DE2239696B2 - Piezoelektrischer Hochfrequenz-Dickenresonator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

nommen.

In »Mode Control and Related Studies of VHF Quartz Filter Crystals« von Theodore J. Lukaszek, Elektronic Component Laboratory, USAECOM, 24th Annual Symposium on Frequency Control 1970, S. 126 bis 140, wird ein piezoelektrischer Resonator beschrieben, der 0,6 μίτι tiefe Ausnehmungen auf der Unter- und Oberseite und in diese Ausnehmungen eingebettete Elektroden aufweist Das weiterhin in dieser Veröffentlichung beschriebene Verfahren soll zu einer Herabsetzung der Störsignale führen. Nach diesem Verfahren haben die Ausnehmungen eine Tiefe, die bei weitem geringer als die Dicke der gesamten piezoelektrischen Platte ist. Dabei weist der Resonator eine Grundfrequenz von 30 MHz auf und verwendet die siebte Harmonische dieser Frequenz.

Das in »Sputter Machining of Piezo°IectricTransducers« von D. Beecham, Bell Telephone Caboratories. Ine, journal of Applied Physics, Bd. 40, Nr. 11, Ok tober 1969, S. 4357 bis 4361, beschriebene Verfahren besteht darin, die Dicke einer Platte aus piezoelektrischem Material auf etwa 2 μηι zu verringern, um einen Wandler mit einer hohen Frequenz, wie beispielsweise 1,8 GHz, aus einem Wandler mit niedriger Frequenz zu erhalten. Die in dieser Veröffentlichung beschriebene Platte ist jedoch an einer ihrer Seiten mit einer ebenen Oberfläche des Übertragungsmediums verbunden, um Ultraschallwellen durch dieses zu leiten, so daß der piezoelektrische Resonator einen äußerst kleinen Q-Wert besitzt.

Aus der US-PS 33 96 287 ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Resonators bekannt, bei dem die beiden Teile des Resonators, nämlich das Resonanzteil und das Basisteil, getrennt hergestellt und anschließend zusammengefügt werden. Das Resonanzteil selbst wird dabei mit Hilfe eines Läppverfahrens auf die gewünschte Dicke gebracht.

All diese bekannten Verfahren sind darauf gerichtet, ein plattenförmiges piezoelektrisches Material maschinell zu bearbeiten. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es jedoch nicht möglich, solche Ausnehmungen in diesem Material auszubilden, daß seine Dicke die Grenze unterschreitet, die für das herkömmliche Läpp- oder Polierverfahren besteht. Vielmehr wird bei diesem Verfahren ein maschinell bearbeitetes piezoelektrisches Material mit einem getrennten Halterungsteil verbunden.

Im Gegensatz zu den oben beschriebenen bekannten Verfahren ist aus der DT-AS 12 74 675 ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Hochfrequenz-Dickenresonators bekannt, bei dem eine Platte aus einem piezoelektrischen Material maskiert und anschließend geätzt wird. Zum Ätzen wird dabei ein Elektronen- oder Sandstrahl verwandt. Weiterhin kann der Kristall auch mittels eines Sandstrahls gefräst werden. Bei dem nach diesem Verfahren hergestellten Hochfrequenzdicken-Resonator haben jedoch die geätzten Bereiche mit der Schwingung nichts zu tun, sondern verbinden lediglich die Resonanzbereiche.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Hochfrequenz-Dikkenresonators so auszubilden, daß durch Ätzen Resonanzbereiche mit einer Dicke zwischen 1 und 30 μιη entstehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Platte aus piezoelektrischem Material aus einem AT-Kristall, einem Lithiumniobateinkristall oder einem Lithiumtantalateinkristall ausgeschnitten wird.

auf eine Halteplatte aus einem Material, das einer Zerstäubung nur in geringem Ausmaß unterworfen ist, aufgelegt und durch eine Glimmer- oder Tantalfolie maskiert wird, wobei anschließend die durch die Maske nicht abgedeckten Bereiche im Vakuum mit einem Ionenstrahl auf eine Dicke zwischen 1 und 30 μπι geätzt werden.

An den nicht geätzten Teilen der Oberseite und Unterseite der piezoelektrischen Platte können Elektroden angebracht werden, die am Rand mit äußeren Zuleitungen verbunden sind. Der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Resonator kann am nicht geätzten dickeren Urnfangsbereich bequem befestigt werden, auch, wenn sein Resonanzbereich stärker geätzt ist, als der Grenzwert für das herkömmliche Läppoder Polierverfahren ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Resonatoren hergestellt werden, deren Grundresonanz/requenz 100 MHz und mehr erreicht und die eine Güte aufweisen, die sie zur Verwendung als Filter geeignet machen.

Das Ätzen soll auf Unterseite und Oberseite des plattenförmigen piezoelektrischen Materials vorzugsweise so lange erfolgen, bis mindestens 2 μπι Material abgetragen sind. Dadurch entstehen an Unter- und Oberseite im Verhältnis zu den geätzten Resonanzbereichen dickere Umfangsbereiche, an denen der Resonator bequem befestigt werden kann.

Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das aus einem Stück bestehende, plattenförmige piezoelektrische Material auf Ober- und Unterseite an mehreren, von einander entfernten Bereichen auf Dicken zwischen 1 bis 30 μιη geätzt, wodurch mehrere Resonanzbereiche entstehen.

Der auf diese Weise hergestellte Resonator kann geätzte Resonanzbereiche unterschiedlicher Dicke aufweisen und damit Resonanzschwingungen mit verschiedenen Grundresonanzfrequenzen durchführen.

Durch die Erfindung erhält man einen Resonator mit sehr hoher Grundresonanzfrequenz und hoher Kreisgüte Q.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden.

F i g. 1 erläutert ein Beispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines piezoelektrischen Hochfrequenz-Dickenresonators;

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen piezoelektrischen Dickenresonator, der nach dem in F i g. 1 erläuterten Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist;

F i g. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie III-III in F i g. 2, in Pfeilrichtung gesehen;

Fig.4 zeigt eine Draufsicht auf einen piezoelektrischen Dickenresonalor, der nach einem anderen Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist;

F i g. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V-V der F i g. 4, in Pfeilrichtung gesehen;

F i g. 6 zeigt eine Draufsicht auf einen piezoelektrischen Dickenresonator, der nach einem weiteren Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist;

F i g. 7 zeigt einen Schnitt längs der Linie VII-VIi der F i g. 6, gesehen in Pfeilrichtung.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf F i g. 1 das Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Dikkenresonators nach einer Ausführungsform der Erfin-

dung näher beschrieben. Zuerst werden die Eigenschaften eines plattenförmigen, piezoelektrischen Materials von 60 bis 80 mm Dicke untersucht, z. B. die Resonanzfrequenz, der Q-Wert oder die Ebenheit der Oberfläche im Mikroskop. Dann wird die piezoelektrische Platte 3 in eine Ausnehmung innerhalb einer Halterungsplatte 2 eingeführt, die z. B. aus rostfreiem Stahl von hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und einer Zerstäubung nur in geringem Ausmaß unterworfen ist. Der Teil der Oberfläche der rostfreien Halterungsplatte 2, der sich bis zum oberen Umfangsrand der piezoelektrischen Platte 3 in der Ausnehmung erstreckt, ist z. B. mit Glimmer oder Tantal abgedeckt. Die piezoelektrische Platte 3 in der Ausnehmung der Halterungsplatte 2 kann in einer Vakuumglocke 1 mit einer Hochfrequenz-Zerstäubungseinrichtung angeordnet sein, wie in F i g. 1 gezeigt.

Im folgenden soll das Herstellungsverfahren für die piezoelektrische Platte unter Verwendung einer HF-Zersiäubungsvorrichtung beschrieben werden.

Eine piezoelektrische Platte 3, die aus einer AT-geschnittenen Kristallplatte (temperaturabhängiger Kristall) von 37 mm Durchmesser und 82 μσι Dicke besteht, wird mit einer Maske 4 aus Glimmer oder Tantal bedeckt, die in der Mitte eine öffnung von 5,5 mm Durchmesser aufweist.

Wenn die Zerstäubungsvorrichtung vom 4-Pol-Typ ist, werden Argonkationen, die in dem Plasma zwischen den Elektroden 6 erzeugt werden, zur Halterungsplatte 2 aus rostfreiem Stahl hingezogen, wobei der Ausgangsanschluß des HF-Oszillators auf negativem Potential liegt und treffen als Ionen auf die Kristallplatte 3 an der Oberfläche der Halterungsplatte 2 auf. Im Falle der obengenannten AT-Kristallplatte 3 ätzen die auftreffenden Argonkationen die Kristalloberfläche mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 μηι/Std., wenn 300 W HF-Leistung und ein Anodenstrom von 3 A angewendet werden. Die Intensität dieses Ätzens kann durch den zugeführten Anodenstrom und die Ausgangsleistung des HF-Oszillators gesteuert werden. Wenn ein Anodenstrom von 4 A angewendet wird, wobei die anderen Bedingungen gegenüber dem vorhergehenden Fall unverändert sind, dann beträgt die Ätzgeschwindigkeit für die Kristallplatte 3 etwa 4 μΐη/Std.

Das Auftreffen der geladenen Teilchen des Argons bewirkt, daß die nicht abgedeckten Bereiche der Kristallplatte im Zentrum der Maske 4, die einen Durchmesser von 5,5 mm aufweisen, in ihrer Dicke von den ursprünglichen 70 um 40 μσι abnehmen, wenn 10 Std. lang Ionen auftreffen, wie in F i g. 3 gezeigt. Die Dicke des zentralen geätzten Resonanzbereichs 21 der Kristallplatte 3 ist dann auf 30 μιη verringert. Nach dem Beenden des Ätzvorgangs wird die Kristallplatte 3 aus der Vakuumglocke 1 herausgenommen, und ihre Ober- und Unterseiten werden zum Teil mit zwei Elektroden ti beschichtet, die z. B. aus Aluminium bestehen können, wobei der geätzte Resonanzbereich 21 zwischen diesen angeordnet ist. Wie F i g. 3 zeigt, erstrecken sich diese Elektroden 11 bis zu dem Rand des nicht geätzten, dickeren Umfangsabschnitts der Kristallplatte 3, wo sie mit äußeren Zuführungen 23 verbunden sind. Die auf diese Weise hergestellte Quarzplatte 3 hat bei einer Frequenz von 43 MHz ihre Grundresonanz, wobei em Q- Wert von 9500 beobachtet wurde.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 5 werden sowohl die Ober- als auch die Unterseite der Kristallplatte 3 einem Zerstäubungsprozeß durch Ionen unterworfen, um ihre Dicke zu verringern, wodurch ein mittlerer, dünner Resonanzbereich 21 gebildet wird. Wenn in diesem Fall das Auftreffen der geladenen Ionen auf die Ober- und Unterseite der Kristallplatte 3 8 Std. fortgesetzt wurde, war die Dicke des zentralen, geätzten Resonenzbereichs 21 auf 16 μιη verringert, wodurch die Grundresonanzfrequenz der Kristallplatte 3 auf 100 MHz erhöht werden konnte, und ein Q-Wert von 5000 festgestellt wurde, Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betriff! den Fall, daß ein einziges piezoelektrisches Material Resonanzschwingungen mit zwei verschiedenen Frequenzen ausführen soll. In diesem Fall wird ein piezoelektrisches Material, z. B. eine Kristallplatte 3, an der Ober- und Unterseite durch Zerstäuben an zwei Stellen geätzt, um geätzte Resonanzbereiche 31 und 32 zu bilden, wie in F i g. 7 gezeigt ist. Das Ätzen der Oberflächen dieser Resonanzbereiche 31 und 32 wird durch Einstellen der Zeitdauer bewirkt, während der die geladenen Teilchen auf die obere und untere Oberfläche der Kristallplatte 3 auftreffen, so daß es möglich ist, die gewünschten verschiedenen Grundresonanzfrequenzen zu erhalten. Da in diesem Fall die geätzten Resonanzbereiche 31 und 32 von nicht geätzten, dickeren Bereichen 33, 34 und 35 umgeben sind, macht es keine Schwierigkeiten, die Kristallplatte 3 in der gewünschten Lage anzubringen. In der Ausführungsform der F i g. 6 und 7 sind die Elektroden 36 und 37 an beiden Seiten des geätzten Resonanzbereichs 31 angebracht und mit äußeren Zuführungen 40 und 41 an den Oberflächen der nicht geätzten, dickeren Bereiche 33 und 34 verbunden. Andererseits sind die Elektroden 38 und 39 an den beiden Oberflächen des geätzten Resonanzbereiches 32 angebracht und mit äußeren Zuführungen 42 und 43 an den Oberflächen der nicht geätzten, dickeren Bereiche 34 und 35 verbunden.

Es ist ebenso möglich, daß eine einzige piezoelektrische Platte Resonanzschwingungen mit einer Vielzahl von Grundfrequenzen ausführt, indem bestimmte gewünschte Bereiche einer piezoelektrischen Platte auf verschiedene Dicken geätzt werden.

Die vorhergehenden Ausführungsformen betrafen den Fall, wo die piezoelektrische Platte aus einem AT-Kristall (temperaturabhängiger Kristall) besteht. Jedoch auch, wenn die piezoelektrische Platte aus X- und V-Platten eines Kristalls aus um 163" gedrehtem Y-geschniltenem Lithiumniobat oder aus einer X-Platte von Lithiumtantalat hergestellt ist, kann das Ziel der Erfindung erreicht werden, wenn die piezoelektrische Platte in ihrem mittleren Bereich auf eine Dicke zwischen 1 und 30 μιη verringert wird, wobei den umgebenden, nicht geätzten, dickeren Bereichen eine Dicke verbleibt, die um wenigstens 2 μιη größer ist als die des geätzten Resonanzbereiches.

Die für das Ätzen erforderliche Ionenquelle braucht nicht aus einer HF-Tetrodenzerstäubungsvorrichtung bestehen, sondern kann auch eine Dioden- oder Trioden-Zerstäubungsvorrichtung oder ein lonenstrahlgenerator sein.

Wenn ein piezoelektrischer Dickenresonator als Filter verwendet wird, ist es erforderlich, daß er einen hohen Q-Wert und eine große Kapazität besitzt Da der erfindungsgemäße Resonator diese Forderungen erfüllt ist er besser als Filter geeignet als die bekannten Filter, welche Materialien verwenden, bei denen durch eine bestimmte Bearbeitung ungerade harmonische Schwingungen auftreten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Hochfrequenz-Dickenresonators, bei dem eine Platte aus einem piezoelektrischen Material maskiert und anschließend geätzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (3) aus piezoelektrischem Material aus einem AT-Kristall, einem Lithiumniobateinkristall oder einem Lithiumtantalateinkristall ausgeschnitten wird, auf eine Halleplatte (2) aus einem Material, das einer Zerstäubung nur in geringem Ausmaß unterworfen ist, aufgelegt und durch eine Glimmer- oder Tantalfolie maskiert wird, wobei anschließend die durch die Maske nicht abgedeckten Bereiche im Vakuum mit einem Ionenstrahl auf eine Dicke zwischen 1 und 30 μπι geätzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Atzen der nicht abgedeckten Bereiche auf Ober- und Unterseite des plattenförmigen, piezoelektrischen Materials mindestens 2 μπι abgetragen werden.

3 Verfahren nach Anspruch ΐ odci 2. dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige, piezoelektrische Material an der Ober- und Unterseite an mehreren voneinander entfernten Bereichen geätzt wird, wodurch mehrere Resonanzbereiche (21, 31, 32) gebildet werden.

4. Piezoelektrischer Hochfrequenz-Dickenresonator, der gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist, gekennzeichnet durch einen plattenförmigen Resonanzbereich (21), der auf eine Dicke zwischen 1 bis 30 μιη geätzt ist und durch einen nicht geätzten, am Umfangsrand dieses Pesonanzbereichs um wenigstens 2 μπι von diesem im wesentlichen senk recht vorspringenden, mit dem ttesonanZbereich (21) aus einem Stück bestehenden Bereich (22), wobei die Oberseite, die diesen nicht geätzten, senkrecht vorspringenden Bereich umfaßt und die Unterseite des Resonators teilweise mit plattenförmigen Elektroden (11) bedeckt sind, deren äußere Ränder sich bis zum Umfang des Resonators erstrecken und die mit äußeren Zuleitungen (23) verbunden sind.

5. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die nicht geätzten, im wesentlichen senkrecht vorspringenden Bereiche (22), die wenigstens um 2 μπι dicker als die auf eine Dicke zwischen 1 bis 30 μπι geätzten Resonanzbereiche (21) sind, an den Umfangsrändern sowohl der Ober- als auch der Unterseite des Resonanzbereichs (21) ausgebildet sind.

6. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer einzigen Platte (3) mehrere voneinander entfernte, nicht geätzte, im wesentlichen senkrecht vorspringende Bereiche (33,34,35), die um wenigstens 2 μπι dicker als die auf eine Dicke zwischen 1 bis 30μιη geätzten Resonanzbereiche (31, 32) sind, an der Ober- und Unterseite dieser Resonanzbereiche ausgebildet sind, wobei zumindest der äußerste dieser vorspringenden Bereiche am Umfangsrand der Resonanzbereiche (31,32) vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Hochfrequenz-Dickenresonator und ein Verfahren zu seiner Herstellung, bei dem eine Platte aus einem piezoelektrischen Material maskiert und anschließend geätzt wird.

Bei einem piezoelektrischen Dickenresonator besteht zwischen seiner Dicke und der Grundresonanzfrequenz die Beziehung:

Dicke (m) ■ Grundresonanfrequenz (Hz) = Konstante (m ■ Hz)

Um eine hohe Grundresonanzfrequenz zu erhalten, ist es daher erforderlich, die Dicke des Resonators zu verringern. Zu diesem Zweck wurde bisher ein mechanisches Läppen oder Polieren oder chemisches Ätzen oder beides angewandt. Die obengenannte Konstante (m · Hz) beträgt beispielsweise für eine AT-Quarzplatte 1660. Um eine Grundresonanzfrequenz von 50 MHz für diese Quarzplatte zu erhalten, muß ihre Dicke auf 0.0332 mm herabgeschliffen werden. Derartige Läppoder Poliervorgänge erfordern jedoch eine sehr große Erfahrung und Geschicklichkeit. Weiter bietet eine auf diese Weise hergestellte Quarzplatte beträchtliche Schwierigkeiten bei der Handhabung und beim Anbringen von Zuführungsanschiussen oder der Halterung selbst. Diese Nachteile des herkömmlichen Läpp- oder Polierverfahrens wurden nicht nur bei Quarzplatten, sondern auch bei anderen piezoelektrischen Materialien festgestellt. Um ohne Anwendung der obengenannten Läpp- oder i'oliervcifahren einen Resonator herzustellen, dessen Ausgangssignal eine hohe Frequenz hat, wurde ein Verfahren angewandt, bei dein eine bestimmte Gruppe von Materialien verwendet wird, die so bearbeitet werden können, daß sie ungerade Harmonische, wie z. B. die dritte, fünfte oder siebte oder darüber, der Grundfrequenz eines Resonators liefern können. Dieses Verfahren kann jedoch gelegentlich die Güte, d. h. den Q-Wert, eines Resonators verringern. Weitchin nimmt bekanntlich die Kapazität eines Resonators proportional zum Quadrat der Ordnung der Harmonischen ab. Wenn bei einem Resonator zur Verwendung als Filter eine bestimmte Bandbreite bzw. mehrere Resonanzfrequenzen erforderlich sind, so schränken sowohl die elektrischen Eigenschaften als auch die mechanischen Probleme infolge Stoffauswahl und Bearbeitung seine Verwendbarkeit ein. Demgemäß bestand ein wachsendes Bedürfnis nach einem piezoelektrischen Resonator, der eine Ätzbearbeitung in einem Ausmaß erlaubt, die seine Dicke über den Wert hinaus verringert, der als Grenze für die früheren Läpp- oder Polierverfahren angesehen wurde und der ebenfalls eine höhere Grundresonanzfrequenz hat. Es wurden bisher verschiedene Verfahren entwickelt, die Dicke eines plattenförmigen piezoelektrischen Materials zu verringern oder die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Dickenresonators zu ändern. Gemäß der US-PS 35 28 851 weist der Bereich des piezoelektrischen Materials zwischen den beiden Elektroden eine geringere Dicke als der Umgebungsbereich auf. Das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren ist nämlich darauf gerichtet, die Dicke eines Resonators im Hinblick auf ein Abnehmen der sogenannten Störsignale zu verringern. Bei diesem bekannten Verfahren besteht nur die Forderung, daß der Bereich des piezoelektrischen Materials zwischen den zwei Elektroden eine Dicke besitzt, die um etwa 1 bis 2% gegenüber dei Dicke des umgebenden Bereichs verringert ist. Eine erreichte Enddicke ist nicht angegeben. Weiterhin wird eine Grundfrequenz des Resonators von 10 MH?