DE1591033C3 - Piezoelektrischer Hochfrequenzresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen Hochfrequenz-Resonator, mit einem scheibenförmig aktiven piezoelektrischen Element, auf beiden Stirnseiten mit Elektroden beschichtet, also einem sogenannten Dickenschwinger.

Dessen Resonanzfrequenz nimmt mit wachsender Dicke ab. Der Betrieb eines solchen Resonators in seiner Grundschwingung würde bei Hochfrequenz sehr dünne piezoelektrische Blättchen erfordern.

Weil diese schwer herstellbar sind, werden bekannte Hochfrequenz-Resonatoren mit Zwischenfrequenz betrieben, und zwar auf ungeraden Harmonischen der Resonanzfrequenz. Gerade Harmonische können dabei nicht benutzt werden, weil dann an den Oberflächen des Resonators Schwingungsknoten zu liegen kämen, so, daß der elektromechanische AnkoppTungsfaktor Null würde. Beim Betrieb mit einer ungradzahligen Harmonischen seiner Grundresonanzfrequenz findet nur teilweise Interferenz statt, so daß sich für manche Anwendungszwecke des Filters ein hinreichender elektromechanischer Ankopplungsgrad erzielen läßt.

Beispielsweise hat ein AT-geschnittener plattenförmiger Schwingquarz im Betrieb mit seiner Grundresonanzfrequenz einen Ankopplungsfaktor von etwa 0,09. Im Betrieb mit der dritten, fünften, siebenten und neunten Harmonischen ergeben sich Ankopplungsfaktoren von bzw. 0,03, 0,018, 0,013 und 0,010.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Resonatoranordnung zu schaffen, die sich besonders für den Betrieb im Hochfrequenzbereich eignet, wobei ein möglichst großer Ankopplungsfaktor im Oberwellenbetrieb erreicht werden soll, und ein gegebener Piezokristall in seinem Frequenzgang beeinflußbar sein soll.

Erfindungsgemäß ist das schwingungsanregende, mit den Elektroden belegte Piezoelement auf einer Stirnfläche einer mitschwingenden Grundplatte befestigt, und diese Teile haben eine Gesamtdicke gleich einer ganzen Anzahl von halben Wellenlängen bei Betriebsfrequenz, wobei die Dicke des Piezoelements zwischen 0,3 und 0,6 Wellenlängen liegt.

Der Kunstgriff besteht also darin, daß der Resonator einschließlich seiner Grundplatte zu Dickenschwingungen angeregt wird, was auf nahezu beliebig hohen Oberwellen möglich ist, weil die verhältnismäßig dicke Grundplatte mit Leichtigkeit so stark gewählt und hergestellt werden kann, daß bei Betriebsfrequenz die Dicke des form- und kraftschlüssig verbundenen Piezoelements zwischen den erwähnten Grenzen von 0,3 und 0,6 Wellenlängen liegt. Auch beim Betrieb mit hohen Harmonischen der Grundfrequenz erhält man dadurch einen guten elektromechanischen Ankopplungsfaktor, und auf die massive Grundplatte können das Piezoelement und seine Elektrodenbelegungen sehr dünn und trotzdem stabil und genau mit geringem Aufwand gedampft werden.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Grundplatte einen Temperaturgang der Frequenz haben, welcher nach Betrag und Vorzeichen demjenigen des Piezoelements entgegengesetzt ist, wodurch der Frequenzgang des Piezokristall kompensiert ist.

Aus der USA.-Patentschrift 2814 785 ist ein piezoelektrisches Filter bekannt, welches mit hintereinandergeschalteten Stahlstäben als Biegeschwingern arbeitet, die drehfest in den Schwingungsknoten gekoppelt und ausschließlich für Niederfrequenz bestimmt und geeignet sind. Der eingangsseitige Stahlstab wird angetrieben von einem Piezoelement, das nicht auf seiner Stirnseite, sondern auf einer Breitseite sitzt und wesentlich schmaler als diese Breitseite is;, die Reso-

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-geschnittenem 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 Ausfiihrungsbeispiele weiter erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schaubildliche Gesamtansicht,

F i g. 2 einen Schnitt in der Ebene 2/2 aus Fig. 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 Q-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 Querspannungsverhalten beeinflußt. Die Anmalderin

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.

t>·^ _ir , . ,.-„,- I. r, j. · t α ίο Ein weiterer Erfindungsvorteil ist die Möglichkeit

Die Gesamtdicke betragt ein — der Betriebsfrequenz , _Λ, _Ui * j w u ■ at

⁶ 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 Massenbslastung 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 Raumform stimmt im allgemsinsn 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 Piezodendicke 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 ~ 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 18 a 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 - 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. f ührungsbeispiel 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 Verauslöschung zwischen den Grenzflächen des Piezo- längerungen 32 für die dargestellten Schaltverbinelements 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 F i g. 7 entsprechend F i g. 8 ausgeführt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

509 525/13

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Hochfrequenz-Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingungsanregende, mit den Elektroden (14, 20) belegte Piezoelement (18) auf einer Stirnfläche einer mitschwingenden Grundplatte (12) befestigt ist, und daß diese Teile eine Gesamtdicke gleich einer ganzen Anzahl von halben Wellenlängen bei Betriebsfrequenz haben und die Dicke des Piezoelements (18) zwischen 0,3 und 0,6 Wellenlängen liegt.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Gesamtdicke zwischen fünf und zwanzig halben Wellenlängen bei Betriebsfrequenz liegt.

3. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Elektrodenmaterial aufgedampft oder elektrolytisch aufgebracht ist.

4. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Piezoelement (18) aus piezoelektrischem keramischem Material, Quarz, Rochellesalz, weinsaurem Kali bzw. Lithiumsulfat besteht.

5. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Grundplatte (12) aus AT-geschnittenem Quarz besteht.

6. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Piezoelement aus !Cadmiumsulfid von negativem Temperaturgang der Frequenz und seine Grundplatte aus leicht ausgeschnittenem Quarz zur Erzielung eines kompensierenden positiven Temperaturganges der Frequenz besteht.

7. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (18a) nur eine Teilfläche α von einer kleineren Grundresonanzfrequenz f_a der Grundplatte (12a) bedeckt und eine unbedeckte Grundplattenzone b von größerer Resonanzfrequenz fb ausspart, wobei die Dickenverhältnisse beider Zonen so gewählt sind, daß das Verhältnis der zugehörigen Resonanzfrequenz fa/fb zwischen 0,8 und 0,999 liegt.

8. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis falfb durch entsprechende Dickenbemessung des Piezoelements (18 α) eingestellt ist.

9. Resonator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seinen Aufbau aus mehreren Piezoelementen, die auf einer gemeinsamen Grundplatte (24) entkoppelt angeordnet (F i g. 8) und zu einem Filter (F i g. 9) zusammengeschaltet sind.

10. Resonator nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen einstückig zusammenhängenden Film aus piezoelektrischem Material, dessen den Einzelresonatoren (A, B, C) entsprechende anregende Bereiche durch die Form und Gruppierung der zugeordneten oberen Elektroden (28) bestimmt sind.