DE2546453C3 - Piezoelektrische Kristalleinheit mit einem monolithischen Plättchen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische ristallcinheit mit einem monolithischen Plättchen aus iezoelektrischem Material, bei dem auf gegenüberlieenden Flächen im mittleren Teil metallische F.lektroenflächen zur Bildung mindestens eines Schwingers nseordnet sind, von denen streifenförmige Zuleitungen an den Rand des Plättchens führen und im Rundbereich des Plättchens mit den Elektroden der Schwinger verbundene Kondensatoren durch aufgebrachte Metailflächen gebildet sind.

Solche Kristalleinheilen werden insbesondere bei elektromechanischen Filtern verwendet.

Es ist bereits bekannt, bei piezoelektrischen Schaltelementen für Wellenfilter auf einer einzigen piezoelektrischen Platte auf den gegenüberliegenden Rachen mehrere Elektroden so anzuordnen, daß sich mehrere einzelne Schwinger ergeben, die unabhängig voneinander schwingen (DT-AS 14 Ib 034).

Weiter ist eine elcktromechanische Filteranordnung bekannt, bei der mehrere Schwinger in einer einzigen piezoelektrischen Platte gebildet sind, deren Elektroden teilweise über äußere Sehaltmittel miteinander verbunden sind (DT-AS 19 20 t/78).

Es ist auch bereits ein Piezoquarzstab bekannt, bei dem Metallisierungen derart auf allen vier Seitenflächen angeordnet sind, daß zwei Paar von Elektroden gebildet sind, die jweils über eine Längskante auf benachbarte Seitenflächen übergreifen (DT-AS 14 02 M 2).

Schließlich ist es bei keramischen piezoelektrischen Filiern bekannt, auf einem piezoelektrischen Plättchen zusätzliche Metallisierungen anzubringen, um Kondensatoren zu bilden (IRE Transactions on Military Electronic:. I960. S. 469-481 und Proceedings of the National Electronics Conference VoI 17, 1961, S. 514-520).

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Kondensatoren so auszubilden, daß sie sich einfach herstellen lassen und die erforderlichen Kapazitätswcrie und Toleranzen haben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer piezoelektrischen Kristalleinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die die Kondensatorelektroden bildenden Metallflächen als längs des Plättchenrandes verlaufende Ansätze der streifenförmigen Zuleitungen ausgebildet sind.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sollen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen schematisch typischen Bandpaßfil- tei kreis unter Verwendung von Doppelresonatoren aus monolithischen Kristallen;

F" i g. 2a zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung;

F i g. 2b zeigt das Schaltungssymbol für die Anordnung nach F" i g. 2a;

Fig. 2c zeigt das Ersatzschaltbild für den monolithischen Kristall von F i g. 2a;

Die F i g. 3, 4, 5, 7 und 8 zeigen weitere Ausgestaltun gen der Erfindung unter Verwendung von monolithischen Kristallen;

F i g. 6 zeigt schematisch eine Filteranordnung, dk durch die Erfindung verwirklicht werden kann.

Die Kristalleinheit Ml nach den Fig. I, 2 und . enthält ein scheibenförmiges Kristallelement 1 mi voneinander in Abstand angeordneten Elektroden 2 um 2' auf der oberen Räche, deren streifenförmig! Zuleitungen im Randbereich zu Ansätzen 4 bzw. 4 verbreitert sind, sowie eine gemeinsame Elektrode 3 ai der unteren Fläche, deren Zuleitung zu dem Ansatz ! verbreitert ist. Die Anschlulklrähle <■», b und c situ jeweils mit den Ansätzen 4,4' und 5 verlötet.

Der Wert der gesamten Nebenschiußkapazität, CV usw. an jeder Verbindungsstelle zvisehen den monoli thischcn Kristallen entspricht der dynamischen Kapazi

liil ί'Ι des Ersatzschaltbildes von IΊ g. 2c. Die Nebenschlußkapazität besteht aus der Kapazität CA | des zugeschalteten Kondensators (einschließlich der Streukapazitäten der Zuleitungsdrähie) zusammen mit der NebcMschlußkapa/iiiii der Elektroden der beiden monolithischen Kristalle auf jeder Seite der Verbindungsstelle. Wenn angenommen wird, daß alle monolithischen Kristalle gleich aufgebaut sind und s·. inmetrisch ausgebildet sind, dann ist ( '/ 1 = CA I -+ 2 C₁ usw.

(in- eiiv spezielle Form der l-'ilterkennlinie isi der Wert für jede Kapazität einer Verbindungsstelle gegeben durch

uciiiii in die zentrale Frequenz bedeutet. Kn eine Konstante ist und /MV'die l^:ilterbaiulhreite bedeutet.

Beispielsweise liegt Kn in tier Gröllenordnuni: von 2 für eil) 0,5 dB Welligkeils-Tsehebvscheff-Eilter. Die Nebenschlußkapaziiäi Co zwischen den Kevniatorclektroden bildet, daher eine obere (irenze fur die Bandbreite, die durch die Verwendung der Anordnung nach I'ig. I erzielt werden kann. Bei dieser begrenzten Bandbreite ist die Nebenschlußkapazität 2(„ gleich Cl n. so dall kein zusätzlicher Kondensator an der Verbindungsstelle angeschlossen werden muß. Praktisch gilt dies etwa liir alle Verbindungen und das Filier nimmt so in der Praxis einen sehr einfachen Aulbau an.

Die begrenzte Bandbreite kann erweitert werden durch das Anschließen von Induktivitäten zwischen der Verbindungsstelle und Masse, um die überschüssige Kapazität zu kompensieren. In der Praxis beträgt das Verhältnis C_n zu CI nach Γ i g. 2c bei einem AT-geschnittenen Quarzkristall in einem Meiallbecher etwa 300, so daß die obere (irenze bei einer Bandbreite von J¹J kl Iz etwa bei 10,7 Ml Iz der zentralen Frequenz liegt, wenn, wie oben erwähnt, ein Tsehebyseheff-Filter aufgebaut wird. Die meisten l'iher von mobilen Radiogeräten Haben eine engere Bandbreite als oben angegeben und es wird ein kleiner Kondensator an jeder Verbindungsslelle angeordnet.

Wenn die Nebenschlußkapazitäi C₀ genügend erhöht wird, ohne den Wert von Cl zu ändern, dann ist es möglich, ein Filter aufzubauen, das ohne Nebenschlußkondensatoren auskommt, ähnlich dem Filter mit der Grenzbandbreite, wie oben erwähnt. Fun Weg, um dieses Ziel zu erreichen, besteht in der Verwendung des piezoelektrischen Flementes als Substrat für Dünnschichtkondensatoren, indem eine Schichtenfolge von Metall-Dielektrikum-Melall außerhalb des Resonatorgebietes angeordnet wird und in geeigneter Weise mit den Resonatorelektroden verbunden wird.

Wie in F i g. 3 dargestellt, sind die die Konoensatorelektroden bildenden Verbreiterungen 6 und 6' an die Resonatorelektroden 2 und 2' mittels der Streifen 7 und T angeschlossen. Die Kondensatorelektrode 8 ist mit der gemeinsamen Resonatorelektrode 3 über den Verbindungsstreifen 9 verbunden. Die Elektroden 6 und 8 bilden zusammen mit der dielektrischen Schicht 10 einen getrennten Nebenschlußkondensalor, der an einen Resonator angeschlossen ist, und die F.lektroden 6' und 8 bilden einen gleichen Nebenschlußkondensator, der an den anderen Resonator angeschlossen ist. Wie in Fig. 3 dargestellt, liegt die Elektrode 8 über den Elektroden 6 und 6', es können aber auch die Elektroden 6 und 6' über der Elektrode 8 liegen.

Es ist andererseits auch möglich, das piezoelektrische Element selbst als Dielektrikum zu verwenden und weitere Elektroden auf beiden Seiten anzuordnen, wie dies in Fi g. 4 dargestellt ist. Die Elektroden 11 und 12 bilden einen Nebenschlußkondensator für den linken Resonator und die Elektroden W und 12' bilden einen Nebenschlußkondensator für den rechten Resonator.

Diese zusätzlichen Elektrodenzonen ergeben weitere piezoelektrisch gekoppelte Resonatoren, welche einen starken Einfluß auf die Filierkennlinic haben können. In der Praxis ergibt sich jedoch, daß 'ties aus folgenden Gründen nicht eintreten muß:

1) Wenn nicht die Dicke der Eleklrodenplattierungen der zusätzlichen Resonatoren kritische Werte hat, wobei die unterschiedliche Cirolle und Form in Betracht gezogen werden muß, liegen die Frequenzen dieser zusätzlichen Resonatoren weit außerhalb des Durchlaßbandes.

2) Die zusätzlichen Resonatoren liegen weit auseinander und eine Kopplung zwischen ihnen und zwischen den aktiven Resonatoren ist sehr genug. Daher ist eine Potentialabweichung von der gewünschten Filterkurve nur sehr gering.

3) Die zusätzlichen Resonatoren liegen an der äußersten Kante des piezoelektrischen Elementes und haben dafür ein sehr niedriges (,). Dies vermindert weitere Abweichungen.

Das Ilrgehnis dieser Betrachtungen ist. dall die zusätzlichen Elektroden nur eine sehr geringe Abweichung von der gewünschten Filterkurve hervorrulen und daß diese sehr weit außerhalb des Durehlaßbereiches liegt. Es konnten auch keine Abweichungen dadurch festgestellt werden, daß zusätzliche Elektroden angebracht wurden und den Elektroden somit Material hinzugefügt wurde, so daß ihre Resonanzfrequenzen unterhalb der Frequenzen der aktiven Resonatoren liegen. Wenn in der Praxis nur eine sehr geringe Dicke der Plattierungen benutzt wird, haben die zusätzlichen Elektroden sogar die vorteilhafte Wirkung, daß sie geringfügig das Q der unerwünschten Resonanzen vermindern, welche normalerweise oberhalb der Bandpaßfrequenzen auftreten. Es ist bereits bekannt, daß das Q der unerwünschten Resonanzen dadurch vermindert werden kann, daß zusätzliche Materialschichten am Rande des Elementes aufgebracht werden. In diesem Falle wird jedoch, genau wie im Falle der vorliegenden Erfindung, das Q der erwünschten Resonanzen auch etwa:-, vermindert.

In gleicher Weise, wie bisher beschrieben, können auch andere Kondensatoren der Filterschaltung in der piezoelektrischen Kristalleinheit angeordnet werden. Beispielsweise wird manchmal eine Kapazität Cp zwischen Eingang und Ausgang eines oder mehrerer Resonatoren verwendet, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, um Dämpfungsspitzen zu erhalten. Dieser Effekt kann dadurch erreicht werden, daß eine Elektrode 13 hinzugefügt wird, wie dies in F' i g. 6 schematisch dargestellt ist. Wo die Elektrode 13 die Elektroden 11 und 11' überlappt, werden zwei weitere Kondensatoren gebildet, die in Reihe mit dem Eingang und dem Ausgang des monolithischen Kristalls geschaltet sind. Der Wert der Kapazität Cp kann viel kleiner als IpF sein. Daraus ergibt sich das Problem, in der Praxis einen Kondensator mit geeigneten Toleranzen zu finden. Es ist außerordentlich einfach, einen Kondensator von einem solchen Wert gemäß der Erfindung herzustellen.

Die praktische Grenze für die Kapazität, die durch diese Technik hinzugefügt werden kann, hängt von dem Element und den Abmessungen des aktiven Resonators ab. Für Kapazitäten oberhalb dieser Grenze können Kondensatoren verwendet werden, die durch Aufcinan-

derschiehten von metallischen und dielektrischen Schichten, wie zuvor beschrieben, hergestellt sind.

'n den Figuren sind verschiedene Ausführungsfumien der Erfindung dargestellt, bei denen verschiedene Fleklrodenkonfiguralionen verwirklicht werden.

Diese Technik kann jedoch allgemein angewendet werden und es existieren /ahlreiche weitere Möglich keiten. F i g. 7 zeigt eine Alternative zu Fig. 4, bei der die Ansätze auf der Unterseite 15 und 15' mit der Resonatorelektrode .3 mittels der Vcrbindiingssireilen 16 und 16' verbunden sind, also nicht indem sie bei 5 angeordnet sind.

Die die zusätzlichen Kleklroden bildenden Ansätze können in ihrer I lache auch unterschiedlich sein, wenn unterschiedliche Kapazitäten an den einzelnen Verbindungsstellen vorhanden sein sollen und unterschiedliche .Streukapazitäten durch die Verdrahtung entstehen. Die monolithische Konliguraiioii null! nicht unbedingt eine gemeinsame Elektrode haben, wie dies in !'ig. 2a dargestellt ist. sondern es können an beiden Seilen voneinander getrennte l.leklinden vorgesehen sein.

Die !.Hindun;: isl auch anwendbar bei I illern. welche monolithische Krislalle enthüllen, die drei oder mehr Resonatoren in jedem I.lenient vereinigen.

I i g. H zeigt eine solche Aiisl'iiliningsform. bei der die die Konclensaiorelektroden bildenden Ansalze mil 17, 17' und 18. 18' bezeichne! sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

25 453 Patentansprüche:

1. Piezoelektrische Kristullcinhcit mit einem monolithischen Plattchen aus piezoelektrischem Material, bei dem auf gegenüberliegenden Flächen im mittleren Teil metallische Elektrodenflächen /ur Bildung mindestens eines Schwingers angeordnet sind, von denen streifenförmige Zuleitungen an den Kund des Plättchens führen und im Randbereich des Plättchens mit den Elektroden der Schwinger verbundene Kondensatoren durch aufgebrachte Metallflächen gebildet sind, d a durch g e k e η η zeichnet, daß die die Kondensatorelekiroden bildenden Meuillflächen als längs ties Plättchenrandes verlaufende Ansätze (4, 5, 6_: 9, 11, 12, 13, 14, 15) der streifeniormigen Zuleitungen ausgebildet sind.

2. Krislalleinheit nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze zweier Zuleitungen für die beiden Elektrodenllächen eines Schwingers auf gegenüberliegenden Rächen des l'läiichens so angeordnet sind, daß sie einander gegenüberliegen (I" ig. 4. fa, 7,8).

3. Kristalleinheil nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf gegenüberliegenden Seilen des Plätiehens angeordneten Ansalze die gleiche Form haben (F i g. 2a, 4,6, 7,8).

4. Kristalleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Ansätzen der Zuleitungen zweier auf einer Seite des Plättehens nebeneinander angeordneter Elektroden von zwei Schwingern ein oder mehrere Ansätze der Zuleitung einer den beiden .Schwingern gemeinsamen Elektrode auf der anderen Seite des Plättchens gegenüberliegt (F i g. 4.6).

5. Krislalleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ansatz der Zuleitung einer Elektrode eines Schwingers über den Rand des Plätiehens auf die gegenüberliegende Fläche des Plättchens reicht und dort über den Ansatz der Zuleitung der anderen Elektrode des gleichen Schwingers liegt und daß zwischen den sich überdeckenden Flächen der Ansätze eine Schicht aus dielektrischem Material angeordnet ist (Fi g. 3).

6. Kristallcinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze der Zuleitungen zweier auf einer Seite des Plättchens nebeneinander angeordneter Elektroden von zwei Schwingern nebeneinander auf einer Seite des Plättchens angeordnet sind und daß der Ansatz. der Zuleitung der auf der anderen Seite des Plättchens angeordneten gemeinsamen Elektrode beider Schwinger übei den Rand des Plättchens so auf die gegenüberliegende Fläche geführt ist, daß er die beiden anderen Ansätze überdeckt und daß zwischen den sieh überdeckenden Flächen der Ansätze eine Schicht aus dielektrischem Material angeordnet ist (Fi g. 3).