DE102006027060A1

DE102006027060A1 - Oszillatorkreis mit akustischen Eintor-Oberflächenwellenresonatoren

Info

Publication number: DE102006027060A1
Application number: DE102006027060A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Martin; Bert Dr. Wall
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV; Tele Filter GmbH
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV; Tele Filter GmbH
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: US7847647B2; WO2007141049A3; US20090160567A1; JP5021729B2; JP2009540640A; DE102006027060B4; WO2007141049A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/Elektronik und betrifft einen Oszillatorkreis, bestehend aus einem Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen und einer aktiven elektronischen Schaltung, wobei die frequenzbestimmenden Elemente als Eintor-Oberflächenwellenresonatoren mit interdigitalen Wandlern ausgeführt sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Oszillatoren der bekannten Art, die akustische Eintor-Oberflächenwellenresonatoren als frequenzbestimmende Elemente enthalten, so zu verändern, dass sowohl der Temperaturkoeffizient erster als auch zweiter Ordnung der Oszillatorfrequenz ohne Verwendung von Induktivitäten kompensiert werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass a) die beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren unter Verwendung von induktiven Bauelementen miteinander verschaltet sind, wobei, aa) falls der Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen eine Parallelschaltung von Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ist, der Oszillator an der hochfrequenten Antiresonanz des Verbundes betrieben wird und wobei, ab) falls der Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen eine Reihenschaltung von Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ist, der Oszillator an der hochfrequenten Resonanz des Verbundes betrieben wird, und dass b) bei den Wandlern das Verhältnis ihrer Aperturen zueinander, das Verhältnis ihrer Zinkenzahlen zueinander und die Dicke der Elektrodenschicht der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren sowie die ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/Elektronik und betrifft einen Oszillatorkreis, bestehend aus einem Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen und einer aktiven elektronischen Schaltung, wobei die frequenzbestimmenden Elemente als Eintor-Oberflächenwellenresonatoren mit interdigitalen Wandlern ausgeführt sind.
Objekte, bei denen die Anwendung der Erfindung möglich und zweckmäßig ist, sind Bauelemente auf der Basis akustischer Oberflächenwellen, wie Oszillatoren und Sensoren, insbesondere solche Sensoren, bei denen der Temperaturgang der Oszillatorfrequenz einstellbar ist.
Es sind Oszillatorkreise bekannt, enthaltend einen Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen in Parallel- oder Reihenschaltung und eine aktive elektronische Schaltung, wobei die frequenzbestimmenden Elemente als Eintor-Oberflächenwellenresonatoren mit interdigitalen Wandlern ausgeführt sind und die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren unterschiedliche Vorzeichen und die Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren gleiche Vorzeichen haben.
Bei einer weiteren speziellen Ausführung enthält der Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren, deren Substrate ein und demselben Kristallschnitt angehören, aber verschiedene Ausbreitungsrichtungen benutzen ( DE 29 38 158 A1 ). Die Wandler der Eintor- Oberflächenwellenresonatoren sind parallel geschaltet. Als Kristallschnitt dient der ST-Schnitt von Quarz. Das Substrat des Hauptresonators hat die X-Achse von Quarz als Ausbreitungsrichtung, während die Ausbreitungsrichtung des Hilfsresonators um 41° dazu geneigt ist. Demzufolge verschwindet beim Hauptresonator der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung. Dagegen ist der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung des Hilfsresonators ungleich null. Trotz der unterschiedlichen Ordnungen der Temperaturkoeffizienten gelingt es, den Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung des Hauptresonators zu kompensieren. Der zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung des Hauptresonators erforderliche Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung des Hilfsresonators wird als Funktion des zu kompensierenden Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung, der Amplitude des Hilfsresonators und der für beide Resonatoren gleichen Ausbreitungsstrecke angegeben. Bei dieser Lösung wird für Eintor-Oberflächenwellenresonatoren kein Hinweis auf einen Oszillatorkreis gegeben. Es jedoch als bekannt vorausgesetzt werden, wie ein Oszillatorkreis, der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren enthält, aufgebaut sein kann.
Als Lösung für fernabfragbare Sensoren ist es bekannt, zur Temperaturkompensation zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren zu kombinieren, deren Substrate verschiedene Ausbreitungsrichtungen ein und desselben Kristallschnitts repräsentieren (A differential measurement SAW device for passive remote sensoring, W. Buff, M. Rusko, T. Vandahl, M. Goroll und F. Möller, Proc. 1996 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 343-346 [3]). Voraussetzung für die Temperaturkompensation ist dabei, dass diese Ausbreitungsrichtungen unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten und nahezu gleiche Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz haben.
Eine bereits vorgeschlagene spezielle Ausführung eines Oszillatorkreises besteht aus einem Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen und einer aktiven elektronischen Schaltung, wobei die frequenzbestimmenden Elemente als Eintor-Oberflächenwellenresonatoren mit interdigitalen Wandlern ausgeführt sind. Die Substrate der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren gehören dabei ein und demselben Kristallschnitt an, haben aber unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen ( DE 10 2005 060 924.4 ). Parallel zum Wandler jedes Eintor-Oberflächenwellenresonators ist jeweils eine Induktivität geschaltet. Zwei Schaltungen dieser Art sind in Reihe geschaltet, wobei sich die in diesen Schaltungen enthaltenen Eintor-Oberflächenwellenresonatoren in ihrer Ausbreitungsrichtung unterscheiden. Die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren unterscheiden sich im Vorzeichen. Durch geeignete Wahl der Induktivitäten und der Aperturen der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren gelingt es, sowohl den Temperaturkoeffizienten der Oszillatorfrequenz erster als auch zweiter Ordnung zu kompensieren.
Die bereits vorgeschlagene Lösung hat den Nachteil, dass die im Oszillatorkreis vorhandenen Induktivitäten zu Schwingungszuständen des Oszillators bei unerwünschten Frequenzen führen können, die nicht durch die Eintor-Oberflächenwellenresonatoren hinsichtlich ihrer Temperaturempfindlichkeit stabilisiert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Oszillatorkreise der bekannten Art, die akustische Eintor-Oberflächenwellenresonatoren als frequenzbestimmende Elemente enthalten, so zu verändern, dass sowohl der Temperaturkoeffizient erster als auch zweiter Ordnung der Oszillatorfrequenz ohne Verwendung von Induktivitäten kompensiert werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass

a) die beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren unter Vermeidung von induktiven Bauelementen miteinander verschaltet sind, wobei,
aa) falls der Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen eine Parallelschaltung von Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ist, der Oszillator an der hochfrequenten Antiresonanz des Verbundes betrieben wird und wobei,
ab) falls der Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen eine Reihenschaltung von Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ist, der Oszillator an der hochfrequenten Resonanz des Verbundes betrieben wird,

b) bei den Wandlern das Verhältnis ihrer Aperturen zueinander, das Verhältnis ihrer Zinkenzahlen zueinander und die Dicke der Elektrodenschicht der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren sowie die Ausbreitungsrichtungen für akustische Oberflächenwellen der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren so gewählt sind, dass die temperaturbedingte Änderung der Phase des Verbundes und die temperaturbedingte Änderung der Gesamtphase der übrigen Elemente des Oszillatorkreises zueinander entgegengesetzte Vorzeichen haben und der Betrag der Summe dieser Phasenänderungen im thermischen Anwendungsbereich des Oszillatorkreises kleiner als der Betrag der Phasenänderung des Verbundes und kleiner als der Betrag der Phasenänderung der übrigen Elemente des Oszillatorkreises ist.

Die Erfindung kann wie folgt zweckmäßig ausgestaltet sein.
Den interdigitalen Wandlern und den Koppelelementen können Streifenreflektoren zugeordnet sein.
Zur Feinabstimmung des Temperaturganges der Oszillatorfrequenz ist es zweckmäßig, zu einer Parallelschaltung aus zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren eine Kapazität parallel zu schalten. Dabei kann in jeden Zweig der Parallelschaltung eine Kapazität in Reihe mit dem jeweiligen Eintor-Oberflächenwellenresonator eingefügt sein.
Die aktive elektronische Schaltung kann eine Schaltung mit einem negativen differentiellen Widerstand oder ein Verstärker sein, wobei der Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen in die Rückkopplung des Verstärkers in Reihe mit oder parallel zu dem Ein- und Ausgang des Verstärkers geschaltet ist, wenn der Verbund aus frequenzbestimmenden Elementen eine Reihen- bzw. Parallelschaltung von Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ist.
Beide Eintor-Oberflächenwellenresonatoren können mit Substraten der gleichen Kristallart aufgebaut sein, wobei die Substrate der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren mit verschiedenen Kristallschnitten der gleichen Kristallart aufgebaut sein können. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Eintor-Oberflächenwellenresonatoren unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen für akustische Oberflächenwellen auf ein und demselben Kristallschnitt haben. Die Substrate der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren können aber auch verschiedenen Kristallarten angehören.
Die Eintor-Oberflächenwellenresonatoren können auf separaten Substraten oder auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein.
Es ist besonders zweckmäßig, wenn der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Eintor-Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Kristallschnitt ein ST-Schnitt von Quarz ist und die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler und zu den Reflektorstreifen für den einen Eintor-Oberflächenwellenresonator um einen Winkel zwischen 0° und 45° und für den anderen Eintor-Oberflächenwellenresonator um einen Winkel größer als 45° zur kristallografischen X-Achse von Quarz geneigt ist.
Die Zinkenperiode und Apertur der Wandler sowie die Dicke der Elektrodenschicht der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren sollten so gewählt sein, dass deren Resonanzen bei einer vorgegebenen Temperatur einen vorgegebenen Frequenzabstand haben.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel stellt einen Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen von Oszillatoren dar.
Auf einem Substrat 11, das ein ST-Schnitt von Quarz ist, sind zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 12; 13 angeordnet, die aus den Reflektoren 121; 122 und dem interdigitalen Wandler 123 bzw. aus den Reflektoren 131; 132 und dem interdigitalen Wandler 133 zusammengesetzt sind. Die Aperturen 124; 134 der Wandler 123; 133 sind voneinander verschieden. Die Richtung senkrecht zu den Zinken des Wandlers 123 und der Streifen der Reflektoren 121; 122 ist um den Winkel α12 gegenüber der kristallografischen X-Achse geneigt, wobei α12 zwischen 40° und 45° liegt. Die Richtung senkrecht zu den Zinken des Wandlers 133 und der Streifen der Reflektoren 131; 132 ist um den Winkel α13 gegenüber der kristallografischen X-Achse geneigt, wobei α13 größer als 45° und kleiner als 50° ist. Die mit den Winkeln α12 und α13 bezeichneten Richtungen haben einen Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz 1. Ordnung, der größer bzw. kleiner als null ist, während die Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz 2. Ordnung beider Richtungen das gleiche Vorzeichen haben. Die Wandler 123; 133 sind über die Verbindungen 125, 135 und 14 miteinander und mit einer Kapazität 15 parallel geschaltet. Der aus den Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 12; 13 und der Kapazität 15 gebildete Resonator ist ein Zweipol, dessen Anschlüsse 16; 17 seine zwei Pole darstellen, durch die er in den Oszillatorkreis eingefügt ist. Der Betrag der Impedanz der Parallelschaltung der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 12; 13 und der Kapazität 15, die zwischen den Anschlüssen 16; 17 messbar ist, als Funktion der Frequenz ist in dem Diagramm dargestellt, das über gestrichelte Linien mit den Anschlüssen 16; 17 verbunden ist. Jeweils eine nieder- und eine hochfrequente Resonanz und Antiresonanz werden gefunden. Als notwendige Voraussetzung für die Kompensation sowohl des Temperaturkoeffizienten erster als auch zweiter Ordnung der Oszillatorfrequenz ohne Induktivitäten wird der betrachtete Oszillator an der hochfrequenten Antiresonanz betrieben. Unter dieser Voraussetzung gelingt es, mit der Einstellung des Verhältnisses der Aperturen 124 und 134 und der Zinkenanzahl der Wandler 123; 133 sowie der Kapazität 15 sowohl den Temperaturkoeffizienten der Oszillatorfrequenz erster als auch zweiter Ordnung zu kompensieren.

Claims

Oszillatorkreis, enthaltend einen Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen (12; 13) in Parallel- oder Reihenschaltung und eine aktive elektronische Schaltung, wobei die frequenzbestimmenden Elemente (12; 13) als Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) mit interdigitalen Wandlern (123; 133) ausgeführt sind und die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) unterschiedliche Vorzeichen und die Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Eintor-Oberflächenwellen-resonatoren (12; 13) gleiche Vorzeichen haben, dadurch gekennzeichnet, dass a) die beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) unter Vermeidung von induktiven Bauelementen miteinander verschaltet sind, wobei, aa) falls der Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen (12; 13) eine Parallelschaltung von Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ist, der Oszillator an der hochfrequenten Antiresonanz des Verbundes betrieben wird und wobei, ab) falls der Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen (12; 13) eine Reihenschaltung von Eintor-Oberflächenwellenresonatoren ist, der Oszillator an der hochfrequenten Resonanz des Verbundes betrieben wird, und dass b) bei den Wandlern (123; 133) das Verhältnis ihrer Aperturen (124; 134) zueinander, das Verhältnis ihrer Zinkenzahlen zueinander und die Dicke der Elektrodenschicht der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) sowie die Ausbreitungsrichtungen für akustische Oberflächenwellen der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) so gewählt sind, dass die temperaturbedingte Änderung der Phase des Verbundes und die temperaturbedingte Änderung der Gesamtphase der übrigen Elemente des Oszillatorkreises zueinander entgegengesetzte Vorzeichen haben und der Betrag der Summe dieser Phasenänderungen im thermischen Anwendungsbereich des Oszillatorkreises kleiner als der Betrag der Phasenänderung des Verbundes und kleiner als der Betrag der Phasenänderung der übrigen Elemente des Oszillatorkreises ist.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den interdigitalen Wandlern (123; 133) Streifenreflektoren (122; 132 bzw. 121; 131) zugeordnet sind.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer Parallelschaltung aus zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) eine Kapazität (15) parallel geschaltet ist.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jeden Zweig der Parallelschaltung eine Kapazität in Reihe mit dem jeweiligen Eintor-Oberflächenwellenresonator (12; 13) eingefügt ist.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive elektronische Schaltung eine Schaltung mit einem negativen differentiellen Widerstand ist.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive elektronische Schaltung ein Verstärker ist, wobei der Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen (12; 13) in die Rückkopplung des Verstärkers in Reihe mit oder parallel zu dem Ein- und Ausgang des Verstärkers geschaltet ist, wenn der Verbund aus frequenzbestimmenden Elementen (12; 13) eine Reihen- bzw. Parallelschaltung von Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) ist.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) mit Substraten der gleichen Kristallart aufgebaut sind.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) verschiedenen Kristallarten angehören.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) mit verschiedenen Kristallschnitten der gleichen Kristallart aufgebaut sind.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen für akustische Oberflächenwellen auf ein und demselben Kristallschnitt haben.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) auf separaten Substraten angeordnet sind.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 bis 7 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstrukturen beider Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) auf einem gemeinsamen Substrat (1) angeordnet sind.
Oszillatorkreis nach Anspruch 1 bis 7, 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallschnitt ein ST-Schnitt von Quarz ist und dass die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler und zu den Reflektorstreifen des einen Eintor-Oberflächenwellenresonators (12) um einen Winkel zwischen 0° und 45° und des anderen Eintor-Oberflächenwellenresonators (13) um einen Winkel größer als 45° zur kristallografischen X-Achse von Quarz geneigt ist.
Oszillator nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkenperiode und Apertur (124; 134) der Wandler (123; 133) sowie die Dicke der Elektrodenschicht der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) so gewählt sind, dass deren Resonanzen bei einer vorgegebenen Temperatur einen vorgegebenen Frequenzabstand haben.
Oszillator nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aperturen (124; 134) und/oder die Zinkenzahlen der Wandler (123; 133) der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren (12; 13) voneinander unterscheiden.