DE2340649B2 - Piezoelektrischer Resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator, insbesondere Dickenscherungsschwinger, bestehend aus einem planparallelen, scheibenförmigen Schwingkörper, welcher auf seinen beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils mit einer Zentralelektrode, einer mit der Zentralelektrode vereinten ersten Randelektrode und einer zweiten, von der Zentralelektrode isolierten Randelektrode im wesentlichen vollständig bedeckt ist, wobei jeweils die erste Rand-649

elektrode der einen Seitenfläche der zweiten Randelektrode der anderen Seitenfläche gegenüberliegt und mit dieser am Rand des Schwingkörpers elektrisch verbunden ist

Ein Schwingquarz, welcher mit ähnlichen Elektroden versehen ist, ist z. B. aus der US-PS 29 94 791 bekannt. Im einzelnen handelt es sich dabei um einen Flächenscherungsschwinger, bei dem eine besonders wirkungsvolle Erfassung der Oberflächenladungen des Quarzes angestrebt und gleichzeitig eine relativ niedrige Resonanzimpedanz erzielt wird.

Bei Resonatoren im Bereich der Dickenscherungsschwinger tritt jedoch das Problem auf, daß durch Kopplung der gewünschten Dickenscherungsschwingung mit Biegeoberschwingungen desselben Vibrators der Hauptresonanz so viel Energie entzogen wird, daß derartige Schwingquarze im Arbeitstemperaturbereich Diskontinuitäten im Frequenz- und Widerstandsverlauf zeigen oder sogar betriebsunfähig werden. Durch den Wegfall der dämpfenden Luft im Vakuum und infolge der relativ großen Temperaturkoeffizienten der parasitären Biegeschwingungen treten solche Kopplungen insbesondere bei evakuierten Schwingquarzen höherer Frequenzen, z. B. von 30 bis 200 MHz schon bei Schwingströmen ab etwa 1 mA, so häufig auf, daß in Abhängigkeit vom Arbeitstemperaturbereich die Ausfallrate wirtschaftlich nicht zu vertreten ist.

Man kann die genannten störenden Biegeschwingungen zwar auf mechanischem Wege durch Aufbringen von Dämpfungsmassen auf den Vibrator dämpfen. Das bedeutet aber zusätzlichen Fertigungsaufwand. Außerdem ist der Erfolg derartiger Maßnahmen unbefriedigend, weil eine gezielte Dämpfung oder Unterdrückung der Störungen wegen der hohen Ordnungszahl der Biegeoberschwingungen praktisch nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen insbesondere als Dickenscherungsschwinger geeigneten Resonator der eingangs genannten Art anzugeben, der eine sichere, konstante Hauptresonanz bei einem Grund- bzw. Oberton aufweist und möglichst nebenwellenfrei ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeweils die erste Randelektrode auf der einen Seile des Schwingkörpers mit der zweiten Randelektrode auf der anderen Seite des Schwingkörpers deckungsgleich ist.

Durch diese Elektrodenkonfiguration ergibt sich eine Potentialverteilung in dem Resonator, bei der sich lediglich im Flächenbereich der Zentralelektroden verschieden gepolte Potentiale gegenüberliegen und somit ein elektrisches Feld auf den Resonator einwirkt; der Flächenbereich der Randelektroden hingegen bleibt feldfrei. Außerdem wirkt die elektrische Verbindung gegenüberliegender Randelektroden hinsichtlich etwaiger mechanischer Schwingungen im Randbereich wegen des piezoelektrischen Effekts als dämpfender Kurzschluß. Somit erhält man durch die erfindungsgemäße Maßnahme einen piezoelektrischen Resonator der Dickenscherungsschwingung, bei welchem die störenden Biegeschwingungen ausreichend gedämpft und ihre Anregung ausreichend sicher verhindert wird, ohne daß die typischen elektrischen Eigenschaften dieses Resonators bei der Hauptresonanz (Nutzfrequenz) beeinträchtigt werden. Damit werden in vorteilhafter Weise Diskontinuitäten der Frequenz und des Resonanzwiderstandes in Abhängigkeit von der Temperatur vermieden. Darüber hinaus werden sogar Nebenresonanzen, insbesondere die der nichtharmonischen Dikkenscherungsschwingungen, vorzugsweise bei Dicken-

scherungsschwingern in Grundtonanregung bis zur Anregung im dritten Oberton (z. B. etwa von 8 MHz bis 60MHz) wesentlich stärker gedämpft als bei Vibrato-,en mit herkömmlichen Anregungselektroden.

Ferner ist vorteilhaft, daß der erfindunpsgemäße Resonator gegenüber einem mit Dämpfungsmassen versehenen Resonator mit verringertem Fertigungsaufwand herstellbar ist, da die angestrebte Wirkung allein durch die spezielle Elektrodenkonfiguration erzielt wird. Durch die Vermeidung der Diskontinuitäten in Frequenz und Pesonanzwiderstand eröffnet sich beim Anmeldungsgegenstand außerdem die Möglichkeit, daß dieser statt in einem gasgefüllten in einem evakuierten Gehäuse untergebracht werden kann. Damit lassen sich aber bei Obertonquarzen Obertöne höherer Ordnungszahl zur Schwingungserzeugung heranziehen, bei denen infolge der Möglichkeit dickere Schwingkörper (z. B. AT-Platten) zu verwenden, die Beherrschung der Kristallorientierung wesentlich vereinfacht ist und damit ein besonders gut reproduzierbarer Temperaturkoeffizient erzielt wird. Zur elektrischen Trennung der Teilelektroden sind zwischen diesen Schlitze vorgesehen, die so schmal wie möglich ausgeführt sind. Die Breite der Schlitze richtet sich danach, daß je nach dem gewählten Beschichtungsverfahren noch eine sichere elektrische Trennung der Teilelektroden gewährleistet ist. In praktischen Ausführunggsbeispielen liegt die Breite derartiger Trennschlitze etwa im Bereich unterhalb 0,5 mm.

Ein geometrisch besonders einfaches Elektrodenmuster ergibt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß bei einem kreisscheibenförmigen Schwingkörper mit in dessen Mittenbereich angeordneten ebenfalls kleisscheibenförmigen Zentralelektroden die Randelektroden als symmetrisch zu den Zentralelektroden angeordnete Kreisbogenabschnitte ausgebildet sind. Ein solches Elektrodenmuster ist in einer industriellen Massenfertigung besonders gut beherrschbar.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Randelektroden halbkreisbogenförmig ausgebildet und zwischen diesen Trennschlitze vorgesehen sind, welche im wesentlichen senkrecht zur Verbindungslinie zweier für den Schwingkörper vorgesehener Halterungs- bzw. Anschlußelemente verlaufen. Hierdurch erreicht man in erster Linie, daß die Anordnung der Resonatoren in den Halterungs- bzw. Anschlußelementen auch bei einer großen Zahl von Resonatoren in einem engen Toleranzbereich zu bewerkstelligen ist, so daß auch die maßgebenden elektrischen Werte der Resonatoren gut reproduzierbar sind.

Darüber hinaus ist es eine Ausgestaltung der Erfindung, daß bei einem aus Quarz bestehenden Schwingkörper die Ar-Achse des Quarzes derart gewählt ist, daß diese im wesentlichen senkrecht zu dem für die elektrische Trennung der Randelektroden vorgesehenen Trennschlitzen verläuft. Durch eine derartige Wahl der x-Achse des Quarzes erhält man ohne Mehraufwand in erster Linie einen besonders ausgeglichenen Frequenzgang.

Ferner ist es eine Weiterbildung der Erfindung, daß zur elektrisch leitenden Verbindung jeweils einer Randelektrode auf der einen Seitenfläche mit einer aus einer Rand- und einer Zentralelektrode gebildeten Elektrodenfläche auf der anderen Seitenfläche des Schwingkörpers klammerartige, mit Leitkleber ausgefüllte, den Schwingkörper umgreifende, metallische Halterungs- bzw. Anschlußelemente dienen, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Schwingkörpers angeordnet sind. Diese Maßnahme erweist sich als besonders vorteilhaft, weil die ohnehin vorhandenen HaI-terungselemente, die auch als elektrische Zuführungen dienen, zusätzlich auch noch zur elektrischen Verbindung jeweils zweier Randelektroden herangezogen werden. Damit kann auf spezielle Kontaktierungsmaßnahmen für diese Randelektroden verzichtet werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen piezoelektrischen Resonator der Dikkenscherungsschwingung, welcher an zwei Halterungselementen aufgehängt ist und

F i g. 2 einen Schnitt gemäß der Linie 11-11 durch den in F i g. 1 dargestellten Resonator.

Der in den Figuren gezeigte Resonator besteht aus einem kreisscheibenförmigen, planparallelen Schwingkörper 1, z. B. einem Schwingquarz im AT-Schnitt, und ist in seinem Anregungsbereich 2 (F i g. 2) beidseitig mit je einer ebenfalls kreisscheibenförmig ausgebildeten Zentralelektrode 3, 4 versehen. Im Randbereich 9 (F i g. 2) des Schwingkörpers 1 sind auf dessen beiden Seitenflächen jeweils zwei elektrisch voneinander isolierte, halbkreisbogenförmig ausgebildete Randelektroden 5,6,7 und 8 angeordnet, welche die Zentralelektroden 3, 4 umgeben. Im einzelnen ist jeweils eine Randelektrode 5 bzw. 8, von der auf derselben Seitenfläche befindlichen Zentralelektrode 3 bzw. 4 elektrisch isoliert und die andere Randelektrode 6 bzw. 7 ist mit dieser Zentralelektrode 3 bzw. 4 elektrisch verbunden. Ferner sind auch noch die jeweils mit den Zentralelektroden 3, 4 vereinten Randelektroden 6, 7 mit den alleinstehenden Randelektroden 5, 8 elektrisch leitend verbunden. Dabei decken sich jeweils die auf den gegenüberliegenden Seitenflächen des Resonators angeordneten Randelektroden 5 und 7 sowie 6 und 8. Zum Zwecke der elektrischen Verbindung der Randelektroden 5 und 7 bzw. 6 und 8 sind j:wei klammerartige, den Schwingkörper 1 umgreifende, metallische Halterungs- bzw. Anschlußelemente 10 vorgesehen, an denen der Schwingkörper 1 aufgehängt ist. Durch die paarweise elektrische Verbindung der Randelektroden 5, 7 bzw. 6, 8 befinden sich diese zwangsweise auf gleichen elektrischen Potentialen, so daß die von ihnen überdeckten Bereiche elektrisch kurzgeschlossen sind. Damit erreicht man, daß Diskontinuitäten der Frequenz und des Resonanzwiderstandes im Arbeitstemperaturbereich des Schwingquarzes sicher vermieden werden, ohne daß gegenüber einem konventionellen Schwingquarz eine Vergrößerung des Fertigungsaufwandes erforderlich wäre. Außerdem wird bewerkstelligt, daß sogar Nebenresonanzen bei Dickenscherungsschwingern in Grundtonanregung bis. zur Anregung im dritten Oberton (dies kann etwa einer Frequenz von 8 bis 60 MHz entsprechen) bis auf ein im allgemeinen nicht mehr störendes Maß gedämpft werden. Mit dem insoweit beschriebenen Schwingquarz lassen sich bevorzugt Obertöne höherer Ordnung bei gutem Rauschabstand gewinnen, d. h. der Schwingquarz kann bis zu einigen Milliampere belastet werden. Im wesentlichen erstreckt sich der nutzbare Frequenzbereich von etwa 8 bis zu 200 MHz. Nachdem eine so effektive Verminderung der besagten Diskontinuitäten erzielt wird, ist es auch ohne weiteres möglich, den Schwingquarz in evakuierten Gehäusen, in denen also im wesentlichen keine Schwingungsdämpfung durch die den Schwingquarz ansonsten umgebende Atmosphäre stattfindet, unterzubringen. Dies ist insbesondere auch im Hinblick

auf die Einhaltung enger Frequenztoleranzen bei der Serienfertigung vorteilhaft. Beispielsweise eröffnet sich bei evakuierten Gehäusen der Allglastechnik die Möglichkeit, auch nach dem Verschluß noch einen Frequenzabgleich vorzunehmen. Ferner sind bei dem in den Figuren dargestellten Resonator zwischen den halbkreisbogenförmig ausgebildeten Randelektroden 5, 6, 7 und 8 Trennschlitze 11 vorgesehen, welche im wesentlichen senkrecht zur Verbindungslinie der beiden für den Schwingkörper vorgesehenen Halterungs- bzw. Anschlußelemente 10 verlaufen. Durch diese Anordnung des Resonators bezüglich der Halterungselemente 10 lassen sich in der Serienfertigung mit einfachen Justiermitteln die geforderten elektrischen Werte besonders gut reproduzieren, so daß ein enger Toleranzbereich eingehalten werden kann. In entsprechender Weise lassen sich die geschilderten vorteilhaften Wir kungen auch mit vom dargestellten Ausführungsbei spiel abweichenden Elektrodenkonfigurationen sowit mit von diesem abweichend ausgebildeten Schwingkör pern erzielen. So sind z. B. Elektrodenkonfigurationei denkbar, bei denen die Zentralelektrode elliptisch, lin senförmig oder als Vieleck ausgebildet sein kann, wo bei sich dann für die Randelektroden eine entsprechen de Konfiguration ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche. 23

1. Piezoelektrischer Resonator, insbesondere Dikkenscherungsschwinger, bestehend aus einem planparallelen, scheibenförmigen Schwingkörper, welcher auf seinen beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils mit einer Zentralelektrode, einer mit der Zentralelektrode vereinten ersten Randelektrode und einer zweiten, von der Zentralelektrode isolierten Randelektrode im wesentlichen vollständig bedeckt ist, wobei jeweils die erste Randelektrode der einen Seitenfläche der zweiten Randelektrode der anderen Seitenfläche gegenüberliegt und mit dieser am Rand des Schwingkörpers elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die erste Randelektrode auf der einen Seite des Schwingkörpers mit der zweiten Randelektrode auf der anderen Seite des Schwingkörpers deckungsgleich ist.

2. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem kreisscheibenförmigen Schwingkörper (1) mit in dessen Mittenbereich (2) angeordneten ebenfalls kreisscheibenförmigen Zentralektroden (3, 4) die Randelek- !roden (5, 6, 7, 8) als symmetrisch zu den Zentralelektroden (3,4) angeordnete Kreisbogenabschnitte ausgebildet sind.

3. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Randelektroden (8, 6, 7, 9) halbkreisbogenförmig ausgebildet und !wischen diesen Trennschlitze (11) vorgesehen sind, welche im wesentlichen senkrecht zur Verbindungslinie zweier für den Schwingkörper (1) vorgesehener Halterungs- bzw. Anschlußelemente (10) verlaufen.

4. Piezoelektrischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus Quarz bestehender Schwingkörper (1) die x-Achse des Quarzes derart gewählt ist, daß diese im wesentlichen senkrecht zu dem für die elektrische Trennung der Randelektroden (5, 6, 7,8) vorgesehenen Trennschlitzen (11) verläuft.

5. Piezoelektrischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrisch leitenden Verbindung jeweils einer Randelektrode (5, 6, 7 bzw. 8) auf der einen Seitenfläche mit einer aus einer Rand- und einer Zentralelektrode (3 bzw. 4) gebildeten Elektrodenflache auf der anderen Seitenfläche des Schwingkörpers (1) klammerartige, mit Leitkleber ausgefüllte, den Schwingkörper (1) umgreifende, metallische Halterungs- bzw. Anschlußelemente (10) dienen, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Schwingkörpers (1) angeordnet sind.