DE2210766A1 - Mikroresonator - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN DIPL.-PHYS. DIPL.-ING. β MÖNCHEN 25 · LI POWSKYSTR. JO —■

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Mti/N

3.3.I972

STATEK CORPORATION* Orange, Kalifornien/USA

Mikroresonator

Die Erfindung betrifft einen Mikroresonator und bezieht sich insbesondere auf einen Mikroresonator so kleiner Abmessungen, daß ein Einbau in Armbanduhren und/oder seine Verwendung in Verbindung mit elektronischen Mikroschaltkreisen ohne weiteres möglich ist.

Es gibt eine Reihe von Vorschlägen für Resonatoren, deren Abmessungen auf elektronische Mikroschaltkreise angepaßt sind. Solche Mikroresonatoren lassen sich als hochstabile Frequenzquellen oder Frequenznormale in Oszillatoren für Filter hoher Güte Q bei Ton- oder Schalltelemetriegeräten oder als Wandler verwenden. Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet in wirtschaftlicher Hinsicht ist die Verwendung als Zeitnormal für Herren- oder Damenarmbanduhren.

Einige Mikroresonatoren sind bereits bekannt. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art ist ein elektrostatisch betriebener, als auskragender,einseitig auf einem für Schaltkreise der Mikroelektronik geeigneten Substrat befestigter"Balken" vorgesehen. Wird dieses einseitig eingespannte Schwingungselement auf den Eigenwert erregt, so wird der Source«= Drain-Strom eines in dem Substrat unter dem Schwingungselernent

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ausgebildeten Feldeffekttransistor moduliert. Der Betrieb eines derartigen Elements auf einem Grundwert der Schwingung bei einseitiger Einspannung hat jedoch wegen des Energieverlustes auf Grund der Begrenzung durch die Einspannung notwendigerweise einen niederen Gütefaktor Q zur Folge, so daß sich Elemente mit einseitiger Einspannung nicht für Anwendungen in Filtern oder Wandlern eignen.

Ein anderer Vorschlag ist auf die Verwendung eines piezoelektrischen Balkenelements gerichtet, das auf einem freischwingenden Eigenwert schwingt und durch senkrecht vom Knotenpunkt des Balkenelements abstehende Träger oder Arme abgestützt wird. Mit einem Schwingungselement nach diesem Vorschlag werden hohe Gütewerte Q und reproduzierbare Frequenzeigenwerjbe erzielt.

Keiner def zum Stand der Technik gehörenden Mikroresonatoren jedoch weist gleichzeitig einen niederen Temperaturkoeffizienten, hohes Q und Frequenzstabilität, gute Herstellbarkeit und einfache Befestigung und Halterung bei minimalem Energieverlust an das halternde oder abstützende Substrat auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Mikroresonator zu schaffen, der bei ausgezeichneter Frequenzstabilität, hohen Gütewerten und sehr niedrigem Temperaturkoeffizienten sich mit einem Minimum an Energieverlust auf einfache Weise herstellen und haltern läßt. Weiterhin ist es ein Ziel, einen derartigen Mikroresonator so auszubilden, daß eine einfache und genaue Einjustierung auf eine gewünschte Resonazfrequenz möglich ist. Dabei soll der Verwendbarkeit des zu schaffenden Resonatorelements als Zeitnormal für Armbanduhren oder als Frequenzbezugsquelle für andere Resonanzkreise, wie Filter oder Wandler für elektronische Mikroschaltkreise, besondere Aufmerksamkeit gewidmet sein.

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Die Erfindung ist bei einem Mikroresonator dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorkörper in Stimmgabelanordnung aus piezo- oder ferro-elektrischem Material hergestellt und keine Körper-Dimension größer als 12,7 mm ist, daß auf jedem Stimmgabelzinken dünne Metallfilm-Elektroden gemeinsam mit elektrischen Anschlüssen zum Anschluß eines Ansteuersignals zur Anregung der Zinken auf einen Stimmgabel-Eigenresonanzwert aufgebracht sind und daß zur Halterung der hinteren Fläche des Stimmgabel-Querstegs auf einem Substrat ein starrer Sockel vorgesehen ist.

Gemäß der Erfindung besteht ein Resonatorelement also aus einem piezo-elektrischen oder ferro-elektrischen Stimmgabelelement. Vorzugsweise wird dieser Mikroresonator in MikroLithographie-Technik so hergestellt, daß die Gesamtlänge im Bereich von etwa 2,5 bis maximal 12,7 mm (100 mils bis 500 mils) liegt, während die Breitenabmessung vorzugsweise etwa 0,38 bis 1,27 mm (15 bis 50 mils) beträgt. Der Mikro-. resonator kann aus Quarz oder einem ähnlichen Material hergestellt sein und hat vorzugsweise eine Dicke von weniger als etwa 76 u (3 mils).

Geeignete dünne Filmelektroden sind auf die Zinken der Stimmgabel aufgebracht. So kann auf die Unterfläche des Mikroresonators eine sich im wesentlichen über die gesamte Breite beider Zinken erstreckende Elektrode aufgebracht sein, die an Masse gelegt oder potentialfrei geschaltet sein kann. Auf die obere Fläche des Mikroresonatorelements sind vorzugsweise entlang der Kanten der Zinken bei einer typischen Ausführungsform wenigstens zwei Elektroden zur Induzierung von Querspannungen in Abhängigkeit eines anliegenden elektrischen Feldes ausgebildet.

Um eine genaue Einjustierung der Mikroresonatorfrequenz auf einen gewünschten Wert zu ermöglichen, können nahe den freien Enden der Zinken Metallgewichte als Trimmgewichte in Dickfilmtechnik aufgebracht sein. Diese Dickfimgewichte

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können beispielsweise unter Verwendung von Laserstrahlen, durch die sich überschüssiges Metall abdampfen läßt, so getrimmt werden, daß sich die gewünschte Frequenz einstellt» Für eine typische Ausführungsform sei angegeben, daß die Filmdicke dieser Gewichte in der Größenordnung von 1 Mikron liegt.

Der Mikroresonator läßt sich durch Befestigung des Stimm— gabelquerstegs auf einem Sockel haltern. Da eine Knoten.— linie entlang der Mitte des Stegs liegt, geht durch die Halterung keine oder praktisch keine Energie verloren. Der Sockel läßt sich durch ein eutektisches Anschmelzverfahren befestigen. Dazu alternativ kann auch eine Klebetechnik: oder ein anderes zur Halterung derartiger Vorrichtungen geeignetes Verfahren angewendet werden. Die Stimmgabel läßt sich so auslegen und bemessen, daß ein im wesentlichen bei Null liegender Temperaturkoeffizient erhalten wird.

Mit der Stimmgabelanordnung des Resonatorkörpers und der oben angegebenen Ausbildung der Abmessungen und der auf die Zinken aufzubringenden Elektroden wurden die wesentlichen Ziele der Erfindung, d.h. geringe Größe, einstellbare Frequenz, hohe Güte und geringer Temperaturkoeffizient bei einfacher Halterung auf einem Sockel unter geringsten Energieverlusten erreicht. Erfindungsgemäße Mikroresonacoren lassen sich in Chargen in Mikro-Lithographie-Technik herstellen, wobei Elektroden in Dünnfilm—Technik und Metallfilmgewichte zur Frequenzeinstellung aufgebracht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, und die zu beschreibenden Resonatorelemente sind, soweit nicht ausdrücklich als schematisch oder anderweitig gekennzeichnet, in stark vergrößertem Maßstab, jedoch maßstabgerecht, wiedergegeben. Es zeigt:

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Fig. 1 in Perspektivdarstellung die Oberseite eines typischen Mikroresonators mit erfindungsgemäßen Merkmalen, während Fig. IA in Ansicht die Unterseite eines solchen Resonators wiedergibt;

Fig. 2 verdeutlicht schematisch eine elektrische Feldverteilung in den Zinken des Mikroresonators gemäß Fig. 1;

Fig.3A die Draufsicht von oben und Fig. 3B die schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Mikroresonators gemäß der Erfindung;

Fig. 4 in Perspektivdarstellung die Oberseite eines in Fig. 4A von unten gezeigten Mikroresonators gemäß einer anderen Ausführungsform eines Mikroresonators nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittseitenansicht zur.Verdeutlichung der Halterung des Mikroresonators nach Fig. 4 mittels eines eutektisch damit verbundenen Sockels;

Fig. 6 die Draufsicht auf einen Mikroresonator mit extrem niedrigem Temperaturkoeffizienten;

Fig. 7 die Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Mikroresonator mit in Segmenten unterteilten Elektroden;

Fig. 8 das Schaltbild eines typischen Oszillators,bei dem ein erfindungsgemäßer Mikroresonator eingebaut ist, und

Fig. 9 das Schaltbild eines anderen Oszillators, bei dem ebenfalls ein Mikroresonator nach der Erfindung verwendet ist, wobei sich diese Schaltung insbesondere als Zeitnormal für eine Armbanduhr eignet.

Im folgenden werden zunächst die besten derzeit bekannten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Bauliche und betriebliche Kennwerte der zunächst beschriebenen Ausführung sformen sind auch für die späteren Ausführungsformen kennzeichnend, es sei denn, daß diese Eigenschaften

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oder Kennwerte offensichtlich nicht vorliegen oder anwendbar sind oder wenn spezielle Ausnahmen erwähnt werden.

Für die verschiedenen in den Figuren gezeigten Stimmgabel-Mikroresonatoren gemäß der Erfindung ist zunächst das Mikroresonatorelement 10 (Fig. 1 und IA) typisch, das, wie bei den anderen Ausführungformen, sehr kleine Abmessungen aufweist, d.h. die Gesamtlänge beträgt etwa 2,5 bis 12,7 min (100 bis 500 mils) bei einer Breite von etwa 0,38 bis 1,27 mm (15 bis 50 mils) und einer Dicke von weniger als 76 u (3 mils). Wegen ihrer kleinen Abmessungen sind diese Mikroresonatoren besonders als Frequenznormale für Filter oder Wandler für elektronische Mikroschaltkreise und insbesondere als Zeitnormale für Armbanduhren geeignet.

Der Mikroresohator 10 ist bei einer typischen Ausführungsform aus'Quarz hergestellt, obgleich sich auch andere piezo-elektrische oder ferro-elektrische Materialien, wie etwa Bleizirkonattitanat (PZT), eignen. Wie die Fig. 1 und IA zeigen, weist der Mikroresonator 10 ein Paar sich von einem Stimmgabelquersteg 13 aus erstreckende Zinken 11 und 12 auf, die voneinander durch einen schmalen Schlitz 14 getrennt sind, dessen Breite im Bereich von etwa 25 bis 127 u (1 bis 5 mils) liegt. Vorzugsweise ist die Länge des Stegs 13 dreimal so groß wie die Breite jedes der Zinken 11, 12. χ

Auf die Unter- oder Rückfläche 15 des Mikroresonators 10 ist eine dünne Filmelektrode 16 aufgebracht, die sich im wesentlichen über beide Zinken 11,12 erstreckt. Auf die Ober- oder Vorderfläche (Fig. 1) des Mikroresonators IO ist eine erste dünne Filmelektrode 17a entlang der Außenkante des Zinkens 11 aufgebracht, während eine entsprechende dünne Filmelektrode 17b entlang der Außenkante des Zinkens 12 angeordnet ist. Ein weiteres Paar dünner Filmelektroden 18a, 18b ist entlang einander entsprechender Innenkanten der Zinken 11, 12 angrenzend an den Schlitz 14 vor-

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gesehen» Die elektrische Verbindung mit den Elektroden 17a, 17b läßt sich relativ leicht durch Ultraschallschweißung oder andere Bond-Verfahren für Drähte (nicht gezeigt) herstellen, die an Anschlußstellen 17c, 17d angebracht werden, die für diesen Zweck bestimmt sind. In ähnlicher Weise sind die Elektroden 18a, 18b mit elektrischen Anschlußstellen 18c und 18d versehen.

Die Stimmgabel 10 läßt sich durch Anlegen eines elektrischen Felds quer zu entsprechenden Elektroden eines derartigen Mikroresonators erregen. Beispielsweise können gemäß Fig. 2 die Elektroden 17a und 17b beide mit einer ersten Anschlußklemme 23 verbunden sein, während die Elektroden 18a, 18b beide an eine zweite Klemme 24 einer Ansteuersignalquelle angeschlossen sind. Bleibt dann die unterseitige Elektrode 16 frei, so läßt sich, wie durch die Pfeile 25a, 25 b angedeutet ist, ein elektrisches Feld in den Zinken 11, 12 erregen, was zu Querspannungen führt, die zu Verformungen der Zinken aufeinander zu und voneinander weg führt. Ist das Ansteuersignal auf eine Resonanzfrequenz bezogen, so schwingt der Mikroresonator 10 auf einer Stimmgabelgrundfrequenz, wobei ein mechanischer Schwingungsknoten entlang der Linie 26 des Stegs 13 auftritt (in Fig. gestrichelt eingezeichnet).

Es sei vermerkt, daß die rückwärtige Flächenelektrode 16 auch, wie in Fig. 2 gestrichelt angedeutet und durch Bezugszeichen 27 gekennzeichnet, an Masse gelegt sein kann, so daß der Mikroresonator 10 dann ein Drei-Pol-Element ist. In diesem Fall kann ein Ansteuer- oder Eingangs-Signal, beispielsweise zwischen Masse 27 und der Klemme 24, zugeführt werden, während sich ein Ausgangs-Signal zwischen Masse 27 und Klemme 23 ergibt. Das Ausgangs-Signal liegt mit dem Eingang in Phase, so daß sich der Mikroresonator als Wandler eignet. Werden dazu alternativ elektrisch isolierte Elektroden auf der rückwärtigen Fläche 15 jedes Zinken 11, 12 vorgesehen, so kann das Ansteuersignal auch

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nur zwischen den Elektroden 17a und 18a zugeführt werden. Ein getrenntes Ausgangssignal läßt sich dann über den anderen Elektroden 17b und 18b abgreifen.

Es lassen sich auch Mikroresonatoren mit anderer Elektroden-Figuration verwenden. Beispielsweise können gemäß Fig. 3A und 3B auf der oberen Fläche eines Zinken 30a drei parallele Elektroden 31, 32, 33 und auf dem anderen Zinken 30b drei ähnliche Elektroden 34, 35, 36 aufgebracht sein. Die Unterseite jedes Zinken 30a, 30b ist mit einer getrennten Elektrode 37, 38 versehen. Die Elektroden 31 bis 38 können für verschiedene Anwendungen unterschiedlich verbunden sein, einschließlich jedoch ohne Begrenzung auf die speziellen Anwendungen der Konfigurationen, die in Verbindung mit den Fig., 2, 8 und 9 erläutert werden. Darüber hinaus können die mittleren Elektroden 32 und 35, wie in Fig. 3B gestrichelt angedeutet, an Masse gelegt sein, um die wirksame Kapazität zu vermindern und um eine Abschirmung zwischen den Elektroden 31, 33 und 34, 36 an der Innen- bzw. Außenkante jedes Zinkens zu erreichen.

Eine in besonderer Weise günstige Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikroresonators ist in den Fig. 4 und 4A gezeigt und dort mit Bezugszeichen 40 versehen. Die Stimmgabel 40 weist Zinken 41, 42 auf, die voneinander durch einen Schlitz 43 getrennt sind und einem gemeinsamen Quersteg 44 besitzen. Die obere Fläche des Mikroresonators 40 ist mit einer im wesentlichen U-förmigen dünnen Filmelektrode 45 versehen, die Abschnitte 45a, 45b aufweist, die entlang der Außenkanten der jeweiligen Zinken 41, 42 verlaufen. Die Elektrode 45 weist außerdem ein verbreitertes Element 45c zur Befestigung eines elektrischen Anschlußdrahts auf. Eine zweite im wesentlichen U-förmige Elektrode 46 mit den Abschnitten 46a, 46b liegt entlang der Innenkante der jeweiligen Zinken 41, 42 angrenzend an den Schlitz 43. Auch die Elektrode 46 ist mit einer für den gleichen Zweck bestimmten verbreiterten Stelle 46c versehen. Die Unter-

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oder Rückfläche 47 des Mikroresonators 40 ist mit einer Elektrode 48 versehen, die über beide Zinken 41, 42 erstreckt ist und ebenfalls eine verbreiterte Anschlußstelle 48a aufweist, die in der Mitte des Querstegabschnitts 44 liegen kann.

Auf der oberen Fläche des Mikroresonators 40 sind im Bereich der freien Enden der Zinken 41, 42 ein Paar Metallfilmgewichte 50a und 50 b aufgebracht. Da die Resonanzfrequenz der Stimmgabel 40 zum Teil durch die wirksame Masse der Zinken 41, 42 bestimmt ist, läßt sich durch Einjustierung der Größe und damit der Masse der Metallfilmstellen 50a, 50b eine feine Einjustierung der Stimmgabelfrequenz erreichen. Die Metallfilmgewichte 5Oa, 50b sind,um einen -typischen Wert zu nennen, in der Größenordnung von 1 Mikron dick. Sie können daher als "Dickfilme" bezeichnet werden. Diese Dickfilme 50a, 50b werden jedoch nicht nach Art von Cermet-Elementen aufgebracht, sondern werden üblicherweise unter Vakuum niedergeschlagen.

Wie weiter unten erläutert ist, ist das ursprüngliche Gewicht dieser Dickfilme 50a, 50b vorzugsweise etwas größer, als für die Stimmgabel 40 zur Schwingung auf einer bestimmten Frequenz erforderlich ist. Damit lassen sich in kontrollierbarer Weise kleine Abschnitte dieser Dickfilme 50a, 50b entfernen, beispielsweise abreiben oder unter Verwendung von Laserstrahlen abdampfen, um die Masse zur Einstimmung auf eine bestimmte Frequenz zu reduzieren. Dazu alternativ kann das Gewicht der Filme 50a, 50b durch zusätzliches Niederschlagen von Metall auch erhöht werden, bis die gewünschte Frequenz erzielt ist. Die Dickfilmstücke 50a, 50b werden vorzugsweise an den freien Enden der Zinken 41, 42 wie gezeigt aufgebracht, da eine Massenänderung an dieser Stelle den größten Einfluß auf die Frequenz der Stimmgabel hat. Die Gewichte können jedoch auch an anderen Stellen der Zinken aufgebracht sein.

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Die Weise, wie sich der Mikroresonator 40 befestigen oder haltern läßt, zeigt Fig. 5. Gemäß dieser Figur ist der Querstegabschnitt 44 auf einem Substrat 53 mittels eines eutektisch angeschweißten Sockels 54 befestigt. Der Sockel 54 kann eine Goldschicht 55 aufweisen, die auf der Oberseite des Mikroresonator-Anschlußteils 48a abgeschieden ist oder durch diese gebildet ist. Weiterhin ist eine Si— liciumschicht 56 und eine Goldschicht 57 vorgesehen, die einstückig mit dem Sockel verbunden ist oder auf dem Substrat 53 abgeschieden ist. Werden die drei Schichten 55, 56 und 57 erwärmt, so schmelzen sie und bilden einen festen Sockel zur festen Halterung des Mikroresonators 40 auf dem Substrat 53. Da der Sockel 54 entlang der Knotenlinie durch den Steg 44 angeordnet ist, geht bei dieser Halterung sehr wenig Energie verloren.

Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung der Halterung ermöglicht den elektrischen Anschluß an die Elektrode 48 unmittelbar über dem Sockel 54, so daß ein getrennter elektrischer Anschlußdraht an die Anschlußstelle 48a eingespart werden kann. In dieser Hinsicht können auch mehrere isolierte Sokkel in einer Anordnung vorgesehen sein, wie sie für die Flip-Chip-Bond-Technik bei integrierten Schaltkreisen verwendet wird, um unabhängige elektrische Anschlüsse für mehrere Mikroresonator-Elektroden zu erhalten. Andererseits ist die Verwendung eines eutektisch angesetzten Sockels zur Halterung des Mikroresonators 40 keineswegs unbedingt erforderlich; es eignen sich auch andere Halterungsverfahren. Beispielsweise kann der Mikroresonator-Querstegabschnitt 44 einfach auf einen geeigneten Sockel unter Verwendung eines Epoxydharzes oder eines anderen geeigneten Bindemittels oder metallischen Systems aufgeklebt bzw. angebondet werden.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform weist ein Mikroresonator 60 Zinken 61, 62 auf, die voneinander durch einen sehr schmalen Schlitz 63 getrennt sind. Die Zinken 61, 62 sind an den freien Enden in Breitenrichtung schmäler als

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an dem dem Steg zugewandten Ende. Diese Zinken 61, 62 sind mit Elektroden 65, 66 und Dickfilmgewichten 67a, 67b versehen.

Durch geschickte und richtige Auswahl der Kristallorientierung läßt sich dabei ein Mikroresonator 60 mit extrem niedrigem Temperaturkoeffizienten herstellen. Wird beispielsweise ein um 5° von einem 45 X-Schnitt entfernt liegender Kristallschnitt verwendet, bei einem Zinken-Kanten-Winkel von 5 und einer Zinkenlänge von 4,57 mm (180 mils), einer Schlitzbreite von 100 ρ (4 mils) und einer Zinkenbreite von 0,3 8 mm (15 mils) angrenzend an den Quersteg, so läßt sich ein Resonator herstellen, dessen Temperaturkoeffizient unter 5 χ 10~ bei 30° Temperaturänderung liegt. Die Resonanzfrequenz eines solchen Mi— kroresonators liegt in der Größenordnung von 25 kHz. Vorzugsweise sind die Zinken parallel zur Y-Achse des Kristalls orientiert, und der Kristall ist in einem Winkel von 45 bis 70 Drehung um die Y-Achse mit bis zu etwa 8 /2° Drehung um die X'-Achse geschnitten.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Resonatorelement auf einer ungeraden Harmonischen der Stimmgabelgrundfrequenz schwingt. Der Mikroresonator 70 weist die durch einen Schlitz 73 getrennten Zinken 71, 72 auf. Die Außenkante jedes Zinken 71, 72 ist mit einer Dünnfilmelektrode 74 versehen, die auf Abstand voneinander angeordnete Elektrodenelemente 75 aufweist, die mit einer Anschlußstelle 76 über einen schmalen Leiterstreifen 77 verbunden sind. Eine weitere Elektrode 78 weist entlang der Innenkanten der Zinken 71, 72 angrenzend an den Schlitz 73 Segmente 79 auf. Diese Segmente 79 sind über einen schmalen Leiterstreifen 80 an eine Anschlußstelle 81 elektrisch angeschlossen. Die Segmente 75 und 79 liegen zweckmäßigerweise so, daß ein Spannungsmuster erzeugt wird, das nls typische Werte die dritte und fünfte harmonische Schwinc ng erregt. Durch dieses Spannungsmuster

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wird die Neigung des Mikroresonators 70, auf einer anderen als auf der gewünschten Resonanzfrequenz zu schwingen, wirkungsvoll eliminiert.

Erfindungsgemäße Mikroresonatoren werden üblicherweise aus Quarzkristall hergestellt, obgleich sich auch andere piezoelektrische oder ferro-elektrische Materialien, wie Blei— zirkonattitanat (PZT) eignen. Jeder Mikroresonator läßt sich in Mikro-Lithographie—Technik herstellen, die der zur Herstellung elektronischer integrierter Schaltkreise verwendeten Technik ähnlich ist. Beispielsweise wird eine Quarzplättchen mit einer Dicke von 25 bis 76 υ (1 bis 3 mils) anfänglich poliert und gereinigt und dann durch Niederschlag aus der Dampfphase auf beiden, d.h. der Ober- und Unterfläche mit dünnen Schichten aus Chrom und Gold überzogen. Daraufhin wird eine Schicht eines üblichen Photowiderstands über die Metallschichten aufgebracht. Das Photowiderstandsmaterial wird dann über eine geeignete photographische Maske belichtet und unter Polymerisierung des Photowiderstandslacks in den Bereichen entwickelt, die den Mikroresonator bilden. Diese polymerisierten Bereiche dienen als Maske für eine selektive Abätzung des Chrom- und Goldfilms, die ihrerseits wieder' als Maske beim Abätzen des Quarzes selbst dienen. Der Chrom- und Goldfilm kann dann vollständig entfernt werden oder selektiv über eine weitere Photowiderstandsmaske abgeätzt werden, um verschiedene Elektroden auszubilden. Die Dickfilmgewichte, etwa die in Fig. 4 mit den Bezugszeichen 50a, 50b bezeichneten, können durch Niederschlag von Metall unter Vakuum auf die Zinkenfläche und anschließendes selektives Entfernen des überschüssigen Materials, etwa durch Abdampfen mittels Laserstrahlen, hergestellt werden, um die gewünschte Masse und damit die gewünschte Frequenz des Mikroresonators zu erreichen.

Fig. 8 zeigt ein typisches Beispiel für eine Oszillatorschaltung 85, bei der ein Mikroresonator 86 gemäß der Erfindung eingesetzt ist. Der Mikroresonator 86 weist eine

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rückwärtige Flächenelektrode 87 auf, die an Masse liegt, während die Elektroden 88a, 88b an den Zinkeninnenkanten mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 89 verbunden sind. Der Ausgang des Versträkers 89 bildet den Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 90, der seinerseits den Mikroresonator 86 über die äußere Elektrode 91 eines Zinkens 86a ansteuert. Die äußere Elektrode 92 des" anderen Zinkens 86b liegt über einen Kondensator 93 an Masse, der eine Feineinjustierung der Oszillatorfrequenz erlaubt. Durch Widerstände 94 und 95 wir'd der Verstärkungsgrad eingestellt, und über Widerstände 96 und 97 besteht eine negative Rückkopplung für die zugeordneten Verstärker 89 bzw. 90. Das Ausgangssignal des Mikroresonators 86 läßt sich an einem Widerstand 98 abgreifen. Den Ausgang des Oszillators 85 bilden die Klemmen 99a und 99b.

Im Betrieb regt das zwischen den Elektroden 87 und 91 stehende elektrische Feld den Mikroresonator 86 zu Schwingungen an, so daß ein Ausgangssignal zwischen den Elektroden 87 und 88a, 88b entsteht. Dieses Ausgangssignal wird durch die Verstärker 89 und 90 verstärkt und geformt und über die Elektrode 87 in richtiger Phasenlage rückgeführt,um den Mikroresonator anzusteuern. Das an den Klemmen 99a und 99b abgreifbare Ausgangssignal ist sinusförmig und weist eine durch den Mikroresonator 86 bestimmte Frequenz auf. Mittels des Kondensators 93 ist eine Feinabstimmung der Oszillatorfrequenz möglich, üblicherweise im Bereich von - 200 χ 10~

Fig. 9 zeigt einen Oszillator in Pierce-Schaltung, die sich besonders für Armbanduhren eignet. Wie gezeigt, weist ein Mikroresonator 101 eine an Masse liegende Rückflächenelektrode 102 und an den Innenkanten der Zinken liegende Elektroden 103a, 103b auf, die über einen Widerstand 104 durch ein Signal angesteuert werden, das an dem gemeinsamen Anschluß eines Paars komplementärer Metalloxyd-Halbleitertransistoren (CMOS) 105, 106 entsteht. -Das Mikroresonator-Ausgangssignal an der Außenkantenelektrode 117 wird den Gates oder

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Ansteuerelektroden der beiden Transistoren 105, 106 zugeführt. Kondensatoren 107, 108, die im Kapazitätswert beide größer sind als die effektive Kapazität des Mikroresonators 101, liegen parallel zum Eingang bzw. Ausgang des Transistorkreises. Ein relativ großer Widerstand 109 dient als Rückkopplung, um eine lineare Betriebsweise sicherzustellen. Ein einstellbarer Kondensator 110 erlaubt die Feinabstimmung der Oszillatorfrequenz und ist an die Außenelektrode 118 eines Zinken angeschlossen.

Das zwischen den Elektroden 103a, 103b und der Elektrode 102 sich ausbildende elektrische Feld bewirkt die Schwingungsanregung des Mikroresonators 101, so daß an der Elektrode 117 ein Ausgangssignal erzeugt wird. Dieses Signal wird durch die Transistoren 105, 106 verstärkt und an die Elektroden lOJa, 103b in richtiger Phase zur Aufrechterhaltung einer. Schwingung rückgeführt.

Das Oszillator-Ausgangssignal läßt sich auf der Leitung 111 abgreifen und kann einer geeigneten Teilerschaltung 112 zugeführt werden, um ein Signal niedrigerer Frequenz auf einer Leitung 113 zu erhalten. Bei einer sehr einfach aufgebauten Armbanduhr kann die Oszillatorfrequenz und die Anzahl der Teilerstufen so gewählt sein, daß 1 Impuls pro Sekunde im Signal auf der Leitung 113 auftritt. Dieses Signal kann dann durch die Teilerschaltung 114 verstärkt und einem Schrittmotor 115 zugeführt werden, der die Armbanduhrzeiger mechanisch vorrückt. Zur genauen Einstellung der Uhr kann der Kondensator 110 dienen.

Bei einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann das Teilerausgangssignal einer mit einem Magneten zusammenwirkenden Spule zugeführt werden, der auf der Unruhe einer gewöhnlichen Armbanduhr angeordnet ist. Auf diese Weise wird der Anker der Uhr auf den Oszillatorausgang synchronisiert.

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Die soweit beschriebenen Ausführungsformen verschiedener Mikroresonatoren in Stimmgabelanordnung eignen sich also sehr gut für Frequenznormalquellen für Filter und Wandler oder als Zeitnormale bei Armbanduhren.

Mit der Erfindung wurde die Herstellung von Mikroresonatoren möglich, deren Fläche 10 Mal und deren Volumen 1000 Mal kleiner ist als die bei Niederfrequenz-Quarzkristallschwingern vergleichbare Frequenz. Anstelle der herkömmlichen Rechteckform ist eine Stimmgabelanordnung vorgesehen mit einer Dicke von wenigen u. Es lassen sich damit Kristallresonatorelemente herstellen, die so klein sind, daß ein gesamter Kristall- oder Quarzoszillator oder ein Filter in ein TO-5-Transistorgehäuse oder in ein Flachgehäuse für integrierte Schaltkreiselemente eingebaut werden kann.

Durch die Stimmgabelanordnung läßt sich die Länge um den Faktor 2 χ im Vergleich zu einem frei schwingenden Rechteck-Quarzkristall bei gegebener Frequenz, reduzieren. Wäre es möglich, einen rechteckförmigen Kristall an einem Ende vollkommen einzuspannen, so wäre im Prinzip eine gleiche Längenreduktion möglich. Eine solche vollständige Einspannung eines rechteckförmigen Quarzes ist jedoch unmöglich. Wird ein solcher Rechteckquarz an einem Ende nur unvollständig eingespannt, so verschlechtert sich die Güte Q des Kristalls beträchtlich.

Da die erfindungsgemäße Stimmgabelanordnung zwei Zinken aufweist, die in verschiedenen Richtungen schwingen, tritt ein Schwingungs-Löschungs-Knoten an der Verbindung der beiden Zinken auf. Die Stimmgabel läßt sich daher .an diesem Schwingungsknoten so vollständig einspannen, daß keine Verminderung des Gütefaktors Q im Kristall auftritt.

Unter Anwendung der integrierten Schaltkreistechnik bei der Herstellung der Stimmgabel ist es möglich, die Zinken sehr

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schmal auszubilden. Damit wird eine weitere Größenreduktion des Kristalls bei gegebener Schwingungsfrequenz erzielt.

Der Herstellungsprozeß,bei dem ein Quarzkristall sehr dünn bis auf eine Dicke von etwa 25 u poliert, die polierte Stelle mit einer in der integrierten Schaltkreistechnik bekannten Photomaske bedeckt und ein über die Maske gehendes chemisches Ätzverfahren angewendet wird, worauf die Qhm'sehen Kontakte niedergeschlagen werden, läßt sich bei hoher Ausbeute automatisieren. Die Herstellungskosten sind dabei,, insbesondere bei Massenproduktion, außerordentlich niedrig»

Wird beispielsweise ein vollständiger Oszillator in ein IC-Flachgehäuse eingebaut und die übrige Elektronik auf ein LSI-Chip aufgebracht, so lassen sich außerordentlich kleine Armbanduhren herstellen. Weitere Anwendungsgebiete für die Erfindung eröffnen sich bei Zeitgebern, etwa für militärische Zwecke, zur Fernsteuerung, bei Rechengeräten, in der Tonoder Schall-Telemetrie, bei automatischer Fernmessung, bei Taktimpulsgebern für die Datenübertragung und bei Alarmsystemen.

Bei erprobten Ausführungsbeispielen ließen sich Oszillatoren im Bereich von 10 bis 100 kHz mit einer Stabilität von 1 bis 10 χ 10~ /⁰C herstellen. Wegen ihrer kleinen Größe und der außerordentlichen Robustheit des Aufbaues können diese Oszillatoren Stoßbelastungen bis zu 100 000 gs widerstehen. Die Frequenz der Stimmgabel läßt sich mit einer Genauigkeit von 10 χ 10~ einstellen, und falls eine Einstellung des Gütefaktors Q bei Anwendung der Stimmgabel in Filtern erwünscht ist, so kann dies beispielsweise durch Änderung des Vakuumgrades in dem Gehäuse, in dem die Stimmgabel eingebaut ist, erreicht werden. Damit lassen sich Q-Variationen von 2 bis 40 000 erreichen.

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Claims (18)

2 21 AZfigao Patentansprüche

1.) Mikroresonator, dadurc.h gekennzeichnet, daß der Resonator-Körper in Stimmgabelanordnung (10; 30; 40; 60; 70) aus piezo- oder ferro-elektrischem Material hergestellt und keine Körper-Dimension größer als 12,7 mm ist, daß auf jedem Stimmgabelzinken (11, 12; 30a, 30b; 41, 42; 61, 62; 71, 72) dünne Metallfilmelektroden (17, 18, 16; 31 - 38; 45, 46, 48; 65, 66; 74, 78) gemeinsam mit elektrischen Anschlüssen (z.B. 17c,d, 18c,d in Fig. 1) zum Anschluß eines Ansteuersignals zur Anregung der Zinken auf einen Stimmgabel—Eigenresonanzwert aufgebracht sind und daß zur Halterung der rückseitigen bzw. hinteren Fläche des Stimmgabel-Querstegs (13; 44) auf einem Substrat (53) ein starrer Sockel (54 - 57) angebracht ist.

2.) Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge des Resonatorkörpers im Bereich von etwa 2,54 bis 12,7 mm und die Gesamtbreite im Bereich von etwa 0,38 bis 1,27 mm liegt und daß die Dicke sich zu weniger als 76 u bemißt.

3.) Mikroresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite des Schlitzes (14; 43; 63; 73) zwischen den Zinken weniger als 0,13 mm beträgt.

4.) Mikroresonator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge des Querstegs mindestens der dreifachen Zinkenbreite entspricht.

5.) Mikroresonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der freien Zinkenenden Metallgewichte (50; 67) in Dickfilmtechnik als Trimmgewichte aufgebracht sind, die

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zur Einstellung der Stimmgabel-Resonanzfrequenz in ihren Abmessungen beschneidbar sind.

6.) Mikroresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Beschneiden oder Trimmen der Gewichte selektiv mit einem Laserstrahl vorgenommen ist.

7.) Mikroresonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Vorderfläche der Stimmgabel eine im wesentlichen U-förmige, entlang der Außenkanten der Zinken verlaufende Elektrode (45) aufgebracht ist, die eine erste elektrische Anschlußstelle (45c) aufweist, daß entlang der Innenkanten der Zinken angrenzend an den Stimmgabel— schlitz eine zweite, im wesentlichen U-förmige Elektrode (46) np-t einer zweiten elektrischen Anschlußstelle (46c) aufgebracht ist und daß die rückwärtige Fläche mit einer dritten, im wesentlichen über beide Zinken erstreckten dritten Elektrode (48) versehen ist.

8.) Mikroresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß an den Anschlußstellen der ersten und zweiten Elektroden elektrische Anschluß— drähte angebondet sind und daß der elektrische Anschluß zur dritten Elektrode frei bleibt oder über den Sockel erfolgt.

9.) Mikroresonator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden an der Außenkante der Stimmgabel so in Abschnitte unterteilt sind, daß Schwingungen in einer ungeradzahligen Harmonischen des Mikroresonators erregbar sind.

10. ) Mikroresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sokkel durch Legieren hergestellt ist oder ein Epoxydharz enthält.

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11.) Mikroresonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ^J Resonatorelement nach einem mikrolithographischen Verfahren aus Quarz oder Blei-Zirkonat-Titanat-Material hergestellt ist.

12.) Mikroresonator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorkörper aus einem Quarzplättchen hergestellt ist und die Zinken im wesentlichen parallel zur Y-Achse des Quarzes liegen und daß das Plättchen in einem Winkel von 45 bis 70° Drehung um die Y-Achse mit bis zu etwa 8,5 Drehung um die X'-Achse orientiert ist.

13.) Mikroresonator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Resonatorelement mit einer Vielzahl gleicher Elemente in einem chemischen Ätzverfahren aus einem Quarzplättchen und anschließendem Abscheiden der Elektroden und Trimmgewichte hergestellt ist.

14.) Mikroresonator nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er Zeitnormal einer Uhr, insbesondere Armbanduhr, ist.

15.) Mikroresonator nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er als Frequenzbezugsquelle eine Oszillatorschaltung verwendet ist.

16.) Mikroresonator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Oszillatorfrequenz der Oszillatorschaltung ein Kondensator zwischen der rückseitigen Elektrode und einer der Elektroden auf der Vorderfläche angeschlossen ist.

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17.) Oszillator mit einem Mikroresonator gemäß den Ansprüchen

15 oder 16 als Frequenzbezugsquelle, dadurch gekennzeichnet , daß einer ersten (91) der Elektroden auf der Oberseite des Resonanzkorpers ein Ansteuersignal von einem Operationsverstärker (90) zugeführt ist, dessen Eingangssignal von einer zweiten Elektrode (88) auf der Oberseite des Resonanzkörpers abgreifbar ist und daß die Zuführung des Ansteuersignals in Bezug auf die Phasenlage am Resonanzkörper so erfolgt, daß eine Schwingung der Stimmgabel aufrechterhalten bleibt.

18.) Armbanduhr, gekennzeichnet durch einen Mikroresonator nach einem der Ansprüche 15 oder

16 oder durch einen Oszillator nach Anspruch 17, weiter durch eine Schaltung (112) zur Unterteilung der Frequenz des vom Oszillator gelieferten Signals und durch einen Motor (115) zur Betätigung der Zeiger der

■ Uhr in Abhängigkeit von der durch die Schaltung heruntergeteilten Frequenz.

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