DE1274675B - Piezoelektrische Resonatoranordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

H 03 h

Deutsche Kl.: 21 a4 -10

Nummer: 1274 675

Aktenzeichen: P 12 74 675.7-35 (T 27072)

Anmeldetag: 24. September 1964

Auslegetag: 8. August 1968

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Resonatoranordnung, die aus einem plattenförmigen Schwingkristall besteht, der auf beiden Seiten mit mindestens zwei in Form von elektrisch leitenden Flächenbelägen ausgebildeten, durch Querschnittsveränderungen voneinander getrennten Elektroden versehen ist.

Es ist bekannt, solche piezoelektrischen Resonatoranordnungen, bei denen die Schwingkristalle beispielsweise aus Quarz, Turmalin oder Seignettesalz bestehen können, als frequenzabhängige Scheinwiderstände in Oszillatorschaltungen zur Frequenzstabilisierung oder in Filterschaltungen zu verwenden. Dabei werden, wie in F i g. 1 a dargestellt, Quarzscheiben K runden oder eckigen Querschnitts mit Gold- oder Silberelektroden El versehen, die in Form von beidseitig aufgedampften Flächenbelägen ausgebildet sind. Sind auf beiden Seiten der Quarzscheibe mehrere Elektroden vorgesehen, so ist es bekannt, diese durch Einschnitte in die Schmalseiten der Quarzscheibe voneinander zu trennen und die getrennten Bereiche nur über einen schmalen Steg miteinander zu verkoppeln. Da man die Resonanzfrequenz der Quarzscheiben durch Veränderung der im elektrischen Ersatzschaltbild in F i g. 1 b dargestellten Komponenten einstellt, was zum Zweck des Feinabgleichs durch Variation der Menge des aufgedampften Metallbelags erfolgt, muß man — auch wegen der Erzielung eines günstigen elektromechanischen Kopplungsfaktors — die Aufdampfung an Kristallbereichen vornehmen, deren geometrische Veränderung zu einer deutlichen Veränderung der Resonanzfrequenz der Quarzscheibe führt. Soll die Resonanzfrequenz des Quarzes sehr stabil sein, so muß demnach die Aufbringung des Metallbelags außerordentlich sorgfältig vorgenommen werden. Dies führt bei den bekannten piezoelektrischen Resonatoranordnungen zu großen Schwierigkeiten, so daß diese den Forderungen nach extrem guter Langzeitkonstanz des Quarzes nicht genügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer piezoelektrischen Resonatoranordnung, die aus einem plattenförmigen Schwingkristall besteht, der auf beiden Seiten mit mindestens zwei in Form von elektrisch leitenden Flächenbelägen ausgebildeten, durch Querschnittsveränderungen voneinander getrennten Elektroden versehen ist, eine piezoelektrische Resonatoranordnung zu schaffen, die in ihren elektromechanischen Eigenschaften von Veränderungen der als Elektroden wirkenden Flächenbeläge relativ unabhängig ist und

Piezoelektrische Resonatoranordnung

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
7900 Ulm, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. Manfred Börner, 7900 Ulm;

Dipl.-Ing. Hans Schüssler, 7901 Beimerstetten - -

eine gegenüber den bekannten Anordnungen bessere Langzeitkonstanz aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den mit Elektroden versehenen,

ao zu Dicken- oder Dickenscherschwingungen angeregten Kristallbereichen mindestens ein nicht mit Elektroden versehener Kristallbereich vorgesehen ist, der von den anderen Kristallbereichen durch Zonen mit veränderter Plattenstärke getrennt ist.

Diese gegenüber den Kristallbereichen schmalen Zonen veränderten Querschnitts können sowohl durch Querschnittsverringerungen als auch durch Querschnittsvergrößerungen dargestellt werden. Sie dienen der Entkopplung der einzelnen Kristallbereiche, bewirken aber im Gegensatz zu den bekannten Entkopplungsmaßnahmen bei zu Dickenoder Dickenscherschwingungen angeregten Schwingkristallen ein einheitliches Schwingungsverhalten entlang der gesamten schmalen Trennungszone zwisehen zwei benachbarten Kristallbereichen. Bei einer erfindungsgemäßen Resonatoranordnung sind die eigentlich frequenzbestimmenden Kristallbereiche nicht mit Elektroden versehen, so daß eine Veränderung der als Elektroden wirkenden Flächenbeläge auf Grund der durch die Zonen veränderten Querschnitts bewirkten Entkopplung nicht zu einer Änderung der elektromechanischen Eigenschaften der gesamten piezoelektrischen Resonatoranordnung führt. Eine besonders günstige Ausführangsform einer erfindungsgemäßen Resonatoranordnung ist durch eine rechteckförmige Ausbildung des plattenförmigen Schwingkristalls sowie durch senkrecht zur Plattenlängsachse in Form von Einschnitten verlaufende Querschnittsveränderungen gekennzeichnet. Dabei können die Einschnitte zur Erzielung von unterschiedlichen Verkopplungen zwischen den einzelnen Kristallbereichen unterschiedliche Tiefe aufweisen.

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Claims (1)

1. 3 4

   Weiterhin können auch zusätzliche, parallel zur verwenden und erhält damit ganz allgemein n-krei-Plattenlängsachse verlaufende Einschnitte vorgesehen sige Koppelfilter, wie es in der F i g. 3 schematisch sein. Es ist auch möglich, die einzelnen Kristall- dargestellt ist. In diesem Fall können sowohl die einbereiche mit unterschiedlicher Plattenstärke und/ zelnen Einschnitte als auch die Stärke und die Oberoder mit unterschiedlicher Plattenfläche auszubilden. 5 flächengröße der einzelnen Kristallbereiche unterin diesem Fall kann eine nahezu gleiche Frequenz in schiedlich ausgeführt werden. Die Stärke kann z. B. den unterschiedlich starken Kristallbereichen durch so gewählt werden, daß die verschiedenen Kristall-Anregung in den Oberwellen unterschiedlicher Ord- bereiche in unterschiedlichen Oberwellen erregt wernungszahl erzielt werden, was zu einer günstigen den. Auch können in den einen Kristallbereichen Unterdrückung von störenden Nebenwellen führt. io Dickenschermods, in den anderen Kristallbereichen In den Fig. 2 bis 4 sind einige Ausführungs- Dickenmods verwendet werden. Die Koppelzonen formen der erfindungsgemäßen piezoelektrischen arbeiten dann gleichzeitig als Modwandler. Es kön-Resonatoranordnung sowie Diagramme ihres elek- nen auf " diese Weise auch kompliziertere Filtertrischen Verhaltens dargestellt, an Hand derer Auf- anordnungen hergestellt werden, bau und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen 15 In den Fig. 4a und 4b ist ein siebenkreisiges Resonatoranordnung noch etwas näher erläutert Koppelfilter mit unterschiedlicher Kopplung zwiwerden sollen. sehen den direkt benachbarten und den nicht direkt

   Die Fig. 2a zeigt eine rechteckförmige Quarz- benachbarten Kreisen in der Seitenansicht und in platte, die durch Einschnitte E₁ und E₂ in drei der Aufsicht dargestellt. Die Kristallbereiche K₁ Kristallbereiche K₁, K₂ und K₃ unterteilt ist. Die 20 bis Κ_Ί weisen in diesem Fall gleiche Stärke auf, sind beiden äußeren Kristallbereiche K₁ und K₃ sind auf jedoch durch verschieden tiefe Einschnitte E, E' beiden Seiten mit in Form von elektrisch leitenden bzw. E" voneinander getrennt. Die Einschnitte E' Flächenbelägen ausgebildeten Elektroden versehen. dienen dabei der direkten Verkopplung der Kreise K₁ Die Fig. 2b zeigt das zugehörige Ersatzschaltbild. mit K₁ und K₁ mit K₇. Die Kreise^ und K₇ tragen DereigentlichfrequenzbestimmendeKristallbereich.K^ 25 gleichzeitig Beläge zur elektrischen Anregung. Die ist mit den nur der Anregung dienenden Kristall- Einschnitte E dienen der Verkopplung der benachbereichen K₁ und K₃ infolge der Einschnitte E₁ barten Kreise, während die sehr tief ausgeführten und E₂ nur schwach verkoppelt. Dabei können die Einschnitte E" einerseits einer starken Entkopplung Kristallbereiche K₁ und K₃ sowohl stärker elektrisch zwischen der Koppelleitung E' und den Kreisen K₂ bedämpft werden als auch mechanisch — beispiels- 30 und K₃ bzw. K₅ und ,RT₆, andererseits einer starken weise durch die aufgedampften Elektrodenbeläge — Entkopplung zwischen den Kreisen K₃ und K₅ gegen den Kristallbereich K₂ verstimmt sein. Bei dienen. Durch die direkte Kopplung zwischen den einer solchen erfindungsgemäßen Ausbildung führt Kreisen^ und Z₄ bzw. K_t und K₇ entstehen im eine Alterung der Kristallbereiche K₁ und K₃ nicht Übertragungsverhalten der erfindungsgemäßen Resozu einer Veränderung der Eigenschaften des fre- 35 natoranordnung sogenannte Dämpfungspole, wie sie quenzbestimmenden Kristallbereiches K₂. Der Kri- in der F i g. 4 c dargestellt sind, stallbereich K₂ wird, falls die Einschnitte E₁ und E₂ Die erfindungsgemäße piezoelektrische Resonatorgenügend tief sind und damit die Kapazitäten C₁ anordnung ist nicht auf die in den Figuren dar- und C₂ genügend klein sind, allein das Übertragungs- gestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr verhalten des Vierpolschwingers bestimmen und da- 40 lassen sich die verschiedenartigsten Filterstrukturen mit für die Konstanz einer Oszillatorschaltung ver- ausbilden.

   antwortlich sein, in die dieser Vierpol eingeschal- Di₆ Resonatoranordnungen lassen sich in der übtet ist. liehen Quarztechnik bis zu Frequenzen über 10 MHz

   Fig. 2c gibt das Übertragungsverhalten der er- bauen. Die Querschnittsveränderungen lassen sich findungsgemäßen Resonatoranordnung nach Fig. 2a 45 auf beliebige Weise, beispielsweise durch Auftragen wieder. Durch die beiden Sattelpunkte im Verlauf von zusätzlichen Schichten oder durch Querschnittsder Dämpfung D über der Frequenz F ist der Ein- verringerung mittels Schleifen, erzielen. Werden in fluß von Koppelwellen auf die Filtercharakteristik bevorzugter Weise als Querschnittsveränderungen dieses einkreisigen Filters angedeutet, die durch die Einschnitte vorgesehen, so können diese beispielssehr schwache Verkopplung des Kreises K₂ mit den 50 weise durch Fräsen mittels eines Elektronen- oder Kreisen K₁ bzw. K₃ zustande kommen. Laserstrahls oder durch Sandstrahlbearbeitung mit

   Werden die Einschnitte E₁ und E₂ bei der Reso- möglichen Strahldurchmessern <C 0,5 mm erzeugt natoranordnung nach Fig. 2a nur mit einer ge- werden. Die Einschnitte lassen sich jedoch auch ringen Tiefe ausgebildet, so kann man auf diese durch Ätzen herstellen, indem die einzelnen Kristall-Weise statt des einen Kreises K₂ alle drei Kreise 55 bereiche mit einer Schutzschicht überzogen werden, durch die entsprechend stärkere Ankopplung zur die nicht vom Ätzmittel angegriffen wird. Die die Geltung kommen lassen. In diesem Fall stellt die einzelnen Kristallbereiche trennenden Zonen geAnordnung nach Fig. 2a ein dreikreisiges Filter ringeren Querschnitts werden nicht mit einer Schutzdar, dessen Übertragungsverhalten in der Fig. 2d schicht überzogen, so daß beim Eintauchen in das dargestellt ist. Man verwendet eine solche Resonator- 60 Ätzmittel die gewünschten Einschnitte erzeugt anordnung vorteilhaft als Quarzfilter und nicht als werden.
   Stabilisierungselement in einer Oszillatorschaltung,

   da jetzt der Einfluß der Kreise K₁ und K auf das Patentansprüche:

   Übertragungsverhalten der gesamten Anordnung zu ^

   stark geworden ist. 65

   Statt des einen Kristallbereiches K₂ in Fig. 2a, 1. Piezoelektrische Resonatoranordnung, be-

   der nicht mit fiächenhaften Elektroden versehen ist, stehend aus einem plattenförmigen Schwingkann man auch mehrere solcher Kristallbereiche kristall, der auf beiden Seiten mit mindestens

   zwei in Form von elektrisch leitenden Flächenbelägen ausgebildeten, durch Querschnittsveränderungen voneinander getrennten Elektroden versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den mit Elektroden versehenen, zu Dicken- oder Dickenscherschwingungen angeregten Kristallbereichen mindestens ein nicht mit Elektroden versehener Kristallbereich vorgesehen ist, der von den anderen Kristallbereichen durch Zonen mit veränderter Plattenstärke getrennt ist.

   2. Piezoelektrische Resonatoranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine rechteckförmige Ausbildung des plattenförmigen Schwingkristalls und durch senkrecht zur Plattenlängsachse in Form von Einschnitten verlaufende Querschnittsveränderungen.

   3. Piezoelektrische Resonatoranordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zusätzliche, parallel zur Plattenlängsachse verlaufende Einschnitte.

   4. Piezoelektrische Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Größe der Querschnittsveränderungen.

   5. Piezoelektrische Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Plattenstärke und/ oder Plattenfläche der einzelnen Kristallbereiche.

   6. Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kristallbereiche mit einer nicht ätzbaren Schutzschicht überzogen werden und daß sodann Zonen geringeren Querschnitts zwischen den einzelnen Kristallbereichen durch Ätzen nicht überzogener Oberflächenteile erzeugt werden.

   7. Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverringerungen durch Fräsen mittels eines Elektronen- oder Laserstrahls erzeugt werden.

   8. Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsveränderungen durch Fräsen mittels eines Sandstrahls erzeugt werden.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   »Frequenz«, März 1963, S. 88 bis 94;
   »A. E. Ü.«, März 1963, S. 103 bis 107, und Mai 1963, S. 230 bis 236.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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