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Verfahren zur Herstellung eines frequenzbestimmenden Kristalls Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines frequenzbestimmenden Kristalls,
und insbesondere die Abstimmung des Kristalls auf eine gewünschte Eigenfrequenz.
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Bei der Herstellung von frequenzbestimmenden Kristallen, z.B.
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aus Quarzstäben oder Quarzscheiben, werden diese Kristalle aus künstlichen
oder natürlich hergestellten Ursprungskristallen in Form verhältnismässig dünner
Platten oder Stäbe geschnitten, wobei eine bestimmte Orientierung bezüglich der
kristallographischen Achsen berücksichtigt wird. So ist z.B.
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der sogenannte "ND-Schnitt" einer der bekanntesten Kristallschnitte
und verläuft etwa mit seiner Längsausdehnung unter einem Winkel von 8 1/20 zur kristallographischen
Y-Achse, wobei die Hauptflächen etwa unter einem Winkel von 55° und 35° bezüglich
der Z- und X-Ächsen verlaufen. Nach dem Ausschneiden
schneiden der
Stäbe oder Platten in der Regel durch Zersägen des Ausgangskristalls werden diese
Stäbe oder Platten poliert.
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Da jedoch die Eigenfrequenz des Kristalls von seiner Masse und seinen
Abmessungen abhängt, müssen beim Polieren sehr enge Toleranzen eingehalten werden.
Bei einem Nir-geschnittenen Kristall ergibt sich eine Schwingungsart in Form einer
Balkenschwingung mit praktisch keiner Dickenänderung. Daher ergibt sich die maximale
Auslenkung und damit Beschleunigung in einem mittleren Bereich der Längenabmessung,
wogegen die minimale Beschleunigung oder Auslenkung an den Stirnseiten der Scheibe
oder des Stabes sich einstellt. Es ist bekannt, die Eigenfrequenz des Kristalls
durch Polieren einzustellen, indem die Bereiche der grössten Auslenkung auf eine
dünnere Dimensionierung abgetragen werden, wodurch sich die Eigenfrequenz des Kristalls
erhöht. Es ist auch bekannt, von einer höheren Frequenz auszugehen und diese durch
Aufdampfen von Metallen zu erniedrigen. Bei diesem bekannten Verfahren kann die
Eigenfrequenz des Kristalls nicht eingestellt werden, wenn er an seinem Sockel montiert
ist, da es keine geeigneten Mittel gibt, um den Kristall für das Aufdampfen von
Metallflächen zu maskieren, oder während des Abschleifens und Abpolierens entsprechend
festzuhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
mit dem die Eigenfrequenz eines Kristalls sehr einfach und sehr genau eingestellt
werden kann, wobei der Kristall bereits auf seinem Montagesockel befestigt ist.
Dabei soll insbesondere die frequenzbestimmende Bearbeitung an Kristallscheiben
mit einem NrD-Schnitt zu der gewünschten Eigenfrequenz führen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Kristallscheibe
mit Abstimmauflagen versehen wird, um die Eigenfrequenz der Kristall scheibe auf
eine Frequenz unterhalb oder gleich der gewünschten Eigenfrequenz abzusenken, dass
die
die Kristallscheibe in den Knotenachsen freitragend montiert
und in Schwingung versetzt wird, und dass die Kristallscheibe auf die gewünschte
Eigenfrequenz durch Abtragen von Teilen der Abstimmauflagen eingestellt wird.
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Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
weiteren Ansprüchen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
von einer Kristallscheibe ausgegangen,- die mit Netallelektroden und Abstimmauflagen
durch Aufdampfen von Metall versehen ist. Diese Kristallscheibe wird an einem Montagesockel
im Bereich der Knotenachsen befestigt. Aufgrund der Nasse der Abstimmaüflagen schwingt
die derart befestigte Kristallscheibe auf einer Frequenz unterhalb der gewünschten
Eigenfrequenz. Um die Netallscheibe auf die gewünschte Eigenfrequenz zu bringen,
werden #eile der Abstimmauflagen entfernt, wobei diese vorzugsweise mit-laserenerie
behandelt werden. Diese Art der Abtragung der Abstimmauflagen oder #eilen derselben
führt zu einem sehr einfachen Herstellungsverfahren, mit dem erhebliche Eosteneinsparungen
möglich sind und ausserdem eine Abstimmung auf die gewünschte Eigenfrequenz'mit
einer bisher nicht erreichbaren Genauigkeit möglich ist.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den sowohl
einzeln als auch in weder beliebigen Kombination die Erfindung kennzeichnenden Ansprüchen
und der Zeichnung. Es zeigen: Fig. l eine perspektivische Ansicht eines in seiner
Halterung montierten Kristalls, der auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist;
Fig. 2
Fig. 2 eine draufsicht auf den Kristall mit einer schematischen
Andeutung seiner Schwingungsart; Fig. 3 einen Schnitt durch die Vakuumkammer zum
jNiederschlagen der Abstimmauflagen auf dem Kristall.
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Der in Fig. 1 dargestellte Kristall 11 mit einem liT-2chnitt besteht
aus einem verhältnismässig dünnen Streifen oder einer verhältnismässig dünnen Platte
eines natürlichen oder künstlich hergestellten Quarzes, wobei auf den Hauptflächen
12 und 12a des Quarzes aufgedampfte Metallelektroden 13 und 14 vorgesehen sind.
An diese Metallelektroden sind Leitungen 15 und 16 angeschlossen, z.3. durch Anlöten,
um den Kristall 11 auf einem Sockel 17 mit Hilfe von Trägerstiften 18 und 19 zu
montieren. enn die Basis 20 des Sockels 17 aus leitendem Material in herkömmlicher
Weise hergestellt ist, sind die Trägerstifte 18 und 19 an dieser Basis mit Hilfe
von Ringen 21 und 22 aus dielektrischem Material befestigt. Die Art der Verbiegung
eines NT-geschnittenen Kristalls ist schematisch in Fig 2 dargestellt, wobei die
Kristallscheibe 11 um die Knotenachsen 23 und 24 schwingt, wobei die eine Endlage
der Schwingung mit vollen Linien und die andere Endlage der Schwingung mit gestrichelten
Linien angedeutet ist. Somit stellen diese Knotenachsen 23 und 24 Punkte am Kristall
dar, die keine Verschiebung erfahren und sind damit gleichzeitig die günstigsten
Punkte zum Befestigen der Halterungsdrähte 15 und 16. Da die Schwingung der Kristallscheibe
der Verbiegung eines Balkens folgt, erhält man die Punkte maximaler Auslenkung an
den Längskanten zwischen den Knotenachsen,und die Punkte geringster Auslenkung an
den stirnseitigen sonden der Scheibe. Obwohl auch diese Stirnbereiche 25 und 26
mit geringster Auslenkung für die Erregung des Kristalls auf seine Kristallfrequenz
verwendet werden können, wird vorzugsweise die Erregung an den Punkten bzw. Bereichen
27 und 28 maximaler Auslenkung vorgesehen.
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Neben
Neben den Bereichen 27, 28 grösster Auslenkung
werden auf den Metallelektroden 13 und 14 der Kristallscheibe 11 Äbstimmauflagen
29 und 30 (Fig. 1) angebracht, die eine Dämpfung der Schwingung und damit eine Verschiebung
der Oszillationsfrequenz bewirken. Diese Oszillationsfrequenz des Kristalls kann
anschliessend wieder bis zu der gewünschten bestimmten Frequenz erhöht werden, indem
von den Abstimmauflagen zeine entfernt werden, z B. unter Einwirkung von Laserenergie.
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Entsprechend einem bevorzugten Verfahren zum Trimmen des Kristalls
auf eine gewünschte Frequenz wird die Kristallscheibe 11 in eine Vakuumkammer 31
gebracht. Diese Vakuumkammer 31 hat eine als Haskierung dienende Trägerplatte 32,
um die Kristallscheibe zu haltern während des Aufdampfens der Metallschichten.
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Ferner sind an der Trägerplatte 32 Elemente 33 zum Ausrichten vorgesehen,#amit
die auf der Srägerplatte liegende Kristallscheibe 11 die richtige Lage einnimmt.
Die Hetallisation, d.h.
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das Niederschlagen der Metallschicht auf der Kristallscheibe, erfolgt
vorzugsweise durch eine Öffnung 34 in der Trägerplatte, die aufgrund ihrer Abmessungen
auch die Grösse der Abstimmauflagen 29 und 30 auf der Kristallscheibe 11 bestimmt.
Während dieses Aufdampfvorganges wird die Vakuumkammer in herkömmlicher Jeise evakuiert
und mit Hilfe einer Heizung 35 das Verdampfen des Metalles aus der Materialquelle
36 ausgelöst. Das verdampft Metall schlägt sich durch die Öffnung 34 auf der Kristallscheibe
11 nieder, wobei die Fläche der Abstimmauflagen 29 und 30 durch die Begrenzung der
Öffnung 34 in der Trägerplatte definiert wird. Bei der Verwendung eines geeigneten
automatischen Maskierverfahrens, das während des Verdampfens eine Änderung der Maskierung
zulässt, kann es auch zweckmässig sein, die Metallelektroden 13 und 14 auf der Kristallscheibe
11 während des erwähnten Behandlungszyklus in der Vakuumkammer 31 gleichzeitig mit
herzustellen. enn für die ,zbstimmauflagen eine Chrom-Kupfer-Gold-Metallisation
Verwendung findet, kann es wünschenswert sein, gleichzeitig Lötpunkte zum Befestigen
Befestigen
der Halterungsdrähte 15 und 16 an den Punkten für die Knotenachsen 23 und 24 vorzusehen.
Da jedoch für die Abstimmauflagen eine verhältnismässig dicke Goldschicht benötigt
wird, wogegen für die Lötpunkte lediglich genügend Gold für das Vermeiden einer
Oxydation des Kupfers benötigt wird, werden vorzugsweise zwei Verdampfungsschritte
vorgesehen, wovon der eine für die Herstellung der Lötpunkte und der andere für
die flerstellung der Abstimmauflagen Verwendung finden kann.
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Zu diesem Zweck kann eine separate Goldquelle bei der Ausbildung der
Abstimmauflagen vorgesehen sein.
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Nach der Netallisation der Kristallscheibe, um einerseits die Netallelektroden
13 und 14, die Lötpunkte in den Knotenachsen 23 und 24 und die Abstimmauflagen 29
und 30 herzustellen, kann die Kristall scheibe 11 in herkömmlicher Weise auf dem
Sockel 17 gemäss Fig. 1 montiert werden. nschliessend wird der Kristall an eine
Testanlage angeschlossen, die eine Stromquelle 40 und einen Frequenztester 41 umfasst,
um die Schwingfrequenz des Kristalls feststellen zu können. Durch das vorausgehende
Polieren und die Menge des für die Abstimmauflagen verwendeten Metalls wird die
Schwingfrequenz derart vorbestimmt, dass sie entweder unter der gewünschten oder
gleich der gewünschten Schwingfrequenz ist. Dann wird eine Energiequelle 42, vorzugsweise
ein Laser, dazu benutzt, um von den Abstimmauflagen 29 und 30 soviel Material abzutragen,
dass die Kristallscheibe die gewünschte Eigenfrequenz annimmt. Obwohl auch andere
Möglichkeiten gegeben sind, um z.B. Gold von den Abstimmauflagen abzudampfen und
damit die Eigenfrequenz des Kristalls zu erhöhen, erweist die Verwendung eines Lasers
sich als besonders vorteilhaft, da er sehr leicht auf verhältnismässig kleine Flächenbereiche
ausgerichtet werden kann, wie sie im vorliegenden Fall durch die Sßbstimmauflagen
gegeben sind. Ausserdem ist es mit Hilfe eines Lasers sehr leicht möglich, auch
geringste Mengen eines Materials abzutragen, so dass sich die gewünschte digenfrequenz
Eigenfrequenz
äusserst genau einstellen lässt.
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Patentansprüche