DE2351665A1

DE2351665A1 - Rechtwinklige at-geschnittene quarzkristallplatte

Info

Publication number: DE2351665A1
Application number: DE19732351665
Authority: DE
Inventors: James Jerome Royer
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-10-19
Filing date: 1973-10-15
Publication date: 1974-05-02
Also published as: IT994774B; FR2204062A1; DE2351665B2; BE806106A; CA968463A; US3792294A; FR2204062B1; JPS49100991A; SE380934B; NL7314161A; GB1388997A

Description

BLUMBACH ■ WESER ■ BER0£N & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

DIPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. Dr. W. WESER . DIPt.-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAAiER

ei WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL (06521} 562943, 561998 MÖNCHEN

WESTERNELECTRiCCOMPANY^NCORPORATED Royer 5

299.084

Rechtwinklige AT-geschnittene QuarzkristaHpIatte

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische KrisfaiJ-anordnung, spezieller auf eine rechtwinklige AT-geschnittens Quarzkristal !platte, deren Breiten-Dickenverhältnis so gewählt ist, daß Flächen scherschwingungsresonanzen vermieden werden und sich gegenüber bekannten AT-geschnittenen Platten Herste! lungs- und Einbau vorteile ergeben.

AT-geschnittene Quarzresonatoreri zeichnen sich durch ein verhältnismäßig geringes Kapazitätsverhältnis und eine geringere Temperaturabhängigkeit der Frequenz aus, als es bei vielen anderen Schnitten wie z.B. dem BT-Schnitt der Fall ist. Die zuvor genannten AT-Schnittdaten sind innerhalb eines Frequenzbereiches von 1 bis 6 MHz und in einem typischen

4098.167086S

Betriebstemperaturbereich von beispielsweise 0-60 C besonders günstig.

Die derzeit in diesem Frequenzbereich verwendeten AT-Schnitte sind gewöhnlich kreisförmige Scheiben mit einer sphärischen Kontur auf wenigstens einer Oberfläche, wodurch eine teurere Einzelplattenherstellung nötig wird. Wenn derartige kreisförmige Platten alternativ dazu mit ebenen und parallelen Oberflächen hergestellt werden, ist ein großes Quarzstück nötig, um eine Platte mit ausreichend großem Durchmesser zu erhalten, deren aktiver Kembereich unter den Elektroden genügend von den Rändern isoliert ist, wodurch die Herstellungskosten zusätzlich ansteigen. Außerdem sind diese großen kreisförmigen Platten schwieriger einzubauen oder zu montieren als rechtwinklige Kristaliplatten.

In der US-Patentschrift 2.306.909 vom 29.Dezember 1942 (R.A. Sykes) werden rechtwinklige AT-geschnittene Resonatoren mit einer Dickenscherschwingungshauptresonanz innerhalb des oben spezifizierten Frequenzbereiches erläutert. Wie aus der Fig. 1 des oben angeführten Patentes hervorgeht, ist für die dort dar-

AO 9-8.1 8/0865

gestellten Platten die Z-Achse die Langenachse und die X-Äehse die Breitenachse.. Die gezeigten Platten sind fast quadratisch, wie aus einem Vergleich der in den Fig. IO und 11 dargestellten Abmessungsverhälfnissen hervorgeht. Wegen der quadratischen Plattenform ist außerdem ein größeres Qüarzstuck als bei einer genau rechtwinkligen Form nötig und auch der Eiribau schwieriger,

Für die von Sykes dargestellten Platten wurden spezielle Abmessung-Verhältnisse gewählt, um den Kopplungseffekt mit den Dicken-, Breitenbiegemoden in den Platten zu vermeiden, wie ihn die k-Kennlinien in den Fig. 1.0 und 11 zeigen. Jedoch sind die Längen-Breitenschermoden, d.ru die Fiächenschermoden im wesentlichen stärker als die Biegemoden und wirken deshalb schädlicher, wenn eine Kopplung mit dem gewünschten Dicken-Schermode erfolgt. Z.B. können die Fiächenschermoden nur 5 bis 10 dB kleiner als der gewünschte Dicken-Schermode-sein, wohingegen die Dicke-Biegemoden 30 bis 40 dB kleiner als der gewünschten Dicken-Schermode sein können..

Folglich besteht eine erfindungsgemäße Aufgabe darin, rechtwinklige AT-geschnittene Resonatoren zu verbessern, indem die Kopplungs-

k 05-8.1 ·8·/ 0.8 6 5

Wirkungen des gewünschten Mode mit nichterwünschten Moden beseitigt werden.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Wirkungen von Flächenschermoden auf den gewünschten Mode in einem rechtwinkligen AT-geschnittenen Resonator zu minimalisieren.

Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe richtet sich darauf, die Herstellung und den Einbau von AT-geschnittenen Kristaj!platten leichter und wirtschaftlicher zu machen.

Die genannte und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine rechtwinklige AT-geschnittene Kristallplatte mit einer Orientierung (y, x, I) von etwa 35 20^v/0 /0 und einem Breiten-Dickenverhältnis innerhalb der Bereiche 2,5 bis 3,5 , 5,5 bis 7, 8,5 bis 10 und 11,5 bis 13,5 sowie dem Längen-Dickenverhältnis innerhalb des Bereiches von 30 bis 150 gelöst.

Platten mit Abmessungsverhältnissen entsprechend den spezifizierten sind frei von unerwünschten Flächenschermodewirkungen auf den Hauptmode. Diejenigen Platten mit den niedrigeren der oben

98.187 086

spezifizierten Breite-Dickeverhältnissen sind verhältnismäßig lang und schmal und deshalb relativ leicht und wirtschaftlich herzustellen und einzubauen.

Die folgenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer rechtwinkligen

AT-geschnittenen Kristal!platte¹ in erfindungsgemäßer Orientierung,

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des

Temperaturkoeffizienten der Frequenz vom Breite-Dicke verhältnis des rechtwinkligen AT-geschnittenen Resonators,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des

Orientierungswinkels vom Breiten-Dickenverhältnis für einen Temperaturkoeffizienten Null der Frequenz des Resonators gemäß Fig. 2, und

Fig. 4a bzw. 4b grafische Darstellungen des Frequenzganges

409-8.1870865

eines planconvexen AT-geschnittenen Resonators und eines rechtwinkligen AT-geschnittenen Resonators.

Die Fig. 1 zeigt eine rechtwinklige QuarzkristaI!platte 10, die aus einem einzelnen Quarzkristall mit den dargestellten (x, y, z)-Achsen herausgeschnitten wurde. Die Fläche der Platte 10 mit der Länge I liegt parallel zur x-Achse, was auch für die Oberflächen 12 und 14 der Platte 10 gilt. Die Platte 10 wird unter einem auf die z-Achse bezogenen positiven Winkel 0 oder Winkel jÖ im Gegenuhrzeigersinn um ihre Länge I₇ d.h. die x-Achse, gedreht, so daß die Breite w parallel zur z-Achse und die Dicke t parallel zur y-Achse gestellt ist. Der Winkel Cji beträgt für eine AT-geschnittene Kristallplatte ungefähr 35 20\und ändert sich in Abhängigkeit von den speziellen Abmessungsverhältnissen und der Elektrodendicke geringfügig um diesen Wert. Diese Orientierung wird standardisiert als (yxl) von 35 20*/0 /0 ausgedrückt. Orientierungswinkel innerhalb des Bereiches von 35 10*/0 /0 bis 35°30 y0°/0° sind akzeptierbar.

Wiezuvor erwähnt wurde, wird ein AT-geschnittener Resonator mit einer·rechtwinkligen Form/gewünscht, damit Herstellung und Einbau leichter und wirtschaftlicher sind und keine störenden oder unerwünschten Resonanzen nahe den Dicke-Scherschwingungshauptresonanzen auftreten. In dem erläuternden Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke-Scherhauptresonanz 1,6 MHz. Diese gewünschten Merkmale liefert ein Kristall der ein Längen-Dickenverhältnis von mehr als 30 und ein Breiten-Dickenverhältnis innerhalb des Bereiches von 2,5 bis 13,5 aufweist. Im allgemeinen werden die größeren Längen-Dickenverhältnisse mit der Verhältniszahl 150 bevorzugt, die für die meisten Anwendungsfälle als praktische. Obergrenze erscheint. Die bevorzugten und optimalen Abmessungsverhältnisse innerhalb dieser verhältnismäßig breiten Bereiche werden weiter unten detaillierter erörtert.

Die in der Fig. 2 dargestellten Kennlinien 20, 22, 24 und 26 illustrieren die Frequenzänderung pro Grad Celsius in Abhängigkeit vom Breiten-Dickenverhältnis,, d.h. den Temperaturkoeffizienten der Frequenz, für eine Platte mit einem Längen-Dickenverhältnis 60 und einer Orientierung (yxl) von 35 21,5 "/0 /0

4098.18/08 6 5

Die Discontinuitäten zwischen den Kennlinien 20 bis 26 betreffen Breiten-Dickenverhältrtisse, bei denen sich die Flächenschermoden, d.h. die Längen-Breitenschermoden mit dem erwünschten Dickenschermode koppeln und ihn nachteilig beeinflußen. Die Pfeile 21, 23, 25 bzw. 27 stellen Bereiche unerwünschter Kopplung der Hauptresonanz mit der Grundschwingung, dem dritten, fünften und siebten Oberton des Flächenschermode dar. Folglich werden Breiten-Dicken-Verhältnisse längs einer der Kennlinien 20, 22, 24 und 26 den durch die Pfeile 21, 23, 25 und 27 angegebenen Bereichen eindeutig vorgezogen. Die durch die ersten drei Kennlinien 20, 22 und 24 dargestellten Abmessungsverhältnisse werden v/egen einer geringeren Abmessung in Richtung der z^-Achse und der deshalb genauer rechtwinkligen Form am meisten bevorzugt. Die Zahlenwerte der durch die Kennlinien 20, 22, 24 und 26 dargestellten Bereiche liegen jeweils bei ungefähr 2,5 bis 3,5 , 5,5 bis 7, 8,5 bis 10 und 11,5 bis 13,5. Das innerhalb dieser Bereiche gewählte genaue Abmessungsverhältnis hängt davon ab, wie der Kristall exakt verwendet werden soll. Es bestimmt sich aus Überlegungen, die etwa die durch den Gebrauch breiterer Elektroden auf breiteren' Kjfstal!platten erreichbare niedrigere Induktanz betreffen.

4 0£8·! 8-/0 865

Wenn ein von 60 abweichendes Längen-Dickenverhältnis verwendet wird, würden die sich ergebenden Kennlinien gegenüber den in der Fig. 2 dargestellten um einen sehr kleinen Betrag längs der Abzisse verschoben werden, aber ihre Steigung im wesentlichen dieselbe bleiben. Folglich sind dieselben Grundbereiche wie für das Breiten-Di ckenverhältnis auch für jedes Längen-Dickenverhältnis innerhalb des spezifizierten Bereiches von 30 bis 150 gültig. Das Längen-Breitenverhältnis kann leicht aus dem bekannten Längen-Dicken- und Breiten-Dickenverhältnis bestimmt werden.

Wenn die Kristallplatte 10 mit einem Längen-Dickenverhältnis, das kleiner als 60 ist, hergestellt wird, d.h. auf eine quadratische * Plattenform hin tendiert, wird die in der bereits zuvor erwähnten Patentschrift von Sykes diskutierte Biegeschwingungsresonanz signifikanter. Obwohl diese Moden tatsächlich schwächer als Flächenschermoden sind, können sie manche unerwünschte Kopplung verursachen, wenn sie dicht bei der Dicken-Scherschwingungshauptresonanz liegen« Das Breiten-Dickenverhältnis der Platte "wird in diesem Bereich zunächst aus den in der Fig. 2 dargestellten Kennlinien ausgewählt, um die Fiächenschermoden zu vermeiden. Dann wird der ursprünglich gewählte Längen- oder Breitenwert

409-818/0865

ίο

der Platte etwas abgewandelt, bis jeder unerwünschte Biegemode aus der Nähe der Hauptresonanz beseitigt ist. Diese neue Länge oder Breite sollte nur 1% vom ursprünglich gewählten Wert abweichen.

Die in der Fig. 3 dargestellten Kennlinien 30, 32, 34 und 36 werden günstigerweise dazu verwendet, rechtwinklige AG-geschnittene Kristallplatten mit Temperaturkoeffizienten Null der Frequenz bei Längen-Dickenverhältnissen von 60 zu erhalten. Die Discontinuitäten zwischen diesen Kennlinien geben die Gebiete wider, in denen sich die unerwünschten Flächenschermoden mit der erwünschten Hauptresonanz koppeln (Fig. 2). Der Orientierungswinkel, der verlangt wird, um den Temperaturkoeffizienten Null der Frequenz zu erhalten, kann leicht bestimmt werden, wenn das Breiten-Dickenverhältnis vorgeschrieben wird.

Die Fig. 4a bzw. 4b (Ordinate: Dämpfung in db', Abszisse: Frequenz) zeigen den Frequenzgang einer gegenwärtig verwendeten planconvexen AT-geschnittenen Kristallplatte mit einem Durchmesser-Dickeverhältnis von 15 und einer erfindungsgemäßen

40^8187 0 86

rechtwink I Tngen AT-geschnittenen Platte mit einem Längen-Dickenverhältnis von 30 und einem innerhalb der früher spezifizierten Bereiche gewählten Breiten-Dickenverhältnis. Der Frequenzgang der rechtwinkligen AT-geschnittenen Platte ist viel einfacher und schließt Anharmonische der Dicken-Scherschwingungshauptresonanz wie die einzig starken Ansprechreaktionen in der Nachbarschaft der bei 1,6 MHz auftretenden Hauptresonanz ein. Diese Anharmonischen können durch eine geeignete Wahl der Elektrodenabmessungen und Elektrödenmenge unterdrückt werden. Die starke Flächenscherschwingungsresonanz bei 734 kHz liegt mehr als eine Oktave unter der Hauptresonanz und kann leicht ausgefiltert werden. Jedoch weist die plankonvexe AT-geschnittene Platte eine Anzahl von starken Resonanzen auf, die viel näher bei der bei 1/6 MHz auftretenden Hauptresonanz liegen.

In der vorausgegangenen Erörterung wird dargelegt, daß erfindungsgemäße rechtwinklige AT-geschnittene Kristallplatten die gewünschten Vorteile bieten und leicht und wirtschaftlich herzustellen bzw. einzubauen sind. Die rechtwinkligen AT-Schnitte können durch Schleifen und Polieren auf ihre schließlichen Abmessungen

4098 18/08 6 5

hin massengefertigt werden. Die rechtwinklige Plattenform kann, wenn die für die rechtwinkligen DT-Schnitte benutzten Verfahren verwendet werden, leichter eingebaut oder montiert werden. Die aufgeführten AT-geschnittenen Kristal!platten können für Frequenzsfeuer-, Selektionsnetzwerke und dergleichen im Frequenzbereich von 1. bis 6 MHz verwendet werden. Innerhalb dieses Frequenzbereiches kann das Breiten-Dickenverhälfnis für jede gewünschte Frequenz unter Bezug auf die in Fig. 2 und 3 dargestellten Kennlinien in Verbindung mit der wohlbekannten Frequenzkonstanten für einen AT-geschnittenen Resonator bestimmt werden.

4098 18/0865

Claims

PATENTANMELDUNG

ί 1. Rechtwinklige AT-geschniitene Quarzkristallplatte mit einer Orientierung (y, x, 1} von etwa 35 20 ^s/0 /0 , dadurch gekennzeichnet, daß die Platte ein Breiten-Dickenverhältnis innerhalb der Bereiche 2,5 bis 3,5, 5,5 bis 7, 8,5 bis 10, 11,5 bis 13,5 hat und das Längen-Dickenverhältnis von 30 bis 150 reicht.
2. QuarzkirstaI!platte nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Längen-Dickenverhälthis im wesentlichen 30 beträgt.
3. Quarzkristal !platte nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Längen-Dickenverhältnis im wesentlichen 60 beträgt.

409818/086 5