DE19983298B4 - Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung und Oszillatoranordnung - Google Patents

Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung und Oszillatoranordnung Download PDF

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Abstract

Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung, mit
einer Basis (30);
einem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Substrat (28), das eine Oberfläche mit einer niedrigen Temperaturgradienten-Charakteristik hat;
einem Heizelement (40), das so auf dem Substrat (28) angebracht ist, dass es dieses auf eine gewünschte Temperatur im wesentlichen gleichmäßig über die Oberfläche verlaufend erwärmt, um Strahlungswärme und Leitungswärme von der Substratoberfläche bereitzustellen;
einem Quarzresonator (14), der Kontakte (16, 18) und eine allgemein flache Konstruktion hat, wobei der Quarzresonator allgemein parallel mit der Oberfläche des Substrats (28) angebracht ist und wärmeleitende und elektrisch leitende Elemente (24, 26) von dem Substrat (28) zu dem Quarzresonator (14) verlaufen, und wobei der Quarzresonator (14) in nahem Abstand zu dem Substrat (28) liegt, um davon gleichmäßig auf eine gewünschte Temperatur erwärmt zu werden;
elektrischen Zuleitungen (42), die auf der Basis (30) positionierte elektrische Leiter (46) mit auf dem Substrat befindlichen elektrischen Leitern (44) verbinden;
einer Abdeckung...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Quarzoszillatoren und insbesondere eine Anordnung mit so genannten ofengesteuerten Oszillatoren, wobei ein piezoelektrischer Resonator innerhalb eines Gehäuses auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird.
  • Ofengesteuerte Quarzoszillatoren, die häufig als OCXO bekannt sind, sind in der Industrie wohlbekannt. Im Allgemeinen schwingen Quarzresonatoren bei einer Frequenz, die sich mit der Temperatur ändert. Die Größe dieser Änderung wird häufig durch Anwendung einer Temperaturkompensation gesteuert, die mit wärmeerzeugenden Einrichtungen wie etwa Thermistoren, Widerständen und Infrarotstrahlung erreicht wird. In der US-PS 4 259 606 wird ein Infrarotheizer verwendet, um eine Strahlungserwärmung des in einem Vakuum befindlichen Resonators zu ermöglichen und dadurch die Zeit zu verkürzen, die erforderlich ist, um die Betriebsfrequenz des Resonators zu stabilisieren. Der Resonator wird von Isolierhalterungen abgestützt, die dünne Leiter haben, um elektrischen Kontakt mit den wirksamen Oberflächen der Resonatorplatte herzustellen. Die Gesamtkonstruktion wird dann in einem evakuierten Gehäuse angeordnet, und Infrarotstrahlung wird von außerhalb des evakuierten Gehäuses durch ein Fenster aufgebracht.
  • In DE 196 23 799 A1 wird eine beheizte Kristallvorrichtung für einen Oszillator verwendet, welche einen Kristall mit einem metallischen Gehäuse und ein wärmeleitendes Substrat mit einer ersten Oberfläche umfasst, auf der das Gehäuse des Kristalls in thermischem Kontakt mit dem Substrat montiert ist. Ferner umfasst die Vorrichtung ein Heizelement, das auf einer zweiten Oberfläche des Substrats entgegengesetzt zur ersten Oberfläche angebracht ist.
  • US 3 715 563 beschreibt einen Quarzkristall auf dessen Oberfläche ein dünner metallischer Film aufgebracht ist, welcher durch einen Stromfluss erhitzt wird, womit der Kristall ebenfalls erhitzt wird. Der Kristall ist dabei in üblicher Weise in eine Vakuumkammer eingebaut.
  • Die US-Patentschriften 5 500 628 und 5 438 219 beschreiben ein doppelseitiges Oszillatorgehäuse, in dem ein Piezoelement unterhalb einer Plattform angebracht ist, wogegen andere Schaltungsbauelemente oberhalb der Plattform positioniert und Drähte im Inneren der Plattform eingebettet sind. Ein weiterer OCXO ist in der US-PS 5 180 942 (Marvin et al.) beschrieben. Ein Keramikgehäuse für einen Quarzoszillator ist in der US-PS 4 627 533 beschrieben.
  • Diese bekannten Vorrichtungen können zwar für tragbare Anordnungen nützlich sein, aber ein Problem ergibt sich durch die ineffiziente Erwärmung des Resonators und die daraus folgende Herabsetzung der Lebensdauer einer Batterieladung.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen ofengesteuerten Quarzresonator zur Verwendung in einem Oszillator anzugeben, der in einem Ofen erzeugte Wärme auf effiziente Weise nutzt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines IR-erwärmten OCXO, der so effizient ist, so dass die Leistungsentnahme aus den Versorgungsbatterien verringert wird und deren Nutzladung über längere Zeit verfügbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung, mit einer Basis, einem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Substrat, das eine Oberfläche mit einer niedrigen Temperaturgradienten-Charakteristik hat, einem Heizelement, das so auf dem Substrat angebracht ist, dass es dieses auf eine gewünschte Temperatur im wesentlichen gleichmäßig über die Oberfläche verlaufend erwärmt, um Strahlungswärme und Leitungswärme von der Substratoberfläche bereitzustellen, einem Quarzresonator, der Kontakte und eine allgemein flache Konstruktion hat, wobei der Quarzresonator allgemein parallel mit der Oberfläche des Substrats angebracht ist und wärmeleitende und elektrisch leitende Elemente von dem Substrat zu dem Quarzresonator verlaufen, und wobei der Quarzresonator in nahem Abstand zu dem Substrat liegt, um davon gleichmäßig auf eine gewünschte Temperatur erwärmt zu werden. Des weiteren umfasst die ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung elektrische Zuleitungen, die auf der Basis positionierte elektrische Leiter mit auf dem Substrat befindlichen elektrischen Leitern verbinden, eine Abdeckung, die den Quarzresonator und das Substrat und die elektrischen Zuleitungen umschließt, um gemeinsam mit der Basis eine hermetisch dichte Kammer dafür zu bilden. Die ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat über der Basis mit einer Vielzahl von starren wärmeisolierenden Stiften gehalten ist, die elektrischen Zuleitungen einen solchen Querschnitt haben, dass die Wärmeleitung durch sie hindurch begrenzt ist und der Quarzresonator über dem Substrat angeordnet ist, so dass der Quarzresonator auf effiziente Weise mit geringen Wärmeverlusten gleichmäßig auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden kann.
  • Alternativ wird die Aufgabe gelöst durch einen ofengesteuerten Oszillator mit einer Basis, einem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Substrat, das eine Oberfläche mit einer niedrigen Temperaturgradienten-Charakteristik hat, einem Heizelement, das so auf dem Substrat angebracht ist, dass es dieses auf eine gewünschte Temperatur im wesentlichen gleichmäßig über die Oberfläche verlaufend erwärmt, um Strahlungswärme und Leitungswärme von der Substratoberfläche bereitzustellen, einem auf dem Substrat angebrachten Temperaturfühler, einem Quarzresonator, der Kontakte und eine allgemein flache Konstruktion hat, wobei der Quarzresonator allgemein parallel mit der Oberfläche des Substrats angebracht ist und wärmeleitende und elektrisch leitende Elemente von dem Substrat zu dem Quarzresonator verlaufen, und wobei der Quarzresonator in nahem Abstand zu dem Substrat liegt, um davon gleichmäßig auf eine gewünschte Temperatur erwärmt zu werden. Des Weiteren umfasst der ofengesteuerte Oszillator elektrische Zuleitungen, die auf der Basis positionierte elektrische Leiter mit auf dem Substrat befindlichen elektrischen Leitern verbinden, eine Oszillatorschaltung und eine Temperaturregelungsschaltung, die auf der Basis angebracht und mit den elektrischen Zuleitungen elektrisch verbunden sind, um die gewünschte Temperatur des Substrats aufrechtzuerhalten, eine Abdeckung, die den Quarzresonator und das Substrat, die elektrischen Zuleitungen und die Oszillatorschaltung umschließt und gemeinsam mit der Basis eine hermetisch dichte Kammer dafür bildet. Der ofengesteuerte Oszillator ist dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit einer Vielzahl von starren wärmeisolierenden Stiften über der Basis gehaltert ist, die elektrischen Leiter mit dem Heizelement und dem Temperaturfühler verbunden sind und die elektrischen Zuleitungen einen solchen Querschnitt haben, dass die Wärmeleitung durch sie begrenzt ist, und der Quarzoszillator mit einer präzise gesteuerten Frequenz über einen langen Zeitraum von einer batteriegespeisten Quelle betrieben werden kann, indem der Resonator auf effiziente Weise mit geringen Wärmeverlusten gleichmäßig auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird.
  • Diese und weitere Vorteile und Ziele der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie in den Zeichnungen dargestellt sind.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines ofengesteuerten Quarzresonators gemäß der Erfindung;
  • 2 ist eine Draufsicht auf eine Schnittansicht des ofengesteuerten Quarzresonators von 1 entlang der Linie 2-2 in 1;
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren ofengesteuerten Quarzresonators gemäß der Erfindung;
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines quarzgesteuerten Oszillators unter Verwendung eines ofengesteuerten Quarzresonators gemäß der Erfindung;
  • 5 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Form eines quarzgesteuerten Oszillators gemäß der Erfindung.
  • Die 1 und 2 zeigen einen ofengesteuerten Quarzresonator 10, der mit einem Standard Quarzresonator 12 wie etwa einem piezoelektrischen Quarz 14 gebildet ist. Der Quarz 14 besteht aus einem im Stand der Technik wohlbekannten Material und hat eine flache Konstruktion mit Elektroden 16 und 18 auf gegenüberliegenden Oberflächen 20, 22 des Quarzes 14. Die Elektroden 16, 18 sind mit elektrisch leitenden und hochwärmeleitenden starren Clips 24, 26 verbunden, die ihrerseits an einem Substrat 28 angebracht sind. Das Substrat 28 wiederum ist mit nichtwärmeleitenden Isolatoren 32.1–3 auf einer Basis 30 angebracht.
  • Das Substrat 28 besteht aus einem hochwärmeleitenden, jedoch elektrisch isolierenden Keramikmaterial wie etwa Berylliumoxid oder Aluminiumnitrid oder einem ähnlichen geeigneten Material. Das Keramiksubstrat 28 ist durch einen sehr niedrigen Temperaturgradienten über die Ebene, d. h. die Oberfläche 34, des Substrats 28 charakterisiert.
  • Ein oder mehr Heizelemente 40 sind auf dem wärmeleitenden Substrat 28 angebracht und über Zuleitungen 42.1 und 42.2 elektrisch mit einer Energieversorgung verbunden. Diese Zuleitungen 42 haben den kleinstmöglichen Querschnitt, so dass wenig Wärme von dem Substrat 28 weg durch die Zuleitungen 42 geleitet wird. Ebenso verbinden Zuleitungen 44.1 und 44.2 die Clips 24, 26 jeweils mit geeigneten Leiterstegen 46.1 und 46.2 auf der Basis 30. Eine Abdeckung 48 umschließt die Quarzresonatoranordnung 12, um gemeinsam mit der Basis 30 eine hermetisch dichte Kammer zu bilden, die mit einem Gas gefüllt oder evakuiert werden kann; dabei handelt es sich um allgemein bekannte Techniken, die bei der Fertigung von Quarzoszillatoren angewandt werden. Ein Temperaturfühler 49 ist auf dem erwärmten Substrat 28 als Teil einer herkömmlichen Steuerschaltung angeordnet und mit dieser und den Heizelementen 40 verbunden, um die Temperatur des Substrats 28 zu regeln.
  • Die Basis 30 kann aus einem Keramik-, Metall- oder anderen geeigneten Material hergestellt sein. Die schwachwärmeleitenden Wärmeisolierstifte 32 können aus Glas hergestellt und mit der Basis 30 verschmolzen oder verleimt sein. Die Abdeckung 48 kann aus Metall sein und ist mit der Basis 30 dicht verbunden. Die Clips können mit einem geeigneten wärmeleitenden Epoxidmaterial an dem Keramiksubstrat 28 befestigt sein.
  • Mit einem Quarzresonator gemäß der Erfindung wird eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads erreicht, weil ca. 5 % bis 10 % der für herkömmliche Vorrichtungen erforderlichen Wärme genutzt werden kann, um den Quarzresonator mit der gewünschten Temperatur zu betreiben.
  • 3 zeigt einen ähnlichen Quarzresonator 12 wie in 1, jedoch sind dabei die Stege 46 durch Leiter 50 ersetzt, die sich durch die Basis 30 erstrecken. Eine solche Konstruktion kann beispielsweise verwendet werden, um den Quarzoszillator mit einer Oszillatorschaltung 52 zu verbinden, die unterhalb der Basis 30 positioniert ist, wie in 5 gezeigt ist.
  • 4 zeigt eine Quarzoszillatoranordnung 56, wobei ein Quarzresonator 12, wie er in 1 gezeigt ist, seinerseits von einer Abdeckung 58 umkapselt ist, die außerdem eine Oszillatorschaltung 60 auf einem verlängerten Segment 62 der Basis 30 umschließt. Temperaturempfindliche Oszillatorkomponenten 49 können ferner auf dem erwärmten Substrat 28 positioniert und mit einer herkömmlichen Steuerschaltung 64 gekoppelt sein, die auf dem Segment 62 anbringbar ist. Die Schaltung 64 ist ihrerseits so gekoppelt, dass sie die Heizelemente 40 ansteuert, um eine gewünschte Temperatur des Substrats 28 auszubilden.
  • Aus der Beschreibung von mehreren Ausführungsformen der Erfindung sind deren Vorteile ersichtlich. Beispielsweise kann der Resonator 12 ein Oberflächenwellen-Bauelement sein, das direkt auf das erwärmte Substrat 28 gebondet ist.

Claims (9)

  1. Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung, mit einer Basis (30); einem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Substrat (28), das eine Oberfläche mit einer niedrigen Temperaturgradienten-Charakteristik hat; einem Heizelement (40), das so auf dem Substrat (28) angebracht ist, dass es dieses auf eine gewünschte Temperatur im wesentlichen gleichmäßig über die Oberfläche verlaufend erwärmt, um Strahlungswärme und Leitungswärme von der Substratoberfläche bereitzustellen; einem Quarzresonator (14), der Kontakte (16, 18) und eine allgemein flache Konstruktion hat, wobei der Quarzresonator allgemein parallel mit der Oberfläche des Substrats (28) angebracht ist und wärmeleitende und elektrisch leitende Elemente (24, 26) von dem Substrat (28) zu dem Quarzresonator (14) verlaufen, und wobei der Quarzresonator (14) in nahem Abstand zu dem Substrat (28) liegt, um davon gleichmäßig auf eine gewünschte Temperatur erwärmt zu werden; elektrischen Zuleitungen (42), die auf der Basis (30) positionierte elektrische Leiter (46) mit auf dem Substrat befindlichen elektrischen Leitern (44) verbinden; einer Abdeckung (48), die den Quarzresonator (14) und das Substrat (28) und die elektrischen Zuleitungen (42) umschließt, um gemeinsam mit der Basis (30) eine hermetisch dichte Kammer dafür zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (28) über der Basis (30) mit einer Vielzahl von starren wärmeisolierenden Stiften (32) gehalten ist; die elektrischen Zuleitungen einen solchen Querschnitt haben, dass die Wärmeleitung durch sie hindurch begrenzt ist; und der Quarzresonator über dem Substrat angeordnet ist, so dass der Quarzresonator (14) auf effiziente Weise mit geringen Wärmeverlusten gleichmäßig auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden kann.
  2. Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (32) aus Glasstäben gebildet sind, die mit der Basis (30) und dem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Substrat (28) verschmolzen sind.
  3. Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (32) aus Glasstäben gebildet sind, die mit der Basis (30) und dem Substrat (28) verklebt sind.
  4. Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (40) ein Infrarotstrahlung abgebendes Element ist, das dem Quarzresonator (14) wirksam gegenüberliegt, um ihn mit Infrarotstrahlung zu erwärmen und das Substrat (30) durch Wärmeleitung von dem Infrarotstrahlung abgebenden Element zu erwärmen.
  5. Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Infrarotstrahlung abgebende Element eine Infrarotstrahlung emittierende Diode aufweist, die so orientiert ist, daß sie Infrarotstrahlung auf den Quarzresonator abgibt.
  6. Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch an dem Substrat (30) angebrachte Schaltungen zur Steuerung der Abgabe der Strahlung von der Oberfläche und der Wärmeleitung, um die gewünschte Temperatur des Quarzresonators (14) aufrechtzuerhalten.
  7. Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Abdeckung (48) und der Basis (30) umschlossene Raum ein Vakuum ist.
  8. Ofengesteuerte Quarzresonatoranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler (49), der funktionsmäßig auf dem Substrat (30) positioniert ist, sowie damit und mit dem Heizelement (40) verbundene Schaltungseinrichtungen zur Regelung der davon erzeugten Wärme und Ausbildung der gewünschten Temperatur des Substrats (30).
  9. Ofengesteuerter Oszillator, mit einer Basis (30); einem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Substrat (28), das eine Oberfläche mit einer niedrigen Temperaturgradienten-Charakteristik hat; einem Heizelement (40), das so auf dem Substrat (28) angebracht ist, dass es dieses auf eine gewünschte Temperatur im Wesentlichen gleichmäßig über die Oberfläche verlaufend erwärmt, um Strahlungswärme und Leitungswärme von der Substratoberfläche bereitzustellen; einem auf dem Substrat (28) angebrachten Temperaturfühler (49); einem Quarzresonator (14), der Kontakte (16, 18) und eine allgemein flache Konstruktion hat, wobei der Quarzresonator allgemein parallel mit der Oberfläche des Substrats (28) angebracht ist und wärmeleitende und elektrisch leitende Elemente (24, 26) von dem Substrat (28) zu dem Quarzresonator (14) verlaufen, und wobei der Quarzresonator (14) in nahem Abstand zu dem Substrat (28) liegt, um davon gleichmäßig auf eine gewünschte Temperatur erwärmt zu werden; elektrischen Zuleitungen (42), die auf der Basis (30) positionierte elektrische Leiter (46) mit auf dem Substrat befindlichen elektrischen Leitern (44) verbinden; einer Oszillatorschaltung (60) und einer Temperaturregelungsschaltung (49), die auf der Basis (30) angebracht und mit den elektrischen Zuleitungen elektrisch verbunden sind, um die gewünschte Temperatur des Substrats (28) aufrechtzuerhalten; einer Abdeckung (48), die den Quarzresonator (14) und das Substrat (28), die elektrischen Zuleitungen und die Oszillatorschaltung umschließt und gemeinsam mit der Basis (30) eine hermetisch dichte Kammer dafür bildet; dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (28) mit einer Vielzahl von starren wärmeisolierenden Stiften (32) über der Basis (30) gehaltert ist; die elektrischen Leiter (46) mit dem Heizelement (40) und dem Temperaturfühler (49) verbunden sind und die elektrischen Zuleitungen einen solchen Querschnitt haben, dass die Wärmeleitung durch sie begrenzt ist; und der Quarzoszillator mit einer präzise gesteuerten Frequenz über einen langen Zeitraum von einer batteriegespeisten Quelle betrieben werden kann, indem der Resonator auf effiziente Weise mit geringen Wärmeverlusten gleichmäßig auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird.
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