DE2454321C3 - Quarzkristallschwinger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Quarzkristallschwinger gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es besteht das Bestreben, Quarzkristallschwinger, die als Frequenz normal in Oszillatoren oder in elektrischen Filtern verwendet werden, zu miniaturisieren, um sie ohne Schwierigkeiten dort einbauen zu können, wo wenig Platz vorhanden ist, beispielsweise in Armbanduhren, Taschenuhren, Stoppuhren, Minisendern usw. Infolge seiner niedrigen Frequenz und der extrem geringen Abmessungen hat unter solchen Schwingern der Stimmgabel-Quarzkristallschwinger, der mittels einer Fotoätztechnik hergestellt wird, eine besondere Bedeutung erlangt.

Aus der DE-OS 22 10 766 ist ein stimmgabelförmiger Mikroresonator bekannt, dessen Stimmgabelzinken je auf der Oberseite zwei in Längsrichtung parallele Elektroden und auf der Unterseite eine einzige Elektrode aufweisen. Von den Elektroden auf der Oberseite sind einerseits die auf den beiden Stimmgabelzinken je innen verlaufenden Elektroden und andererseits die auf den beiden Stimmgabelzinken je außen verlaufenden Elektroden auf dem Stimmgabelsteg miteinander verbunden und dort mit je einem Anschlußfleck versehen. Die Elektroden auf der Rückseite sind ebenfalls auf dem Stimmgabelsteg miteinander verbunden und mit einem gemeinsamen Anschlußfleck versehen, dessen Fläche wesentlich kleiner als diejenige des Stimmgabelsteges ist. Auf die Anschlußflecken auf der Oberseite werden Anschlußdrähte aufgelötet, während der Anschlußfleck auf der Unterseite auf ein Substrat auflegiert wird, das leitend sein muß oder eine leitende Deckschicht aufweisen muß, um elektrischen Zugang zur Unterseitenelektrode zu ermöglichen.

Derartige Quarzkristallschwinger weisen jedoch eine hohe dynamische Impedanz auf, die für viele Anwendungen, beispielsweise für den Einsatz in Armbanduhren, sehr ungünstig ist. Deshalb wurde ein Quarzkristallschwinger vorgeschlagen (DE-OS 24 18 277), der eine Elektrodenanordnung aufweist, die bewirkt, daß bei Erregung eine wesentliche Komponente des elektrischen Feldes in der Stimmgabelzinken-Breitenrichtung verläuft. Dies kann dadurch erreicht werden, daß auf der Vorder- und auf der Rückseite des Stimmgabelschwingers eine Elektrode an den Randbereichen der einen Zinke und im mittleren Bereich der anderen Zinke und eine zweite Elektrode im mittleren Bereich der einen Zinke und an den Randbereichen der anderen Zinke angeordnet ist Die Rückseite des Befestigungsteils dieses Stimmgabelschwingers ist nun nicht mehr mit einer durchgehenden Elektrodenschicht versehen, sondern mit zwei getrennten Elektrodenbereichen, so daß zur Befestigung dieses Stimmgabelschwingers ein isolierendes Halteteil erforderlich ist, das in den Bereichen, auf denen die getrennten Elektrodenflächen

ίο der Rückseite des Stimmgabelbefestigungsteils befestigt werden, mit elektrisch leitenden Metallschichten versehen ist Als Halteteil dient ein U-förmiger Träger aus Keramik, dessen U-Schenkelendflächen mit leitendem Material beschichtet sind.

Das für den Quarzkristallschwinger verwendete Material und das für den Halteteil üblicherweise verwendete Keramikmaterial weisen sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so daß im Befestigungsteil des Quarzkristallschwingers beim Abkühlen nach dem Auflöten oder Auflegieren auf das Keramikhalteteil starke Spannungen auftreten. Diese Spannungen wirken sich bei dem vorgeschlagenen Quarzkristallschwinger viel stärker als bei dem bekannten Quarzkristallschwinger mit nur einem Elektrodenbereich auf der Rückseite des Stimmgabelbefestigungsteils aus. Denn während sich beim bekannten Quarzkristallschwinger die Spannungen infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten ziemlich gleichmäßig über den gesamten Befestigungsteil verteilen, konzentrieren sich diese Spannungen beim vorgeschlagenen Quarzkristallschwinger auf die beiden getrennten Befestigungsbereiche auf der Unterseite des Befestigungsteils. Als Folge davon kommt es häufig zu einem Bruch im Bereich des Befestigungsteils des Schwingers, und zwar teilweise gleich beim Abkühlen nach dem Befestigungsvorgang, teilweise erst dann, wenn der unter Spannung stehende, jedoch noch nicht gesprungene Quarzkristallschwinger einem mechanischen Stoß ausgesetzt wird, beispielsweise durch Herabfallen oder Anstoßen einer Quarzkristall-Armbanduhr auf bzw. gegen einen harten Gegenstand.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Quarzkristallschwinger der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art verfügbar zu machen, bei dem das Auftreten solcher Brüche verhindert wird,

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und im Unteranspruch vorteilhaft weitergebildet.
Durch die angegebene Lösung werden die thermisehen Ausdehnungskoeffizienten von Schwinger einerseits und Halteteil andererseits wenigstens in derjenigen Richtung gleich groß gemacht, in welcher bei Schwingern mit getrennten Elektrodenbereichen auf der Unterseite des Befestigungsteils die wesentlichen Spannungen auftreten. Benutzt man die Weiterbildung dieser Lösung, stimmen die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schwingerbefestigungsteil und Halteteil in allen Richtungen überein, so daß keinerlei Spannungen auftreten können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten dünnen Stimmgabel-Quarzkristallschwingers,
F i g. 2 eine Rückansicht des Schwingers von F i g. 1,

h5 Fig.3 eine Darstellung der Schnittrichtung des Schwingers,

F i g. 4 eine Darstellung der Elektrodenanordnung,
Fig.5 eine perspektivische Ansicht eines dünnen

erfindungsgemäßen Stimmgabelschwingers, bei dem die Elektrodenform geändert wurde,

F i g, 6 eine Rückansicht des Schwingers von F i g. 5,

Fig. 7 eine Darstellung der Schnittrichtung des Schwingers,

F i g. 8 eine Darstellung der Elektrodenanordnung,

Fig.9 einen Quarzkristallschwinger, der infolge der Verwendung eines Isoliermaterials mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als demjenigen des Quarzkristallschwingers als Halteteil gebrochen ist,

Fig. 10 ,fine Darstellung der Beanspruchungsrichtung, die zum Bruch führt und

F i g. 11 eine perspektivische Ansicht des Schwingers mit einem erfindungsgemäßen Halteteil.

Fi g. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines bekannten Stimmgabel-Quarzkristallschwingers, der unter Verwendung einer Photoätztechnik hergestellt wurde. Mit dieser Technik wird ein Vibrator 1 aus einer NT-Schnitt-Quarzkristallplatte mit einer Dicke von einigen zehn Mikron gezogen. Die F i g. 2 und 3 zeigen Elektroden, mit denen ein elektrisches Feld an den Schwinger gelegt werden kann. Die Elektroden 2 und 3 sind durch angeschlossene Drähte 4 und 5 mit Anschlüssen 6 und 7 verbunden. F i g. 2 zeigt eine Form einer Elektrode 9 auf der Rückseite des Vibrators 1. Der Schwinger :! ist mittels eines Teiles seiner Rückelektrode, d.h. dem Teil 10 in Fig.2, an einem Halteteil 8 befestigt, das gleichzeitig einen Elektrodenatnschluß darstellt Als Bindemittel wird ein Lot oder ein eutektisches Lot aus Gold oder Silber verwendet

F i g. 3 zeigt die Schnittrichtung des Schwingers !.. λ stellt einen ersten Rotationswinkel und β einen zweiten Rotationswinkel dar. Die Winkel sind in einem Bereich von 0° bis 10° bzw. 50° bis 70° festgelegt Wenn entsprechend F i g. 4 über die Elektroden 2,3 und 9 ein elektrisches Feld angelegt wird, beginnt der Schwinger 1 eine Stimmgabelschwingung auszuführen. In F i g. 4 ist der Winkel χ als 0° dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen. Die obenerwähnten Schwinger können mit extrem geringen Abmessungen leicht in Massenproduktion hergestellt werden. Wie jedoch aus Fig.4 ersichtlich, tragen nur die in X-Achsenrichtung liegenden Komponenten 13 und 14 der elektrischen Felder 11 und 12 zur Schwingungserzeugung bei. Daher nimmt die dynamische Impedanz mit größer werdendem Winkel β umgekehrt proportional cos²/} zu. Außerdem wird die Temperatur, bei der der Temperaturkoeffizient, bei dem es sich um eine Frequenz-Temperaturabhängigkeit handelt, Null wird, entsprechend der Größe des Winkels β groß und wird bei j3 = 75° 20⁰C; bei einem solchen Winkel beträgt die dynamische Impedanz 1 ΜΩ oder mehr. Um eine Temperatur von etwa 25° C zu erhalten, bei der der Temperaturkoeffizient Null ist, was für einen Quarzkristallschwinger für eine Armbanduhr erforderlich ist, muß der Winkel β 75° oder größer sein, wodurch die dynamische Impedanz mehrere ΜΩ groß wird. Aus diesen Gründen ist es schwierig, den oben beschriebenen Stimmgabel-Quarzkristallschwinger für eine Armbanduhr zu verwenden.

Fig.5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dünnen Stimmgabel-Quarzkristallschwingers, der die oben erwähnten Unzulänglichkeiten dadurch beseitigt, daß erfindungsgemäß eine andere Elektrodenform vorgesehen wird. F i g. 6 ist eine perspektivische Ansicht der Rückseite dieses Schwingers. Der Schwinger 15 ist hj mittels einer Photoätztechnik aus einer Quarzkristallplatte herausgeschnitten. Der Winkel γ liegt im Bereich von0° bis 10°. Mit 16 und 17 in F i g. 5 bzw. 25 und 26 in Fi g. 6 sind die Elektroden bezeichnet, mittels derer ein elektrisches Feld an den Schwinger angelegt werden kann. Der Schwinger 15 ist mittels Befestigungsleilen 27 und 28 seiner Rückelektroden 25 und 26 an Metallfilmen 18 und 19 befestigt; diese Metillfürne sind auf der Oberfläche eines Halteteiles 24 aus Isoliermaterial mittels Ablagerung, Sinterung usw. angebracht und entsprechen den Halteteilen 27 und 28 der Elektroden. Die Elektroden 16, 17, 25 und 26 sine! jeweils durch Drahtverbindungen 20 und 21 mit Elektrodenanschlüssen 22 und 23 verbunden. In F i g. 8 ist die Anordnung bzw. Verteilung der Elektroden dargestellt Da ein elektrisches Feld parallel zur X-Achse (in F i g. 8 durch Pfeile dargestellt) angelegt wird, liegt die dynamische Impedanz eines entsprechend Fig.5 verbesserten Stimmgabel-Quarzkristallschwingers bei 50 Wl und ist damit im Vergleich zum Schwinger von F i g. 1 extrem niedrig; die Temperatur, bei der der Temperaturkoeffizient, bei dem es sich um eine Frequenz-Temperaturabhängigkeit handelt Null ist, kann ohne Änderung der dynamischen Impedanz durch Variation des Winkels γ im Bereich von 20° C bis 40° C frei gewählt werden.

Dementsprechend eignet sich der in Fig.5 dargestellte leistungsfähige und extrem kleine Schwinger gut für die Anwendung bei einer Uhr. In dem Fall jedoch, in dem für das Isoliermaterial 24 in F i g. 5 Materialien mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, wie Glas, keramisches Material oder Ähnliches, verwendet wird, brechen die meisten Schwinger, wie dies in F i g. 9 dargestellt ist; in Fig.9 ist mit 29 die Bruchlinie eines Schwingers angedeutet Dieser Bruch hat folgende Ursache: Da der Grad der Kontraktion von der Verfestigungstemperatur der Bindemittel bis zur normalen Temperatur beim Quarzkristallschwinger, der einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und damit einen hohen Kontraktionsgrad aufweist und beim Halteteit mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und damit einem geringen Kontraktionsgrad unterschiedlich ist wird der Quarzkristallschwinger bei normaler Temperatur einem Zug ausgesetzt Dies hat eine Zugbelastung im Quarzkristallschwinger zur Folge, wie sie durch den Pfeil 30 in Fig. 10 gezeigt ist Daher tritt der Bruch des Schwingers auf. Bei Verwendung eines keramischen Materials mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 7 · 10-⁶/Grad für das Halteteil und eutektischer Lote aus Au-Sn als Bindemittel ergibt sich beispielsweise eine Zugbelastung von 25 kg/mm², die über der Bruchgrenzbelastung einer auf mehrere zehn Mikron dicke polierten Quarzkristallplatte liegt. In Fig. 10 sind mit 15 der Quarzkristallschwinger, mit 32 ein Bindemittel und mit 24 ein Halteteil bezeichnet. Beim in F i g. 1 gezeigten Quarzkristallschwinger verwendet man Metalle, wie Nickel, Messing usw. als Halteteil, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten fast gleich oder ein wenig höher als derjenige des Quarzkristalls sind. Auf diese Weise kann der Bruch des Quarzkristallschwingers vermieden werden, da der Quarzkristall eher einer Druckbelastung als einer Zugbelastung ausgesetzt wird. Wenn die Druckbelastung jedoch stark ist, ergibt sich eine schlechte Alterungscharakteristik des Quarzkristallschwingers sowie eine nachteilige Frequenzverschiebung, wenn dieser durch Fallen einen Stoß erhält.

Erfindungsgemäß können die oben beschriebenen Nachteile durch die Schaffung eines kleinen, leistungsfähigen und billigen Quarzkristallschwingers vermieden werden. F i g. 11 zeigt einen solchen erfindungsgemäßen

Quarzkristallschwinger. Der Bruch des Schwingers wird dadurch vermieden, daß Isoliermaterialien als Halteteil 31 verwendet werden, deren thermische Ausdehnung mit der des Schwingers nahezu übereinstimmt. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient in Längsrichtung des Schwingers anders als in einer dazu rechtwinkligen Richtung ist, eignet sich ein Quarzkristallstück, das in der gleichen Richtung wie der Schwinger geschnitten ist, am besten als Halteteil.

Durch Verwendung eines Quarzkristallstücks gleicher Schnittrichtung als Halteteil für den Schwinger erhält man ein isolierendes Halteteil, dessen thermi scher Ausdehnungskoeffizient mit dem des Schwinger nahezu übereinstimmt.
Der erfindungsgemäße Stimmgabel-Quarzkristall schwinger ist sehr leistungsfähig und extrem klein um kann außerdem gut und billig in Massenproduktioi unter Verwendung des oben beschriebenen Halteteile mittels einer Photoätztechnik hergestellt werden. Es is daher zu erwarten, daß der erfindungsgemäße Quarz

to kristallschwinger für die Verwendung von Quarzarm banduhren in Zukunft eine große Bedeutung erlangt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   L Quarzkristallschwinger mit einem Schwingerteil und einem mit diesem als Einheit ausgebildeten Befestigungsteil, welches an einem isolierenden Halteteil befestigt ist, und mit getrennten Elektroden auf dem Befestigungsteil, denen getrennte Metallfilme auf dem Halteteil entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient von Schwinger (15) einerseits und Halteteil (24) andererseits wenigstens in der Richtung senkrecht zur Trennlinie zwischen den Elektroden im wesentlichen gleich ist

   Z Quarzkristallschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil (24) ein Quarzkristallstück ist, das ungefähr in der gleichen Schnittrichtung wie der Schwinger (15) geschnitten ist