DE2550434B2

DE2550434B2 - Miniatur-Quarzkristallscherschwinger

Info

Publication number: DE2550434B2
Application number: DE2550434A
Authority: DE
Inventors: Eishi Momosaki; Toshiaki Ogata; Kikuo Oguchi
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1974-11-09
Filing date: 1975-11-10
Publication date: 1979-05-23
Also published as: DE2550434A1; HK54878A; US4035674A; DE2550434C3; JPS5160189A; CH613835GA3; MY7800431A; JPS583602B2; CH613835B; GB1464229A

Description

Die Erfindung betrifft einen Miniatur-Quarzkristallscherschwinger gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Resonanzschwingungen von piezoelektrischen keramischen oder monokristallinen Materialien lassen sich für Resonanzfilter ausnutzen oder für Oszillatoren, wie sie beispielsweise bei Armbanduhren verwendet werden. Es lassen sich unterschiedliche Schwingungsarten ausnutzen, die je zu typischen Schwingungseigenschaften führen. Aus dem DE-GBM 7307288 ist ein für frequenzselektive Netzwerke, wie Hochfrequenzfilter, gedachter Oberflächenschwingungsresonator bekannt, bei dem ein Wandler aus Elektroden und einer akustische Schwingungen übertragenden Schicht auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist, an dem die Schwingungen des Wandlers reflektiert werden. Um ein frequenzmäßig reines und stabiles Schwingverhalten zu gewährleisten, muß die Substratfläche wesentlich größer sein als die Räche der Wandlerschichten, Das bedeutet einerseits, daß Resonatorabmessungen hingenommen werden müssen, die für den Einsatz in kleinen Armbanduhren nicht geeignet sind, Andererseits ist eine von der Substratform abweichende und daher mit selektiven Herstellungsmethoden auszubildende Elektrodenform unbedingt nötig.

Für Armbanduhren sind vielfach Quarzkristallbjegeschwinger verwendet worden, da sie die Verwendung solcher elektronischen Uhrenschaltungen ermöglichen, die für relativ hohe Frequenzen nicht geeignet sind. Solche Biegeschwinger lassen sich als dünne, stimmgabelförmige Schwinger unter Zuhilfenahme fotolitografischer Bearbeitungsmethoden herstellen, wie dies in der DE-OS 2210766 beschrieben ist.

Da inzwischen elektronische Uhrenschaltungen verfügbar sind, die auch für höhere Frequenzen geeignet sind, besteht in neuerer Zeit die Neigung, höherfrequentschwingende, hinsichtlich Teniperaturabhängigkeit 'der Resonanzfrequenz, Stabilität der Schwingfrequenz usw. jedoch bessere Quarzkristallscherschwinger einzusetzen. Je nach Schnitt des Quarzkristalls kann man Dickenscherschwingungen oder Flächenscherschwingungen erzielen (Neue Uhrmacherzeitung 1971, Nr. 15, S. 10 bis 13). Dickenscherschwingungen, wie sie aus der DE-OS 1516 744, der DE-AS 1 673744 und aus Neue Uhrmacherzeitung 1974, Nr. 8, S. 5 bis 7, bekannt sind, weisen entweder recht hohe Schwingfrequenzen auf, was spezielle, für sehr hohe Frequenzen geeignete Uhrenschaltungen erfordert, oder müssen eine erhebliche Dicke aufweisen, um niedrigere Schwingfrequenzen zu erreichen. Im letzteren Fall aber ist eine kostengünstige Herstellung der einzelnen Schwingquarze unter Zuhilfenahme von litografischen Methoden nicht möglich.

Die Verwendung von Quarzkristall-Flächenscherungsschwingern im DT-Schnitt, die Schwingungen im mittleren Frequenzbereich aufweisen, ist in Elektronik-Praxis 1973, Heft 9. S. 7 bis 9, erwähnt. Wie Quartz Chrystals for Electrical Circuits von Raymond A. Heising, 2. Auflage, 1946, S. 1202, zu entnehmen ist, werden Quarzkristalle mit CT-, DT- oder GT-Schnitt an einem Mittelteil gehalten. An diesem Mittelteil müssen zwei Zuleitungsdrähte angebracht werden, die gleichzeitig als Haltedrähte für den Quarzschwinger dienen müssen. Eine derart weiche Halterung ist mit dem Nachteil behaftet, daß der Quarzkristallschwinger bei Erschütterungen und Stößen, die auf die Uhr einwirken, gegen sein Gehäuse schlägt, was zu einer Beschädigung des Quarzkristallschwingers, mindestens jedoch zu einem Falschgehen der Uhr führt.

Ist es wie im Fall des in der DE-OS 2210766 beschriebenen Stimmgabelbiegeschwingers erforderlich, Elektroden mit einer Form erzeugen zu müssen, die von derjenigen des Stimmgabelschwingers abweicht, sind getrennte litografische Schritte einerseits für die Formgebung des Quarzschwingers und andererseits für die auf dessen Oberflächen aufgebrachten Elektroden erforderlich.

Es ist daher Aufgabe, einen hochstabilen Quarzkristallflächenscherschwinger verfügbar zu machen, der mit möglichst geringem Kostenaufwand herstellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Quarzkristallschwinger und in einem Verfahren zu dessen Herstellung, wie sie in den Ansprüchen 1 bzw. 2 gekennzeichnet sind. Ein vorteilhaft Weitergebilde-

tes Verfahren ist im Anspruch 3 angegeben.

Beim neuen Quarzkristallschwinger gelangt man zu dem Vorteil, daß ein Schwingungsteil und ein Halterungsteil einstückig aus einer Quarzkristallplatte unter Zuhilfenahme litografischer Methoden hergestellt werden kann, und zwar in einem einzigen litografischen Herstellungsprozeß für die Formgebung sowohl des Schwingers als auch der auf diesem angeordneten Elektroden. Da die Flächenscherschwingung in dem verbreiterten Schwingbereich des neuen Quarzkristallscherschwingers eingefangen bleibt, ist es möglich, den außerhalb dieses Schwingbereichs befindlichen Haltebereich direkt auf einem Sockel festzulöten. Damit ist eine relativ starre Halterung des Schwingers erreicht, so daß die Wahrscheinlichkeit, daß der Schwinger bei einer auf die Uhr einwirkenden Erschütterung an sein Gehäuse anstößt, sehr gering ist.

Die Erfindung wird nun in einer Gegenüberstellung zu einem bekannten Scherschwinger anhand von 6 Figuren näher erläutert, in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform eine:, bekannten Quarzkristallscherschwingers,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Quarzkristallschwingers mit Scherschwingungsmode,

Fig. 3 die Orientierung einer aus einem Naturquarzkristall ausgeschnittenen dünnen Quarzkristallplatte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Quarzkristallschwingers,

Fig. 4 eine Art der Herstellung des erfindungsgemäßen Quarzkristallschwingers,

Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Quarzkristallschwingers.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines bekannten sehr kleinen Quarzkristallschwingers mit Scherschwingungsmode sind mit 1 der Scherschwingungsmode-Quarzkristallschwinger, mit 2 eine auf die Oberfläche des Schwingers 1 aufgebrachte Elektrode und mit 3 ein Halter, der sowohl zum Halten des Schwingers als auch als Zuleitung für die Elektrode dient, bezeichnet. Der Schwingungsmode des Schwingers ist ein Dicken-Scherschwingungsmode entsprechend der in Fig. 1 eingezeichneten Pfeilen. Seine Temperatur-Resonanzfrequenz-Charakteristik stellt sich als Kui^ve dritter Ordnung dar. Der Schwinger weist also eine ausgezeichnete Charakteristik auf. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, kann außerdem die Größe des Schwingers in einem großen Ausmaß reduziert werden. Ea muß jedoch beim Formen des Schwingers aus dem natürlichen Quarzkristall große Rücksicht genommen werden, um die ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften zu erhalten. Mit anderen Worten ist eine Formgebung, die im Schwinger eine Deformation hervorruft, z. B. ein Formen mittels eines Diamantschneiders, nicht zulässig. Statt dessen muß ein Formgebungsprozeß angewandt werden, der keine Deformation im Schwinger zurückläßt, z. B. ein Läppverfahren, damit ausgezeichnete Alterungseigenschaften hinsichtlich der Resonanzfrequenz und ein hoher Gütewert (Q-Wert) erhalten werden. Der in Fig. 1 dargestellte Schwinger weist 8 ebene Flächen auf, so daß ein 8faches Läppen erforderlich ist oder, falls jeweils zwei gegenüberliegende Flächen gleichzeitiggeläppt werden,ein 4faches Läppen. Damit aber ist es nicht möglicn die Schwinger mit niedrigem Preis herzustellen. Hinzukimmt, daß infolge der großen Anzahl von Herstellungsschritten die Genauigkeit der Resonanzfrequenz des hergestellten Schwingers nach Fig. 1 verschlechtert ist, wodurch der nachfolgende Justierprozeß für die Resonanzfrequenz beeinträchtigt wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist mit 4 der schwingende Bereich eines Quarzkristallschwingers mit Scherschwingungsmode, mit 5 ein Haltebereich, mit 6 eine Elektrode, mit 7 ein Befestigungsblock, mit 8 eine Lötverbindung zwischen dem Haltebereich und dem Befestigungsblock und mit 9 ein Leitungsdraht bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform sind der schwingende Bereich 4 und der Haltebereich 5 aus derselben dünnen Quarzkristallplatte hergestellt. Sie sind auf der vorderen und hinteren Oberfläche mit Elektroden 6 aus einer Metallschicht versehen, die durch Ablagerung oder dergleichen hergestellt ist. Bei Anlegen einer Spannung an diese Elektroden wird der Schwinger zu einer Scherschwingung angeregt, die in Fig. 2 durch Pfeile dargestellt ^;*t.

Anhand der Fig. 3 wird im einzelnen ein Herstellungsverfahren für den Quarzkristallschwinger nach Fig. 2 beschrieben. Fig. 3 zeigt die Orientierungeiner aus einen natürlichen Quarzkristall herausgeschnittenen dünnen Quarzkristallplatte. In Fig. 3 bedeuten X, \ und Z die elektrische, mechanische und optische Achse des Quarzkristalls. 10 ist eine Quarzkristallplatte zum Bilden eines erfindungsgemäßen Quarzkristallschwingers, die in der Weise ausgeschnitten ist, daß eine V-geschnittene Platte um die ,Y-Achse um 50° —60° gedreht wird. Nachdem diese Platte ausgeschnitten ist, wird sie geschliffen bzw. geläppt und poliert, damit die durch den Schneidprozeß verursachten Deformationen in einem ausreichenden Maße entfernt werden. Auf diese Weise wird eine dünne Quarzkristallplatte der gewünschten Dicke hergestellt. Der Quarzkristallschwinger wird auf dieser Platte durch Fotoätzen gewonnen, wie dies im folgenden erläutert wird. Es werden zunächst auf der vorderen und der hinteren Fläche der dünnen Quarzkristallplatte Metallschichten, z. B. Chrom und Gold abgelagert. Sodann werden entsprechend Fig. 4 die Metallschichten aus Chrom und Gold durch Fotoätzen teilweise entfernt, so daß sie eine Form 11 bilden, die mit der der gewünschten Quanrkristallschwinger identisch ist. Sodann wird die dünne Quarzkristallplatte in eine Ätzlösung z. B. ein Lösungsgemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid eingetaucht, so daß der Bereich des Quarzkristalls, der nicht mit den Metallschichten aus Chrom und Gold bedeckt ist, aufgelöst whd. Auf diese Weise werden mehrere miteinander verbundene Quarzkristallschwinge.· erzeugt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Einzelne getrennte Schwinger werden erhalten, wenn man auf die Verbindungsstellen 12 eine schwache Kraft ausübt. Bei dem beschriebenen Beispiel dienen die Metallschichten aus Chrom und Gold, die gemäß der Form der Schwinger gebildet werden, als Schutzmasken während der A"flösung des Quarzkristalls und außerdem als Elektrodenschichten des Schwingers nach der Auflösung des Kristalls. Die Form der Elektroden und die des Schwingers können aber natürlich auch voneinander verschieden sein, wenn die Anzahl der Prozeßschritte zur Herstellung des Schwingers erhöht wird.

Der erfindungsgemäße Quarzkristallschwinger kann durch das sehr einfache und für eine Massenproduktion geeignete Herstellungsverfahren mit niedri-

gen Kosten gefertigt werden. Das Herstellungsverfahren umfaßt eine Fotoätztechnik zum Bilden der äußeren Form des Schwingers wodurch die folgenden Vorteile bedingt sind.

1. Die äußere Form des Schwingers kann frei ge- '> wählt werden und die Größe des Schwingers kann merklich reduziert werden.

2. Die äußere Form kann sehr exakt gemacht werden, wodurch eine Vereinfachung bei der Frequenzjustierung od. dgl. bedingt ist, was eben- κι falls eine Herabsetzung der Herstellungskosten zur Folge hat.

Λ. Die mit hoher Genauigkeit gebildeten Schwinger erleichtern eine automatische Montage.

4. Da mehrere Schwinger aus einer einzigen Quarzkristallplatte hergestellt werden, ist es einfach, Schwinger mit gleicher Charakteristik zi: fertigen.

Erfindung. Der in Fig. 5 dargestellte Quarzkristall- " schwinger mit Scherschwingungsmode unterscheidet sich von denen nach Fig. 2 zunächst darin, daß der Schwingbereich eine konvexe Form aufweist. Da bei dieser Erfindung zur Herstellung der äußeren Form des Schwingers eine Fotoätztechnik angewandt wird. y. können Form und Größe verhältnismäßig frei gewählt werden. Deshalb kann der Schwingbereich leicht in der Mitte breiter als an den beiden Enden ausgebildet werden, wodurch die konvexe Form dieses Ausfiihrungsbeispicls entsteht. Dieser Schwinger schwingt :> gemäß dem sogenannten eingefangenen Energiemode (trapped-energy mode). Der zweite Unterschied besteht darin, daß der Schwinger nach Fig. 5 metallische Bereiche 13 aufweist, die verhältnismäßig dick ausgebildet und an beiden Seiten des Schwingbereiches zum r. Zwecke der Einstellung der Resonanzfrequenz vorgesehen sind. Die Resonanzfrequenz läßt sich schnell und genau durch Bestrahlen der Metallbereichc 13 mit einem Laserstrahl justieren, durch den die erforderliche Menge an Metall aufgelöst und dispergiert wird. Bei dieser Ausfiihrungsform ist außerdem auf dem Haltebereich ein verhältnismäßig dicker Metallbereich 14 vorgesehen, der die Befestigung durch Löten und außerdem die Verbindung mit den Leitungsdrähten zur Elektrode erleichtert. Der Metallbereich 14 auf dem Haltebereich entspricht dem Metallbereich 13 auf dem schwingenden Bereich.

Fig. 6 stellt eine weitere Ausfiihrungsform der Erfindung dar. Bei dieser Ausfiihrungsform ist der Schwinger in einem Gehäuse untergebracht. Mit 15 ist ein Quarzkristallschwinger des Scherschwingungstyps bezeichnet, der an beiden Enden zwei getrennte Hai- tebercichc aufweist. Die vordere und die hintere Elektrode sind durch die betreffenden Haltebereiche mit zwei Leitungsdrähten verbunden und an diesen befestigt, welche durch einen Stecker 16 hindurchgefvirjri sinti Α·ΐίί dert Stecker ist !.errnetisch dich! eine Kappe 17 aufgesetzt und das Innere der Kappe wird unter Vakuum oder unter einer inaktiven Atmosphäre gehalten. Auch bei dem in Fig. 6 dargestellten Typ eines Quarzschwingers lassen sich die Abmessungen sehr klein halten und der Gesamtaufbau kann ohne Platzverschwendung mit sehr kleinen Abmessungen hergestellt werden. Durch die Erfindung läßt sich wie beschrieben ein Quarzkristallschwingcr mit Scherschwi"gungsmode, der in einem cingefangenen Energiemode schwingt, durch Fotoätzen mit sehr kleinen Abmessungen aus einer dünnen Quarzkristallplatte herstellen, wobei die Herstellungskosten sehr niedrig sind und der Schwinger ausgercichnete Eigenschaften aufweist. Der Quarzkristallschwinger gemäß dieser Erfindung kann als ein wesentlicher Beitrag zur Verbesserungder Genauigkeit, zur Verringerung der Abmessungen und zur Verringerung des Preises von Quarzkristalluhren oder verschiedener anderer Arten von Geräten angesehen werden.

Hier/u 2 Blatt Zcicliminucn

Claims

Patentansprüche:

1. Miniatur-Quarzkristallscherschwinger für eine Armbanduhr, der als dünne, um 50° bis 60° um die .Y-Achse gedrehte V-geschnittene (Fig. 3, Flächenscherschwingungen ausführende Quarzkristallplatte ausgebildet ist, die auf beiden Plattenflächen mit Elektrodenmaterial beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzkristallplatte einen Schwingbereich (4), der im mittleren Teil breiter als an den beiden Enden ausgebildet ist, und einen außerhalb des Schwingbereichs liegenden, mit diesem einstückig ausgebildeten Haltebereich (5) aufweist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Miniatur-Quarzkristallscherschwingers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem natürlichen Quarzkristall durch Drehen einer Y-geschnittei.en Platte um 50° bis 60° um die ΛΓ-Achse (Fig. 3) eine dünne Platte geschnitten, geläppt und poliert, diese auf beiden Seiten mit einer Metallschicht (6), vorzugsweise aus Chrom und Gold, beschichtet, die Metallschichten (6) durch Fotoätzen in mehrere nur durch dünne Stege (12) miteinander verbundene Muster (11), die je der Form der zu fertigenden Quarzkristallschwinger entsprechen, gebildet, der Quarzkristall an den nicht durch das Muster bedeckten Stellen mittels eines Gemisches aus Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfh'orid herausgelöst, die Stege (12) zwischen den einzelnen Quarzkristallschwingern gebrochen und die etektriscrien Verbindungsleitungen (9) angebracht werden.

3. Verfahren nach AnspiUch2, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Teil des Schwingbereiches (4) des Quarzkristallschwingers an den ausgebauchten Stellen je eine dickere Metallschicht (13) vorgesehen wird, die zur Abstimmung der Resonanzfrequenz des Quarzkristallschwingers mittels eines Laserstrahles teilweise abgetragen wird.