DE1516745B2 - Piezoelektrischer Resonator - Google Patents
Piezoelektrischer ResonatorInfo
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Description
■;hem die Arbeitsfrequenz verändert oder nachgestimmt
werden kann, ohne Nebenresonanzen zu verursachen, indem die Massenbelegung des mit Elektroden
versehenen Bereichs geändert wird. Insbesondere kann unter Berücksichtigung der Massenbelegung
der Elektrodendurchmesser d eines HF-Resonators durch die Gleichung
MuiLyu
ausgedrückt werden, die ebenfalls in der DT-OS L 516 744 angegeben ist. M ist dabei eine Konstante,
t„ die Plattendicke, η gibt die Ordnung der Harmonischen
(1, 3, 5 ...) an, fa ist die Resonanzfrequenz des zwischen den Elektroden der Platte liegenden
Bereichs, und tb ist die berechnete Sperr-(Resonanz-)
frequenz des diesen umgebenden und nicht mit Elektroden
versehenen Bereichs. Wenn die Gleichung (1) nicht erfüllt ist, dann treten unerwünschte, nicht harmonische
Oberschwingungen bzw. deren Resonanzen auf.
Mit Hilfe der Gleichung (1) kann der maximale Abstand der Resonanzfrequenz des zwischen den
Elektroden liegenden Bereichs von der Resonanz-Frequenz
des nicht zwischen den Elektroden liegenden Bereichs ausgerechnet werden, der noch ohne das
Auftreten von Nebenresonanzen möglich ist. Insbesondere kann die Gleichung (1) für /„//;, gelöst
werden, um ein minimales Frequenzverhältnis zu erhalten.
Bei der Herstellung eines Resonators an Hand der •)bigen Angaben wird zunächst der Elektrodeniurchmesser
je nach den besonderen erwünschten Eigenschaften wie Kapazitäten, Widerstand usw. gewählt.
Der gewählte Durchmesser und die Arbeits-■ requenz fa werden dann in die Gleichung (1) einge-,etzt,
woraufhin aus dieser Gleichung fb ermittelt ,vird. Die relativen Dicken der Bereiche mit und
■>hne Elektroden werden erst anschließend festgelegt, um die erwünschte Beziehung zwischen ja und
11, zu erhalten.
Die Arbeitsfrequenz kann bekanntlich durch die Vorausberechnung der Dimension nie genau einge-.teilt
werden, was hauptsächlich durch die hohen i lerstellungstoleranzen bedingt ist. Daher muß der
Resonator anschließend nachgestimmt werden. Bei der Herstellung von Mehrfachresonatoren, die z. B.
in der US-PS 3 222 622 beschrieben sind, können außerdem verschiedene Arbeitsfrequenzen für die
einzelnen Resonatoren erwünscht sein, so daß ein getrenntes Nachstimmen der einzelnen Resonatoren
notwendig wird.
Das Nachstimmen erfolgte bisher durch das Messen der Resonanzfrequenz des zwischen den Elektroden
liegenden Bereichs nach der Herstellung des Resonators und durch das anschließende Verändern der
Blektrodendicke durch Entfernung oder Hinzufügung von Elektrodenmaterial bis zur Einstellung der genauen
Arbeitsfrequenz. Die Frequenzverschiebung, die so erreicht werden kann, ohne die Resonatoreigenschaften
in schädlicher Weise zu beeinflussen, ist ziemlich gering. Wenn nämlich mehr als eine bestimmte
Menge an Elektrodenmaterial hinzugefügt wird, dann wird die Massenbelegung des zwischen
den Elektroden liegenden Bereichs derart verändert, daß das Verhältnis fjjb modifiziert wird und Nebenresonanzen
auftreten. Diese Beschränkung führt zu besonderen Schwierigkeiten bei der Herstellung von
Mehrfachresonatoren, bei denen wesentliche Frequenzunterschiede zwischen den einzelnen Resonatoren,
die auf einer gleichförmig dicken Platte angeordnet sind, möglich sein sollten, um das gewünschte
Verhältnis zwischen den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen der den Filter bildenden Resonatoren
zu erhalten.
Aus der DT-PS 872 966 ist zwar ein Verfahren zum Frequenzabgleich metallisierter Schwingkristalle
ίο bekannt, bei dem auf dem Metallbelag des Schwingkristalles
feste und beständige chemische Verbindungen niedergeschlagen werden, die die Masse der Belegung
vergrößern und damit die Frequenz erniedrigen. Das Niederschlagen dieser chemischen Verbindüngen
geschieht durch Einwirkung gas- oder dampfförmiger Substanzen, die mit dem Metallbelag reagieren.
Hierdurch wird nur die Frequenz innerhalb der mit Metall belegten, d. h. mit Elektroden versehenen
Bereiche erniedrigt, während die Eigenfrequenz in
ao den nicht mit Metall belegten Bereichen des Schwingkristalls konstant bleibt. Es gibt jedoch Anwendungsmöglichkeiten
für nachgestimmte Schwingkristalle, bei denen es wünschenswert ist, daß das Verhältnis der Frequenz in dem mit Elektroden belegten
Bereich zu der Frequenz des Schwingkristalls in dem nicht mit Elektroden belegten Bereich auch
bei der Abstimmung des Schwingkristalls konstant bleibt.
Aus der DT-AS 1 027 735 ist es nun bekannt, zum Zwecke der Erhöhung der Frequenzkonstanz von
Schwingkristallen mit elektrisch leitenden Oberflächen auf die Oberflächenelektrode einen Belag aus Siliciummonoxid
oder Siliciumdioxid oder einem Material mit gleichen physikalischen Eigenschaften aufzudampfen,
um Nachkristallisation und einen die Frequenz beeinflussenden Alterungsvorgang zu verhindern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, für einen piezoelektrischen
Resonator der eingangs beschriebenen Art einen Aufbau zu schaffen, der ein einfaches
Nachstimmen des Resonators gestattet, bei dem das Verhältnis der Frequenz eines mit Elektroden versehenen
Bereiches zu der Frequenz des Bereiches ohne Elektroden konstant bleibt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Beschichtung eine Schicht aus einem isolierenden Material
mit hohem Q-Wert ist, die sich auch über den nicht mit Elektroden versehenen Bereich erstreckt
und sowohl die Frequenz /„ als auch die Frequenz fb
modifiziert, wodurch der Resonator ohne Veränderung des Verhältnisses fjfb abstimmbar ist.
Das Konstanthalten des Verhältnisses der Frequenzen des Bereichs mit Elektroden und des Bereichs
ohne Elektroden besitzt eine wesentliche Bedeutung im Hinblick auf Resonatoren, die mehrere
mit Elektroden versehene Bereiche auf einem einzigen piezoelektrischen Resonatormaterial enthalten.
Das isolierende Beschichtungsmaterial mit einem hohen β-Wert, das sich erfindungsgemäß sowohl über
den Bereich mit Elektroden als auch über den ohne Elektroden erstreckt, verändert die Resonanzfrequenzen
dieser Bereiche um Beträge, die das ursprüngliche Verhältnis dieser Frequenzen in guter Näherung
konstant halten. Hierdurch wird es relativ leicht und auf sehr exakte Weise möglich, nicht nur einen Resonanzbereich,
sondern mehrere derartige Resonanzbereiche auf einer einzigen dünnen Platte aus piezo-
5 6
elektrischem Material nachzustimmen. Zur wahl- zugte Material, wenn es sich um die Herstellung von
weisen Nachstimmung dieser einzelnen Resonatorein- Filtern enger Bandbreite handelt. Eine Quarzplatte
heiten auf ihre gewünschte Arbeitsfrequenz wird auf mit AT-Schnitt spricht in der Dickenscherschwindie
Elektroden und das unmittelbar an sie angren- gungsmode auf einen Potentialgradienten zwischen
zende Plattenmaterial jeweils eine Schicht aus Isolier- 5 den beiden Hauptflächen an und ist insbesondere
material selektiv aufgebracht, durch die die jeweiligen wegen seiner Frequenzstabilität bei Temperatur-Verhältnisse
der Resonanzfrequenzen des Bereichs Schwankungen besonders geeignet,
mit Elektroden und des Bereichs ohne Elektroden Für Filter mit größerer Bandbreite werden die konstant bleiben. Platten vorzugsweise aus geeigneten polarisierbaren
mit Elektroden und des Bereichs ohne Elektroden Für Filter mit größerer Bandbreite werden die konstant bleiben. Platten vorzugsweise aus geeigneten polarisierbaren
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Er- io ferroelektrischen Keramiken wie Bariumtitanat, Blei-
findung an Hand der Zeichnungen beschrieben. In zirkonat-Bleititanat oder verschiedenen Modifikatio-
den Zeichnungen zeigt nen davon hergestellt. Für die Zwecke der Erfindung
F i g. 1 einen piezoelektrischen Resonator nach der eignen sich beispielsweise keramische Zusammenset-
Erfindung, zungen, die in der US-PS 3 006 857 beschrieben
Fig. 2 einen Schnitt durch die LinieII-II in Fig. 1 15 sind. Derartige Keramiken können in bekannter
und Weise vorpolarisiert werden. Eine Dickenscherungs-
F i g. 3 eine Draufsicht auf einen Mehrfachresona- schwingung kann beispielsweise dadurch erhalten
tor nach der Erfindung. werden, daß in einer zu den Hauptflächen der Platte
F i g. 1 zeigt einen piezoelektrischen Resonator 10. parallelen Richtung vorpolarisiert wird, wie es in der
Er enthält eine dünne Platte 12 aus piezoelektrischem 20 US-PS 2 646 610 beschrieben ist.
Material, welche mit zwei Elektroden 14 und 16 auf Obgleich die Erfindung, wie schon erwähnt wurde,
entgegengesetzten Seiten versehen ist, die mit dem grundsätzlich alle Platten aus keramischem und
dazwischenliegenden piezoelektrischen Material zu- monokristallinem piezoelektrischem Material betrifft,
sammenwirken. Die Platte 12 ist auf ihren entgegen- in denen die Verschiebungen antisymmetrisch zur
gesetzten Oberflächen außerdem mit elektrisch leiten- 25 Mittelebene verlaufen, wird sie hier nur an Hand
den Zuführungen 18 und 20 versehen, die von den eines Quarzkristalls mit AT-Schnitt erläutert,
entsprechenden Elektroden bis zum Plattenrand ver- Der Resonator 10 enthält einen mit Elektroden
laufen, damit die Einschaltung des Resonators 10 in versehenen Bereich mit der Resonanzfrequenz fa, die
eine elektrische Schaltung erleichtert wird. Die Elek- kleiner als die Resonanzfrequenz fb des diesen um-
troden 14 und 16 und die Zuführungen 18 und 20 30 gebenden und nicht mit Elektroden versehenen Be-
können durch Aufdampfen eines elektrisch leitenden reichs ist. Das Verhältnis fa/fb der beiden Frequenzen
Materials, z.B. Aluminium, Gold oder Silber, auf zueinander liegt vorzugsweise zwischen 0,8 und
die Plattenoberflächen hergestellt werden, wenn man 0,99999.
außerdem bekannte Maskierungsverfahren verwen- Bei der Herstellung des Resonators wird zunächst
det. Die Elektroden und Zuführungen können jedoch 35 der Elektrodendurchmesser je nach den erwünschten
auch in geeignete Ausnehmungen in den Plattenober- Eigenschaften, z. B. den Kapazitäten, des Widerstands
flächen eingesetzt werden. Der Resonator 10 kann usw., ausgewählt. Der ermittelte Durchmesser und ein
außerdem verschiedene Formen aufweisen, damit Wert für /a, der etwa über der erwünschten Arbeitsman
vorgewählte Verhältnisse zwischen den Reso- frequenz liegt, werden in die Gleichung (1) eingesetzt,
nanzfrequenzen des zwischen den Elektroden und des 40 aus der man dann /6 ausrechnen kann. Die Plattennicht
zwischen den Elektroden liegenden Bereichs er- und Elektrodendicken werden anschließend bestimmt,
hält. Zur Vereinfachung der Darstellung enthält der Die Resonanzfrequenz fa des mit Elektroden verdargestellte
Resonator 10 eine kreisförmige Platte sehenen Bereichs kann durch die folgende Gleichung
gleichförmiger Dicke mit kreisförmigen Elektroden bestimmt werden:
und Zuführungen auf ihren Oberflächen. Die Dicke 45
und Zuführungen auf ihren Oberflächen. Die Dicke 45
der Elektroden reicht aus, um die erwünschte Mas- j — iL\\ λ. 2— --1" (2)
senbelegung im mit Elektroden versehenen Bereich " *a [ 6a '«]
zu erhalten, wie es nach der oben dargelegten Theorie erforderlich ist. in der qc die Dichte des Elektrodenmaterials und g„
senbelegung im mit Elektroden versehenen Bereich " *a [ 6a '«]
zu erhalten, wie es nach der oben dargelegten Theorie erforderlich ist. in der qc die Dichte des Elektrodenmaterials und g„
Die Platte 12 besteht vorzugsweise aus einem 50 die Dichte des Quarzes sind, während te die Dicke
monokristallinen oder keramischen Material und der Elektrode und ta die Dicke der Platte in dem mit
weist Schwingungsformen auf, die in zur Mittelebene Elektroden belegten Bereich bedeutet. N ist eine Freder
Platte antisymmetrischen Ebenen zu (Teilchen-) quenzkonstante.
Verschiebungen führen, d. h., es handelt sich um Die Resonanzfrequenz fb des nicht zwischen den
Dickenscherungs-, Dickendrehungs- und Torsions- 55 Elektroden liegenden Bereichs kann durch die Fre-
schwingungen. quenzkonstante N und die Plattendicke tb wie folgt
Bekannte monokristalline piezoelektrische Stoffe ausgedrückt werden:
sind Quarz, Rochelle Salz, DKT (Dikaliumtartrat), χ
Lithiumsulfat od. dgl. Die Grundschwingung einer /& = —· (3)
Kristallplatte ist bekanntlich durch die Orientierung 60 tb
der Platte bezüglich der kristallographischen Achse Durch Kombination der Gleichungen (2) und (3)
des Kristalls, aus dem sie geschnitten wird, bestimmt. kann das Verhältnis Ωο der Resonanzfrequenz formu-
Für eine Dickenscherungsschwingung kann beispiels- liert werden:
weise ein O°-Z-Schnitt bei DKT oder ein AT-Schnitt f„ th r „ , i-i
bei Quarz dienen. 65 ß„ = Jf = — 1 + 2 ^ ii . (4)
Von den zahlreichen monokristallinen piezoelektri- Jb ta [ Qq ta \
sehen Stoffen ist das Quarz wegen seiner Stabilität Man sieht, daß durch die Verwendung der Glei-
und seiner hohen mechanischen Güte Qn, das bevor- chungen (2), (3) und (4) die zwischen den Elektroden
bzw. außerhalb der Elektroden liegende Bereiche getrennt dimensioniert und erwünschte Differenzen der
Resonanzfrequenzen erhalten werden können.
Zur Nachstimmung mittels der erfindungsgemäßen Beschichtung wird nach der Herstellung eines Resonators
in der bisher beschriebenen Weise ein dünner Film oder eine dünne Schicht 22 aus einem dielektrischen
Isolatormaterial mit hohem Q-Wert, z. B. Siliciummonoxid, auf die Elektrode 14 und die obere
Plattenfläche aufgetragen bzw. aufgedampft. Es kann aber auch ein dünner Metallfilm aus z. B. Aluminium
oder Tantal gleichförmig auf die Plattenoberfiäche aufgetragen und dann nach einem Eloxalverfahren
(anodized) behandelt werden, um einen isolierenden, dielektrischen Film zu erhalten. Es ist jedoch einfacher,
direkt einen isolierenden Film wie Siliciummonoxid aufzutragen, da in diesem Falle nur ein einziger
Verfahrensschritt notwendig ist.
Obwohl die isolierende Schicht 22 nach der Fig. 2 die ganze obere Oberfläche der Platte 12 bedeckt,
braucht sie nur die Elektrode und den unmittelbar angrenzenden Teil des nicht mit Elektroden versehenen
Bereichs, in welchem noch eine Schwingung auftritt, d. h. die aktiven Zonen des Resonators, zu
bedecken. In der Praxis ist es jedoch einfacher, den gesamten Teil der einen Oberfläche zu beschichten,
als Maskierungen zu bilden und ausgewählte Teile der Platte mit Schichten zu versehen. Außerdem können
Schichten zur Nachstimmung des Resonators auch an den beiden Seiten der Platte angebracht
werden.
Die F i g. 3 zeigt einen Mehrfachresonator 23 mit
ίο einer Platte 24 gleichförmiger Dicke. Die Platte ist
auf der einen Oberfläche mit mehreren Elektroden 26 versehen, während die nicht gezeigten Gegenelektroden
dazu auf der entgegengesetzten Seite der Platte angebracht sind.
Die Elektrodenpaare arbeiten mit den dazwischenliegenden piezoelektrischen Schichten zusammen und
begrenzen mehrere piezoelektrische Resonatoren A, B und C. Die einzelnen Resonatoren sind, wie in der
genannten US-PS 3 222 622 beschrieben ist, entspre-
ao chend ihrem Aktionsbereich im umgebenden Plattenmaterial beabstandet, so daß ein gleichzeitiger, unabhängiger
Betrieb der einzelnen Resonatoren möglich ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409530/129
Claims (10)
1. Piezoelektrischer Resonator mit einer dünnen Platte aus piezoelektrischem Material, die
einen mit Elektroden versehenen Bereich und einen diesen umgebenden und nicht mit Elektroden
versehenen Bereich aufweist, wobei die Resonanzfrequenz ib des nicht mit Elektroden versehenen
Bereichs größer als die Resonanzfrequenz fa des mit Elektroden versehenen Bereichs
ist, und Beschichtungen auf dem mit Elektroden versehenen Bereich, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung eine Schicht (22) aus einem isolierenden Material mit hohem ß-Wert
ist, die sich auch über die nicht mit Elektroden (14,16) versehenen Bereich erstreckt und sowohl
die Frequenz fa als auch die Frequenz fb modifiziert,
wodurch der Resonator ohne Veränderung des Verhältnisses fjfb abstimmbar ist.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Form der Platte
(12) eine Mittelebene festlegbar ist und daß die Platte (12) in einer Schwingungsform schwingt,
bei der die (Teilchen-)Verschiebungen in bezug auf die Mittelebene antisymmetrisch sind.
3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) Siliciummonoxid
enthält.
4. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) eloxiertes
Aluminium oder Tantal enthält.
5. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Elektroden
versehene Bereich durch mehrere beiderseits der Platte (12) angeordnete Elektroden (14,
16) vorherbestimmter Dicke bestimmt ist und sich die Schicht (22) wenigstens über eine Elektrode
(14) und wenigstens über den sich an diese Elektrode direkt anschließenden Bereich erstreckt.
6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß fa/fb zwischen
0,8 und 0,99999 liegt.
7. Resonator nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Elektroden mit den jeweils zwischen
ihnen liegenden Teilen des piezoelektrischen Materials zusammenarbeiten und mehrere einzelne
piezoelektrische Resonatoreinheiten bilden, die voneinander unabhängig in einer Dickenscherschwingungsmode
schwingen, dadurch gekennzeichnet, daß zur wahlweisen Nachstimmung dieser Resonatoreinheiten (A, B, C) auf ihre Arbeitsfrequenzen
auf die Elektroden (26) und das unmittelbar an sie angrenzende Plattenmaterial Schichten (34) aus Isoliermaterial selektiv aufgebracht
sind.
8. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (26) von gleichförmiger
Dicke sind.
9. Resonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Material der Platte (12) aus piezoelektrischer Keramik oder Quarz besteht.
10. Resonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elektroden (14, 16, 26) aus Aluminium, Gold, Silber oder deren Legierungen bestehen.
Die Erfindung betrifft piezoelektrische Resonatoren, und sie bezieht sich insbesondere auf einen
piezoelektrischen Resonator mit einer dünnen Platte aus piezoelektrischem Material, die einen mit Elektroden
versehenen Bereich und einen diesen umgebenden und nicht mit Elektroden versehenen Bereich
aufweist, wobei die Resonanzfrequenz /ö des nicht mit Elektroden versehenen Bereichs größer als
die Resonanzfrequenz /a des mit Elektroden versehenen Bereichs ist, und Beschichtungen auf dem mit
Elektroden versehenen Bereich.
Die Erfindung läßt sich auf piezoelektrische Resonatoren anwenden, die eine dünne Platte aus einem
monokristallinen oder keramischen Material enthalten, deren Schwingungsformen zu (Teilchen-)Verschiebungen
in Ebenen der Platte führen, die zu der Mittelebene der Platte antisymmetrisch sind. Derartige
Schwingungsformen umfassen die Dickenscherungs-, Dickendrehungs- und Torsionsschwingungen,
die in monokristallinen, piezoelektrischen Stoffen und in piezoelektrischen Keramiken auftreten können.
Derartige allgemein bekannte plattenförmige Resonatoren der Dicke (i) sind auf den beiden gegenüberliegenden
ebenen Oberflächen mit Elektroden vorgewählter Größe belegt, damit sie elektromechanisch
in ihren Grundschwingungen angeregt werden können. Im Resonanzfall erhält man maximale Verschiebungen
und Schwingungsamplituden.
Verbesserungen, die die Ausbildung und die Herstellung von piezoelektrischen Resonatoren betreffen,
haben zu Kriterien geführt, die auf die Herstellung von Filtern aus Resonatoren oder Mehrfachresonatoren
angewendet werden können. In der US-PS 3 222 622 ist z. B. ein Mehrfachresonator beschrieben,
der mehrere Resonatoren auf einer einzigen Platte enthält. Man erhält eine derartige Anordnung,
wenn man die Resonatorelektroden mit Rücksicht auf den »Aktionsbereich« oder die Wellenausbreitung der
einzelnen Resonatoren in dem umgebenden Plattenmaterial beabstandet.
Es ist möglich, bei den Resonatoren die Schwingungsausbreitung über den mit den Elektroden versehenen
Bereich hinaus auf ein Minimum zu reduzieren, damit der »Aktionsbereich« verringert und
das mechanische Q möglichst groß wird. Man erreicht dies dadurch, daß man strukturell eine Beziehung
zwischen der Resonanzfrequenz fa des mit den Elektroden versehenen Bereichs und der Resonanzfrequenz
fb des diesen umgebenden und nicht mit Elektroden versehenen Bereichs der Platte herstellt,
durch die die Frequenz fb als Sperrfrequenz für die Ausbreitung von Schwingungen aus dem mit
den Elektroden versehenen Bereich wirkt. Nach dieser Beziehung liegt fjfb vorzugsweise zwischen 0,8
und 0,999, d. h. unterhalb von 1. Diese Werte sind bereits in der DT-OS 1 441 633 angegeben worden.
Eine Möglichkeit zur Einstellung der Frequenzbeziehung ist nach dieser Offenlegungsschrift die Verwendung
einer bezüglich der Dicke tw der Platte berechneten
Elektrodendicke te, um eine vorgewählte Massenbelegung
des mit den Elektroden versehenen Bereiches zu erhalten. Dadurch wird die Resonanzfrequenz
dieses Bereiches bezüglich des diesen umgebenden, aus dem Plattenmaterial bestehenden Bereiches
erniedrigt.
Wie aus der DT-OS 1516 744 hervorgeht, existiert für eine gegebene Platte der Dicke tw und einen Elektrodendurchmesser
d ein sehr enger Bereich, in wel-
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