DE2337436C2

DE2337436C2 - Anordnung zur Konstanthaltung der Frequenz eines piezo- oder ferroelektrischen Schwingkristalls

Info

Publication number: DE2337436C2
Application number: DE19732337436
Authority: DE
Inventors: Heinz 7809 Denzlingen Rössle
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1973-07-24
Filing date: 1973-07-24
Publication date: 1982-02-04
Also published as: IT1017173B; CH1011474A4; FR2239048A1; GB1435665A; CH588784B5; FR2239048B3; DE2337436A1

Description

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem der Konstanthaltung der Frequenz eines piezo- oder ferroelektrischen Schwingkristalls. Solche Schwingkristalle werden als frequenzbestimmendes Element von elektrischen Oszillatorsdialtungen verwendet und haben in dieser Eigenschaft auch Eingang in die Uhrentechnik gefunden. Jedoch ist die Anwendung von Schwingkristallen auf solche Uhren-Oszillatorschaltungen nicht beschränkt.

Bekanntlich ist die Schwingfrequenz von Schwingkristallen temperaturabhängig, da sie bei Temperaturänderungen wie jeder feste Körper eine Wärmeausdehnung zeigen, die die für die Schwingfrequenz maßgebenden Abmessungen der Schwingkristalle verändert.

Insbesondere bei in Kraftfahrzeugen betriebenen Uhren, die als Zeitnormal eine Quarzoszillatorschaltung aufweisen, macht sich die Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz von Schwingkristallen nachteilig bemerkbar, da solche Uhren großen Temperatui Schwankungen unterworfen sind. So kann beispielsweise bei einem im Sommer mehrere Stunden der Sonne ausgesetzten Kraftfahrzeug die Temperatur am Ort der Uhr auf 70 bis 90°C ansteigen, während im Hochgebirge Nachttemperaturen von bis zu — 30°C auftreten können. In diesem gesamten Temperaturbereich von ungefähr 100° C soll die Gangabweichung von Quarzuhren jedoch möglichst klein sein.

In der Technik der Quarzoszillatorschaltungen ist es seit langem bekannt, vgl. beispielsweise die Zeitschrift »Proc. of the IEEE«, Februar 1966, Seiten 103 bis 116, insbesondere Fig. 20 auf Seite 113, die Frequenz solcher Schwingkristalle dadurch konstant zu halten, daß sie in einem Thermostaten oder in einem auf konstante Temperatur geregelten Ofen deponiert sind. Solche Anordnungen nehmen jedoch im allgemeinen ein insbesondere für die Anwendung in der Uhrentechnik zu großes Volumen ein, so daß sich die Erfindung die Aufgabe gestellt hat, eine Anordnung zur Konstanthaltung der Frequenz eines piezo- oder ferroelektrischen Schwingkristalls einer Oszillatorschaltung anzugeben, die den insbesondere in der Uhrentechnik vorgegebenen Abmessungen besser entspricht. Diese Aufgabe wird von der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zum Stand der Technik ist noch zu erwähnen, daß bei integrierten Schaltungen, die bekanntlich vielfach mittels aus Silicium bestehender einkristalliner Halbleiterkörper realisiert werden, schon der Gedanke vorgeschlagen wurde, innerhalb des Halbleiterkörpers eine: Teilstruktur als Heizelement auszubilden und dessen erzeugte Wärmemenge so zu regeln, daß der Halbleiterkörper insgesamt eine konstante Temperatur annimmt, vgl. die DE-OS 20 37 636. Da es sich bei piezo- oder ferroelektrischen Schwingkristallen und eir.kristallinen Halbleiterkörpern um Kristalle aus völlig verschiedenen Materialien handelt (Quarz, Piezokeramik einerseits, Silicium, A^lnB^v-Verbindungen wie GaAs, GaP andererseits), deren Herstelltechniken im übrigen auch völlig verschieden voneinander sind, ist ein Halbleiterbauelement innerhalb eines Schwingkristalls oder umgekehrt nicht realisierbar. Die DE-OS 20 37 636 gibt also keinen Hinweis zur Lösung der oben genannten Aufgabe. Die bekannte Anordnung kann im Sinne der Erfindung lediglich als aufheizbare integrierte Halbleiterschaltung bezeichnet werden.

Zur Erläuterung der Erfindung dient die Figur der Zeichnung, die schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt. Der in der Figur gezeigte metallische Gehäusesockel 1 weist die vier Zuleitungen 2,3,4 und 5 auf, von denen die Zuleitungen 2,3 und 4 isoliert durch den Gehäusesockel geführt sind. Auf dem Sockelboden ist das heizende bzw. kühlende Halbleiterbauelement 6 befestigt, das somit über den Gehäusesockel 1 mit der Zuleitung 5 in elektrischer Verbindung steht. Ein zweiter Anschluß des Halbleiterbauelements 6 ist über den Draht 7 mit der Zuleitung 2 verbunden. Somit kann dem Halbleiterbauelement über die Zuleitungen 2 und 5 der Heiz- bzw. Kühlstrom zugeführt werden.

In erfindungsgemäßer Weise ist nun auf dem Halbleiterbauelement der Schwingkristall 8 befestigt,

der im Ausführungsbeispiel nach der Figur als Stimmgabel gezeichnet ist Diese Ausbildung als Stimmgabel ist jedoch nicht unbedingt zwingend, bietet jedoch den Vorteil, daß ihre Befestigung am Halbleiterbauelement 6 im Flächenbereich des Schwingungsknotens vorgenommen werden kann. Die Stimmgabel steht über die Drähte 9 und 10 mit den Zuleitungen 3 und 4 in Verbindung, so daß sie von außen elektrisch erregt werden kann.

In der Figur ist der Gehäusedeckel bzw. die Gehäusekappe nicht dargestellt, die bei der fertigen Anordnung selbstverständlich mit dem Gehäusesockel dicht verbunden ist Auch kann der so gebildete Hohlraum evakuiert oder mit einem geeigneten Gas gefüllt sein.

Bei einer Abwandlung des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels kann zwischen dem Gehäusesokkel und dem Halbleiterbauelement ein Material hohen Wärmewiderstands angebracht werden, :o daß die im Halbleiterbauelement erzeugte Wärme bzw. der vom Halbleiterbauelement hervorgerufene Kühleffekt sich weitgehend nur in Richtung des Schwingkristalls 8 auswirken.

Als heizende Halbleiterbauelemente können sowohl Transistoren als auch in Flußrichtung betriebene Dioden oder Z-Dioden verwendet werden. Bei Transistoren wird der zur Heizung dienende und im Kollektor-Emitter-Stromkreis fließende Heizstrom über die temperaturabhängige Basis-Emitter-Spannung geregelt. Bei in Flußrichtung betriebenen Dioden oder bei einer Z-Diode wird der durch sie fließende Heizstrom über den an der Diode liegenden Spannungsabfall geregelt.

Diese heizenden Halbleiterbauelemente können nach einer Weiterbildung der Erfindung auch Bestandteil einer integrierten Schaltung sein, d. h. Schwingkristall, Oszillatorschaltung und Regeleinrichtung können auf sehr kleinem Raum untergebracht werden, so daß auch die Temperatur der gesamten integrierten Schaltung sich auf den konstanten Temperaturwert des Schwingkristalls einstellt

Soll der Schwingkristall nicht geheizt sondern gekühlt werden, so wird als Halbleiterbauelement ein Peltier-Element verwendet. Zur Regelung der vom Peltier-Element erzeugten Kühltemperatur wird dabei zweckmäßigerweise in seiner Nähe ein Transistor, eine Diode oder eine Z-Diode angeordnet, von der eine temperaturabhängige elektrische Größe abgeleitet wird, beispielsweise die Basis-Emitter-Spanr.ung oder die Flußspannung oder die Abbruchspannung der Z-Diode, die als Steuergröße für den Temperaturregelkreis, also für den durch das Peltier-Element fließenden Strom dient.

Jn Weiterbildung der Erfindung kann für Fälle, bei denen die Solitemperatur des Schwingkristalls beispielsweise im Bereich von O⁰C eingestellt werden soll, sowohl ein kühlendes Peltier-Element als auch ein heizendes Halbleiterbauelement verwendet werden, wobei unterhalb der Solltemperatur das heizende Halbleiterbauelement im Regelkreis wirksam ist, während oberhalb der Solltemperatur das kühlende Peltier-Element in Funktion tritt

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es somit möglich, eine außerordentlich gute Frequenzkonstanz von Oszillatorschaltungen zu erreichen, wobei diese Anordnung insbesondere mit der Technik der integrierten Schaltungen kompatibel ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Konstanthaltung der Frequenz eines piezo- oder ferroelektrischen Schwingkristalls einer Oszillatorschaltung, wobei der Schwingkristall von einer temperaturgeregelten Heizeinrichtung erhitzt und/oder von einer temperaturgeregelteii Kühleinrichtung gekühlt wird, insbesondere für in Kraftfahrzeugen verwendete Quarzuhren, dadurch gekennzeichnet, daß als geregelte Heiz- oder Kühleinrichtung ein mindestens eine Grenzschicht enthaltendes Halbleiterbauelement (6) dient und daß der Schwingkristall (8) mit dem Halbleiterbauelement in Wärmekontakt steht

2. Anordnung mit einem in einem hermetisch is verschlossenen Gehäuse untergebrachten und einseitig befestigten, insbesondere stiinmgi.belförmigen, Schwingkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (6) zwischen dem Gehäusesockel (1) und der Befestigungsstelle des Schwingkristalls (8) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleiterbauelement (6) und dem Gehäusesockel (1) ein Material hohen Wärmewiderstandes angebracht ist. 2s

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als heizendes Halbleiterbauelement ein Transistor dient und daß über dessen Basis-Emitter-Spannung der im Kollektor-Emitter-Stromkreis fließende Heizstrom geregelt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als heizendes Halbleiterbauelement eine in Flußrichtung betriebene Diode oder eine Z-Diode dient und daß über deren Spannungsabfall der durch sie fließende Heizstrom geregelt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als kühlendes Halbleiterbauelement ein Peltier-Element dient.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das als geregelte Heizeinrichtung dienende Halbleiterbauelement Bestandteil einer integrierten Schaltung ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Solltemperatur des Schwingkristalls im Bereich von 0°C eingestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkristall bei Umgebungstemperaturen unterhalb der Solltemperatur geheizt und oberhalb der Solltemperatur gekühlt ist.