DE1591033B2 - Piezoelektrischer Hochfrequenzresonator - Google Patents

Description

nanzfrequenz des Stahlstabes also praktisch nicht beeinflußt. Ankopplungsprobleme treten dabei nicht auf, weil bei einem Biegeschwinger alle Schwingungsphasen zugänglich sind und selbstverständlich beim vorbekannten Niederfrequenzfilter das treibende Piezoekment in der Mitte zwischen den drehfesten Kopplungsstellen, den Orten der Schwingungsknoten sitzt, also im Bereich des Schwingungsbauches beim allein vorgesehenen Betrieb auf der Grundresonanzfrequenz.

Vorteilhaft liegt die Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Resonators zwischen fünf und zwanzig halben Wellenlängen bei Betriebsfrequenz.

Die Erfindung macht es möglich, bei gegebener Betriebsfrequenz ein besonders dünnes, durch Aufdampfen in rationeller Massenfertigung herstellbares Fiezcelement anzuwenden, weil dieses durch die mitschwingende Grundplatte stabilisiert ist.

Zweckmäßig besteht dieses Piezoelement aus piezoelektrischem keramischem Material, wie Quarz, Rochellsalz, weinsaurem Kali oder Lithiumsulfat.

Vorteilhaft besteht die Grundplatte aus AT-geschnittene m Quarz, dessen hoher Gütewert und geringer Temperaturgang die exakte Einstellung und Aufrechterhaltung des Ankopplungsfaktors erleichtert.

Zur noch genaueren Aufrechterhaltung des durch die ■Erfindung ermöglichten Ankopplungsfaktors im Hochfrequenzresonator kann das Piezoelement aus Kadmiumsulfid von negativem Temperaturgang der Frequenz und seine Grundplatte aus leicht abgestochenem (vom AT-Schnitt geringfügigabweichendem) Schnitt sein, zur Erzielung eines kompensierenden positiven Temperaturgangs der Frequenz.

Eine besonders günstige Massenbelastung wird dabei dadurch erhalten, daß das Piezoelement nur eine Teilfläche α von einer kleineren Grundresonanzfrequenz f_a der Grundplatte bedeckt und eine unbedeckte Grundplattenzone b von größerer Resonanzfrequenz /& ausspart, wobei die Dickenverhältnisse beider Zonen so gewählt sind, daß das Verhältnis der zugehörigen Resonanzfrequenz /_o//& zwischen 0,8 und 0,999 liegt. Dadurch wird auch die Ausgestaltung zu Filterschaltungen erleichtert.

Die Erfindung möge an Hand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schaubildliche Gesamtansicht,

F i g. 2 einen Schnitt in der Ebene 2/2 aus F i g. 1,

F i g. 3, 4 und 5 schematische Darstellungen des Spannungsverlaufes über die Dicke eines bekannten Resonators und des Erfindungsgegenstandes,

F i g. 6 ein Diagramm der Ankopplungs-Querkraft eines aufgedampften Kadmiumsulfid-Filmes als Piezoelement, in Abhängigkeit von seinem Polarisationswinkel,

F i g. 7 eine Schnittdarstellung, ähnlich Fig. 2, zu einem anderen Ausführungsbeispiel,

F i g. 8 in schaubildlicher Darstellung ein T-Filter, . aufgebaut aus erfindungsgemäßen Resonator-Elementen,

F i g. 9 ein Ersatz-Schaltbild zu Fig. 8.

Der Resonator nach F i g. 1 und 2 ist als ganzes mit 10 bezeichnet. Er enthält eine Grundplatte 12, darauf eine runde Elektrode 14 mit einem radialen Anschlußstreifen 16 zum Grundplattenrand, um den Anschluß des Resonators in einer Schaltung zu erleichtern. Ein aktives piezoelektrisches Element 18 in Form einer dünnen Kreisscheibe sitzt über der Grundplatte 12 und bedeckt die Elektrode 14, wie in F i g. 2 dargestellt. Eine zweite Elektrode 20 von geringerem Durchmesser ist auf die obere Fläche des Piezoelements 18 gebracht, koaxial zur Gegenelektrode 14. Die Elektroden 14, 20 und das Piezoelement 18 müssen nicht kreisrund sein.

Die Grundplatte 12 besteht vorzugsweise aus Material von hohem mechanischem Q und soll, wie später im einzelnen beschrieben wird, einen Temperaturgang der Frequenz haben, welcher nach Betrag und Vorzeichen demjenigen des Piezoelements 18 entgegengesetzt ist. Q bedeutet das Verhältnis des bei mechanischer Verformung im Quarz gespeicherten Teiles der Verformungsarbeit zu dem dabei in Reibungsverlust umgesetzten Teil der Verformungsarbeit.

Geeignete Werkstoffe für die Grundplatte 12 sind AT-geschnittener Quarz und metallische Zusammensetzungen wie Invar und Elinvar. Wegen seines hohen <2-Wertes und niedrigen Temperaturkoeffizienten ist AT-geschnittener Quarz das bevorzugte Material, und die weitere Beschreibung geht von diesem aus.

Die Elektroden 14, 20 sind zweckmäßig aufgedampft und bestehen aus Gold, aus Chrom oder Aluminium. Die Elektroden 14, 20 können direkt auf das Piezoelement 18 gebracht werden, wonach letzteres dann mit Epoxyharz auf die Grundplatte geklebt wird.

Das Piezoelement 18 kann eine vorgefertigte Scheibe

sein oder durch Aufdampfen erzeugt werden, wobei das Material bezüglich der Kristallanordnung orientiert wird. Für vorgefertigte piezoelektrische Scheiben eignet sich keramisches oder monokristallines Material wie Quarz, Rochellesalz, DKT (doppeltweinsaures Kali), Lithiumsulfat od. dgl. Zum Aufbau von Filterschaltungen sind monokristalline Werkstoffe günstig wegen deren hohem mechanischem Qualitätsfaktor. Dabei ist besonders günstig der AT-geschnittene Quarz wegen seiner Temperaturbeständigkeit und günstigen mechanischen Eigenschaften.

Bekanntlich ist die Grundresonanzfrequenz einer Kristallplatte bestimmt durch die Orientierung der Kristallachsen zur Plattenebene. Beispielsweise können Dickenschwingungen hervorgerufen werden in einer Platte aus DKT mit O°-Z-Schnitt oder aus Quarz mit AT-Schnitt. Wenn das Piezoelement 18 vorgefertigt ist, wird eine Quarzplatte mit AT-Schnitt bevorzugt, obgleich bestimmte keramische Werkstoffe auch benutzt werden können, für größere Bandbreiten.

Vorzugsweise wird jedoch das aktive (antreibende) Piezoelement 18 durch Aufdampfen auf die obere Fläche der Grundplatte 12 erzeugt.

Die bevorzugte Werkstoffkombination zum Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 ist das piezoelektrische Element 18 aus aufgedampftem Kadmiumsulfid auf einer Grundplatte 12 aus AT-geschnittenem Quarz. Das Aufdampfen des Kadmiumsulfids erfolgt dabei mit einer Orientierung der Kristallachsen im Sinne der Ermöglichung von Dickenschwingungen. Um bestmögliche Temperaturstabilität zu erreichen, wird die AT-geschnittene Grundplatte 12 leicht abgestochen (off-cut), so daß der Quarz einen schwach positiven Temperatur-Frequenzgang erhält, welcher den größeren negativen Temperatur-Frequenzgang des Kadmiumsulfids kompensiert. »Abgestochen« bedeutet eine kleine Abweichung vom AT-Schnitt, so daß ein positiver Temperaturkoeffizient erhalten wird.

Es erfolgt dabei das Aufdampfen des Kadmiumsulfids in einem Winkel zwischen dem Molekülstrom und der Oberflächenebene der Grundplatte, deren Querspjnnungsverhalten beeinflußt. Die Anmelderin

5 6

hat zusätzlich gefunden, daß dieses Querspannungs- hervor, daß das Piezoelement 18 mit einer Dicke

verhalten sein Optimum erreicht, wenn der erwähnte gleich einer geraden Anzahl von halben Wellenlängen

Orientierungswinkel des Kadmiumsulfids zur Senk- wegen Schwingungsauslöschung nicht betrieben werden

rechten auf der Filmoberfläche zwischen 20 und 40° könnte. Ferner ist klar, daß eine ungerade Anzahl von

liegt, Maximum bei etwa 30°. In F i g. 6 ist die 5 halben Wellenlängen keine vollständige Auslöschung

Abhängigkeit des Querspannungsverhaltens im Winkel- ergibt und das Piezoelement so betrieben werden kann,

bereich von 0 bis 180° dargestellt. wenn auch mit geringerem Ankopplungsfaktor, ver-

Nun zur Dickenbemessung von Piezoelement 18 glichen mit seiner Dickenbemessung auf eine einzige

und Grundplatte 12 für einen Hochfrequenz-Resonator: halbe Wellenlänge.

tv i- *a- 1 u * ~„* · ¹A r> + -uf 10 Ein weiterer Erfindungsvorteil ist die Möglichkeit

Die Gesamtdicke betragt ein — der Betriebsfrequenz , ,, 1. * j w t ■ λ τ

^B η ^M der Massenbelastung der aktiv schwingenden Zone

des Resonators 10, wobei η eine beliebige ganze Zahl im Resonator durch das treibende Piezoelement 18.

ist. Dabei ist die Gesamtdicke gleich einer ganzen Eine optimale Massenbelastung wird erreicht, wenn

Anzahl von halben Wellenlängen bei Betriebsfrequenz, das Verhältnis der Resonanzfrequenzen im elektro-

wobei das Piezoelement 18 eine Dicke zwischen etwa 15 belegten und umgebenden Bereich in der Größ;n-

0,3 und 0,6 Wellenlängen hat. Ordnung zwischen 0,8 und 0,999 liegt, also kleiner als 1

F i g. 4 zeigt die Spannungsverteilung über den ist.

Querschnitt eines erfindungsgemäßen Resonators, In F i g. 7 ist eine solche Massenbdastung dargewobei der besseren Übersicht halber die Elektroden stellt. Die Bauelemente, welche der F i g. 2 entweggelassen sind. Der Resonator hat eine Gesamtdicke 20 sprechen, tragen die dortigen Bezugszahlen mit einem von sieben halben Wellenlängen der Betriebsfrequenz angehängten a. Die Raumfonn stimmt im allgemeinen und schwingt also in der siebenten Harmonischen mit derjenigen des Ausführungsbeispiels nach F i g. 2 seiner Grundresonanzfrequenz. Wenn man die Elektro- überein, jedoch hat das schwingungsanregende Piezo- (j dendicke vernachlässigt, welche weniger als 5% der element 18 α nur denselben Durchmesser wie die Dicke des Piezoelements 18 beträgt, so hat letzteres 25 kleinere Elektrode 20 a.

eine Dicke gleich einer halben Wellenlänge. Wie aus Der Resonator nach F i g. 7 bildet eine elektroden-

F i g. 4 ersichtlich, wo der insgesamt hinsichtlich belegte Zone α mit einer Resonanzfrequenz f_a, be-"

seiner Dickenschwingungen interferierende Querschnitt stimmt durch die dortige Gesamtdicke und die Dichte

seiner Dickenschwingungen interferierende Quer- von Elektroden, Piezoelement und Grundplatte. Die

schnittsteil schraffiert hervorgehoben ist, findet bezug- 30 umgebende nicht elektrodenbelegte Zone b hat eine

lieh der Grenzflächen des antreibenden Piezoelements höhere Resonanzfrequenz /& entsprechend ihrer ge-

18 keine Auslöschung der mechanischen Schwingungen ringeren Dicke. Nach der hier angewendeten Lehre aus

statt, obgleich über f des Gesamtquerschnittes im der USA.-Patentanmeldung 2 81 488 wird ein opti-

Resonator Auslöschung vorhanden ist. males Resonanzverhalten erreicht, wenn das Ver-

Erfindungsgemäß wird also durch Konzentrierung 35 hältnis falfb zwischen 0,8 und 0,999 liegt,

der antreibenden Energie auf einen aktiven Teil Die Einstellung dieses Verhältnisses erfolgt zweck-

(Piezoelement) des Gesamtquerschnittes im Resonator mäßig durch Variierung der Dicke des Piezoelements

der Ankopplungsgrad im Oberschwingungsbetrieb 18 a. Beim Betrieb dieses Resonators auf seiner

verbessert. Dies wird noch deutlicher aus einem Grundresonanzfrequenz wird die Dicke des Piezo-

Vergleich mit Fig. 3, wo die Verhältnisse bei einem 40 elements 18α und/oder seiner Elektroden eingestellt

entsprechenden vorbekannten Resonator dargestellt bis zur Erreichung des gewünschten Massenbe-

sind, der im ganzen Dickenbereich durch das Piezo- lastungsgrades. Beim Oberwellenbetrieb wird die Dicke

element ausgefüllt und ebenfalls auf der siebenten des Piezoelements 18a und/oder seiner Elektroden

Harmonischen seiner Grundresonanzfrequenz betrie- eingestellt, wie beschrieben, jedoch nur innerhalb des

ben ist. Dabei erfolgt Auslöschung der resultierenden 45 die Totalauslöschung vermeidenden Dickenbereiches.

Querschwingung über f des Resonators. Dazu So kann der erfindungsgemäße Resonator vorteilhaft

wurde ein Ankopplungsfaktor von etwa 0,013 an auf niedrigen und auch auf hohen Frequenzen be-

einem Quarzschwinger gemessen, während der erfin- trieben werden.

dungsgemäß unterteilte Resonator nach F i g. 4, mit F i g. 8 zeigt einen Vierpol 22, nämlich ein T-Filter,

einem erfindungsgemäß orientierten Kadmiumsulfid- 50 aufgebaut aus drei erfindungsgemäßen Resonatoren.

Film als Piezoelement, einen Ankopplungsfaktor von Danach sind die Einzelresonatoren so weit vonein-

0,07 ergab, gleichfalls beim Betrieb auf der siebenten ander entfernt als zur Erreichung einer hinreichenden

Harmonischen der Grundresonanzfrequenz. Entkopplung erforderlich ist.

Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes ist, Dieses Ausführungsbeispiel kann eine Grundplatte

daß der Resonator auch auf geraden Harmonischen 55 24 aus AT-geschnittenem Quarz enthalten. Die drei

seiner Grundresonanzfrequenz betrieben werden kann. aktiven Piezoelemente 26 bestehen aus Kadmium-

Das ist in F i g. 5 dargestellt, für den Betrieb auf der sulfid und sind auf die Grundplatte 24 gedampft,

sechsten Harmonischen. Die Dicke des Piezoelements ähnlich wie das Piezoelement 10 nach dem Aus-

18 ist dabei zu etwa einem - der Gesamtdicke bzw. führungsbeispiel zu F i g. 1 und 2. Ähnlich wie dort

weniger als einer halben Wellenlänge bemessen. 60 sind auch die Elektroden 28, 30 aufgedampft, wobei

Dadurch findet keine vollständige Schwingungs- wiederum die unteren Elektroden 30 radiale Ver-

auslöschung zwischen den Grenzflächen des Piezo- längerungen 32 für die dargestellten Schaltverbin-

elements 18 statt, und letzteres kann auch bei dieser düngen haben.

Betriebsart die Grundplatte 12 zum Mitschwingen Daraus ergeben sich in F i g. 8 Einzelresonatoren

anregen. Wegen dieser Spannungsverteilung zeigt der 65 A, B, C, zusammengeschaltet zu einem T-Filter, dessen

Resonator nach F i g. 5 sogar einen etwas höheren Ersatzschaltung in F i g. 9 dargestellt ist. Statt dessen

Ankopplungsgrad als derjenige nach F i g. 4. könnte im Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 auch ein

Umgekehrt geht aus dieser Gegenüberstellung zusammenhängender piezoelektrischer Film über die

ganze obere Fläche der Grundplatte aufgebracht sein, worüber obere Elektrodenstreifen liegen, welche die individuellen Resonatoren begrenzen. Dabei wären die unteren und oberen Elektroden zweckmäßig konzentrisch zueinander auszuführen und zu bemessen entsprechend dem vorerwähnten Massenbelastungsverhältnis falfb- Verbindungen können je nach Wunsch ausgeführt werden, wobei aber darauf zu achten wäre, daß die oberen und unteren Schalt-

verbindungen außerhalb des gegenseitigen Kopplungsbereiches liegen. Aus der USA.-Patentschrift 32 22 622 geht hervor, daß beliebige Gruppierungen von Piezoelementen und Elektroden zu unterschiedlichen Filtern der jeweils gewünschten Eigenschaft zusammengeschaltet werden können.

Zur Erleichterung der optimalen Massenbelastung können die Einzelresonatoren A, B, C nach Fig. 7 entsprechend F i g. 8 ausgeführt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (10)

1 2 aktiven piezoelektrischen Element, auf beiden Stirn-Patentansprüche: Seiten mit Elektroden beschichtet, also einem sogenannten Dickenschwinger.

1. Piezoelektrischer Hochfrequenz-Resonator, Dessen Resonanzfrequenz nimmt mit wachsender dadurch gekennzeichnet, daß das 5 Dicke ab. Der Betrieb eines solchen Resonators in schwingungsanregende, mit den Elektroden (14, 20) seiner Grundschwingung würde bei Hochfrequenz sehr belegte Piezoelement (18) auf einer Stirnfläche dünne piezoelektrische Blättchen erfordern.

einer mitschwingenden Grundplatte (12) befestigt Weil diese schwer herstellbar sind, werden bekannte

ist, und daß diese Teile eine Gesamtdicke gleich Hochfrequenz-Resonatoren mit Zwischenfrequenz be-

einer ganzen Anzahl von halben Wellenlängen io trieben, und zwar auf ungeraden Harmonischen der

bei Betriebsfrequenz haben und die Dicke des Resonanzfrequenz. Gerade Harmonische können dabei

Piezoelements (18) zwischen 0,3 und 0,6 Wellen- nicht benutzt werden, weil dann an den Oberflächen

längen liegt. des Resonators Schwingungsknoten zu liegen kämen,

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- so, daß der elektromechanische Ankopplungsfaktor zeichnet, daß seine Gesamtdicke zwischen fünf und 15 Null würde. Beim Betrieb mit einer ungradzahligen zwanzig halben Wellenlängen bei Betriebsfrequenz Harmonischen seiner Grundresonanzfrequenz findet liegt. nur teilweise Interferenz statt, so daß sich für manche

3. Resonator nach einem oder mehreren der Anwendungszwecke des Filters ein hinreichender vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- elektromechanischer Ankopplungsgrad erzielen läßt, net, daß das elektrisch leitende Elektrodenmaterial 20 Beispielsweise hat ein AT-geschnittener plattenförmiger aufgedampft oder elektrolytisch aufgebracht ist. Schwingquarz im Betrieb mit seiner Grundresonanz-

4. Resonator nach einem oder mehreren der frequenz einen Ankopplungsfaktor von etwa 0,09. vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- Im Betrieb mit der dritten, fünften, siebenten und net, daß sein Piezoelement (18) aus piezoelektri- neunten Harmonischen ergeben sich Ankopplungsschem keramischem Material, Quarz, Rochellesalz, 25 faktoren von bzw. 0,03, 0,018, 0,013 und 0,010.
weinsaurem Kali bzw. Lithiumsulfat besteht. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Resonator-

5. Resonator nach einem oder mehreren der anordnung zu schaffen, die sich besonders für den vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- Betrieb im Hochfrequenzbereich eignet, wobei ein net, daß seine Grundplatte (12) aus AT-ge- möglichst großer Ankopplungsfaktor im Oberwellenschnittenem Quarz besteht. 3° betrieb erreicht werden soll, und ein gegebener

6. Resonator nach einem oder mehreren der Piezokristall in seinem Frequenzgang beeinflußbar vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- sein soll.

net, daß sein Piezoelement aus Kadmiumsulfid von Erfindungsgemäß ist das schwingungsanregende,

negativem Temperaturgang der Frequenz und seine mit den Elektroden belegte Piezoelement auf einer Grundplatte aus leicht ausgeschnittenem Quarz zur 35 Stirnfläche einer mitschwingenden Grundplatte be-

Erzielung eines kompensierenden positiven Tem- festigt, und diese Teile haben eine Gesamtdicke gleich

peraturganges der Frequenz besteht. einer ganzen Anzahl von halben Wellenlängen bei

7. Resonator nach einem oder mehreren der Betriebsfrequenz, wobei die Dicke des Piezoelements vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- zwischen 0,3 und 0,6 Wellenlängen liegt.

net, daß das Piezoelement (18a) nur eine Teilfläche 40 Der Kunstgriff besteht also darin, daß der Resonator α von einer kleineren Grundresonanzfrequenz f_a einschließlich seiner Grundplatte zu Dickenschwinder Grundplatte (12a) bedeckt und eine unbedeckte gungen angeregt wird, was auf nahezu beliebig hohen Grundplattenzone b von größerer Resonanzfre- Oberwellen möglich ist, weil die verhältnismäßig dicke quenz /& ausspart, wobei die Dickenverhältnisse Grundplatte mit Leichtigkeit so stark gewählt und beider Zonen so gewählt sind, daß das Verhältnis 45 hergestellt werden kann, daß bei Betriebsfrequenz die der zugehörigen Resonanzfrequenz falfb zwischen Dicke des form- und kraftschlüssig verbundenen 0,8 und 0,999 liegt. Piezoelements zwischen den erwähnten Grenzen von

8. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekenn- 0,3 und 0,6 Wellenlängen liegt. Auch beim Betrieb mit zeichnet, daß das Verhältnis falfb durch ent- hohen Harmonischen der Grundfrequenz erhält man sprechende Dickenbemessung des Piezoelements 5° dadurch einen guten elektromechanischen Ankopp- (18a) eingestellt ist. lungsfaktor, und auf die massive Grundplatte können

9. Resonator nach einem oder mehreren der das Piezoelement und seine Elektrodenbelegungen sehr vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch dünn und trotzdem stabil und genau mit geringem seinen Aufbau aus mehreren Piezoelementen, die Aufwand gedampft werden.

auf einer gemeinsamen Grundplatte (24) entkoppelt 55 In Weiterbildung der Erfindung kann die Grundangeordnet (F i g. 8) und zu einem Filter (F i g. 9) platte einen Temperaturgang der Frequenz haben, zusammen geschaltet sind. welcher nach Betrag und Vorzeichen demjenigen des

10. Resonator nach Anspruch 9, gekennzeichnet Piezoelements entgegengesetzt ist, wodurch der Fredurch einen einstückig zusammenhängenden Film quenzgang des Piezokristall kompensiert ist.

aus piezoelektrischem Material, dessen den Einzel- 6° Aus der USA.-Patentschrift 28 14 785 ist ein resonatoren (A, B, C) entsprechende anregende piezoelektrisches Filter bekannt, welches mit hinterBereiche durch die Form und Gruppierung der einandergeschalteten Stahlstäben als Biegeschwingern zugeordneten oberen Elektroden (28) bestimmt sind. arbeitet, die drehfest in den Schwingungsknoten gekoppelt und ausschließlich für Niederfrequenz bestimmt

65 und geeignet sind. Der eingangsseitige Stahlstab wird

angetrieben von einem Piezoelement, das nicht auf

Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen seiner Stirnseite, sondern auf einer Breitseite sitzt und Hochfrequenz-Resonator, mit einem scheibenförmig wesentlich schmaler als diese Breitseite ist, die Reso-