DE2640886A1

DE2640886A1 - Piezoelektrischer mikroresonator

Info

Publication number: DE2640886A1
Application number: DE19762640886
Authority: DE
Inventors: Jean-Georges Michel
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauchesfabrik ETA AG
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1977-03-31
Also published as: CH1212475A4; FR2325093B1; JPS5236954A; DE2640886B2; DE2640886C3; NL7610149A; FR2325093A1; CH600423B5; GB1560537A

Description

Ebauches SA Neuchätel/Schweiz

Piezoelektrischer Mikroresonator

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Mikroresonator mit einem schwingendenTeil, der mit Haltearmen verbunden ist, deren äussere Enden in einen Träger übergehen, wobei der schwingende Teil und die Haltearme dünne, metallische Schichten tragen, die als Erreger^^elektroden und als Verbindungen dienen.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Resonators sehr kleiner Abmessungen zur Verwendung in einer elektronischen Uhr, der folgenden Bedingungen genügen soll:

- Gütezahl etwa 5·10

- Kleine Empfindlichkeit vor der Montage auf einer Halterungj um eine einfache Handhabung und eine Automatisierung der Montage zu ermöglichen

- Einfache Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Erregerelektroden und den Klemmen eines "chwingkreiaeä

- Stossuiiempfindlichkeit des auf der Halterung montierten Resonators

- Einfache Abstimmung der -Sohwingfrequeiiz .

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Fall- 16 B

Es ist ein Mikroresonator bekannt, der die Form einer '•uarz7,un/^e hat mit im rechten Winkel von ihr abgehenden HaI-teariuen, wobei das Ranze mittels eines chemischen Verfahrens ans einem n_Uarzplättchen geringer Dicke (etwa O,O^ mm) ausgeschnitten ist; metallische Elektroden (Dicke 1000 A) sind anf eine Seite im Vakuum aufgedampft, um ein elektrisches Feld anzulegen, das Biegeschwingungcn mit einer Tiesonanzfrenuoriz von 110 kHz erzeugt, wenn die Zunge am Ende der Haltearme eingebaut ist.

Jedoch sind die mit diesen Resonatoren erzeugten Gütezahlen nur etwa gleich 1000, was mindestens 50mal zu klein ist.

Es ist ferner eine Miniaturstiiumgabel bekannt, die mis zwei gekoppelten Ouarzzungen besteht, auf die ein metallischer
Film aufgedampft ist, der die Elektroden bildet. Diese Konstruktion führt zu sehr kleinen Dimensionen (etwa 5 x 1 x
0,0?5 Hi·") für verhälnismässig niedrige Frequenzen von 10
bis 100 IcIIz; die Gütezahl ist etwa 5 · 10 . Diese Anordnung wird mittels Ilalbleiterherstel lungstechnik in grossen Stück zahlen und zu niedrigen Preisen fabriziert; 70 Stimmgabeln werden gleichzeitig aus einem Ouarzplättchen hergestellt.
Din Unempfindlichkeit gegen Stösse ist ausgezeichnet, wenn
din Stimmgabel auf ihrer Halterung aufgelötet ist.

Jedoch ist es schwierig, die Schwingfrequeriz eines mit diesem Resonator zusammengeschalteten Schwingkreises mit Hilfe eines veränderbaren Kondensators abzustimmen; ausserdeni ist der Ersatz-Serienwiderstand sehr gross, weswegen die Herstellung eines Schwingkreises mit sehr niedrigem Stromverbrauch und guter Stabilität sehr schwierig wird. Schliesslich ist
ei·· verbal tnismässig schwierig, den Montagevorgang zu automatisieren .

Dor erfindungsgeuiässe Resonator vermeidet die genannten Nachteile. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass der schwingende
Teil, die I Tal te arme und der Träger eine nicht, auseinandernehmbare Einheit bilden, welche au« einem einzigen '"lättchen von piezoelektrischem Material gearbeitet ist, dass der schwingende Teil und die Haltearme gegen den Träger durch mindestens einen Schlitz begrenzt und mechanisch entkoppelt sind, welcher

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Schlitz in das genannte Plättchen eingeschnitten ist, und dass der Rand des Schlitzes in einem ßewipsen Abstand von der äusseren Begrenzung des Plättchens bleibt.

In der folgenden Beschreibung werden mehrere Ausführungsformen beispielsweise näher beschrieben, wobei auf die Figuren Tiozug genommen wird,: ·

Fig-. 1 ist eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ist ein Schnitt in der Ebene ΪΙ-ΙΙ der Fig. 1,

die Fig. 3 und k sind perspektivische Ansichten, welche besondere Orientierungen des schwingenden Teiles gegenüber den Achsen eines Quarzes und diettnordnung der Elektroden zeigen,

Fig. 5 zeigt die Aufsicht auf eine andere Ausführungsform.

Bei der Herstellung des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Resonators geht man von einem rechteckigen Quarzplättchen 1 aus, dessen Dicke unter 50 pm liegt und beispielsweise senkrecht zur X-Achse des Kristallgitters geschnitten ist; die Längsrichtung des Plättchens bildet mit der Y-Achse des Quarzes einen Winkel, der zwischen -5° und +5° liegt.

Mit einem bekannten photolithographischen Verfahren, dann mittels chemischer oder Sandstrahlbearbeitung werden die beiden Schlitze 2 und 3 herausgeschnitten, deren äussere Kanten in einem gewissen Abstand von dem äusseren Rand des Plättchens 1 bleiben; die Schlitze 1 und 2 begrenzen den schwingenden Teil und zwei Haltearme 5 und 6. Der schwingende Teil hat die Form einer rechteckigen Zunge k, deren Verhältnisse Länge zu Breite und Breite zu Dicke grosser als 5 sind. Die Haltearme 5 und 6 werden durch zwei gerade Abschnitte gebildet, die senkrecht zu Längsrichtung der Zunge angeordnet sind; sie sind in der Mitte der Längsrichtung und beidseitig der Zunge angeordnet. Der schwingende Teil h und die Arme 5 und 6 sind damit mechanisch gegen den Rest des Plättchens 1, welches den Träger darstellt, entkoppelt. Die TeileΛ, 5 und 6 bleiben jedoch mit dem Plättchen verbunden.

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Metallische Belege 7 und 8 werden auf beiden Oberflächen der Zunge und der Haltearme 5 und 6 und auf den Oberflächen 9, 3 0 und 11 aufgebracht, um damit den Resonator auf einer (nicht dargestellten) Halterung auflöten zu können, womit die elektrischen Verbindungen hergestellt werden.

Die Fig. 3 zeigt die Orientierung der Zunge k gegen die Achsen des Quarzes; die Längsachse der Zunge liegt in einer Richtung Y¹, die einen Winkel ov mit der Y-Richtung bildet. Eine an die Elektroden 7 und 8 angelegte Wechselspannung erzeugt ein elektrisches Feld E in Richtung X, das eine Schwingung der Zunge h im ttauptmodus der longitudinal en Auisdennungsschwingung hervorruft.

Die Tlaltearme 5 und 6 sind nahe bei den Knotenpunkten der Schwingung mit der Zunge k verbunden. Es hat sich gezeigt, das spie Breite der Ilaltearme nicht stört, wenn sie kleiner als 1/10 der Zungenlänge ist.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, in welcher das kuarzplättchen parallel zur X-Achse geschnitten ist, während die Senkrechte auf der Plättchenoberfläche einen Winkel ocmit der optischen Achse Z des Quarzes bildet, der zwischen -5° und +5° liegt. Die Länge der Zunge ha. liegt parallel zur Y-Achse. Das elektrische Erregerfeld wird dann in der Richtung X mittels zwei Elektrodenpaaren 13 und Ik an den beiden Kanten jeder der Oberflächen der Zunge ka. angelegt. Die beiden Elektroden jedes Paares sind (in nicht gezeigter Weise) auf jeder Oberfläche der Haltearme und weiter auf dem Träger verlängert, die miteinander und mit einer der Klemmen eines Schwingkreises verbunden sind. Bei der entsprechenden Erregung schwingt die Zunge ^a ebenfalls nach dem Rauptmodus der Ausdehnung.

Wegen der Gitterstruktur des piezoelektrischen Materials treten ausser dem Modus der Längsschwingung auch sekundäre Schwingungsmoden auf. Mit einem Quarz des Schnittes X +5 •a . B. ist eine Ausdehnungsschwingung in der Breite der Zunge und auch eine Pcherschwingung in der Ebene der Zunge zu beobachten, die den rechteckigen Querschnitt der Zunge in ein

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Parallelogramm verformt. Eine Aufhängung, die diese Formänderungen behindert, entzieht also auch indirekt der Hauptformäntlerung entlang der Achse Y¹ Energie, was eine Verkleinerung der Gütezahl des Resonators "bewirkt.

Deswegen müssen Form und Abmessungen der Haltearme 5 und 6 so ausgebildet sein, dass die Zunge mit möglichst geringer Störung schwingen kann.

Diese miteinander gekoppelten Formänderungen hängen von der Kristallstruktur ab und sind demnach verschieden, je nachdem ob Quarz oder andere piezoelektrische Materialien wie Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder verschiedene Schnitte benutzt worden* Deswegen finden besondere geometrische Anordnungen Verwendung, wie z.B. die in Fig. 5 gezeigte.

Die Zunge 15 ist beiderseits in der Mitte eingekerbt; der engste Teil an der Einkerbung ist durch Haltearme verbreitert, von denen jeder einen Steg 16 öder 17 enthält, der parallel zur grossen Achse des schwingenden Teils 15 liegt; diese Stege und 17 sind mit der Zunge 15 durch einen rechteckigen oder gebogenen Steg verbunden. Die Teile 16 und 17 können miteinander verbunden sein; in diesem Falle wird nur ein einziger Schlitz eingeschnittenj um den aktiven Teil von den Haltearnien zu entkoppeln. :

Der Hauptvorteil der Herstellung von Mikroresonatoren durch Ausschneiden aus dünnen piezoelektrischen Kristallplättchen liegt in der Möglichkeit* Haltearme herzustellen, die eine verhältnismässig komplizierte Form haben und den verschiedenen Formänderungen des aktiven Teiles vollkommen angepasst sind.

Er ist ausserdem sehr vorteilhaft, dass bei der Serienfabrikation eine grosse Anzahl Resonatoren auf dem gleichen, dünnen Plättchen mit Hilfe der bekannten Verfahren wie Metallisierung oder chemische Behandlung hergestellt werden können. Ferner ermöglicht die bemerkenswerte Genauigkeit der mittels photolithographischer Verfahren erhaltenen Abmessungen eine gute Reproduzierbarkeit der Kennwerte, eines solchen Resonators.

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Dank dieser grossen Vereinfachung, bei der die Frequenz:-; tabi lität und die gut zu .Schwingkreisen mit sehr kleinem Stromverbrauch passenden elektrischen Parameter erhalten bleiben, kann der Kristallsclmitt frei gewählt werden, z.B. der --clinitt GT für Quarz, der im Temperaturbereich von 0°...1OO°C eine bemerkenswerte Frequenzstabilität aufweist. Der .Schnitt flT wurde von Ii. P. Mason in "A new quartz crystal plate, designated GT", Proceeding's of the IRE, May l^Q4o, p. 220-223, beschrieben. Der aktive Teil hat die Forin eines Rechtecks, dessen Verhältnis Breite zu Länge zwischen 0,b'5 und 0,9 liegt. In diesem Falle entspriciit die Form der linltearme der von Fig. 5; sie gehen von den äusseren Ende der lüiotenaclise, die parallel zur Länge des Rechtecks ist, aus und gehen durch die Mitte der Breiten. Bei einer Frequenz von etwa 7^0 kHz hat der Resonator die Abmessungen von h,9 χ 4,2 χ Ο,θ4 him und elektrische Parameter, die für den Aufbau einen elektrischen Schwingkreises mit kleinein Stromverbrauch für Armbanduhren sehr gut geeignet sind.

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Claims

Patentansprüche

( 1./ Piezoelektrischer Mikroresonator mit einem schwingenden Teil, der mit Haltearmen verbunden ist, deren äussere Enden in einen Träger übergehen, wobei der genannte schwingende Teil und die genannten Arme dünne, metallische Schichten tragen, die als Erregerelektroden und als Verbindungen dienen, dadurch gekennzeichnet, dass der schwingende Teil, die Haltearme und der Träger eine nicht auseinandernehmbare Einheit bilden, welche aus einem einzigen Plättchen von piezoelektxischem Material gearbeitet ist, dass der schwingende Teil und die Haltearme gegen den Träger durch mindestens einen Schlitz begrenzt und mechanisch entkoppelt sind, welcher Schlitz in das genannte Plättchen eingeschnitten ist, und dass der Rand des Schlitzes in einem gewissen Abstand von der ausseren Begrenzung des Plättchens bleibt.

2. M i.kro resona tor nach Anspruch 1, dadurch gokonnzei cimot, dass tier .schwingende Teil eine rechteckige '/.lat'-e bildet, deren Verhältnisse L;m,.;e zu Breite und Breite zu Oiclre grosser als 5 sind, und dass die Haltearme aus zwei (»'echtecken" gebildet werden, die senkrecht zur Längsachse der Zunge in der Mitte ihrer Länge, zu beiden Seiten und in der Ebene der Zunge liefen.

'}. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.ss jeder der Haltearine einen Teil enthält, tier parallel zur grossen Achse des schwingenden Teils liegt und mit diesem durcli ein anderes geradliniges oder gebogenes Toil. verbunden ist.

h. Mikroresonator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Halteaniie kleiner als 1/3 0 tier Länge der Zunge ist.

5. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen aus einem Quarz herausgeschnitten ist und dio Form eines dünnen Rechtecks hat, wobei die Ebene ties genannten Plättchens senkrecht zu X-Achse des Ouarzes liegt,

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während die Längsrichtung des Piättcheiis einen Winkel zwiachen -5° und +5° '«it der Y-Achse des Quarzes bildet.

O. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen aus einem Quarz herausgeschnitten ist und die Form eines dünnen Rechtecks hat, wobei die Ebene des Plättcliens parallel zur X-Achse des Puarzes und die Senkrechte auf der genannten Ebene einen Winkel zwischen -5 und +5 mit der optischen Achse Z des Ouarzes bildet.

7. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen aus einem Quarz herausgeschnitten i.«t, wobei die Orientierung gegenüber dem Kristallgitter dem -chnitt GT entspricht.

8. Mikroresonator nach Anspruch 1 und den Ansprüchen

3 und k, dadurch gekennzeichnet, dass der schwingende Teil die Form einer in der Mitte eingekerbten Zunge hat, wobei die beiden Haltearme in der Mitte der Kerbe ansetzen.

9. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet

dass die metallischen Schichten auf jeder der beiden Oberfläche des genannten Plättchens auf einem Teil des schwingenden Teiles, auf einem Haltearm und auf Oberflächen des Trägers aufgebracht sind, derart, dass dieser auf einer Halterung auflötbar ist mit Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Elektroden und einem Schwingkreis

10. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da?-s die Dicke des Plättchens kleiner als 50 um ist.

11. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der schwingende Teil mit dem Hauptmodus der longitudinalen Ausdehnung arbeitet.

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