DE2210766C3 - Mikroresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroresonator entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. Aus der DT-AS 12 06 032 ist ein Stimmgabelresonator bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Resonator befinden sich an jeder Stimmgabelzinke vier voneinander getrennte dünne Elektroden. Auf den Zinken sind dünnschichtige Elektroden angeordnet, die mit in den

Schwingungsknoten befestigten Elektroden in leitender Verbindung stehen. Letztere dienen zum Anlegen einer Spannung und gleichzeitig zur Befestigung der Stimmgabel. Nachteilhaft bei diesem bekannten Resonator ist, daß die Befestigungselektroden mit großer Genauigkeit

angeordnet sein müssen, wenn man einen hohen Gütewert erzielen will. Ferner müssen als Voraussetzung für einen Resonator hoher Güte die Befestigungselektroden symmetrisch angeordnet sein. Beim Einsetzen der Befestigungselektroden muß infolgedessen mit

höchster Genauigkeit gearbeitet werden, wodurch ein großer Zeitaufwand und hohe Kosten bedingt sind. Außerdem wird die Herstellung dieses bekannten Resonators dadurch erschwert, daß vier Elektroden benötigt werden, um ein symmetrisches Gitter zu

schaffen, wobei je zwei der Elektroden über Kreuz miteinander verbunden werden.

Aus der DT-AS 18 12 315 ist ein Stimmgabelresonator bekanntgeworden, dessen Zinken mit elektromechanischen Schwingungswandlern gekoppelt sind. Der Stiel dieses Stimmgabelresonators ist mit einer Platte verbunden, um diese zum Schwingen anzuregen. Infolgedessen wird Energie aus dem System der schwingenden Gabel auf die Platte übertragen. Zusätzlich zu der Dämpfung auf Grund der Reibung zwischen den Molekülen des Materials kommt noch eine weitere Dämpfung hinzu, die darin besteht, daß eine zusätzliche Platte in Schwingungen versetzt wird. Wegen der vorhandenen Dämpfung des schwingenden Systems kann durch diese bekannte Anordnung kein Stimmgabelresonator hoher Güte geschaffen werden.

Der aus der DT-PS 9 21 948 bekannte Stimmgabelresonator zeichnet sich dadurch aus, daß die elektrischen Organe für Antrieb und Rückkopplung auf den Zinken der Gabel starr befestigt sind. Um eine Dämpfung des schwingungsfähigen Systems zu vermeiden, wird der Stimmgabelresonator nicht am Stiel fest auf einer Grundplatte angeordnet, sondern in einem Gehäuse an Federn aufgehängt. Besonders nachteilhaft bei dieser bekannten Stimmgabelanordnung ist nun aber gerade die freie Aufhängung in einem Gehäuse, da sie sehr instabil ist und verlangt, daß das Gehäuse eine vorgegebene, unveränderbare Orientierung hat.

Bei einem anderen Mikroresonator ist ein elektrostatisch betriebener, als auskragender, einseitig auf einem für Schaltkreise der Mikroelektronik geeigneten Substrat befestigter »Balken« vorgesehen. Wird dieses einseitig eingespanntes Schwingungselement auf den Eigenwert erregt, so wird der Source-Drain-Strom eines in dem Substrat unter dem Schw.ngungselement ausgebildeten Feldeffekttransistors moduliert. Der Betrieb eines derartigen Elementes auf einem Grundwert der Schwingung bei einseitiger Einspannung hat jedoch wegen des Energieverlustes auf Grund der

iufe nc

gegrenzung durch die Einspannufg notwendigerweise ^,en niederen Gütefaktor zur Folge, so daß sich Elemente mit einseitiger Einspannung nicht für Anwendungen in Filtern oder Wandlern eignen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen *Jikroresonator zu schaffen, der bei einem Minimum an Energieverlust auf einfache Weise herzusicllen und zu befes'igen ist, und eine gute Frequenzstabilität, hohen Gütewert und niedrigen Temperaturkoeffizienten hat.

Eine Lösung dieser Aufgabe wird durch den Anspruch 1 angegeben.

Der erfindungsgemäße Mikroresonator zeichnet sich dadurch aus, daß die dünnschichtigen Elektroden nur auf der Ober- und der Unterseite angeordnet sind. Er kann dadurch in Schwingungen versetzt werden, daß eine Anregespannung an die Elektroden nur an einer Seite «legt wird. Die auf der anderen Seite angeordneten Elektrodin müssen nicht notwendigerweise verbunden werden. Sie können auf einem freien Potential bleiben. Daraus ergibt sich aber der Vorteif, daß man mit wenigen Anschlußleitungen auskommt, die sehr dünn sein können und somit keinen Dämpfungseffekt haben, da sie zur Halterung des Resonators nicht benötigt werden. Der Resonator selbst ist auf einem Sockel befestigt, weicher im Bereich der Knotenlinie entlang der Mitte des Steges angeordnet ist. Durch diese Art der Halterung geht keine oder praktisch keine Energie verloren, so daß die Güte des Resonators nicht in negativer Weise beeinflußt wird. Eine besonders gute Frequenzstabilität ergibt sich dadurch, daß die Länge des Steges mindestens der dreifachen Zinkenbreite entspricht.

In Weiterbildung der Erfindung sind auf der Oberseite des Mikroresonators im wesentlichen U-förmige Elektroden mit Anschlußstellen aufgebracht, von denen eine erste an den Außenkanten und eine zweite an den Innenkanten der Stimmgabelzinken verläuft. Eine dritte, sich im wesentlichen über beide Zinken erstreckende Elektrode befindet sich auf der Unterseite. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden auf der Oberseite des Resonators werden Querspannungen in dem Resonator induziert.

In Fortbildung der Erfindung können die Elektroden an der Außenkante der Stimmgabel so in Abschnitte unterteilt werden, daß der Resonator zu Schwingungen in einer ungeradzahligen Harmonischen angeregt werden kann. Dadurch ist es möglich, den Resonator auch für Schaltungen zu verwenden, deren Resonanzfrequenz über der Grundfrequenz des Resonatorelementes liegt.

Um eine genaue Einjustierung der Mikroresonatorfrequenz auf einen gewünschten Wert zu ermöglichen, können in Fortbildung der Erfindung nahe den freien Enden angeordnete Metallgewichte mit Hilfe von Laserstrahlen bearbeitet werden. Man erhält dadurch eine Abstimmgenauigkeit, wie sie mit bekannten, mechanischen Verfahren nicht erzielt wird.

Der Sockel, auf dem der erfindungsgemäße Resonator befestigt ist, kann in Fortbildung der Erfindung durch ein eutektisches Anschmelzverfahren oder auch durch eine Klebetechnik mit einem Epoxydharz enthaltenden Material vorgenommen werden. Wählt man die Maße des Stimmgabelresonators derart, daß sie innerhalb der in den Ansprüchen 2 und 3 angegebenen Bereiche liegen, wobei man in vorteilhafter Weise eine Orientierung des Quarzplättchens, aus dem der Resonator hergestellt ist, wählt, wie sie im Anspruch an(jppph.-n ist. so erhält man einen Resonator, dessen Temperaturkoeffizient im wesentlichen bei Null liegt, und der durch eine große Frequenzstabilität und hohe Güte ausgezeichnet ist.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Mikroresonators mittels eines mikrolithographischen Verfahrens, aus Quarz oder Blei-Zirkonat-Titanat-Material hat sich, in Weiterbildung der Erfindung, als besonders günstig erwiesen. Es können dabei aus einem Quarzplättchen auch eine Vielzahl gleicher Mikroresonatcrelemente mit einem chemischen Ätzverfahren hergestellt werden, wobei anschließend die Elektroden und die Trimmgewichte durch Abscheiden aufgebracht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen 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

F i g. 1 in Perspektivdarstellung die Oberseite eines typischen Mikroresonators mit erfindungsgemäßen Merkmalen, während

Fig. IA in Ansicht die Unterseite eines solchen Resonators wiedergibt,

F i g. 2 verdeutlicht schematisch eine elektrische Feldverteilung in den Zinken des Mikroresonators gemäß Fig. 1,

F i g. 3A die Draufsicht von oben und F1 g. 3B die schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Mikroresonators gemäß der Erfindung,

F i g. 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 F i g. 4 mittels eines eutektisch damit verbundenen Sockels,

F i g. 6 die Draufsicht auf einen Mikroresonator mit extrem niedrigem Temperaturkoeffizienten,

F i g. 7 die Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Mikroresonator mit in Segmenten unterteilten Elektroden,

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

F i g. 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 eignei.

Im folgenden werden zunächst die besten derzeit bekannten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Bauliche und betriebliche Kennwerte der zunächs! beschriebenen Ausführungsformen sind auch für die späteren Ausführungsformen kennzeichnend, es se denn, daß diese Eigenschaften oder Kennwerte offensichtlich nicht vorliegen oder anwendbar sind odei wenn spezielle Ausnahmen erwähnt werden.

Für die verschiedenen in den Figuren gezeigtei Stimmgabel-Mikroresonatoren gemäß der Erfindung is zunächst das Mikroresonatorelement 10 ( F i g. 1 un< IA) typisch, das, wie bei den anderen Ausführungsfor men, sehr kleine Abmessungen aufweist, d.h. di Gesamtlänge beträgt etwa 2,5 bis 12,7 mm (100 bi 500 mils) bei einer Breite von etwa 0,38 bis 1,27 mm (I bis 50 mils) und einer Dicke von weniger als 76 (3 mils). Wegen ihrer kleinen Abmessungen sind dies

Mikroresonatoren besonders als Frequenznormale für Filter oder Wandler für elektronische Mikroschaltkreise und insbesondere als Zeitnormale für Armbanduhren geeignet.

Der Mikroresonator 10 ist bei einer typischen Ausführungsform aus Quarz hergestellt, obgleich sich auch andere piezo-elektrische oder ferro-elektrische Materialien, wie etwa Bleizirkonatiitanat (PZT), eignen. Wie die Fig. 1 und IA zeigen, weist der Mikroresonator IC 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 μ (1 bis 5 mils) liegt. Vorzugsweise ist die Länge des Stegs 13 dreimal so groß wie die Breite jedes der Zinken 11,12.

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 10 ist eine erste dünne Filmelektrode 17a entlang der Außenkante des Zinkens 11 aufgebracht, während eine entsprechende dünne Filmelektrode 176 entlang der Außenkante des Zinkens 12 angeordnet ist. Ein weiteres Paar dünner Filmelektroden 18a, 186 ist entlang einander entsprechender Innenkanten der Zinken 11, 12 angrenzend an den Schlitz 14 vorgesehen. Die elektrische Verbindung mit den Elektroden 17a, 176 läßt sich relativ leicht durch Ultraschallschweißung oder andere Bond-Verfahren für Drähte (nicht gezeigt) herstellen, die an Anschlußstellen 17c, i7d angebracht werden, die für diesen Zweck bestimmt sind. In ähnlicher Weise sind die Elektroden 18a, 186 mit elektrischen Anschlußstellen 18c und \8d versehen.

Die Stimmgabel 10 läßt sich durch Anlegen eines elektrischen Felds quer zu entsprechenden Elektroden eines derartigen Mikroresonators erregen. Beispielsweise können gemäß F i g. 2 die Elektroden 17a und 176 beide mit einer ersten Anschlußklemme 23 verbunden sein, während die Elektroden 18a, 186 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, 256 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 F i g. 1 gestrichelt eingezeichnet).

Es sei vermerkt, daß die rückwärtige Flächenelektrode 16 auch, wie in F i g. 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 Ansteueroder 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 10 als Wandler eignet Werden dazu alternativ elektrisch isolierte Elektroden auf der rückwärtigen Fläche 15 jedes Zinken 11,12 vorgesehen, so kann das Ansteuersignal auch nur zwischen den Elektroden 17a und 18a zugeführt werden. Ein getrenntes Ausgangssignal läßt sich dann über den anderen Elektroden 17frund 186abgreifen.

Es lassen sich aui! Mikroresonatoren mit anderer Elektroden-I'iguration verwenden. Beispielsweise können gemäß F i g. 3A und 3B auf der oberen Fläche eines Zinken 30,·; drei parallele Elektroden 31, 32, 33 und auf dem anderen Zinken 306 drei ähnliche Elektroden 34, 35,36 aufgebracht sein. Die Unterseite jedes Zinken 30.7. 306 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

ίο 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 einen gemeinsamen Quersteg 44 besitzen. Die obere Fläche des Mikroresonalors 40 ist mit einer im wesentlichen Uförmigen dünnen Filmelektrode 45 versehen, die Abschnitte 45a, 456 aufweist, die entlang der Außenkanten der jeweiligen Zinken 41, 42 verlaufen. Die Elektrode 45 weist außerdem ein verbreitertes Element 45c zur Befestigung eines elektrischen Arischlußdrahts auf. Eine zweite im wesentlichen U-förmige Elektrode 46 mit den Abschnitten 46a. 466 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 verschen. Die Unter- oder Rückfläche 47 des Mikroresonators 40 isi mit einer Elektrode 48 versehen, die über beide Zinker 41, 42 erstreckt ist und ebenfalls eine verbreiterte Anschlußstelle 48a aufweist, die in der Mute de> Querstegabschnitts 44 liegen kann.

Auf der oberen Fläche des Mikroresonators 40 sine im Bereich der freien Enden der Zinken 41, 42 ein Paa: Metallfilmgewichte 50a und 506 aufgebracht. Da die Resonanzfrequenz der Stimmgabe] 40 zum Teil durch die wirksame Masse der Zinken 41,42 bestimmt ist, laß sich durch Einjustierung der Größe und damit dci Masse der Metallfilmstellen 50a. 506 eine feine Einjustierung der Stimmgabelfrequenz erreichen. Di< Metallfilmgewichte 50a, 506 sind, um einen typischer

so Wert zu nennen, in der Größenordnung von 1 Mikroi dick. Sie können daher als »Dickfilme« bezeichne werden. Diese Dickfilme 50a, 506 werden jedoch nich nach Art von Cermet-EIementen aufgebracht, sonden werden üblicherweise unter Vakuum niedergeschlagen.

Wie weiter unten erläutert ist, ist das ursprünglich! Gewicht dieser Dickfilme 50a, 506 vorzugsweise etwa größer, als für die Stimmgabel 40 zur Schwingung au einer bestimmten Frequenz erforderlich ist. Dami lassen sich in kontrollierbarer Weise kleine Abschnitt dieser Dickfilme 50a, 506 entfernen, beispielsweis abreiben oder unter Verwendung von Laserstrahle! abdampfen, um die Masse zur Einstimmung auf ein bestimmte Frequenz zu reduzieren. Dazu alternati kann das Gewicht der Filme 50a, 506 durch zusätzliche Niederschlagen von Metall auch erhöht werden, bis di gewünschte Frequenz erzielt ist. Die Dickfilmstück 50a. 506 werden vorzugsweise an den freien Enden de Zinken 41, 42 wie gezeigt aufgebracht, da ein

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.

Die Weise, wie sich der Mikroresonator 40 befestigen s 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 48.7 abgeschieden ist oder durch diese gebildet ist. Weiterhin ist eine Siliciumschicht 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 Anschltißdraht an die Anschlußstelle 48a eingespart werden kann. In dieser Hinsicht 2s können auch mehrere isolierte Sockel in einer Anordnung vorgesehen sein, wie sie für die Flip-Chip-Bond-Technik bei integrierten Sehaltkreisen verwendet wird, um unabhängige elektrische Anschlüsse für mehrere Mikroresonator-Elektroden zu erhalten. An- -J₀ dererseits 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. angebondei werden.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform weist ein Mikroresonator 60 Zinken 6t, 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 an dem dem Steg zugewandten Ende. Diese Zinken 61, 62 sind mit Elektroden 65, 66 und Dickfilmgewichten 67a, 676 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° λ'-Schnitt entfernt liegender Kristallschnitt verwendet bei einem Zinken-Kanten-Winkel von 5° und einer Zinkenlänge von 4,57 mm, einer Schlitzbreite von 100 μ und einer Zinkenbreite von 038 mm, angrenzend an den Quersteg, so läßt sich ein Resonator herstellen, dessen Temperaturkoeffizient unter 5 · 10~⁶ bei 30⁰C Temperaturänderung liegt Die Resonanzfrequenz eines solchen Mikroresonators 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 Zinkens 71, 72 ist mit einer Dünnfilmelektrode 74 verschen, die auf Abstund 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 8Oi an eine Anschlußstelle 81 elektrisch angeschlossen. Die Segmente 75 und 79 liegen zweckmäßigerweise so, daß ein Spanntingsmuster erzeugt wird, das als typische Werte die dritte und fünfte harmonische Schwingung erregt. Durch dieses Spannungsmuster wird die Neigung des Mikroresonators 70. auf einer anderen als auf der gewünschten Resonanzfrequenz zu schwingen, wirkungsvoll eliminiert.

F i g. 8 zeigt ein typisches Beispiel für eine Oszillatorschaltung 85, bei der ein Mikroresonator 86 gemäß der Erfindung eingesetzt ist. Der Mikroresonator 86 weist eine rückwärtige Flächenelektrode 87 auf. die an Masse liegt, während die Elektroden 88a. 88b an den Zinkeninnenkanlen mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 89 verbunden sind. Der Ausgang des Verstärkers 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 Feincinjustierung der Oszillalorfrequenz erlaubt. Durch Widerstände 94 und 95 wird 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 996.

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 urd 90 verstärkt und geformt und über die Elektrode 87 in richtiger Phasenlage rückgeführt, um den Mikroresonator anzusteuern. Das an den Klemmen 99a und 99t abgreifbare Ausgangssignal ist sinusförmig und weisi eine durch den Mikroresonator 86 bestimmte Frequen7 auf. Mittels des Kondensators 93 ist eine Feinabstimmung der Oszillatorfrequenz möglich, üblicherweise irr Bereich von ±200 ■ 10-'.

F i g. 9 zeigt einen Oszillator in Pierce-Schaltung. die sich besonders für Armbanduhren eignet. Wie gezeigt weist ein Mikroresonator 101 eine an Masse liegend« Rückflächenelektrode 102 und an den Innenkanten dei Zinken liegende Elektroden 103a. 1036 auf, die übei einen Widerstand 104 durch ein Signal angesteuer werden, das an dem gemeinsamen Anschluß eines Paar komplementärer Metalloxyd-Halbleitertransistorei (CMOS) 105, 106 entsteht Das Mikroresonaior-Aus gangssignal an der Außenkantenelektrode 117 wird dei Gates oder Ansteuerelektroden der beiden Transisto ren 105,106 zugeführt Kondensatoren 107, 108, die in Kapazitätswert beide größer sind als die effektivi Kapazität des Mikroresonators 101, liegen parallel zuri Eingang bzw. Ausgang des Transistorkreises. Ein relati großer Widerstand 109 dient als Rückkopplung, um ein lineare Betriebsweise sicherzustellen. Ein einstellbare Kondensator 110 erlaubt die Feinabstimmung de

10

Oszillatorfrequenz und ist an die Außenelektrode 118 eines Zinkens angeschlossen.

Das zwischen den Elektroden 103a, I03i> 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 103a, 103b in richtiger Phase zur Aufrcchterhaltung 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 Teilei stufen 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.

Mit der Erfindung wurde die Herstellung von Mikroresonatoren möglich, deren Fläche !Oma! und deren Volumen lOOOmal kleiner ist als die bei Niederfrequenz-Quarzkristallschwingern vergleichbare Frequenz. An Stelle der herkömmlichen Rechteckform ist eine Stimmgabelanordnung vorgesehen mit einer Dicke von wenigen μ. 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 2π 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

ίο Güte (?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\m Kristall auftritt.

Unter Anwendung der integrierten Schaltkreistechnik bei der Herstellung der Stimmgabel ist es möglich, die Zinken sehr schmal auszubilden. Damit wird eine weitere Größenreduktion des Kristalls bei gegebener Schwingungsfrequenz erzielt.

Bei erprobten Ausführungsbeispielen ließen sich Oszillatoren im Bereich von 10 bis 100 kHz mit einer Stabilität von 1 bis 10 · 10-V⁰C 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 · ΙΟ-⁶ 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 ζί-Variationen von 2 bis 40 000 erreichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Mikroresonator in der Form einer Stimmgabel aus piezo- oder ferro-elektrischem Material mit Metallfilmelektroden und Anschlüssen zum Anlegen einer Erregerspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroresonator mit einem an der Unterseite des die Zinken verbindenden Steges (13, 44) angebrachten Sockel (54) auf einer Grundplatte (43) befestigbar ist, wobei die Länge des Steges mindestens der dreifachen Zinkenbreite entspricht.

2.' Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge des Mikroresonators etwa 2,54 bis 12,7 mm, die Gesarntbreite etwa 038 bis 1,27 mm und die Dicke weniger als 76 μ beträgt.

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 einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte Trimmgewichte angeordnet sind, die selektiv mit einem Laserstrahl verringerbar sind.

5. Mikroresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite des Mikroresonators im wesentlichen U-förmige Elektroden mit Anschlußstellen (45c, 46c) aufgebracht sind, von denen eine erste (45) an den Außenkanten und eine zweite (46) <in den Innenkanten der Stimmgabelzinken verläuft, und daß eine driite sich im wesentlichen über beide Zinken erstreckende Elektrode (48) auf der Unterseite vorhanden ist.

6. Mikroresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Anschlußstellen (45c. 46c) der ersten und zweiten Elektroden (45, 46) elektrische Anschlußdrähte angebondet sind und daß der Anschluß der dritten Elektrode frei bleibt oder über den Sockel (54) erfolgt.

7. Mikroresonator nach Anspruch 5 oder 6, 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.

8. Mikroresonator nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel durch Legieren hergestellt ist oder ein Epoxydharz enthält.

9. Mikroresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroresonatorelement nach einem mikrolithographischen Verfahren aus Qubrz oder Blei-Zirkonat-Titanat-Material hergestellt ist.

10. Mikroresonator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroresonatorkörper aus einem Quarzplättchen hergestellt ist, wobei die Zinken im wesentlichen parallel zur V-Achse des Quarzes verlaufen, und daß das Plättchen in einem Winkel von 45 bis 70° Drehung um die V-Achse mit bis zu etwa 8,5° Drehung um die A"'-Achse orientiert ist.

11. Mikroresonator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroresonatorelement mit einer Vielzahl gleicher Elemente in einem chemischen Ätzverfahren aus einem Quarzplättchen und anschließendem Abscheiden von Elektroden und von Trimmgewichten hergestellt ist.