektrische Substrat 3, das aus piezoelektrischer Keramik, z. B. aus Bleizirkonattitanatkeramik oder Bleititanatkeramik besteht, ist in seiner Dickenrichtung polarisiert.
Eine erste Vibrationselektrode 4 in im Wesentlichen ebener Kreisform ist annähend in der Mitte der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 3 angeordnet. Eine zweite Vibrationselektrode 5 ist auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats derart angeordnet, dass die zweite Vibrationselektrode 5 der ersten Vibrationselektrode 4 mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat 3 gegenüber hegt.
In dem piezoelektrischen Resonator 2 erstreckt sich eine erste Verlängerungselektrode 6 von der ersten Vibrationselektrode 4. Außerdem erstreckt sich eine zweite Verlängerungselektrode 7 von der zweiten Vibrationselektrode 5 auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats 3. Die erste und zweite Verlängerungselektrode 6 und 7 erstrecken sich jeweils zu einander entgegengesetzten Stirnseiten 3a und 3b des piezoelektrischen Substrats 3.
Beim Anlegen eines Wechselstromfeldes zwischen der ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 und 5 wird in dem piezoelektrischen Resonator 2 der Dicken-Längsvibrationsmodus angeregt. Das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung nutzt eine dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration.
Bezugnehmend auf 1A ist mit der Oberseite des ebenen piezoelektrischen Resonators 2 ein Gehäusesubstrat 8 mittels einer Lage eines Verbindungsmittels 9 verbunden. Das erste Gehäusesubstrat 8 besteht bevorzugt aus einer Isolierkeramik, wie z. B. Aluminiumoxid, und hat auf seiner Unterseite eine Aussparung 8a. Die Aussparung 8a bildet eine Kammer H, so dass das erste Gehäusesubstrat 8 die Vibration eines Vibrationsabschnitts, wo die erste und zweite Vibrationselektrode 4 und 5 einander gegenüber liegen nicht stört.
Mit der Unterseite des piezoelektrischen Resonators 2 ist ein zweites Gehäusesubstrat 10 mit einer Verbindungsmittellage 11 verbunden. In der Unterseite des zweiten Gehäusesubstrats 10 ist eine Aussparung 10a gebildet und unterhalb des Vibrationsabschnitts eine Kammer H, so dass das zweite Gehäusesubstrat 10 die Vibration des Vibrationsabschnitts nicht stört.
Das zweite Gehäusesubstrat 10 besteht aus demselben Material wie das erste Gehäusesubstrat 8.
1B zeigt eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Resonatorbauteils 1 mit entferntem ersten und zweiten Gehäusesubstrat 8 und 10 und weggelassener unterer Verbindungsmittellage 11.
Ein Merkmal des mit dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung übereinstimmenden piezoelektrischen Resonatorbauteils 1 ist, dass die erste und zweite Vibrationselektrode 4 und 5 so dimensioniert sind, dass die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen des S0-Modus und des S1-Modus der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in einen Bereich von annähernd ±5 Grad fällt. Wie nachstehend bezogen auf Testresultate beschrieben wird, wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam unterdrückt, ohne dass die dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration beeinflusst wird. Nun werden die Testergebnisse beschrieben.
Die Grundwelle der Dicken-Längsvibration hat zwei Schwingungsmoden, d. h. den S0-Modus und den S1-Modus. Die Spitzenwerte der Phasen des S0- und S1-Modus werden durch die Abmessungen der ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 und 5 und die Abmessungen der durch die Aussparungen 8a und 10a definierten Hohlräume H bestimmt.
2 zeigt, wie der Spitzenwert der Phase des S0-Modus und der Spitzenwert der Phase des S1-Modus abhängig von den Dimensionen der ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 und 5 variieren. Der piezoelektrische Resonator 2 ist so konstruiert, dass er eine Resonanzfrequenz von etwa 20 MHz hat. Die Dimensionen des piezoelektrischen Substrats 3 sind z. B. etwa 3,7 mm lang, etwa 3,1 mm breit und etwa 0,38 mm dick. Der Durchmesser R (in mm) jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 und 5 ist die veränderliche Größe. Gezeigt sind jeweils mit gestrichelten, strichpunktierten und ausgezogenen Linien die Testergebnisse von drei piezoelektrischen Resonatoren 2 mit Kammern H, deren Seiten etwa 4,2 t, etwa 4,47 t und etwa 4,7 t betragen, wobei ”t” die Dicke des piezoelektrischen Substrats 3 in mm angibt. Von links nach rechts fallende Linien geben die Ergebnisse für den S0-Modus und von links nach rechts steigende Linien die Ergebnisse für den S1-Modus an.
Wie 2 zeigt, fällt der Spitzenwert der Phase des S0-Modus linear, während der Spitzenwert der Phase des S1-Modus linear wächst, wenn der Durchmesser R (in mm) der ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 und 5 größer wird. Die Spitzenwerte der Phasen des S0- und S1-Modus zeigen eine gleichartige Tendenz bei sich verändernder Abmessung der Kammern H. Wenn der Spitzenwert der Phase des S0-Modus gleich dem Spitzenwert der Phase des S1-Modus ist, ist die Reaktion der Grundwelle der Dicken-Längsvibration minimal.
3 zeigt einen typischen Phasengang abhängig von der Frequenz des piezoelektrischen Resonators 2, wobei der Spitzenwert der Phase des S0-Modus größer als der Spitzenwert der Phase des S1-Modus ist. 4 zeigt einen typischen Phasengang abhängig von der Frequenz des piezoelektrischen Resonators 2, wenn der Spitzenwert der Phase des S0-Modus kleiner als der Spitzenwert der Phase des S1-Modus ist. Bezogen auf 2 ist die Reaktion der Grundwelle der Dicken-Längsvibration minimal, wenn der Spitzenwert der Phase des S0-Modus gleich dem Spitzenwert der Phase des S1-Modus ist. Allerdings sind die Spitzenwerte der Phasen des S0-Modus und der Phase des S1-Modus mit einem Fehler im Bereich von etwa ±5 Grad behaftet. Übereinstimmend mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration genügend unterdrückt, wenn die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phase jeweils des S0-Modus und des S1-Modus in einem Bereich von etwa ±5 Grad liegen.
Der Grund, weshalb der Spitzenwert der Phase des S0-Modus und der Spitzenwert der Phase des S1-Modus abhängig vom Durchmesser der Vibrationselektroden in entgegengesetzten Richtungen variieren, liegt in einem Unterschied zwischen dem Vibrationsbereich der Phase des S0-Modus und dem Vibrationsbereich der Phase des S1-Modus. In Größen eines Versatzes von einer Position einer Vibrationsspitze ergibt der S1-Modus einen weiteren Vibrationsbereich als der S0-Modus. Dies bedeutet, dass sich der S1-Modus durch die Packungsstruktur leichter reduzieren lässt.
Im Herstellungszustand des piezoelektrischen Resonators 2 ist der S0-Modus bevorzugt kleiner als der S1-Modus. Dann wird der S1-Modus durch eine Packungsstruktur reduziert, um die Spitzenwerte der Phase des S0-Modus und der Phase des S1-Modus anzugleichen. Die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wird auf diese Weise wirksam unterdrückt.
Die Abmessung R der ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 und 5 und die Abmessungen der Kammern H in der Packungsstruktur werden so bestimmt, dass der Spitzenwert der Phase des S0-Modus im Herstellungszustand des piezoelektrischen Resonators kleiner ist, und dann wird der Spitzenwert der Phase des S0-Modus annähernd an den Spitzenwert der Phase des S1-Modus angeglichen, indem durch eine Veränderung der Packungsstruktur der S1-Modus reduziert wird.
Piezoelektrische Resonatorbauteile mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen wurden mit einem Durchmesser R (in mm) der ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 und 5 hergestellt und die Abmessungen A (in mm) jeder Seite der im Wesentlichen quadratischen Kammern H variiert. Die Resonanzfrequenzen der piezoelektrischen Resonatorbauteile waren 16, 18, 20 und 24 MHz. Die Abmessungsbereiche jedes piezoelektrischen Resonatorbauteils wurden so bestimmt, dass die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen jeweils im S0-Modus und im S1-Modus in einem Bereich von annähernd ±5 Grad lagen. 5 zeigt die Testergebnisse. Gemäß 5 stellen vier Kurvenlinien aufgezeichnet von links nach rechts die Testergebnisse der piezoelektrischen Resonatorbauteile jeweils mit den Resonanzfrequenzen von annähernd 16, 18, 20 und 24 MHz dar. Den Kurven zugeordnete numerische Werte geben die Spitzenwerte der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus der Grundwelle der Dicken-Längsvibration und in Klammern gesetzte Zahlen die Spitzenwerte der Phasen der dritten Oberwelle an.
5 zeigt den Bereich der Abmessungen der Kammern H und des Durchmessers R der ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 und 5 in dem dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteil 1, wobei die Grundwelle der Dicken-Längsvibration ausreichend unterdrückt und die dritte Oberwelle ausreichend angeregt wird. Der Bereich, wo die Grundwelle der Dicken-Längsvibration ausreichend unterdrückt wird, liegt dort, wo die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus in einem Bereich von etwa ±5 Grad gehalten ist.
Bezugnehmend auf 5 lässt sich eine ausgezogene Gerade A1 durch y = 0,33x + 1,95 t und eine ausgezogene Gerade A2 durch y = 0,40x + 1,40 t angeben, wobei ”x” die Länge jeder Seite ”A” (in mm) der im Wesentlichen quadratischen Kammern H, ”y” den Durchmesser ”R” (in mm) der ersten und zweiten Vibrationselektrode 4 und 5 und ”t” die Dicke des piezoelektrischen Substrats 3 angeben. In dem durch die Geraden A1 und A2 umschlossenen Bereich bleibt die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus in einem Bereich von etwa ±5 Grad, wodurch die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam unterdrückt und die dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration ausreichend angeregt wird. In dem oberhalb der Geraden A1 liegenden Bereich wird die dritte Oberwelle gedämpft, da der Spitzenwert der Phase der dritten Oberwelle etwa 83 Grad oder weniger beträgt. In dem Bereich unterhalb der Geraden A2 betragen die Spitzenwerte der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus 52 Grad oder mehr, und die Grundwelle der Dicken-Längsvibration ist nicht ausreichend unterdrückt.
Wenn die Beziehung R/t = 0,40 A/t + 1,40 bis 0,33 A/t + 1,95 erfüllt ist, worin R (in mm) den Durchmesser der im Wesentlichen kreisförmigen ebenen Form der ersten und zweiten Vibrationselektrode, A (in mm) die Länge jeder Seite der im Wesentlichen quadratischen ebenen Form der Kammer und t (in mm) die Dicke des piezoelektrischen Substrats angeben, wird die dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration ausgezeichnet angeregt, während die Grundwelle der Dicken-Längsvibration ausreichend unterdrückt ist.
In dem piezoelektrischen Resonator 2 des dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Resonatorbauteils 1, das die dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration nutzt, ist der Spitzenwert der Phase des S0-Modus der Grundwelle der Dicken-Längsvibration bevorzugt kleiner als der Spitzenwert der Phase des S1-Modus. Durch Veränderung der Länge jeder Seite der Kammer ”H” in der Packungsstruktur wird der Spitzenwert der Phase des S1-Modus bevorzugt kleiner. In dem piezoelektrischen Resonatorbauteil 1 ist die Differenz zwischen dem Spitzenwert der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus bevorzugt in einem Bereich von etwa ±5 Grad gehalten. Die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wird wirksam unterdrückt, während die dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration wirksam genutzt wird.
6 zeigt einen Längsschnitt eines mit einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung übereinstimmenden piezoelektrischen Resonatorbauteils 21, und 7 zeigt eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Resonatorbauteils 21. Das piezoelektrische Resonatorbauteil 21 des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels ist mit dem piezoelektrischen Resonatorbauteil 1 des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels identisch mit der Ausnahme, dass die erste und zweite Vibrationselektrode 24 und 25 eine im Wesentlichen elliptische ebene Form und die Kammer H im Wesentlichen ebene Rechteckform hat. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung ist weggelassen.
Das dem in den 6 und 7 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechende piezoelektrische Resonatorbauteil kann die im Wesentlichen elliptische erste und zweite Vibrationselektrode 24 und 25 und die im Wesentlichen rechteckige Kammer H enthalten. In diesem Fall ist 2(S/π)^1/2 für die Abmessung R_a (in mm) jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode 24 und 25 verwendet. Dabei gibt S (in mm²) die Fläche jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode 24 und 25 an. Da die Kammer H eine im Wesentlichen rechteckige ebene Form hat, wird A_a = S_r ^1/2 für die Abmessung A_a (in mm) der Kammer H verwendet. Dabei gibt S_r (in mm²) die Fläche der im Wesentlichen rechteckigen ebenen Kammer H an.
8 zeigt die Beziehung zwischen der Abmessung R_a der ersten und zweiten Vibrationselektrode 24 und 25 und den Spitzenwerten der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus in dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator des piezoelektrischen Resonatorbauteils 21. Wie 8 zeigt, verändern sich die Spitzenwerte der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus abhängig von der Abmessung R_a in entgegengesetzten Richtungen, wobei die erste und zweite Vibrationselektrode 24 und 25 die im Wesentlichen elliptische Ebene Form und die Kammer H2 die im Wesentlichen rechteckige ebene Form haben. Ein Vergleich der 8 mit 2 zeigt, dass durch die Verwendung der im Wesentlichen elliptischen ersten und zweiten Vibrationselektrode 24 und 25 und der im Wesentlichen rechteckigen Kammer H2 im Ergebnis die Phase an dem Schnittpunkt der die Variation im Spitzenwert der Phase des S0-Modus darstellenden Geraden mit der die Variation des Spitzenwerts der Phase des S1-Modus darstellenden Geraden kleiner als die entsprechende Phase in 2 ist. Genauer unterdrückt der Einsatz der im Wesentlichen elliptischen ersten und zweiten Vibrationselektrode 24 und 25 und der im Wesentlichen rechteckigen Kammer H2 die Grundwelle der Dicken-Längsvibration noch wirksamer.
Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung variieren die Spitzenwerte der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus in einander entgegengesetzten Richtungen abhängig von der Abmessung der Vibrationselektroden. Wie in dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist im Herstellungszustand eines piezoelektrischen Resonators 22 der Spitzenwert der Phase des S0-Modus bevorzugt kleiner und der Spitzenwert der Phase des S1-Modus wird mit der Packungsstruktur reduziert. Die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus liegt bevorzugt in einem Bereich von annähernd ±5 Grad. Wie in dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Grundwelle der Dicken-Längsvibration wirksam unterdrückt, ohne dass die dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration wesentlich beeinträchtigt ist.
Wenn die Kammer H2 in dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Wesentlichen quadratische ebene Gestalt hat, kann die Abmessung A der Kammer für jede Seite der im Wesentlichen quadratischen Form gesetzt werden. Wenn die erste und zweite Vibrationselektrode 24 und 25 in dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine im Wesentlichen kreisförmige ebene Gestalt haben, kann die Abmessung R_a als deren Durchmesser R genommen werden.
Mit der in dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung geltenden Beziehung R_a/t = 0,40 A_a/t + 1,40 bis 0,33 A_a/t + 1,95 wird die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen jeweils des S0-Modus und des S1-Modus bevorzugt in einem Bereich von etwa ±5 Grad gehalten.
In dem ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kammer durch eine im Gehäusesubstrat angeordnete Aussparung gebildet. Alternativ kann die Dicke der Verbindungsmittellage 9 und 11 erhöht werden und die Kammer durch eine jeweils in den Verbindungsmittellagen 9 und 11 angeordnete Aussparung gebildet sein. In einem solchen Fall kann für die Gehäusesubstrate ein ebenes Substrat verwendet werden.

Claims

Piezoelektrisches Resonatorbauteil (1; 21) dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: – einen energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator (2), der eine dritte Oberwelle der Dicken-Längsvibration nutzt und ein Piezoelektrisches Substrat (3), das eine erste und zweite Hauptfläche hat und in seiner Dickenrichtung zwischen der ersten und zweiten Hauptfläche polarisiert ist und eine erste und zweite Vibrationselektrode (4, 5; 24, 25) enthält, die einander mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat (3) gegenüber liegen; und – ein erstes und zweites Gehäusesubstrat (8, 10), die jeweils auf die erste und die zweite Hauptfläche des piezoelektrischen Resonators (2) so laminiert sind, dass Kammern (H; H2) gebildet sind, die so angeordnet sind, dass das erste und zweite Gehäusesubstrat (8, 10) die Vibration eines Vibrationsabschnitts, wo sich die erste und zweite Vibrationselektrode (4, 5; 24, 25) mit dem dazwischen liegenden piezoelektrischen Substrat gegenüber liegen, nicht stört, wobei – die erste und zweite Vibrationselektrode (4, 5; 25, 25) so bemessen sind, dass die Differenz zwischen den Spitzenwerten der Phasen jeweils des S0- und S1-Modus der Grundwelle der Dicken-Längsvibration in einen Bereich von ±5 Grad fällt.
Piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Vibrationselektrode (4, 5) kreisförmige ebene Gestalt haben; jede der Kammern (8a, 10a) quadratische ebene Form haben und eine Beziehung R/t = 0,40 A/t + 1,40 bis 0,33 A/t + 1,95 gilt, worin R (in mm) einen Durchmesser der kreisförmigen ebenen Form der ersten und zweiten Vibrationselektrode (4, 5), A (in mm) eine Länge jeder Seite der quadratischen ebenen Form der Kammern (H) und t (in mm) eine Dicke des piezoelektrischen Substrats (3) angeben.
Piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Vibrationselektrode (24, 25) jeweils elliptische ebene Gestalt haben; die Kammern (H2) jeweils eine quadratische ebene Form haben und die Beziehungen R_a/t = 0,40 A/t + 1,40 bis 0,33 A/t + 1,95 und R_a = 2(S/π)^1/2 gelten, worin R_a eine Abmessung jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode, S (in mm²) eine Fläche jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode, A (in mm) eine Länge jeder Seite der quadratischen ebenen Form der Kammern (H2) und t (in mm) die Dicke des piezoelektrischen Substrats (3) angeben.
Piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Vibrationselektrode (4, 5; 24, 25) entweder eine kreisförmige ebene Gestalt oder eine elliptische ebene Gestalt haben; die Kammern (H) jeweils eine rechteckige ebene Gestalt haben und die Beziehungen R_a/t = 0,40 A_a/t + 1,40 bis 0,33 A_a/t + 1,95, R_a = 2S^1/2 und A_a = S_r ^1/2 gelten, worin R_a eine Abmessung jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode, S (in mm²) eine Fläche jeweils der ersten und zweiten Vibrationselektrode, A_a eine Abmessung der Kammern (H), S_r (in mm²) eine Fläche der rechteckigen ebenen Kammer (H) und t (in mm) die Dicke des piezoelektrischen Substrats (3) angeben.
Piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Gehäusesubstrat (8, 10) Aussparungen (8a, 10a) jeweils auf den mit dem energieeinfangenden piezoelektrischen Resonator (2) verbundenen Oberflächen haben und die Aussparungen (8a, 10a) jeweils die Kammern bilden.
Piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Gehäusesubstrat (8, 10) ebene Glieder sind und dass sie durch ein Verbindungsmittel (9) mit dem piezoelektrischen Resonator (2) so verbunden sind, dass jeweils zwischen dem ersten und zweiten Gehäusesubstrat (8, 10) und dem piezoelektrischen Resonator (2) Kammern (H; H2) gebildet sind.
Piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Substrat (3) rechteckig ist.
Piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Vibrationselektrode (4, 5) eine kreisförmige ebene Gestalt haben.
Piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Vibrationselektrode (24, 25) eine elliptische ebene Gestalt haben.
Piezoelektrisches Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (H; H2) rechteckige ebene Gestalt haben.