DE2362515A1

DE2362515A1 - Elektromechanische resonatoranordnung

Info

Publication number: DE2362515A1
Application number: DE2362515A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Phys Schmitt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-12-15
Filing date: 1973-12-15
Publication date: 1975-06-19

Description

LICEIiTIA

Patent-Verwaltungs-GmbH

6000 Frankfurt (Main) 70, Theodor-Stera-Kai 1

7900 Ulm (Donau), 14. Dez. 1973 PT-UL/Seha/wi - UL 72/186

"Elektromechanische Besonatoranordnung"

Die Erfindung "betrifft eine elektromechanische Resonatoranordnung, vorzugsweise zur Verwendung als Frequenznormal oder Filter honer Güte mit einem Schwingkristall in Form einer aus Quarz !bestehenden planparallelen Scheine, welche mindestens einen Resonatorbereich enthält, der eine geringere Resonanzfrequenz aufweist als seine Umgebung.

Die vorteilhafte Verwendung von Quarz in elektromechanischen Filtern hoher Güte oder in Frequenznormalien ist insbesondere auf die ausgezeichneten Eigenschaften dieses Werkstoffes hinsichtlich Güte, Alterungs- und Temperaturstabilität zurückzuführen. So liegen z_o B₀ die theoretisch aufgrund von kristallphysikalischen Verlustmechanismen mit der für Quarzschwinger im MHz-Bereich üblicherweise verwendeten Dickenseherschwingung maximal erreichbaren Gütewerte für den AT-Schnitt bei ca_e 1,6 . 10^/f (f in MHz) sowie bei ca. 3,3 ο 10⁷/f (f in MHz)

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für den BT-Schnitt. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, diese Gütewerte auch nur annähernd zu erreichen. Die Ursache hierfür liegt in zusätzlichen Dämpfungsmechanismen, welche im wesentlichen auf Wechselwirkungen mit den ebenfalls angeregten Hebenwellen, mit dem Scherbenrand und mit der Halterung sowie mit den Elektrodenmaterialien zurückzuführen sind.

Es ist "bekannt, die für die Elimination von Einflüssen der Verstärkerbetriebsphasenschwankungen auf die Frequenzstabilität erforderliche Mindestwerte für die Schwinggüte von Uormalienquarzen von mehr als ca. 0,5 . 10 durch Unterdrückung der Wechselwirkung mit Hebenwellen und Randeffekten durch eine genau definierte,.empirisch ermittelte M- oder plankonvexe Linsenstruktur des Quarzes zu gewährleisten. Das genannte Verfahren führt jedoch bisher nur bei Frequenzen < 10 MHz zu den gewünschten hohen Gütewerten.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine elektromechanische Resonatoranordnung unter Verwendung eines Schwingkristalls in Form einer aus Quarz "bestehenden planparallelen Scheibe, die wenigstens einen Resonatorbereich enthält, anzugeben, wobei der Schwingkristall einerseits hohe Gütewerte aufweisen und andererseits in der einfachen ebenen Technik herstellbar sein soll.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Resonatorbereich durch die Eandbedingung

1,5 . 10~⁴ > δ ν 0,5 . 10'⁴ Cn » 1 5 5 ⁿ (*/t)¹'^{5 n} Cn - 1,3,5...

definiert ist, worin η die Ordnung der angeregten Schwingung, Δ die relative !Frequenzerniedrigung des Resonatorbereiches gegenüber seiner Umgebung, t die Dicke der Scheine im Resonatorbereich und φ =| φ . φ , das geometrische Mittel

der Abmessungen ψ und φ_, des Resonatorbereiches in Richte ζ

tung der kristallographischen x- und ζ'-Achse bedeutet;

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß im Gegensatz zu bisher bekannten Lösungen mit Linsenquarzen, deren Krümmung ein wegen der erforderlichen Genauigkeit äußerst kompliziertes Herstellungsverfahren bedingt, die Herstellung einer planparallelen Quarzscheibe mit Hilfe der technologisch wesentlich einfacheren e"benen Technik möglich ist. So können "beispielsweise mit der erfindungsgemäßen Anordnung sogar im !Frequenzbereich > 10 MHz noch Gütewerte von fast 10 erreicht werden. DJe erfindungsgemäße Lösung ist bei Quarzscheiben anwendbar, welche vorzugsweise in BT-, FC- oder RT-Orientierung geschnitten sind.

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Die Randbedingung beinhaltet die Feststellung, daß "bei gegebener Resonatorabmessung (t,<j> ) -und vorgegebener Ordnung der angeregten Schwingung ein ganz bestimmter

f Tj - f ρ

Bereich für die relative Frequenzerniedrigung '—* —,

¹E welche auch als "Plateback" bezeichnet wird, zwischen der Frequenz f-g des Resonatorbereiches und der Frequenz f-g der Eesonatorumgebung eingehalten werden muß. Physikalisch ist die untere Grenze von Δ dadurch gegeben, daß durch Gewährleistung eines Mindestgrades an Konzentration der Schwingungsenergie unter die Elektroden durch Anwendung des als Energieeinfangprinzips bekannten Effektes die Wechselwirkungen des Resonators mit dem Rand^ den elektrischen Kontaktvorrichtungen sowie der Halterung in ausreichendem Maße unterdrückt wird. Besteht der Resonatorbereich ganz oder teilweise aus Metallelektroden, so machen außerdem die ohmschen Verluste in diesen einen Mindestwert für Δ erforderlich. Mit zunehmendem Δ wächst jedoch einmal die Wahrscheinlichkeit einer schwingungsenergieentziehenden, also giitemindernden Verkopplung der Hutζschwingung mit Hebenresonanzen, zu denen der Resonator ebenfalls angeregt werden kann. Im Falle von Metallelektroden nimmt außerdem die Dämpfung durch Verlustmechanismen in den Elektroden ebenfalls mit wachsendem Δ zu. Es ergibt sich bei gegebener Resonatorgeometrie demnach eine obere Grenze von Δ, wenn ein vorgeschriebener Wert für die Schwinggute erreicht werden soll.

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Die Bedingung ,mit der bei planen Quarz scheiben Schwinggütewerte von über 5 . ΙΟ-⁷ sichergestellt werden, ist durch die erfindungsgemäße Beziehung zwischen der Resonatordicke t, den seitlichen Abmessungen j ," der relativen Frequenzerniedrigung Δ sowie der Ordnung n, der angeregten Schwingung gegeben. Bei rechteckigen Resonatoren mit Abmessungen S und f> , in Richtung der kristallographischen x- und ζ'-Achse ist für das geometrische Mittel φ = |Φ_Χ · ^₂· einzusetzeil, während bei runden Resonatoren <j> einfach dem Resonatordurchmesser gleichzusetzen ist.

Um den Einfluß von Elektrodenrandeffekten auf die Schwinggüte des Resonators gering zu halten, sollte zweckmäßig die Beziehung ± > 5 erfüllt sein. Weiterhin sollte zur Unterdrückung der gütemindernden Wechselwirkung mit dem Scheibenrand die Abmessung der Scheibe

größer

in x-Richtung mindestens um den Faktor 2 / als die Abmessung <j> des Resonatorbereiches und die Abmessung der

größer Scheibe in ζ'-Richtung mindestens um den Faktor 1,5 /als die Abmessung ψ , des Resonatorbereiches sein.

Um gütemindernde ohmsche Yerluste in den Metallelektroden insbesondere bei geringen Schichtdicken, wie sie bei hohen Frequenzen notwendig werden, gering zu halten, ist es vor-

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teilhaft, den Resonatorbereich durch gegebenenfalls aus mehreren Schichten bestehende Beläge zu realisieren, die aus einem Material bestehen, welches die Bedingung

f > 4 . 1O⁴ |S- erfüllt, wobei ^C die Leitfähigkeit und f die mittlere Dichte der Gesamtschicht bedeutet. Ein Metall, welches die Bedingung in besonders vorteilhafter Veise erfüllt, ist Aluminium.

Figur 1 zeigt eine Quarzplatte 1, bei der der Resonatorbereich durch Metallelektroden 2 abgegrenzt wurde,.Figur zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Resonatorbereich durch Strukturätzung festgelegt wurde. Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß Figur 3» welche insbesondere für hohe Frequenzen interessant ist, sind beide vorgenannten Verfahren, d. h. Struktur ätzung und Aufbringen von Elektroden, miteinander kombiniert..,. In Figur 4- ist eine mögliche Ausführungsform in perspektivischer Darstellung aufgezeichnet. Die Figuren 5 tmd 6 zeigen die Abhängigkeit der Schwinggüte Q vom Plateback Δ für verschiedene Resonatorgeometrien, wobei die Resonatorbereiche durch Aluminiumelektroden abgegrenzt wurden, und zwar für die Grundwelle η » 1 (Figur 5) und die dritte Harmonische η s 3 (Figur 6). In Figur 7 sind die durch die Randbedingung

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«5 - 10"* > Δ _> 0,3 . 10~⁴ Cn « 1 3 5

festgelegten Bereiche fux Δ in Abhängigkeit von +· für Grund- lind Oberwelle dargestellt.

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Claims

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Patentansprüche

iJ Elektromechanische Eesonatoranordiiung, vorzugsweise zur Verwendung als Frequenznormal oder Filter hoher Güte mit einem Schwingkristall in Form einer.aus Quarz bestehenden planparallelen Scheibe, welche mindestens einen Resonatorbereich enthält, der eine geringere Resonanzfrequenz aufweist als seine Umgebung, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorbereich durch die Randbedingung

0.5 .

> 0.5 . ΙΟ / ⁿ

definiert ist, worin η die Ordnung der angeregten Schwingung', Δ die relative Frequenzerniedrigung des Resonatorbereiches gegenüber seiner Umgebung, t die Dicke der Scheibe im Resonatorbereich und φ »y φ . $_z, das geometrische Mittel der Abmessungen 6 und 9. des Resonatorbereiches in Sichtung der kristallographischen x- und fc¹-Achse bedeutet.
2. Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung und die Dicke t des Eesonatorbereiches durch die. Randbedingung % > 5 definiert ,ist. ,

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3. Resonator anordnung nach. Anspruch. 1 oder 2, dadurch. gekennzeichnet, daß die Abmessung der Scheibe in x-Rich-

größer .

tung mindestens um den Faktor 2 / als die Abmessung ψ des Eesonatorbereich.es und die Abmessung der Scheibe in

größer

ζ'-Richtung mindestens um den Faktor 1,5 /als die Abmessung φ, des Resonatorbereiches ist.
4. Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Resonatorbereich durch Beläge auf oder in der Oberfläche der Scheibe gebildet ist, die aus einem Material bestehen, welches

der Bedingung -r- > 4- . 10 τπ=: genügt, worin <*■ die mittlere spezifische Leitfähigkeit und % die mittlere Dichte des Resonatorbelages bedeutet.
5. Resonatoranordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Beläge im wesentlichen aus Aluminium bestehen.
6. Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Resonatorbereich durch eine erhabene Struktur in der Quarzscheibe gebildet ist.
7. Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzscheibe in BT-, FC- oder RT-Orientierung geschnitten ist.

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