DE2640886C3

DE2640886C3 - Piezoelektrischer Mikroresonator

Info

Publication number: DE2640886C3
Application number: DE19762640886
Authority: DE
Inventors: Jean-Georges Neuenburg Michel (Schweiz)
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauchesfabrik ETA AG
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1980-02-07
Also published as: FR2325093B1; NL7610149A; GB1560537A; DE2640886A1; JPS5236954A; CH1212475A4; FR2325093A1; CH600423B5; DE2640886B2

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Mikroresonator für elektronische Uhren mit einem schwingenden Teil, der im Hauptmodus der longitudinalen Ausdehnungsschwingung schwingt und mit Haltearmen verbunden ist, deren äußere Enden in einen Träger übergehen, wobei der schwingende Teil und die Haltearme d inne metallische Schichten tragen, die als Erregerelektroden 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"

- Erleichterung der Lagerung und der Befestigung des Resonators in einem Gehäuse, einfache Handhabung bei der Automatisierung der Montage

- Stoßunempfindlichkeit des au* der Halterung montierten Resonators.

Esistausder DE-OS 2454321 ein Mikroresonator in Gabelform bekannt, der aus einem Plättchen piezoelektrischen Materials in einem Stück gleicher Dicke hergestellt ist.

Jedoch sind die -,chwingenden Teile (Arme) des Resonators während der Lagerung und der Handhabung bei einer Automatisierung der Montage nicht geschützt und auch nicht gegen Stöße, die auf einen auf einer Halterung montierten Resonator wirken können.

Der erfindungsgemäße Resonator vermeidet die genannten Nachteile. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß der schwingende Teil, die Haltearme und der Trager, gleiche Dicke aufweisen und in der Ebene eines einzigen Plättchens von piezoelektrischem Material liegen, aus welchem sie gearbeitet sind, wobei der schwingende Teil durch mindestens einen Schlitz im genannten Plättchen vom Trager im Abstand gehalten ist, wobei die Haltearme je in der Mitte einer Seite des schwingenden Teiles angeordnet sind und eine solche geometrische Form haben, daß die mechanische Entkopplung des schwingenden. Teiles vom Trä* ger gewährleistet ist tirid wobei der genannte Träger mindestens eine Hälfte des genannten schwingenden Teiles umgibt.

In der folgenden Beschreibung werden mehrere Ausführungsformen beispielsweise näher beschrieb beti, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird:

Fig. 1 ist eine Aufsicht auf eine erste Ausführungs-

form der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Schnitt in der Ebene H-II der Fig. 1;

Fig. 3 und 4 sind perspektivische Ansichten, welche besondere Orientierungen des schwingenden Teiles gegenüber den Achsen eines Quarzes und die An-Ordnung der Elektroden zeigen;

Fig. 5 zeigt die Aufsicht auf eine andere Ausführungsform.

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

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 der: schwingenden Teil und zwei Haltearme 5 und 6. Der schwingende Teil hat die Form einer rechteckigen Zunge 4, deren Verhältnisse Länge zu Breite und Breite zu Dicke größer als 5 sind. Die Haltearme 5 und 6 wer- ^ den durch zwei gerade Abschnitte gebildet, die senkrecht zur Längsrichtung der Zunge angeordnet sind; sie sind in der Mitte der Längsrichtung und beidseitig der Zunge angeordnet. Der schwingende Teil 4 und die Arme 5 und 6 sind damit mechanisch gegen den w Rest des Plättchens 1, welches den Träger darstellt, entkoppelt. Die Teile 4, 5 und 6 bleiben jedoch mit dem Plättchen verbunden.

Metallische Belege 7 und 8 werden auf beiden Oberflächen der Zunge und der Haltearme 5 und 6 a und auf den Oberflächen 9, 10 und 11 aufgebracht, um damit den Resonator auf einer (nicht dargestellten) Halterung auflöten zu können, womit die elektrischen Verbi ,düngen hergestellt werden.

Die Fig. 3 zeigt die Orientierung der Zunge 4 gegen die Achsen des Quarzes; die Längsachse der Zunge liegt in einer Richtung Y, die einen Winkel α mit der Y-Richtung bildet. Eine an die Elektroden 7 und 8 angelegte Wechselspannung erzeugt ein elektrisches Feld £T in Richtung X, das eint Schwingung der 4 > Zunge 4 im Hauptmodus der longitudinalen Ausdehnungsschwingung hervorruft.

Die Haltearme 5 und 6 sind nahe bei den Knotenpunkten der Schwingung jiit der Zunge 4 verbunden. Es hat sich gezeigt, daß die Breite der Haltearme nicht stört, wenn sie kleiner als V₁₀ der Zungenlänge ist.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, in welcher das Quarzplättchen parallel zur A"-Achse geschnitten ist, während die Senkrechte auf der Plättchenoberfläche einen Winkel α mit der optisehen Achse Z des Quarzes bildet, der zwischen — 5 ° und + 5' liegt. Die Länge der Zunge 4n liegt parallel zur K-Achse. Das elektrische Erregerfeld wird dann in der Richtung A" mittels zwei Flektrodenpaaren 13 und Ϊ4 an den beiden Kanten jeder der Oberflächen der Zunge 4a angelegt. Die beiden Elektroden jedes Paares sind (in nicht gezeigter Weise) auf jeder Oberfläche der Haltearnie und weiter auf dem Träger verlängert, die miteinander und mit einer der Klemmen eines Schwingkreises verbunden sind, Bei der entsprechenden Erregung schwingt die Zunge 4a ebenfalls nach dem Hauptmodus der Ausdehnung.

Wegeii der Gitterstruktur des piezoelektrischen Materials treten außer dem Modus der Längsschwingung auch sekundäre Schwingungsmoden auf. Mit einem Quarz des Schnittes X + 5° z. B. ist eine Ausdehnungsschwingung in der Breite der Zunge und auch eine Scherschwingung in der Ebene der Zunge zu beobachten, die den rechteckigen Querschnitt der Zunge in ein Parallelogramm verformt. Eine Aufhängung, die diese Formänderungen behindert, entzieht also auch indirekt der Hauptformänderung entlang der Achse Y Energie, was eine Verkleinerung der Gütezahl des Resonators bewirkt.

Deswegen müssen Form und Abmessungen der Haltearme S 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, Lithi umniobatoder verschiedene Schnit" benutzt werden. 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 oder 17 enthält, der parallel zur großen Achse des schwingenden Teils 15 liegt; diese Stege 16 und 17 sind mit der Zunge 15 durch einen rechteckigen oder gebogenen Steg verbunden. Die Teile 1.6 und 17 können miteinander verbunden sein; in diesem Falle wird nur ein einziger Schlitz eingeschnitten, um den aktiven Teil von den Haltearmen 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.

Es ist außerdem sehr vorteilhaft, daß bei der Serien'abrikation 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.

Dank dieser großen Vereinfachung, bei der die Frequenzstabilität und die gut zu Schwingkreisen mit sehr kleinem Stromverbrauch passenden elektrischen Parameter erhalten bleiben, kann der Kristallschniu frei gewählt werden, ι. B. der Schnitt GT für Quarz, der im Temperaturbereich von 0"... 100° C eine bemerkenswerte Frequenzstabilität aufveist. Der Schnitt G 7 wurde von W. P. Mason in >\A new quartz crystal plate, designated GT«, Proceedings of the IRE, May 1940, p. 220-223. beschrieben. Der aktive Teil hat die From en js Rechtecks, dessen Verhältnis Breite zu Länge zwischen 0,85 und 0,9 liegt. In diesem Falle entspricht die Form der Haltearme der von Fig, 5; sie gehen von dem äußeren Ende-der Knotenachse, die parallel zur Länge des Rechtecks ist, aus und gehen durch die Mitte der Breiten. Bei einer Frequenz von etwa 78& kHz hat der Resonator die Abmessungen von 4,9 X 4,2 X 0,04 mm und elektrische Parameter, die für den Aufbau eines elektrischen Schwingkreises mit kleinem Stromverbrauch für Armbanduhren sehr gut geeignet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Mikroresonator für elektronische Uhren mit einem schwingenden Teil, der im Hauptmodus der longitudinalen Ausdehnungsschwingung schwingt und mit Haltearmen verbunden ist, deren äußere Enden in einen Träger übergehen, wobei der schwingende Teil und die Haltearme dünne metallische Schichten tragen, die als Erregerelektroden und als Verbindungen dienen, dadurch ge kennzeichnet, daß der schwingende Teil (4), die Haltearme (5, 6) und der Träger (1) gleiche Dicke aufweisen und in der Ebene eines einzigen Plättchens von piezoelektrischem Material liegen, aus welchem sie gearbeitet sind, wobei der schwingende Teil durch mindestens einen Schlitz (2, 3) im genannten Plättchen vom Träger ^:m Abstand gehalten ist, wobei die Haltearme ic in der Mitte einer Seite des schwingenden Teiles angeordnet sind und eine solche geometrische Form haben, daß die mechanische Entkopplung des schwingenden Teiles vom Träger gewährleistet ist und wobei der genannte Träger mindestens eine Hälfte des genannten schwingenden Teiles umgibt.

2. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schwingende Teil eine rechteckige Zunge (4) bildet, deren Verhältnisse Länge zu Breite und Breite zu Dicke größer als 5 sind, und daß die Haltearme (5, 6) aus zwei Rechtecken gebildet werden, die senkrecht zur Längsachse der Zunge it. dar Mitte ihrer Länge, zu beiden Seiten und in der Ebc ie der Zunge liegen.

3. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Haltearme einen Teil (16,17) enthält, der parallel zur großen Achse des schwingenden Teils liegt und mit diesem durch ein anderes geradliniges oder gebogenes Teil verbunden ist.

4. Mikroresonator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Haltearme (5, 6) kleiner als ",„ der Länge der Zunge ist.

5. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (1) aus einem Quarz herausgeschnitten ist und die Form eines dünnen Rechtecks hat, wobei die Ebene des genannten Plättchens senkrecht 7u A"-Achse des Quarzes hegt, wahrend die Längsrichtung des Plättchens einen Winkel zwischen - 5° und + .V mit der Y-Achse des Quarzes bildet.

6 Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß da? Plättchen (1) aus einem Quarz herausgeschnitten ist und die Form eines dünnen Rechtecks hat, wobei die Ebene des Plättchens parallel zur .Y-Achse des Quarzes und die Senkrechte auf der genannten Ebene einen Winkel zwischen —5° und +5° mit der optischen Achse Z des Quarzes bildet.

7, Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdas Plättchen (1) aus einem Quarz herausgeschnitten ist, wobei die Orientier rung gegenüber dem Kristallgitter dem Schnitt GT entspricht,

8. Mikroresonator nach Anspruch 1 und den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,

ι ο

daß der schwingende Teil (15) die Form einer in der Mitte eingekerbten Zunge hat, wobei die beiden Haltearme (17, 16) in der Mitte der Kerbe ansetzen.

9. Mikroresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Schichten (7, 8) auf jeder der beiden Oberflächen des genannten Plättchens (1) auf einem Teil des schwingenden Teiles (4), auf beide Haltearme und auf Oberflächen (9, 10,11) 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, daß die Dicice des Plättchens (1) kleiner als 50 μπι ist.