DE1202351B - Bauelement mit einem piezoelektrischen Koerper in einem evakuierbaren Gefaess - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H03h

Deutsche Kl.: 21 a4 -10

M39913IXd/21a4 11. Dezember 1958 7. Oktober 1965

Bauelement mit einem piezoelektrischen Körper in einem evakuierbaren Gefäß

Anmelder:

The Marconi Company Limited, London Vertreter:

Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt, Hannover, Göttinger Chaussee 76

Als Erfinder benannt: Donald Fairweather, Carshalton; Norman John Beane, Wallington; John Dowsett, Mitcham, Surrey (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 24. Dezember 1957 (39 998), vom 17. Oktober 1958

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem piezoelektrischen Körper in einem evakuierbaren Gefäß, vorzugsweise zur Verwendung in Schaltungen der elektrischen Nachrichtentechnik.

Piezoelektrische Körper, beispielsweise solche aus Quarzkristall, sollen gewöhnlich Resonanzstellen bei vorbestimmten Frequenzen aufweisen. In der Praxis ist es schwierig, die gewünschten Resonanzfrequenzen mit dem erforderlichen Grad von Genauigkeit zu erreichen. Es mag beispielsweise gefordert sein, daß ίο die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Kristalles um weniger als ± 5 Schwingungen auf eine Million Schwingungen von dem gewünschten Wert abweichen soll oder sogar in noch engeren Grenzen dem vorbestimmten Wert entspricht. Derartig geringe Toleranzen sind mit den bekannten piezoelektrischen Bauelementen nur sehr schwer zu erreichen.

Eine dieser Schwierigkeiten bei der Herstellung
der Bauelemente besteht darin, daß man stets eine
gewisse endliche sogenannte Schleiftoleranz zulassen 20
muß. Wie sorgfältig ein piezoelektrisches Bauelement
auch hergestellt worden sein mag, so ist es in keinem
Falle leicht, eine vorbestimmte Frequenz genau zu 2

erreichen, und selbst wenn dies gelungen wäre, so

machen weitere Schritte der Fertigung das erreichte 25 und dadurch verursachtes Entweichen von Gasen Resultat häufig wieder zunichte. kann auch leicht bei anderen Schritten des Fabrika-

So sind bei der zur Zeit gebräuchlichen Konstruk- tionsprozesses vorkommen. Außerdem können beim tion piezoelektrischer Bauelemente die Elektroden in Einsetzen des piezoelektrischen Körpers in seine Gestalt dünner Metallschichten — gewöhnlich aus Hülle vielfach leichte mechanische Verspannungen Gold oder Silber — auf den Oberflächen der piezo- 30 auftreten, welche wieder Verlagerungen der Resoelektrischen Platte niedergeschlagen, und zwar ent- nanzfrequenz zur Folge haben,
weder durch Metallverdampfung oder durch Be- Alle diese genannten und weitere hier nicht besprühen. Die in solcher Weise aufgebrachte Plattie- zeichnete Wirkungen bilden eine Grenze für die rung hat die Tendenz, Gas und Dampf zu absorbie- Genauigkeit, mit der eine gewünschte Resonanzren, was die Resonanzfrequenz erniedrigt, solange 35 frequenz in der Praxis erreicht werden kann,
das Bauelement sich nicht in einem vakuumdicht Es ist bereits bekannt, zum Abgleich piezoelek-

verschlossenen Gefäß befindet. irischer Resonatoren auf die Sollfrequenz mit den

Auf diese Weise ergibt sich schon durch die Zeit, Elektroden einen erforderlichenfalls einstellbaren die für die verschiedenen Herstellungsschritte erfor- Kondensator parallel oder in Reihe zu schalten, der derlich ist, welche dem abschließenden Einbau in ein 40 auch in eine nicht evakuierbare Fassung eingebaut Vakuumgefäß vorausgehen, eine wesentliche Ab- sein kann. Dadurch wird zwar ein Abgleich des weichung der Resonanzfrequenz von dem gewünsch- fertig geschliffenen Resonators ermöglicht, jedoch ten Wert. Wenn man auch den von den Elektroden- wird die Konstanz der eingestellten Resonanzfrequenz belegungen aufgenommenen Dampf vor dem Schlie- über längere Zeit in Frage gestellt, weil die Kapazität ßen des Gefäßes durch Ausheizen wieder beseitigen 45 eines nicht in ein Vakuumgefäß eingeschlossenen kann, so bildet eine solche Erhitzung doch selbst Abgleichkondensators nicht in dem hohen Maße wieder eine Ursache für Veränderungen der auf dem gegen Änderungen durch Umgebungseinflüsse gepiezoelektrischen Körper niedergeschlagenen Elek- schützt werden kann, wie die frequenzbestimmenden troden, besonders wenn diese aus Silber bestehen, Blindwiderstände des piezoelektrischen Resonators und erzeugt auf diese Weise eine neue Frequenz- so selbst.
Verlagerung. Außerdem ist es bekannt, durch Aufdampfen zu-

Eine solche Frequenzverlagerung durch Aufheizung sätzlichen Metalls auf die Elektrodenbeläge des

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Resonators einen Feinabgleich vorzunehmen. Dieses Verfahren kann nur bei noch nicht fertig gehalterten piezoelektrischen Körpern angewendet werden, so daß beim Einbau in die Fassung wieder Änderungen eintreten können. Außerdem beruht die Wirkung auf einem unerwünschten Eingriff in die Schwingungseigenschaften des piezoelektrischen Körpers. Die aufgedampften zusätzlichen Metallmassen haben unkontrollierbare Änderungen der Schwingungseigenschaften zur Folge, und zwar besonders bei Resonatoren für sehr hohe Frequenzen, die entsprechend dünn sind.

Ein ähnliches bekanntes Verfahren besteht darin, daß zum Abgleich durch Vergrößerung der Masse der Elektrodenbeläge solche Substanzen in gas- oder dampfförmigem Zustand auf diese zum Einwirken gebracht werden, die mit ihnen feste und beständige chemische Verbindungen eingehen. Dieses Verfahren läßt sich zwar auch bei fertig gehalterten Resonatoren anwenden, jedoch nicht bei Resonatoren, die sich bereits in einem evakuierbaren Gefäß befinden, wegen der Schwierigkeit, die chemisch wirksamen Substanzen aus dem Gefäß sofort und restlos wieder zu entfernen, sobald die Sollfrequenz erreicht ist. Es besteht dabei die Gefahr, daß diese Substanzen sich mit dem Metall der Halterungsteile verbinden oder sich diesem anlagern und solche verbliebenen Reste nachträglich eine Verbindung mit dem Elektrodenmaterial eingehen, wodurch Änderungen der Sollfrequenz nach dem Abgleichvorgang eintreten können.

Bekannt ist es auch, die Beläge eines mit dem Resonator verbundenen einstellbaren Kondensators bei einem diesen Resonator enthaltenden evakuierbaren Gefäß auf der inneren und äußeren Oberfläche der aus dielektrischem Material bestehenden Gefäßwand anzubringen. Durch Vergrößern oder Verkleinern der Fläche des Außenbelages kann die Kapazität eingestellt werden. Diese bekannte Anordnung unterliegt hinsichtlich des Außenbelages dem gemeinsamen Nachteil aller Anordnungen, bei denen Teile frequenzbestimmender Elemente nicht innerhalb des evakuierbaren Gefäßes liegen, daß diese Teile gegen störende Umgebungseinflüsse nicht vollständig geschützt sind.

Die genannten Mangel und Schwierigkeiten werden bei Anwendung der Erfindung weitgehend vermieden.

Bei einem Bauelement, bestehend aus einem evakuierbaren Gefäß, in welchem ein piezoelektrischer Körper und ein mit einer Elektrode des piezoelektrischen Körpers verbundener Abgleichkondensator vorgesehen sind, ist erfindungsgemäß der Behälter derartig ausgebildet und der Abgleichkondensator darin derartig angeordnet, daß die Einstellung des Abgleichkondensators auf den erforderlichen Wert durch den noch unverschlossenen Pumpstutzen hindurch aufgenommen werden kann.

Der Abgleichkondensator kann mit gegeneinander beweglichen Belegungen und mit einer Betätigungsachse versehen sein, deren Ende der durch den Pumpstutzen gebildeten Öffnung gegenüberliegt. Der Abgleichkondensator kann aber auch ein Kondensator mit gegeneinander nicht beweglichen Belegungen sein, von denen wenigstens eine durch einen Metallniederschlag auf einem Isolator gebildet wird und durch den Pumpstutzen hindurch in der für den Abgleichkondensator erforderlichen Flächengröße aufgebracht ist.

Bei einem nach der Erfindung ausgebildeten Bauelement kann der Abgleich auf die Sollfrequenz nach dem endgültigen Einsetzen des piezoelektrischen Körpers in die Gebrauchsfassung vorgenommen werden, so daß sämtliche infolge dieses Einsetzvorganges hervorgerufenen Änderungen der Sollfrequenz mit erfaßt und ausgeglichen werden, was bei bekannten Anordnungen, die einen Abgleich vor dem Einsetzen in die Gebrauchsfassung erfordern, nicht erreicht

ίο werden kann.

Außerdem ist bei einem Bauelement nach der Erfindung der zum Abgleich benutzte Kondensator infolge seiner Unterbringung innerhalb des evakuierbaren Gefäßes besser gegen Änderungen seiner Kapazität durch Umgebungseinflüsse geschützt als bei bekannten Anordnungen, in denen der Abgleichkondensator nicht innerhalb eines schützenden evakuierbaren Gefäßes angeordnet ist.
Gegenüber den mit Aufbringung zusätzlicher Elektrodenbeschwerungen für den piezoelektrischen Körper arbeitenden Abgleichverfahren besteht der Vorteil, daß bei dem Bauelement nach der Erfindung keine Verschlechterung der Schwingungseigenschaften in Kauf genommen zu werden braucht.

Außerdem ist der Endabgleich bei einem Bauelement nach der Erfindung auf einfache Weise und mit sicherem Ergebnis zu erreichen.

Wenn der Abgleichkondensator ein solcher mit gegeneinander beweglichen Belegungen ist, so kann er beispielsweise mit ineinandergreifenden Plattensätzen ausgebildet sein. Mittels eines durch den Pumpstutzen eingeführten Werkzeuges, beispielsweise eines Schraubenziehers, kann dann die Einstellachse und damit der eine Plattensatz gegenüber dem anderen bewegt werden.

Der Abgleichkondensator kann mit den Elektrodenanschlüssen des piezoelektrischen Körpers in Parallelschaltung oder in Reihenschaltung verbunden werden. Außerdem kann ein zusätzlicher Kondensator mit nicht veränderbarer Kapazität innerhalb des Gefäßes angeordnet sein und so mit dem Abgleichkondensator verbunden werden, daß die Kapazität beider Kondensatoren die Frequenz des Bauelementes bestimmt.

Das erwähnte evakuierbare Gefäß kann vorzugsweise aus Glas hergestellt werden. Gefäße aus Metall sind aber ebenfalls verwendbar.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bauelementes nach der Erfindung, bei welchem ein Abgleichkondensator veränderbarer Kapazität verwendet wird, dessen Belegungen gegeneinander beweglich sind;

F i g. 2 zeigt die Schaltverbindungen zwischen den einzelnen Teilen der Anordnung nach Fi g. 1;

Fig. 3 ist das Schaltbild für eine Ausführungsform eines Bauelementes nach der Erfindung, welches außer dem Abgleichkondensator noch einen zusätzlichen festen Kondensator enthält;

Fig. 4 zeigt die Herstellung eines Bauelementes nach der Erfindung, in welchem der Abgleichkondensator Belegungen besitzt, die gegeneinander nicht beweglich sind, von denen jedoch eine während des Herstellungsprozesses in einer solchen Flächengröße aufgebaut wird, daß dadurch die erforderliche Kapazität erreicht wird.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Kristallplatte der gebräuchlichen bekannten Form bezeichnet, welche auf ihren Flächen niedergeschlagene Elektroden und

daran anschließend die Verbindungsstreifen 2 und 3 besitzt. Der Verbindungsstreifen 3 ist mit unterbrochenen Linien dargestellt, weil er sich auf der Rückseite der Kristallplatte 1 befindet. Die Kristallplatte wird in bekannter Weise zwischen den Schei- ben 4 und 5 aus Glimmer oder einem anderen geeigneten Material und an ihren Ecken mit Hilfe der geschlitzten federnden Elemente 6 gehalten. Oberhalb der Kristallplatte ist ein Isolierkörper 7 an der Scheibe S befestigt. Der Isolierkörper trägt einen einstellbaren Abgleichkondensator, der durch einen Miniaturkondensator mit Luftdielektrikum und ineinandergreifenden Plattensätzen gebildet wird.

Es können aber auch andere Ausführungsformen von einstellbaren Kondensatoren mit Luftdielektrikum oder mit festem Dielektrikum verwendet werden.

Der dargestellte Kondensator besitzt ungefähr halbkreisförmige Platten 8, welche den Stator bilden, und entsprechende ebenfalls halbkreisförmige Platten 9, welche den Rotor bilden. Die Rotorplatten sind an einer drehbaren Achse 10 befestigt, deren oberes Ende geschlitzt ist, um das Ende eines Schraubenziehers aufnehmen zu können. Durch Drehen der Spindel 10 kann die Kapazität des Kondensators geändert werden.

Die Konstruktion des Kondensators ist vorzugsweise so beschaffen, daß der Rotor und der Stator gegeneinander auch bei Erschütterungen in jeder Lage durch ausreichende Achsenreibung festgehalten werden. Wenn die Befürchtung besteht, daß die Kondensatorkapazität sich bei starken Erschütterungen ändern könnte, so kann jede nachträgliche Achsendrehung durch Aufbringen eines Fleckes eines geeigneten Klebers verhindert werden. Durch einen solchen nach der Einstellung aufgebrachten Kleber kann die Spindel 10 mit ihrem Lager genügend fest verklebt werden. Der Kleber kann unmittelbar vor dem Verschließen des Gefäßes, beispielsweise mittels einer kleinen Pipette, aufgebracht werden, welche durch den Pumpstutzen vor dem Evakuieren und Verschließen des Gefäßes eingeführt wird.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der mit C bezeichnete Abgleichkondensator der Fig. 1 den Elektroden des piezoelektrischen Körpers X parallel geschaltet.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Bauelement ist innerhalb des den Kristall und den Kondensator enthaltenden mechanischen Aufbaues eine dritte Scheibe 11 vorgesehen, welche mit den Scheiben 4 und 5 in der üblichen Weise mittels der einander parallelen Halter 12 verbunden ist. Die Scheiben 4, 5 und 11 sind parallel zueinander angeordnet und haben eine solche Größe, daß sie gerade in die zylindrische Hülle 13 hineinpassen, welche nach dem Einsetzen des Innenaufbaues durch den nicht dargestellten Pumpstutzen evakuiert wird. Ein solcher Aufbau ist üblich.

Die Lage des Kondensators innerhalb des Gefäßes ist so gewählt, daß das geschlitzte Ende der Achse 10 durch den Pumpstutzen bequem erreichbar ist, bevor dieser Stutzen verschlossen wird. Den letzten Schritt des Herstellungsprozesses vor dem Evakuieren bildet das Einstellen des Abgleichkondensators C, so daß das ganze Bauelement (piezoelektrischer Körper und Kondensator) die gewünschte Resonanzfrequenz erhält. Dabei wird eine gewisse, aus der Erfahrung bekannte Änderung berücksichtigt, welche während des Evakuierens infolge der Beseitigung der Luft aus dem Innenraum eintritt. Nach dem Evakuieren wird der Pumpstutzen abgeschmolzen und durch die mit 22 bezeichnete Schmelzspitze verschlossen.

Es hat sich ergeben, daß es mit der in Fi g. 1 dargestellten Konstruktion möglich ist, die sogenannte Abgleichtoleranz auf Werte in der Größe von weniger als + 5 · 10~⁶ zu bringen.

Die Erfindung ist nicht auf Bauelemente beschränkt, bei denen der Abgleichkondensator den Anschlüssen des piezoelektrischen Körpers parallel geschaltet ist. Der Abgleichkondensator kann in an sich bekannter Weise auch mit dem piezoelektrischen Körper in Reihe geschaltet sein. Diese Möglichkeit ist in F i g. 3 schaltungsmäßig dargestellt. In F i g. 3 sind wie auch in F i g. 2 die äußeren Anschlußklemmen des ganzen Bauelementes mit T bezeichnet.

Erforderlichenfalls kann innerhalb des Gefäßes auch ein Kondensator C mit nicht veränderbarer Kapazität zusätzlich zu dem Abgleichkondensator untergebracht und mit diesem verbunden sein, so daß die gesamte Abgleichkapazität durch die Kapazität des einstellbaren Abgleichkondensators und die des zusätzlichen festen Kondensators gebildet wird. F i g. 3 zeigt diesen Fall, wobei der zusätzliche Kondensator mit C bezeichnet ist.

In der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist der Abgleichkondensator ein Kondensator veränderbarer Kapazität mit gegeneinander beweglichen Belegungen. Gute Ergebnisse können jedoch auch mit einem Abgleichkondensator erhalten werden, der nicht bewegliche Belegungen besitzt, und der in einem Schritt des Herstellungsprozesses dadurch abgeglichen wird, daß die Fläche einer seiner Belegungen in der erforderlichen Größe ausgebildet wird. F i g. 4 zeigt eine entsprechende Anordnung.

In der Anordnung nach F i g. 4 wird ein Abgleichkondensator mit nicht gegeneinander verstellbaren Belegungen, beispielsweise ein Glimmerkondensator mit auf dem Isolator niedergeschlagenen Goldelektroden, verwendet, der mit 14 bezeichnet ist. Die dem offenen Ende des Gefäßes zugekehrte Elektrode des Kondensators 14 ist mit 15 bezeichnet.

Das Gefäß 13 hat in dem dargestellten Stadium des Herstellungsprozesses einen Rohransatz 16. Dieser Rohransatz wird in einen entsprechenden Ansatz des Hilfsgefäßes 17 hineingesteckt, welches mit einem Pumpstutzen 18 versehen ist. Zwischen dem Rohransatz 16 und dem Hilfsgefäß 17 wird auf diese Weise eine leicht lösliche vakuumdichte Verbindung hergestellt.

Mit dem Aufsetzen des Hilfsgefäßes 17 wird in den Rohransatz 16 der Golddraht 20 eingeführt, der über zwei eingeschmolzene Zuführungsleitungen 21 unter Strom gesetzt und auf diese Weise so geheizt werden kann, daß Gold in kontrollierbarer Weise verdampft wird.

Die Anfangskapazität des Kondensators 14 wird vor dem Verdampfen von Gold auf einen solchen Wert gebracht, daß die Resonanzfrequenz des bereits fertig montierten piezoelektrischen Körpers und des Abgleichkondensators 14 zusammen etwas oberhalb der gewünschten endgültigen Resonanzfrequenz liegt. Darauf wird von dem Faden 20 Gold zur Verdampfung gebracht und, wie dies durch den eingezeichneten Pfeil angedeutet ist, auf und in der Umgebung der Elektrode 15 niedergeschlagen, bis die Fläche

dieser Elektrode den für die Einstellung der gewünschten Frequenz erforderlichen Wert erreicht hat. Während der Verdampfung des Goldes wird die Resonanzfrequenz dauernd in irgendeiner bekannten Weise gemessen. Die Einrichtung zur Frequenzmessung ist nicht dargestellt. Auf diese Weise wird ein sehr genauer Abgleich unter Vakuumbedingungen ermöglicht. Ein Teil der Elektrode 15 ist mit unterbrochenen Linien dargestellt, um anzudeuten, daß der Aufbau dieses Teiles der Elektrodenfläche durch Verdampfung des Metalls erzeugt wird. Zum Schluß wird das eigentliche Vakuumgefäß 13 verschlossen und die Verbindung 19 zu dem Hilfsgefäß 17 gelöst.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Bauelement, bestehend aus einem evakuierbaren Gefäß, in welchem ein piezoelektrischer Körper und ein mit einer Elektrode des piezoelektrischen Körpers verbundener Abgleichkondensator vorgesehen sind, dadurchgekennzeichnet, daß der Behälter derartig ausgebildet und der Abgleichkondensator darin derartig angeordnet ist, daß die Einstellung des Abgleichkondensators auf den erforderlichen Wert durch

den noch unverschlossenen Pumpstutzen hindurch vorgenommen werden kann.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleichkondensator mit gegeneinander beweglichen Belegungen (8,9) und mit einer Betätigungsachse (10) versehen ist, deren Ende der durch den Pumpstutzen gebildeten öffnung gegenüberliegt.

3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleichkondensator ein Kondensator (14) mit gegeneinander nicht beweglichen Belegungen ist, von denen wenigstens eine (15) durch einen Metallniederschlag auf einem Isolator gebildet wird und durch Aufdampfen durch den Pumpstutzen (16) hindurch auf die erforderliche Flächengröße gebracht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 872 966;
deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1700 512;
britische Patentschrift Nr. 460 087;
USA.-Patentschrift Nr. 2765 765;
schweizerische Patentschrift Nr. 269 634;
»Siemens-Zeitschrift«, April 1956, S. 128.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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