DE2701200C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Auf den wichtigsten Anwendungsgebieten der Schwinger ist es erwünscht, einen Schwinger zu ver­ wenden, dessen Frequenz ausreichend nahe an einem "runden" Wert liegt (beispielsweise 5 MHz, 25 MHz, 100 MHz...). Man ist daher bestrebt, bei der Herstellung des Schwingers eine Frequenzeinstellung vornehmen zu können, um die Frequenz auf einen vorgegebenen Wert zu bringen. Dieser Vorgang wird als "Frequenzeinstel­ lung" bezeichnet. Bisher verfährt man so: Man bringt zunächst die Elektroden durch Metallauftrag auf dem Quarz auf; dann befestigt man den Kristall und schließ­ lich trägt man, im allgemeinen durch Aufdampfen im Vakuum, einen zusätzlichen Metallauftrag auf, der eine Frequenzeinstellung bewirkt; die Frequenz nimmt in gleichem Maße ab wie die Menge des aufgetragenen Metalls zunimmt. Dieser Vorgang der Frequenzeinstel­ lung ist aus folgenden Gründen mit Schwierigkeiten verbunden:
Man ist bestrebt, den Schwinger auf eine Frequenz einzustellen, die für seine Inversionstemperatur gege­ ben ist, die nicht die Temperatur des Kristalls während der Frequenzeinstellung ist (diese letztere Temperatur ist außerdem unzureichend bekannt), es ist sehr schwie­ rig, den Metallauftrag zu kontrollieren.

Diese Gründe führen dazu, daß es sehr schwierig ist, eine Frequenzeinstellung besser als ± 10^-6 durchzufüh­ ren, beispielsweise 10 Hz für eine Frequenz von 5 MHz. Es ist heute aber erwünscht, eine noch genauere Fre­ quenzeinstellung durchführen zu können. Neben dem Verfahren des zusätzlichen Aufdampfens von Metall im Vakuum ist es möglich, eine Frequenzeinstellung bei­ spielsweise in einem elektrolytischen Bad oder durch kathodische Pulverisierung zu erreichen, wobei das letz­ tere Verfahren im eingebauten oder nicht eingebauten Zustand durchgeführt werden kann. Diese Verfahren ermöglichen jedoch keine Frequenzeinstellung besser als ± 10^-6. Ein anderes Verfahren zur Frequenzeinstel­ lung besteht darin, die Frequenz eines Schwingers da­ durch zu erhöhen, daß man etwas Metall der Elektrode mittels einer Laserstrahlung verdampft, die auf die Elek­ trode fokussiert wird. Dieses genaue Verfahren ist je­ doch nur bei nicht geglätteten Quarzkristallen anwend­ bar und kann nicht bei Schwingern mit Metallgehäusen angewendet werden. Außerdem wird die Langzeitstabi­ lität durch eine derartige Bearbeitung beeinträchtigt, weil die Atmosphäre des Schwingers die aus der Elek­ trode herausgerissenen Teilchen enthält und weil der Quarzkristall örtlich beschädigt werden kann. Man er­ kennt, daß alle Verfahren zur Frequenzeinstellung ab­ hängig von dem Aufbau des Schwingers mit am Quarz angebrachten Elektroden entweder im eingebauten Zu­ stand durchgeführt werden müssen, was zu einer Alte­ rung führt, oder unter Zuständen durchgeführt werden müssen, die schwierig in bezug auf die Arbeitsbedingun­ gen des Schwingers auszurichten sind, was die Genauig­ keit der Frequenzeinstellung beeinträchtigt.

Seit der Entwicklung des ersten Quarzschwingers von W. G. LADY im Jahre 1921 wurden Systeme mit nicht anhängenden Elektroden oft verwendet. Die erhaltenen Eigenschaften waren jedoch viel schlechter als die Ei­ genschaften von Schwingern mit anhängenden Elektro­ den, wie sie heute praktisch ausschließlich verwendet werden.

Eine Ausführungsform eines Schwingers mit nicht an­ hängenden Elektroden ist in einem Artikel von A. G. SMAGIN beschrieben, erschienen in der Zeitschrift "Pribory i Technika EKSPERIMENTA" Nr. 6, Seiten 143-145 von Nov./Dez. 1974. Dieser Schwinger mit nicht anhängenden Elektroden, der für Forschungen bei niedrigen Temperaturen verwendet wurde, macht Ge­ brauch von ungeteilten Kristallen und hat einen erheb­ lich verbesserten Gütegrad. Dieses Ergebnis dürfte je­ doch mit den im allgemeinen verfügbaren Kristallen nicht zu erreichen sein. Außerdem weist der in der ge­ nannten Zeitschrift beschriebene Schwinger eine Quarzlinse von 1,82 mm Dicke auf, die an vier annä­ hernd sphärischen Berührungsflächen getragen wird und zwischen zwei im Abstand von 6 mm angeordneten ebenen Elektroden angeordnet ist, die von zwei dielek­ trischen Platten getragen werden, die durch eine um diese Platten angeordnete Krone zusammengehalten werden. Da der Abstand zwischen den Elektroden ver­ hältnismäßig wichtig ist, ist der Bewegungswiderstand groß; die Kapazität Cg entsprechend dem Spalt zwi­ schen dem Kristall und den Elektroden liegt in der Grö­ ßenordnung von Picofarad, was eine elektrische Fre­ quenzeinstellung durch Reihenschaltung eines Konden­ sators sehr schwierig macht. Außerdem besteht bei ei­ nem Schwinger mit nicht am Kristall anhängenden Elek­ troden der oben beschriebenen Bauart im Gegensatz zu bekannten Schwingern mit am Kristall anhängenden Elektroden keine Möglichkeit einer bequemen Fre­ quenzeinstellung.

In der US-PS 33 39 091 wird ein Quarzschwinger mit nicht am Kristall anhängenden Elektroden beschrieben, der ein Gehäuse aus Quarz aufweist, das aus zwei Plat­ ten besteht, die die Elektroden tragen, wobei im Inneren dieses Gehäuses ein Quarzkristall zwischen den beiden Platten mittels eines kreisringförmigen Umfangsteils gehalten wird, der mit dem aktiven Mittelteil des Kri­ stalls über vier Brücken verbunden ist, die jeweils zu zweit diametral entgegengesetzt angeordnet und in zwei konzentrischen kreisförmigen Nuten vorgesehen sind. Diese Ausführungsform hat dieselben Nachteile wie der von A. G. SMAGIN beschriebene Schwinger, und zwar in dem Maße, wie die Elektroden an den äuße­ ren Flächen der Platten angeordnet sind, weil der Ab­ stand zwischen den Elektroden außerordentlich wichtig ist. Der Kristall hat daher eine sehr hohe Impedanz, die seine Verwendung in einem Oszillator schwierig macht; eine Frequenzeinstellung durch Hinzufügung einer äu­ ßeren veränderbaren Kapazität mit niedrigem Wert in Reihe mit dem Schwinger ist nicht möglich, weil die Kapazität Cg zwischen den Elektroden des Schwingers selbst sehr niedrig ist. Da der Abstand zwischen jeder der Elektroden und der aktiven Fläche des Kristalls von großem Einfluß ist, erweist sich eine Frequenzeinstel­ lung durch Veränderung der geometrischen Parameter des Schwingers besonders schwierig und wenig wirk­ sam. Da die Tragplatten aus Quarz, die in dem Zwi­ schenraum zwischen den Elektroden angeordnet sind, ebenso an den Schwingungen des Schwingers teilneh­ men, bewirken sie einen erheblichen Rauschpegel. Schließlich ist eine Vorrichtung, wie sie oben beschrie­ ben wurde, besonders anfällig für Änderungen des Drucks des Mediums, in dem der Schwinger angebracht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu beseitigen und insbesondere einen piezoelektrischen Schwinger zu schaffen, der verbesserte Stabilitäten bei mittleren und langen Zeiten aufweist sowie einen sehr verbesserten Gütegrad, und der eine genaue und leichte Frequenzeinstellung ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspru­ ches 1 gelöst. Die Erfindung bringt den Vorteil, daß ihre Kurzzeitstabilität (Zeitraum zwischen 1 und 10 sec.) 10^-13 bis 10^-12 erreicht, Langzeitstabilität (Zeitraum in der Größenordnung eines Tages) 5×10^-12 erreicht und eine Beschleunigungsempfindlichkeit von 2×10^-10/g besitzt.

Durch diesen Aufbau erhält der Schwinger einen ver­ besserten Gütegrad, insbesondere dadurch, daß die Elektroden nicht am Kristall angebracht sind; außerdem ist die Stabilität in Abhängigkeit von der Zeit verbes­ sert; der Schwinger ermöglicht eine sehr genaue Fre­ quenzeinstellung durch Veränderung des Abstands min­ destens einer der Elektroden zu dem aktiven Teil des Kristalls. Dies wird in einfacher Weise durch Schleifen oder chemische Bearbeitung des dielektrischen Ringes bewirkt, der das Abstandsteil zwischen den beiden di­ elektrischen Scheiben bildet, an denen die Elektroden angebracht sind, wodurch eine Frequenzeinstellung mit einer Genauigkeit von besser als ± 10^-7 möglich ist. Dieses Verfahren zur Frequenzeinstellung, das bei den bekannten Schwingern wegen ihrem Aufbau nicht mög­ lich ist, und zwar sowohl bei der Anbringung der Elek­ troden am Kristall oder nicht am Kristall, hat insbeson­ dere den Vorteil, daß es bei der genau meßbaren Umge­ bungstemperatur erfolgt. Außerdem gibt die Anwesen­ heit eines Abstandsteils in Form des Ringes, der den Abstand zwischen den beiden Scheiben bestimmt, eine genaue Möglichkeit zur Anderung der Abmessungen des Schwingeraufbaus ohne Berührung des aktiven Teils des Kristalls.

Da die Höhe des Abstandsringes so ist, daß die freien Spalten zwischen dem aktiven Teil des Kristalls und der ersten bzw. zweiten Elektrode eine Breite von weniger als einigen zehn Mikron und vorzugsweise weniger als ein Mikron haben, hat der erfindungsgemäße Schwinger einen niedrigen Bewegungswiderstand und eine große Kapazität Cg entsprechend dem Spalt zwischen dem Kristall und den Elektroden); eine wirksame Beeinflus­ sung der Eigenschaften des Schwingers kann mittels des Rings erreicht werden.

Die Flächen der ersten und zweiten Scheibe, auf de­ nen die erste bzw. zweite Elektrode angebracht ist, kön­ nen eben oder nichteben sein.

Der Krümmungsradius mindestens einer der Flächen der ersten oder zweiten Scheibe, auf denen die erste bzw. zweite Elektrode angebracht ist, kann unterschied­ lich sein zu dem Krümmungsradius der entsprechenden Fläche des gegenüber liegenden Kristalls.

Die beiden Scheiben bestehen vorzugsweise aus Sili­ ziumdioxid.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Scheibe, an der der Kristall aufge­ hängt ist, von zwei etwas konischen Löchern durch­ bohrt ist, in denen zwei metallische Hohlkörper dersel­ ben Konizität wie die Löcher und mit aufgerauhter Au­ ßenfläche versehen angeordnet sind, und daß dünne me­ tallische Bänder, die an der Umfangsfläche des Kristalls befestigt sind, in den Hohlkörpern aufgenommen und an diesen derart angeschweißt bzw. angelötet sind, daß die Aufhängung des Kristalls in bezug auf die Scheibe si­ chergestellt ist.

Die metallischen Hohlkörper bestehen vorzugsweise aus Nickel. Die dünnen Metallbänder, vorzugsweise aus Nickel, können an der Umfangsfläche des Kristalls durch Thermokompression, mittels eines Klebstoffs, ei­ nes elektrolytischen Auftrags oder durch Lötung befe­ stigt sein. Die konischen Löcher entsprechen vorzugs­ weise Kegeln mit einem Konuswinkel im Bereich von 1°.

Der Abstandsring kann vorzugsweise aus Silicium­ dioxid bestehen. Der Ring kann ebenfalls piezoelek­ trisch sein und mit Elektroden versehen sein, die durch Metallauftrag auf seine beiden Frontflächen aufge­ bracht sind, so daß die Dicke des Ringes leicht veränder­ bar ist durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden. Die Dicke des Abstandsringes kann auch durch elastische Verformung leicht veränderbar sein.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfin­ dung ist mindestens diejenige Scheibe, an der der Quarzkristall aufgehängt ist, aus Quarz, und die Aufhän­ gevorrichtung des Kristalls in bezug auf diese Scheibe weist mehrere örtliche Thermokompressionen auf, die an den Flächen des Kristalls und der Tragscheibe ausge­ führt sind, die einander zugekehrt sind.

Diese Ausführungsform der Aufhängung des Kristalls in bezug auf eine Tragscheibe, anwendbar im Rahmen eines Schwingers mit unabhängigem Abstandsring, ist besonders einfach und wirksam auszuführen. Man benö­ tigt keinen metallischen Einsatz oder ein Aufhängeband. Wenn die Scheibe, an der der Quarzkristall aufgehängt ist, aus Quarz besteht, und zwar vorzugsweise derselben Ausrichtung wie der Kristall, führen die Thermokom­ pressionen nicht zu unzulässigen thermischen Spannun­ gen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfin­ dung wird der Abstandsring, der den aktiven Mittelteil des Kristalls im Abstand umgibt und den Abstand zwi­ schen der ersten und der zweiten Scheibe bestimmt, durch ein Umfangsteil des Kristalls selbst gebildet, wo­ bei der Zwischenteil des Kristalls, der zwischen dem aktiven Mittelteil und dem Umfangsteil angeordnet ist und den Ring bildet, mindestens auf einen Teil des Ab­ stands zwischen dem aktiven Mittelteil und dem Um­ fangsteil eine gegenüber der Dicke des Mittelteils und des Umfangsteils verringerte Dicke aufweist; die Auf­ hängevorrichtung für den Kristall wird durch den Zwi­ schenteil und den Umfangsteil des Kristalls gebildet.

Vorzugsweise sind Ausnehmungen durch Ultraschall­ bearbeitung in dem eingeschnürten Zwischenteil des Kristalls derart vorgenommen, daß der Umfangsteil des Kristalls mit dem Mittelteil des Kristalls durch eine be­ grenzte Anzahl von Brücken verbunden ist, die durch die nicht weggenommenen Teile des Zwischenteils ge­ bildet werden.

Bei einer derartigen Ausführungsform, bei der der Kristall selbsttragend ist, kann keine Metalldiffusion in den Kristall erfolgen. Außerdem ist dieser Aufbau be­ sonders vorteilhaft hinsichtlich des Gütegrades und hin­ sichtlich des Alterns des Schwingers, weil einerseits der Kristall durch ein Teil getragen wird, das sehr weit von der Zone der Energieumsetzung entfernt ist, und weil andererseits die Befestigung des Kristalls ohne Verwen­ dung irgendeines gegenüber dem Kristall fremden Ele­ ments erfolgt, das zwangsläufig eine Alterung bewirken würde (beispielsweise eine Metalldiffusion). Außerdem ist es mit einer derartigen Aufhängungsart des Kristalls möglich, sehr kleine Kristalle zu verwenden mit sehr hoher Frequenz, die beispielsweise durch Ionenbearbei­ tung geformt werden.

Außerdem macht die selbsttragende Ausführung des Kristalls Thermokompressionen oder irgendwelche Be­ festigungen am Kristall, beispielsweise durch Klebung, überflüssig.

Die Ausführung der Ausnehmungen und Einschnü­ rungen im Zwischenteil des Kristalls ermöglicht eine mechanische Anpassung zwischen dem unbeweglichen Umfangsteil des Kristalls und dem aktiven Mittelteil, das schwingen kann. Dieser Aufbau bewirkt auch eine ausgezeichnete Stoßunempfindlichkeit.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß die Vorrichtung, die die aus der ersten und zweiten Scheibe gebildete Baugruppe in ihrer Stellung im Inneren der Dose hält, mechanische Klemmorgane aufweist, die auf diejenigen Flächen in Umfangszonen der ersten und zweiten Scheibe wirken, die dem Kristall nicht zugekehrt sind, so daß die jeweils auf den Kristall ausgeübte Druckkraft sich auf diejenigen Zonen des Umfangsteils des Kristalls auswirkt, die in Verlängerung der Verbindungsbrücken zwischen dem Mittelteil und dem Umfangsteil liegen.

So können die Abstützungen ferne von den Aufhän­ gungspunkten vorgesehen werden, die durch die Kri­ stallbrücken gebildet werden, die zwischen den Ausneh­ mungen liegen. Die aufgebrachten Stützkräfte können auch auf den Scheiben verlagert werden und die Bean­ spruchungen, denen der Umfangsteil des Kristalls aus­ gesetzt ist, können derart verändert werden, daß die Spannungen, denen der aktive Teil des Kristalls ausge­ setzt ist, wesentlich verringert werden.

Die in dem Zwischenteil liegenden Abschnitte des Quarzkristalls können in beliebiger Weise schmaler ge­ staltet, mit Ausnehmungen versehen oder eingeschnürt werden, um eine mechanische Anpassung an die Schwingbewegungen des Kristalls zu erreichen.

In Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorge­ sehen, daß bei mindestens einer der ersten und zweiten Scheibe der Flächenabschnitt, der die Elektrode trägt und gegenüber dem Mittelteil und Zwischenteil des Kri­ stalls angeordnet ist, in bezug auf den Umfangsteil die­ ser Fläche zurückgesetzt ist, der in Berührung steht mit dem Umfangsteil des Kristalls, und eine Vertiefung bil­ det, deren Tiefe zwischen einigen Zehntel Mikron und einigen zehn Mikron beträgt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß bei mindestens einer der Flächen des Kristalls der Flächenabschnitt, der dem Mittelteil und dem Zwi­ schenteil des Kristalls entspricht, in bezug auf den Ab­ schnitt dieser Fläche zurückgesetzt ist, der dem Um­ fangsteil entspricht und mit der ersten und der zweiten Scheibe in Berührung steht, und eine Vertiefung bildet, deren Tiefe zwischen einigen Zehntel Mikron und eini­ gen zehn Mikron liegt.

Die vorstehend genannten Merkmale sind von Be­ deutung für die Frequenzeinstellung, die vorzugsweise durch Schleifen mindestens einer der Kristallflächen er­ folgt, um den Abstand zwischen dem Kristall und min­ destens einer der Elektroden zu verändern. Die Verän­ derung der Dicke des Quarzkristalls kann allein an dem Umfangsteil durch Schleifen erfolgen. Dies ermöglicht eine Feineinstellung mit einer Genauigkeit der Fre­ quenzeinstellung, die in der Größenordnung von 1 Hz/ Mikron liegt. In diesem Fall ist es natürlich erforderlich, daß die geschliffene Kristallfläche eine Vertiefung in ihrem mittleren Teil und ihrem Zwischenteil aufweist. Die Veränderung der Dicke des Kristallquarzes kann auch auf einer ganzen Fläche erfolgen, und zwar zu­ gleich am Mittelteil, am Zwischenteil und am Umfangs­ teil, beispielsweise durch chemische Bearbeitung oder ebenfalls durch Schleifen. Dies ermöglicht eine schnelle Grobeinstellung der Frequenz in der Größenordnung von einigen tausend Hz pro Mikron. Die Frequenzein­ stellung kann auch durch Einwirkung auf mindestens eine der Scheibe erfolgen, insbesondere wenn diese eine Vertiefung in ihrem Mittelteil aufweist. Die Frequenz­ einstellung erfolgt durch Schleifen des Umfangsteils der Scheibe, der dem Umfangsteil des Kristalls zugekehrt ist. Man kann auch die Frequenz dadurch einstellen, daß man eine Scheibe unter einer Gruppe von vorher vorbe­ reiteten kalibrierten Scheiben auswählt, die in ihrem Mittelteil mit Vertiefungen unterschiedlicher Abmes­ sungen versehen sind.

Wenn der piezoelektrische Schwinger mit nicht am Kristall angebrachten Elektroden einen Quarzkristall aufweist, wie dies allgemein der Fall ist, kann erfin­ dungsgemäß ebenfalls Quarz als Material gewählt wer­ den für eine oder beide Platten, die den Kristall tragen, ebenso ggf. auch für den Abstandsring, der das Ab­ standsteil zwischen den Scheiben bildet, wenn dieser vom Kristall unabhängig ist. Die weitere Beschreibung bezieht sich systematisch auf den Fall, wo der piezoelek­ trische Kristall ein Quarzkristall ist, jedoch erstreckt sich die Erfindung auch auf Schwinger, bei denen der Quarz durch ein geeignetes äquivalentes piezoelektri­ sches Material ersetzt ist.

Die die Elektroden tragenden Scheiben oder Platten können in sehr unterschiedlicher Weise hergestellt wer­ den. Die Platten bestehen vorzugsweise aus einem di­ elektrischen Material, wie beispielsweise Siliziumdioxid. Im Rahmen besonderer Anwendungsfälle können die eine oder die andere Platte ganz oder teilweise aus ei­ nem mehr oder weniger leitenden Material hergestellt sein, um ein Teil zu bilden, das erhitzt werden kann, beispielsweise durch Induktionsströme.

In der Mehrzahl der Anwendungsfälle ist es jedoch erwünscht, die thermischen Spannungen in dem Kristall möglichst weitgehend zu verringern. Diese Spannungen werden verursacht durch unterschiedliche Ausdeh­ nungskoeffizienten des Kristalls und der die Elektroden und den Kristall tragenden Scheiben. Indem man für eine oder beide den Kristall tragenden Scheiben dassel­ be Material wie für den Kristall verwendet, verringert man die thermischen Spannungen in dem Kristall.

Um die thermischen Spannungen noch weiter herab­ zusetzen, hat vorzugsweise die Scheibe oder haben die Scheiben aus Quarz dieselbe kristallographische Aus­ richtung wie der Quarzkristall, der zwischen der ersten und der zweiten Scheibe angeordnet ist. Mit anderen Worten, es ist vorteilhaft, um die thermischen Spannun­ gen herabzusetzen und die Stabilität des Schwingers zu erhöhen, wenn der Winkel α zwischen den Projektionen der Achsen ZZ′ des Quarzkristalls und der Tragscheibe aus Quarz Null ist. Dieser Zustand ist jedoch nicht unbe­ dingt erforderlich.

Wenn der Kristall zugleich an der ersten und der zweiten Scheibe aufgehängt ist, wie es der Fall ist, wenn der Kristall an seinem Umfangsteil aufgehängt ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn auch nicht zwingend not­ wendig, wenn die erste und die zweite Scheibe aus dem­ selben Material bestehen wie der Kristall und vorzugs­ weise dieselbe Kristallausrichtung haben wie der dazwi­ schen liegende Kristall.

Um die Eigenschaften noch zu verbessern, kann man die erste und die zweite Tragscheibe und den dazwi­ schen liegenden Kristall aus demselben Ursprungskri­ stall herstellen.

Bei einem Quarzschwinger mit nicht anhängenden Elektroden der erfindungsgemäßen Bauart ist es vor­ teilhaft, die Abstände Elektroden-Kristall, die sehr ge­ ring sind, beispielsweise in der Größenordnung von ein Mikron bis mehreren zehn Mikron zu wählen oder so­ gar zwischen einigen Zehntel Mikron bis mehreren Mi­ kron. Man verbessert dabei den Überspannungskoeffi­ zient und verringert den Bewegungswiderstand. Wenn der Kristall zwischen der ersten und zweiten Scheibe an seinem Umfangsteil aufgehängt ist, sieht man vorzugs­ weise in dem die Elektroden tragenden mittleren Be­ reich der Siliziumscheiben eine Vertiefung in der Grö­ ßenordnung von einem Mikron bis einigen zehn Mikron vor, so daß die Elektrode, die durch Metallauftrag in der Vertiefung der Scheibe hergestellt ist, in diesem Ab­ stand zum Kristall angeordnet ist. Dieser Rücksprung kann entweder so hergestellt werden, daß er parallel zur Scheibenfläche verläuft, oder er kann durch Schleifen der Scheibenfläche mit zwei unterschiedlichen Krüm­ mungsradien für den Mittelteil und den Umfangsteil hergestellt werden. In diesem Fall ist der Krümmungs­ radius des Umfangsteils der Scheibe gleich dem Krüm­ mungsradius der Quarzkristallfläche, die gegenüber liegt, während der Krümmungsradius des Mittelteils der Scheibe etwas kleiner ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann ein sehr kleiner Abstand Elektrode-Kristall in ein­ facher Weise und mit großer Genauigkeit erreicht wer­ den, ohne daß die Fläche der Scheibe, auf der die Elek­ trode angebracht ist, geschliffen werden müßte zur Er­ zeugung einer Vertiefung. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die dem Kristall zugekehrte Flä­ che mindestens einer der Scheiben auf mindestens ei­ nem Teil ihres Umfangs, der dem Umfangsteil des Kri­ stalls zugekehrt ist, eine dünne Metallschicht aufweist mit einer dünnen Nickelschicht.

Die dünne Metallschicht kann durch Aufdampfen auf die entsprechende Scheibe aufgebracht werden, wäh­ rend die dunne Nickelschicht durch Elektrolyse auf die­ se dünne Metallschicht aufgetragen werden kann.

Es ist festzustellen, daß die Anwesenheit einer derar­ tigen Beschichtung des Umfangs der Flächen der einen oder der beiden Scheiben, die dem Umfangsteil des Kri­ stalls zugekehrt sind, in einfacher und bequemer Weise die Herstellung eines sehr kleinen Spalts zwischen der Elektrode und dem Kristall ermöglicht, ohne daß eine weitere mechanische oder chemische Bearbeitung der Fläche des Kristalls oder der Scheiben nötig ist, wobei diese Beschichtung zugleich eine Rolle als Dämpfer für mögliche Stöße spielt.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens können die Restspannungen an den Aufhängungspunk­ ten des Kristalls beseitigt und der Gütegrad sowie die Stabilität in Abhängigkeit von der Zeit noch erheblich verbessert werden, wenn der Quarzkristall vor der Montage einer Wärmebehandlung unterworfen wird, die bei einer Temperatur deutlich unter dem α-β- Transformationspunkt des Quarzes (573°C) erfolgt, bei­ spielsweise ungefähr bei 480°C, mit einer anschließen­ den sehr leichten Oberflächenbearbeitung mit Bifluorid.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung mehre­ rer Ausführungsformen der Erfindung, die nur als Bei­ spiele angeführt werden, mit Bezug auf die Zeichnun­ gen. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Quarzschwinger nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, in der Ebene I-I in Fig. 3,

Fig. 2 einen Teilschnitt des Quarzschwingers nach der Fig. 1 in der Ebene Il-II der Fig. 3,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Teil des Quarzschwin­ gers nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 und 5 Draufsichten auf die beiden dielektri­ schen Scheiben, die die Elektroden tragen, wie sie in den Schwinger nach den Fig. 1 bis 3 eingesetzt sind,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Axial­ schnitts einer anderen Ausführungsform eines Schwin­ gers nach der Erfindung, der gegen Erschütterungen besonders widerstandsfähig ist,

Fig. 7 und 8 Axialschnitte eines Teils eines erfindungs­ gemäßen Schwingers nach zwei verschiedenen Varian­ ten,

Fig. 9 und 10 Schnitte eines Teils eines Quarzschwin­ gers nach einer anderen Ausführungsform der Erfin­ dung, nach den Ebenen IX-IX und X-X in Fig. 11,

Fig. 11 eine Draufsicht auf einen Teil des in den Fig. 9 und 10 dargestellten Schwingers,

Fig. 12 und 13 Draufsichten auf zwei Quarzkristalle, die in den in den Fig. 9 bis 11 dargestellten Schwinger eingebaut werden können,

Fig. 14 ein Beispiel der Kurven der Frequenzände­ rung eines erfindungsgemäßen Schwingers in Abhän­ gigkeit von der Temperatur für Kristalle mit AT- Schnitt,

Fig. 15 eine Ansicht eines Quarzschwingers nach ei­ ner Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Teil weggebrochen wurde,

Fig. 16 eine Draufsicht auf eines der in Fig. 15 gezeig­ ten Teile,

Fig. 17 einen Axialschnitt eines Quarzschwingers in Kompaktbauweise,

Fig. 18 einen Axialschnitt eines Quarzkristalls, der in einen erfindungsgemäßen Schwinger eingebaut werden kann,

Fig. 19 bis 21 Abschnitte in einer die Schnittachse enthaltenden Ebene verschiedener Ausführungsformen der Brücken, die die Teile am Umfang und in der Mitte eines Quarzkristalls verbinden, der bei einem erfin­ dungsgemäßen Schwinger verwendbar ist, und

Fig. 22 und 23 Draufsichten auf zwei Quarzkristalle, die in einem Quarzschwinger nach der Erfindung einge­ baut sein können.

Der in Fig. 1 dargestellte Quarzschwinger weist einen Quarzkristall 1 auf, der in einem Kondensator einge­ schlossen ist, der von zwei dielektrischen Scheiben 3 und 4 gebildet wird, die Elektroden tragen und durch einen dielektrischen Ring 2 getrennt sind. Der Kristall 1 wird in seiner Stellung in bezug auf die untere Scheibe 4 mittels Aufhängevorrichtung 5, 6 festgehalten. Die Scheiben 3 und 4 und der Ring 2 bestehen beispielsweise aus Siliziumdioxid.

Die Baugruppe, bestehend aus den dielektrischen Scheiben 3 und 4, den Ring 2 und dem Kristall 1, ist in einer Dose angeordnet, die durch einen Körper 7 und einen Deckel 8 gebildet wird. Die Dose 7, 8 besteht aus Metall, beispielsweise vernickeltem vergoldetem Mes­ sing, und ist mittels Kaltschweißung verschlossen; die Dose ist vorgesehen, damit die Entgasung minimal ist und um ein starkes Vakuum oder eine Restatmosphäre (Wasserstoff, Helium, Stickstoff...) aufrechtzuerhalten. Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 erfolgt der Verschluß mittels Kaltschweißung an einem Stutzen 9, während der Deckel 8 mit der Dose mittels einer Naht 10 einer Schweißung Sverschweißt ist. Die Dose 7, 8 kann natür­ lich auch durch eine Kaltschweißung im Bereich des Deckels verschlossen werden, was zur Folge hätte, daß nicht nur die Schweißung 10 an der Dose verschwindet, sondern auch der Stutzen 9, und daß sich die Gesamtlän­ ge des Schwingers damit verringert.

Die untere Scheibe 4, die den Ring 2 und die obere Scheibe 3 trägt, ruht auf einer Schulter, die an der Wand der Dose 7 ausgebildet ist. Ein metallischer Ring 1 1 ist in die Dose 7 über der oberen Scheibe 3 eingesetzt. Der Ring 11 stellt mittels einer Schraube 12 und ggf. der Zwischenfügung von (nicht dargestellten) Federn die mechanische Verblockung des Siliziumdioxidkondensa­ tors sicher, der durch die Teile 2, 3 und 4 gebildet wird. Beispielsweise können drei Schrauben 12 um 120° ge­ geneinander versetzt angeordnet sein, die sich am Um­ fang der Scheibe 3 im Bereich des auf dem Ring 2 liegen­ den Teils abstützen.

Ein Massenanschluß 13 ist an der Dose 7 befestigt. Ausgangsleitungen 14, 15 sind beispielsweise durch Thermokompression T mit vorangegangenem Nieder­ schlag von Gold mit den Elektroden verbunden, die je­ weils an den Scheiben 3, 4 ausgebildet sind, und führen durch Öffnungen 16 bzw. 17 im Deckel 8 nach außen, die mit Isolationen 18, 19 versehen sind (Fig. 1 und 2).

Der Kristall 1 kann in unterschiedlicher Form ausge­ führt sein, abhängig von den vorgesehenen Anwen­ dungsfällen. Man kann beispielsweise plankonvexe, bi­ konvexe, biplane Kristalle verwenden. Fig. 1 zeigt bei­ spielsweise einen kreisförmigen plankonvexen Kristall, der eine ebene Unterfläche 21 und eine konvexe Ober­ fläche 20 aufweist.

Die Fläche des Kristalls 1 soll sorgfältig vorbereitet sein und so wenig Fehler wie möglich aufweisen. Damit die Eigenschaften der Teile des Kristalls in der Nachbar­ schaft der Oberfläche so weit wie möglich den Eigen­ schaften des Kristallinneren gleichen, verwendet man alternativ Verfahren, die die Oberfläche geometrisch formen (Schleifen, Polieren), und Verfahren, die die Oberfläche reinigen und chemisch angreifen. In her­ kommlicher Weise führt man die obigen Arbeitsgänge zur Formung der Oberfläche zugleich mit einer Reini­ gung und einer chemischen Bearbeitung durch. Schließ­ lich wird der Kristall 1 nach den üblichen Verfahren sorgfältig gespült und in Lösungsmitteln gereinigt, wie destilliertem Wasser, reinem Aceton und reinem Alko­ hol.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Aufhän­ gung des Kristalls 1 in dem Siliziumdioxidkondensator 2, 3, 4 führt man eine Thermokompression von Nieten aus Gold oder Silber an der Randfläche des Kristalls 1 an mindestens zwei diametral gegenüber liegenden Punkten auf der Achse ZZ′ durch. Diese Nieten werden mit dünnen metallischen Bändern 22, 23 vernietet, die vorzugsweise aus geglühtem oder getempertem Metall bestehen und an Trägern 24, 25 befestigt werden, die in der unteren Scheibe 4 angeordnet sind. Die schmalen Bänder 22, 23, beispielsweise aus Nickel oder aus Mes­ sing, können auch an der Umfangsfläche des Kristalls angeklebt werden. Die Thermokompression wird je­ doch bevorzugt, um jede Entgasung zu vermeiden, die bei der Verwendung eines Klebers auftritt. Statt der Thermokompression kann man auch beispielsweise ein Schweißverfahren mit elektrolytischem Nickelauftrag verwenden (Nickel-Electrobonding).

Zwei diametral gegenüberliegende Löcher 30, 31 werden in der unteren Scheibe 4 vorgesehen (Fig. 1 und 3). Diese Löcher 30, 31 sind leicht konisch, wobei der entsprechende Konuswinkel vorzugsweise weniger oder gleich 1° ist. Zwei metallische Hohlkörper 24 und 25, die leicht konisch mit demselben Winkel wie die Löcher 30 und 31 ausgeführt sind, sind jeweils in den Löchern 30 und 31 angeordnet. Die Hohlkörper 24, 25 bestehen vorzugsweise aus Nickel, und ihre Außenflä­ che ist aufgerauht. Eine aufgerauhte Fläche kann bei­ spielsweise durch Sandstrahlen erhalten werden. Die Hohlkörper 24 und 25, die beispielsweise vor der Mon­ tage abgekühlt werden können, sind sicher an der unte­ ren Scheibe 4 befestigt. Die Hohlkörper 24, 25 können in ihrem oberen Teil einen größeren Durchmesser als an ihrem unteren Teil aufweisen.

Der an seinen beiden Nickelbändern 22, 23 befestigte Kristall 1 wird so in seine Stellung zwischen den beiden Scheiben 3 und 4 gebracht, daß ein kleiner Spalt in der Größenordnung von 20 Mikron, bestimmt beispielswei­ se durch die Zwischenlage von dünnen Goldblättern, zwischen der oberen Fläche der Scheibe 4 und der unte­ ren Fläche 21 des Kristalls 1 gebildet wird. Die vorher verzinnten kleinen Nickelbänder 22, 23 werden mit den Trägern 24 bzw. 25 verschweißt, die ebenfalls vorher verzinnt wurden.

Man wählt vorzugsweise eine Zinnschweißung S, die im Vakuum sehr wenig entgast. Es können auch Schmelzschweißverfahren bei höheren Temperaturen verwendet werden. Die Aufhängevorrichtungen 5, 6 für den Kristall, die die Hohlkörper 24, 25 und die schmalen Nickelbänder, 22, 23 aufweisen, halten den Kristall 1 sicher in seiner Stellung in bezug auf die Scheibe 4. Man kann selbstverständlich noch mehr Aufhängevorrich­ tungen 5, 6 vorsehen, beispielsweise drei oder vier Auf­ hängevorrichtungen, die an drei oder vier Punkten am Umfang des Kristalls 1 angreifen.

Wie bereits ausgeführt, wird der Kondensator, in dem der Kristall 1 eingeschlossen ist, von den beiden Silizi­ umdioxidscheiben 3 und 4 gebildet, die durch den Ring 2 getrennt sind. Die obere Scheibe 3 ist plan geschliffen, es ist jedoch möglich, ihren Mittelteil mit demselben Radi­ us zu schleifen wie die obere Fläche 20 des Kristalls 1. Die obere Scheibe 3 wird in einem geringen Abstand von der oberen Fläche 20 des Kristalls 1 gehalten (der Abstand wird zwischen ungefähr 10 und 100 Mikron gewählt), und zwar durch den Ring 2, der den Abstand zwischen den beiden Scheiben 3 und 4 bestimmt.

Man erkennt, daß es nicht notwendig ist, daß die Plan­ fläche 21 des Kristalls parallel zu den Flächen der Silizi­ umdioxidscheiben 3 und 4 ist. Andererseits hat eine ge­ ringe vertikale Verlagerung des Kristalls 1 (beispiels­ weise hervorgerufen durch die Dehnung der Aufhän­ gung 5, 6) keine Bedeutung; der Abstand zwischen den beiden Scheiben 3 und 4 wird auch weiterhin nur durch den Ring 2 bestimmt.

Elektroden 26 und 27 des den Kristall 1 umgebenden Kondensators sind in den Fig. 4 und 5 jeweils durch Schraffur dargestellt. Die Elektrode 26 ist an der unte­ ren Fläche der oberen Scheibe 3 ausgebildet, während die Elektrode 27 an der oberen Fläche der unteren Scheibe 4 ausgebildet ist. Die Elektroden 26 und 27 sind unter Vakuum aufgedampft und können andere Gestalt haben als die Darstellung in den Fig. 4 und 5. Der Teil des Kristalls 1, der zwischen den beiden Elektroden 26 und 27 liegt, bildet den aktiven Teil des Kristalls. Die im mittleren Abschnitt der Scheiben 3 und 4 liegenden Elektroden 26 und 27 haben Verlängerungen bis zu Flä­ chen 28 und 29, die auf den oberen Flächen der Scheiben 3 und 4 liegen und an denen die jeweiligen Anschlüsse der Ausgangsdrähte 14 und 15 ausgeführt sind (Fig. 1 und 2). Der mit der Fläche 29 der Elektrode 27 beispiels­ weise durch Thermokompression verbundene Aus­ gangsdraht 15 führt durch eine Öffnung 33, die in dem Ring 2 vorgesehen ist, und ein Loch 32, das in der oberen Scheibe 3 vorgesehen ist, und führt aus der Dose 9 durch die Öffnung 17 hinaus. Um die Störkapazitäten zwi­ schen der Dose und den Elektroden zu verringern, ist die die Elektrode 26 tragende obere Scheibe 3 in dem Bereich eingeschnürt, der die Verbindungsrinns zwi­ schen der Elektrode 26 und dem Flächenstück 29 trägt.

Der Ring 2 ist das einzige Element, das den Abstand zwischen den Scheiben 3 und 4 bestimmt. Dieser Ring 2 kann aus Siliziumdioxid bestehen, er kann jedoch eben­ so auch aus einem Material bestehen, das eine veränder­ bare Dicke infolge elastischer Verformung aufweist.

Der Ring 2 kann auch piezoelektrisch sein und eine Dicke haben, die geringfügig veränderbar ist, wenn man eine elektrische Spannung an zwei Elektroden legt, die vorher an der oberen Fläche und der unteren Fläche des Rings aufgetragen wurden. Die Verwendung eines pie­ zoelektrischen Ringes 2 gibt die Möglichkeit, die Fre­ quenz des Schwingers zu modulieren, ohne ein zusätzli­ ches Bauteil außerhalb des Schwingers zu verwenden, wie einen Hilfskondensator, dessen Gütegrad immer verhältnismäßig gering ist.

So bilden die Dicke und das Material des Rings 2, der den Plattenabstand des Kondensators bestimmt, zusätz­ liche Parameter des Schwingers, die eine Modifikation der Eigenschaften des Schwingers ermöglichen, ohne den Aufbau des aktiven Teils des Quarzkristalls 1 zu verändern.

Die Verwendung eines unbeweglichen und einstücki­ gen Ringes 2 ist außerdem deshalb besonders interes­ sant, weil er eine genaue und leichte Beeinflussung der Frequenz ermöglicht. Die Beeinflussung der Frequenz kann bei der Umgebungstemperatur Ta (die genau meß­ bar ist) und unter atmosphärischem Druck geschehen, wenn der Schwinger in seinem Siliziumdioxidkondensa­ tor angeordnet ist. Um die Frequenz des Schwingers einzustellen, genügt es, den aus den Teilen 2, 3 und 4 gebildeten Kondensator zu demontieren und den Ring durch Schleifen zu überarbeiten oder durch chemischen Angriff dünner zu machen. Man kann auch einen Ring aus einer vorbereiteten Gruppe von kalibrierten Ringen auswählen. Eine Verringerung der Ringdicke um ein Mikron entspricht einer Verringerung der Frequenz von ungefähr ein Hz (für einen Schwinger der Frequenz mit 5 MHz bei der 5. Harmonischen schwingend), was eine sehr genaue Einstellung ermöglicht.

In der Praxis mißt man vorher die Inversionstempera­ tur TI (und die entsprechende Frequenzdifferenz Δ f9 und mittels eines kleinen Versuchs-Vakuumabschlusses die mögliche Frequenzänderung, wenn man von Atmo­ sphärendruck auf Vakuum übergeht. Wenn der Fre­ quenzunterschied zwischen den Regelzuständen und den tatsächlichen Arbeitszuständen bestimmt ist, kann die Einstellung der Schwingerfrequenz mit großer Ge­ nauigkeit durch Veränderung der Dicke des Rings bei einer Umgebungstemperatur Ta und unter Atmosphä­ rendruck erfolgen. Man kann auf diese Weise eine Ge­ nauigkeit erreichen, die besser ist als ± 10^-7.

Es ist festzustellen, daß die Kurven, die die Verände­ rungen der Frequenz eines erfindungsgemäßen Schwin­ gers in Abhängigkeit von der Temperatur darstellen, im wesentlichen identisch sind mit den bekannten Kurven, die man für einen herkömmlichen Schwinger mit am Kristall angebrachten Elektroden erhält. Ein Beispiel derartiger Kurvenbezogen auf AT-Schnitte ist in Fig. 14 dargestellt.

Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Schwingers nach den Fig. 1 und 2, die durch ihren Auf­ bau gegen Stöße besonders unempfindlich ist. Die Bau­ teile des Schwingers nach Fig. 6 ähneln den Bauteilen des Schwingers nach den Fig. 1 und 2 und tragen diesel­ ben Bezugszeichen. Eine metallische Dose 7 weist einen Deckel 8 auf, der mit dem Körper der Dose 7 mittels einer Schweißnaht 10 verschweißt ist; die Dose ist durch Kaltschweißung im Bereich eines Stutzens 9 verschlos­ sen. Die Dose 7, 8 bildet somit einen dichten Behälter, in dessen Innerem ein mehr oder weniger starkes Vakuum hergestellt werden kann oder in den ein Restgas einge­ führt werden kann. Die Dose 7 weist eine besonders einfach herzustellende zylindrische Form auf, die der Form der aktiven Elemente des Schwingers entspricht, sie kann aber auch andere geometrische Formen haben.

Im Inneren des dichten Behälters 7, 8 sind die beiden Scheiben oder Platten 3 und 4 angeordnet, die die Elek­ troden, den zwischen die Platten 3 und 4 eingelegten Quarzkristall 1 und den Ring 2 tragen, der ein Abstands­ teil zwischen den Scheiben 3 und 4 bildet. Die Elemente 1, 2, 3 und 4 sind in Fig. 6 schematisch dargestellt und bilden einen Aufbau, der der vorher beschriebenen Aus­ führungsform entsprechen kann. Die Platten 3 und 4 und der Ring 2 können eine kreisförmige Gestalt haben und drehsymmetrisch um die Längsachse des Schwingers ausgeführt sein. Die Tragplatten 3 und 4 in der Form von Scheiben und der Ring 2 in Form eines Kreisrings sind sehr einfach herzustellen, so daß die Fehlermöglich­ keiten begrenzt sind, die bei sehr asymmetrischen Teilen auftreten können. Auf jeden Fall kann eine gute Ar­ beitsweise des Schwingers mittels der Scheiben 3 und 4 und des Ringes 2 erreicht werden, deren Umfangsteile sehr unterschiedliche geometrische Formen aufweisen können.

Um die Unempfindlichkeit gegenüber Stößen zu ver­ bessern, wird die mechanische Verblockung des durch die Teile 2, 3 und 4 gebildeten Kondensators nur durch Federn 112 bewirkt. Zwei Teile 11, die miteinander ver­ bunden und zueinander im Abstand gehalten werden durch Verbindungsteile 12, sind an einem Ansatzteil 8 a des Deckels 8 befestigt. Die aus den Teilen 2, 3 und 4 bestehende Baugruppe wird in ihrer Stellung zwischen den Platten 11 durch die Federn 112 gehalten, die zwi­ schen eine der Scheiben 3, 4 und die entsprechende Platte eingesetzt sind. Die Aufhängevorrichtungen für den Kristall 1 im Inneren des Kondensators 3, 4 sind in Fig. 6 nicht dargestellt.

Zwei Ausgangs-Leitungsdrähte 14 und 15 führen aus dem Deckel8 durch Öffnungen 16 und 17 hinaus, die mit einem Isoliermaterial 18 bzw. 19 gefüllt sind. Die Drähte 14 und 15 sind mit (nicht dargestellten) Elektroden ver­ bunden, die auf den Scheiben 3 bzw. 4 angebracht sind.

Der den Abstand zwischen den Scheiben 3 und 4 bewirkende Ring 2 besteht vorzugsweise aus Silizium­ dioxid. Der Ring 2 kann ebenso auch aus Quarz beste­ hen. Wenn jedoch eine Veränderung der Schwingerfre­ quenz beabsichtigt ist durch eine Einwirkung auf den Ring 2, wird vorzugsweise ein Ring 2 aus piezoelektri­ schem Material verwendet, das eine feste Verbindung darstellt, beispielsweise ein keramisches piezoelektri­ sches Material.

Die Scheiben 3 und 4 bestehen vorzugsweise aus di­ elektrischem Material, wie beispielsweise Siliziumdio­ xid. In diesem letzten Fall kommt es jedoch zu bestimm­ ten Wärmespannungen in dem Kristall 1 infolge unter­ schiedlicher Ausdehnungskoeffizienten des Kristalls 1 und der Tragplatten 3 und 4. Aus diesem Grund hat der in Fig. 6 dargestellte Schwinger bessere Eigenschaften, wenn die Scheiben 3 und 4 aus Quarz bestehen. Da eine ungünstige Ausrichtung möglich ist, d. h. ein bestimmter von Null abweichender Winkel zwischen der kristallo­ graphischen Ausrichtung des Kristalls 1 und der Aus­ richtung der Quarzscheiben 3 und 4, ist es bedeutsam, daß beide Quarzscheiben dieselbe Ausrichtung haben wie der Quarzkristall.

Wenn die Scheiben 3 und 4 durch einen Ring 2 unab­ hängig vom Kristall 1 im Abstand zueinander gehalten werden oder wenn der Kristall 1 an einer einzigen Scheibe aufgehängt ist, beispielsweise an der Scheibe 4 (Fig. 7 und 8), kann es ausreichen, nur die Scheibe 4 aus Quarz auszuführen, an der der Kristall aufgehängt ist.

Die Fig. 7 und 8 zeigen zwei abgewandelte Ausfüh­ rungsformen der Baugruppe, die einen Kondensator 3, 4, einen Ring 2 und einen Kristall 1 aufweist und zum Einbau in einen Schwinger bestimmt ist, wie er bei­ spielsweise in Fig. 6 dargestellt ist. Der Kristall 1 ist zwischen zwei Scheiben 3 und 4 angeordnet. Die beiden Scheiben 3 und 4 sind im Abstand zueinander durch einen unabhängigen Ring 2 gehalten. Die untere Schei­ be 4, die den Kristall 1 trägt, besteht aus Quarz dersel­ ben Ausrichtung wie der Kristall 1. Der Kristall 1, der in dem durch den Ring 2 und die Scheiben 3 und 4 gebilde­ ten Hohlraum angeordnet ist, ist an der Scheibe 4 mit­ tels Thermokompression an mehreren Punkten ange­ bracht, wobei die Thermokompression an den metalli­ schen Niederschlägen 5, 6 von Gold oder Silber ausge­ führt wird, die vorher an dem Kristall 1 und den entspre­ chenden Abschnitten der unteren Tragscheibe 4 vorge­ nommen wurden. Die Thermokompressionen sind am Umfang der Fläche 21 des Kristalls 1 ausgeführt, die der Fläche 44 der Scheibe 4 zugekehrt ist. Die mit der Schei­ be 4 verbundene, nicht dargestellte Elektrode ist an der Fläche 44 im Abstand zu den Thermokompressionen 5 und 6 und gegenüber dem zentralen Teil der Fläche 21 des Kristalls 1 angebracht. Der Abstand e zwischen ei­ nerseits der auf der Fläche 44 der Scheibe 4 angebrach­ ten Elektrode und andererseits der Fläche 21 der Schei­ be 1 hängt nur von der Dicke der Thermokompressio­ nen 5,6 ab und kann zwischen ungefähr 0,5 µ und 50 µ betragen. Da die Dicke e verhältnismäßig groß ist (15-50 µ), ist es möglich, ein dünnes zusätzliches Gold­ plättchen zwischen die beiden im Vakuum aufgebrach­ ten Goldniederschläge vor der Ausführung der Thermo­ kompressionen 5, 6 einzuführen. Es ist festzustellen, daß die Art der Aufhängung des Kristalls 1, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, weder irgendeine Bohrung an der Scheibe 4 noch die Verwendung irgendeines metalli­ schen Einsatzes oder metallischen Aufhängungsbandes notwendig macht. Da der Kristall 1 und die Scheibe 4 beide aus Quarz derselben Ausrichtung bestehen, treten keine wesentlichen Wärmespannungen im Kristall im Bereich der Aufhängungszonen auf.

Die der oberen Fläche 20 des Kristalls 1 zugekehrte Fläche 43 der Scheibe 3 kann eben sein (Fig. 8) oder einen Krümmungsradius aufweisen, der in der Nähe des Krümmungsradius der oberen Fläche 20 des Kristalls liegt (Fig. 7).

Außer der Befestigungsart des Kristalls 1 durch direk­ te Thermokompression an der Quarzscheibe 4 kann der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Aufbau der Teile auch in der vorher anhand der Fig. 3 bis 5 beschriebenen Weise ausgeführt werden.

Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemä­ ßen Schwingers ist in den Fig. 9 bis 13 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ersetzt man in einer Dose 7, 8, die mit der in den Fig. 1 oder 6 dargestellten identisch ist, die Baugruppe, die aus den die Elektroden tragenden Scheiben 3, 4, dem Ring 2, dem Kristall 1 und den Auf­ hängevorrichtungen 5 und 6 für den Kristall besteht, durch eine Baugruppe, die zwei Scheiben 3 a und 4 a aufweist, die die Elektroden tragen, ähnlich den Schei­ ben 3 und 4 der Fig. 1 bis 8, und einen Kristall la, 2a, der zwischen die beiden Scheiben 3 a und 4 a eingesetzt ist und dem Kristall 1 und dem Ring 2 der Fig. 1 bis 8 entspricht Bei dieser Ausführungsform wird das den Ring für den Abstand zwischen Scheiben 3 a und 4 a bildende Element 2 a durch einen Umfangsteil des Kri­ stalls selbst gebildet, wobei dieser Umfangsteil über Zwischenteile 34, 35 mit einem Kristallmittelteil la ver­ bunden ist, der dem Kristall 1 der Fig. 1 bis 8 entspricht. Auf diese Weise trägt sich der Kristall selbst, weil kein zusätzliches Element mit den Tragscheiben 3 a und 4 a verbunden ist.

Der verwendete Kristall kann wie bei den ersten Aus­ führungsbeispielen der Erfindung verschiedene Formen aufweisen. Der in den Fig. 9 bis 13 dargestellte Kristall ist plankonvex, wobei seine ebene Fläche die Unterflä­ che ist.

Der Kristall 1 a, 2 a ist in der oben für den Kristall 1 beschriebenen Weise bearbeitet. Wie man insbesondere aus Fig. 9 erkennt, weist der dargestellte Kristall eine Einschnürung 34, 35 in seinem Zwischenteil auf, der zwi­ schen seinem aktiven zentralen Teil la und seinem Um­ fangsteil 2 a angeordnet ist, der den Abstandsring bildet. Die Einschnürung 34, 35, die durch Schleifen erzeugt wird, kann kreisförmig sein, sie kann aber auch andere Gestaltungen aufweisen, abhängig insbesondere von der Ausführung der Elektroden. Nach einer Grobein­ stellung der Frequenz werden Ausnehmungen 36, 37 (Fig. 1 bis 12) beispielsweise durch Ultraschallbearbei­ tung in einem Abschnitt der kreisringförmigen Ein­ schnürung vorgenommen, die den Mittelteil 1 a und den Umfangsteil 2 a des Kristalls trennt. Der Kristall wird auf diese Weise an zwei Kristallbrücken 34, 35 aufge­ hängt, die den Teil 1 a mit dem Teil 2 a verbinden. Der Kristall kann jedoch auch mehr als zwei Brücken 34, 35 aufweisen. So ist in Fig. 13 ein Kristall dargestellt, der drei eingeschnürte Teile 36 a, 36 b und 37 und drei aus Kristall bestehende Brücken 34, 35 und 42 aufweist. Der Zwischenteil zwischen dem Zentralteil la und dem Um­ fangsteil 2 a des Kristalls, der mindestens einen schmäle­ ren Abschnitt aufweist, kann eine unterschiedliche An­ zahl von Brücken aufweisen, je nach der gewünschten mechanischen Eigenschaft.

Der Kristall wird zwischen den beiden Kondensator­ platten 3 a und 4 a durch seinen Umfangsteil 2 a gehalten, der das Abstandsteil zwischen den Scheiben 3 a und 4 a bildet. Die Elemente 11, 12 (siehe Fig. 1), die die Schei­ ben 3 a und 4 a in ihrer Stellung halten, üben vorzugswei­ se in den Umfangszonen der Scheibe 3 a eine Wirkung aus, die den verlängerten Zonen der aus Kristall beste­ henden Brucken 34, 35 des Teils 2 a des Kristalls entspre­ chen.

Die geometrischen Formen der aus Siliziumoxid be­ stehenden Scheiben 3 a und 4 a erhält man durch Schlei­ fen und chemische Bearbeitung des Siliziumdioxids. Die Flächen der Scheiben 3 a und 4 a können eben sein. Je­ doch haben die Flächen 43, 44 der Scheiben 3 a und 4 a vorzugsweise ein Profil, das den gegenüberliegenden Flächen 40 und 41 des Kristalls entspricht. Vertiefungen 38 und 39, deren Tiefe größer ist als die Breite des freien Spalts zwischen dem Mittelteil 1 a und jeder der jeweils auf die Fläche 43 bzw. 44 aufgetragenen Elektroden, sind vorzugsweise in den Flächenteilen 43 bzw. 44 der Scheiben 3 a und 4 a gegenüber dem Zwischenteil 34, 35, 36, 37 des Kristalls ausgebildet. Die Flächen 43 und 44 der Scheiben 3 a und 4 a, die in ihrem Umfangsbereich an die Form der Umfangsteile 2 a des Kristalls angepaßt sind, sind in ihrem die Elektrode tragenden Mittelteil gegenüber der entsprechenden Fläche 40 bzw. 41 des Kristalls derart zurückgesetzt, daß der Spalt zwischen dem Kristall und jeder der Elektroden sehr gering ist (einige Zehntel Mikron bis einige zehn Mikron).

Die genaue Frequenzeinstellung des Schwingers wird durch Feinschleifen der ebenen Fläche des Kristalls 1 a, 2 a und eine anschließende chemische Bearbeitung er­ reicht, beispielsweise mit einer stark verdünnten Lösung von Bifluorat. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungs­ form der Erfindung ist der Mittelteil 1 a der Unterfläche 41 des Kristalls gegenüber dem Umfangsteil 2 a dersel­ ben Unterfläche 41 des Kristalls zurückgesetzt. Die Tie­ fe dieser Zurücksetzung soll gering bleiben, in der Grö­ ßenordnung von 10 bis 20 Mikron. Diese Ausführungs­ form ermöglicht es, bei der Einstellung der Frequenz nur den Teil 2 a der Fläche 41 zu schleifen, analog wie das Schleifen des Ringes 2 der Fig. 1 bis 3. Man erhält so eine sehr große Genauigkeit bei der Frequenzeinstel­ lung. Statt dessen kann die Frequenzeinstellung auch durch eine Bearbeitung einer der Scheiben 3 a und 4 a erfolgen. Die Scheibe 3 a kann beispielsweise auf ihrer Fläche 44 einen Rücksprung geringer Tiefe in ihrem mittleren Teil aufweisen (siehe Fig. 9 und 10) und am Umfangsteil dieser Fläche 44 abgeschliffen werden, die dem Umfangsteil 2 a des Kristalls zugekehrt ist, um die genaue Einstellung der Frequenz durch eine Verände­ rung des Abstands zwischen der Elektrode 27, die auf der Fläche 44 der Scheibe 3 a getragen wird, und der Fläche 41 des Kristalls la zu erreichen. Um die Fre­ quenzeinstellung durchzuführen, ist es ebenso möglich, eine Scheibe 3 a aus einer Gruppe von im voraus vorbe­ reiteten kalibrierten Scheiben zu wählen, die jeweils im mittleren Teil ihrer Fläche 44 mit einem Rücksprung oder einer Vertiefung genau vorgegebener Abmessung versehensind.

Die Elektroden werden durch einen im Vakuum auf die Scheiben 3 a und 4 a aufgedampften Goldfilm gebil­ det, ebenso wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Elektroden sind mit Ausgangsleitungen verbunden, beispielsweise mittels Thermokompressio­ nen T. Jedoch kann nach einer Variante der Erfindung die untere Elektrode mit einem hohlen Anschlußstück 45 aus Nickel in Berührung stehen, dessen unteres koni­ sches Ende in einem konischen Loch der unteren Schei­ be 4 a kalt justiert ist, ähnlich wie die Befestigung der Teile 24, 25 in Fig. 1. Dieses Anschlußstück 45 aus Nik­ kel ist durch Punktschweißung mit der entsprechenden Ausgangsleitung 15 a verbunden.

Fig. 14 zeigt als Beispiel drei Kurven, die den Fre­ quenzverlauf Δ f des Schwingers in Abhängigkeit von seiner Betriebstemperatur in Abhängigkeit von einer Bezugstemperatur zeigen, die der Umgebungstempera­ turentspricht.

Die drei Kurven entsprechen Quarzkristallen in AT- Schnitt, die verschiedene Schnittwinkel haben.

Fig. 15 zeigt eine aus den Teilen 1 a, 2 a, 3 a und 4 a bestehende Baugruppe, die der in den Fig. 2 und 3 dar­ gestellten Baugruppe ähnelt, bei der jedoch der Ab­ standsring 2 a durch einen Randteil des Kristalls selbst gebildet wird, der durch einen kontinuierlichen oder dis­ kontinuierlichen Zwischenteil 34, 35 mit einem aktiven Mittelteil 1 a des Kristalls verbunden ist. Der Abstand zwischen der auf eine der Scheiben aufgetragenen Elek­ trode und der entsprechenden Fläche des Kristalls 1 kann sehr gering sein und vorzugsweise zwischen einem Mikron oder mehreren Zehntel Mikron und einigen zehn Mikron betragen. Der Gütegrad des Schwingers wird verbessert und der Bewegungswiderstand verrin­ gert, wenn der Abstand Elektrode-Kristall verringert wird, ohne daß die Elektrode jedoch den Kristall be­ rührt. Es ist möglich, im Mittelteil der Scheiben 3 und 4, die beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Quarz beste­ hen, einen Rücksprung von geringer Tiefe vorzusehen, der es ermöglicht, daß die Elektrode um diesen Abstand vom Kristall zurückgesetzt ist. Eine derartige Zurück­ versetzung kann parallel zur Quarzkristallfläche ausge­ führt sein oder dadurch, daß für die Fläche der einen Scheibe 3 oder 4 und die entsprechende Fläche des Kri­ stalls 1 zwei Schleifvorgänge mit unterschiedlichen Krümmungsradien ausgeführt werden. Eine andere Lö­ sung, um auf bequeme Weise einen geringen Abstand Elektrode-Kristall zu erhalten, besteht - wie in Fig. 15 dargestellt - darin, auf der Scheibe 3 a und der Scheibe 4 a eine dünne Nickelschicht 46, 47 bzw. 48, 49 mittels Elektrolyse aufzutragen, und zwar auf eine dünne me­ tallische Schicht, die vorher auf den Rand der Flächen 43 und 44 der Scheiben 3 a und 4 a auf einer oder mehreren Teilen dieses Umfangs aufgedampft wurde, die dem Randteil 2 a des Kristalls zugekehrt sind. Die auf die Fläche 43 der Scheibe 3 a aufgetragene Nickelschicht 46, 47 und die auf die Fläche 44 der Scheibe 3 a aufgetrage­ ne Nickelschicht 48,49 bestimmen die Spalte e zwischen der auf die Fläche 43 der Scheibe 3 a aufgetragenen Elektrode und der Fläche 40 des Kristalls oder zwischen der Elektrode, die auf der Fläche 44 der Scheibe 4 a aufgetragen ist, und der Fläche 41 des Kristalls, wobei die Spalte e sehr klein sein können, beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 bis 50 µ. Die Elektroden sind in den Fig. 15 und 16 nicht dargestellt.

Die Nickelschicht 46, 47, 48, 49 spielt eine Rolle als Dämpfer für mögliche Stöße und macht jede zusätzliche Schleifbearbeitung oder chemische Bearbeitung der Flächen 43 und 44 der Scheiben 3 a und 4 a unnötig. Die Nickelschicht kann - wie in Fig. 16 bei der Scheibe 4 a zu erkennen - so ausgeführt sein, daß sie nur eine oder mehrere Teile 48 oder 49 des Umfangs der Fläche der entsprechenden Scheibe bedeckt.

Fig. 17 zeigt eine Ausführungsform in Komptaktbau­ weise eines Quarzschwingers mit nicht mit dem Kristall verbundenen Elektroden. Bei einer derartigen Ausfüh­ rungsform wird die dichte Dose durch den Kondensator 3 a, 4 a selbst gebildet und der Teil 2 a des Kristalls bildet den Abstandsring. Der selbsttragende Kristall 1 a, 2 a und die Scheiben 3 a, 4 a sind in der Weise ausgeführt, wie sie für den Fall eines Quarzschwingers mit getrennter Dose beschrieben wurden. Die Scheiben 3 a, 4 a sind vor­ zugsweise aus Quarz derselben Ausrichtung wie der Kristall ausgeführt. Außerdem sind die Nickelschichten 46, 47 und 48, 49 vorzugsweise auf die Flächen 43 und 44 der Scheiben 3 a bzw. 4 a so aufgetragen, wie es mit Bezug auf Fig. 15 und 16 beschrieben wurde. Die dichte Dose ist beim Beispiel nach Fig. 17 durch die Außenflä­ che 51 und 52 der Scheiben 3 a und 4 a, die Seitenflächen 53 und 54 derselben Scheiben 3 a und 4 a und die Um­ fangsfläche 55 des Randteils 2 a des Kristalls gebildet. Die aus den Teilen 1 a, 2 a, 3a, 4a gebildete kompakte Baugruppe ist mit einer Kunstharzumhüllung 50 umge­ ben, die zur Stoßabsorption vorgesehen ist. Zwei Aus­ gangsleitungen 14 a, 15 a, die mit den auf den inneren Flächen 43 und 44 der Scheiben 3 a und 4 a aufgetrage­ nen Elektroden 26 bzw. 27 verbunden sind, führen durch die Umhüllung 50 nach außen.

Die den Kristall 1 a umgebenden Scheiben 3 a und 4 a sind mit dem Randteil 2 a des Kristalls im Vakuum bei erhöhter Temperatur von ungefähr 480°C versiegelt, so daß eine ringförmige Thermokompression in den Um­ fangsbereichen 53, 54 bzw. 55 der Scheiben 3 a und 4 a und des Umfangsteils 2 a gebildet wird, die nahe bei dem Zusammenschluß 56 zwischen dem Randteil 2 a und der Scheibe 3 a und dem Zusammenschluß 57 zwischen dem Umfangsteil 2 a und der Scheibe 4 a liegen. Die Thermo­ kompression wird vorzugsweise auf einer dünnen Gold­ oder Silberschicht ausgeführt, die vorher aufgetragen wurde. Die Elektroden 26 und 27 sind mit Metall ver­ bunden, das die Thermokompression an dem Zusam­ menschluß 56 bzw. an dem Zusammenschluß 57 bildet. Die Ausgangsleitungen 14 a und 15 a sind selbst wieder mit dem Metall der Zusammenschlüsse 56 bzw. 57 ver­ bunden. Es ist festzustellen, daß in Fig. 15 und in Fig. 17 die Nickelschichten der deutlicheren Darstellung halber mit stark vergrößerter Dicke dargestellt sind..

Ein Schwinger, wie der in Fig. 17 dargestellt ist, kann eine sehr geringe Masse und sehr geringe Abmessungen aufweisen (beispielsweise wurde ein Schwinger von 50 MHz in Form einer Scheibe von 24 mm Durchmesser und 8 mm Höhe ausgeführt). Außerdem tritt bei sehr niedrigen Temperaturen und sogar bei der Temperatur flüssigen Heliums keine wesentliche Spannung im Kri­ stall 1 a, 2 a auf, wenn die Scheiben 3 a und 4 a selbst ebenfalls aus Quarz derselben Ausrichtung wie der Kri­ stall 1 a, 2 a ausgeführt sind.

Der Quarzkristall 1 a, 2 a, der bei einem Quarzschwin­ ger verwendet werden kann, wie er beispielsweise in Fig. 17 dargestellt ist, unterscheidet sich nicht von den selbsttragenden Quarzkristallen, die bei den Schwin­ gern verwendet werden können, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt sind. So kann der Zwischenteil 34, der zwischen dem den Ring bildenden Randteil 2 a und dem aktiven Mittelteil 1 a angeordnet ist, eingeschnürt sein und kann Ausnehmungen aufweisen, so daß die nicht mit Ausnehmungen versehenen Bereiche 34, 35 des Zwischenteils mehrere schmale Brücken zwischen dem Randteil 2 a des Kristalls und dem Mittelteil 1 a bilden. Die kompakte Ausführung eines Quarzschwin­ gers mit nicht am Kristall angebrachten Elektroden ist ebenfalls in dem Fall möglich, wo ein Kristall in der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 aufgehängt ist. In diesem Fall spielt der Ring 2 die Rolle des Randteils 2 a nach Fig. 17, und eine kompakte Baugruppe 1, 2, 3, 4 kann in einer Weise ähnlich wie die kompakte Baugrup­ pe 1 a, 2 a, 3 a, 4 a nach Fig. 17 gebildet werden.

Um die Restspannungen an den Aufhängungspunk­ ten des Kristalls an seinen Umfangsteilen und Zwi­ schenteilen zu verringern, ist es allgemein möglich, den Kristall 1 a, 2 a einer Vorbehandlung vor seiner Montage zu unterwerfen. Es ist beispielsweise vorteilhaft, den Kristall einer Wärmebehandlung bei ungefähr 480°C zu unterwerfen und anschließend eine sehr leichte Bearbei­ tung mit Bifluorid durchzuführen.

Wenn keine Ausnehmung im eingeschnürten Zwi­ schenteil ausgeführt wird, und daher eine einzige dünne Brücke 34 sich über einen Winkel von 360° um den gesamten aktiven Teil 1 a erstreckt, was die einfachste Gestalt ergibt (siehe Fig. 18), ist die Bearbeitung des Kristalls außerordentlich einfach. Eine Drehbearbei­ tung ohne zusätzliche Ultraschallbearbeitung kann aus­ reichend sein, und die Ringnut 58, die in dem Zwischen­ teil des Kristalls gebildet ist, um einen dünneren Teil 34 zu bilden, kann mit einer Schleifbearbeitung auf nur einer Seite hergestellt werden (beispielsweise auf der Seite der Fläche 14 des Kristalls in Fig. 18). Selbstver­ ständlich kann - wie schon früher ausgeführt - die Anordnung und Höhe der Brücken 34, 35, die Höhe dieser Brücken in bezug auf die Umfangsfläche des Kri­ stalls, die Breite dieser Brücke ebenso wie die azimutale Anordnung dieser Brücken je nach den vorgesehenen Anwendungsfällen verändert werden.

Wenn man den Fall eines AT-Schnitts betrachtet (z. B. einen in der 5. Harmonischen schwingenden 5-MHz- Kristall), weist der Zwischenteil des Kristalls vorzugs­ weise zwei dünne Brücken 34, 35 auf, die entsprechend der Achse ZZ′ (Projektion der Achse 2) des Kristalls in bezug auf den aktiven Mittelteil 1 a angeordnet sind. Bei einer Herstellung durch Ultraschallbearbeitung ist es möglich, die Brücken 34, 35, deren Achse mit der Achse ZZ′ zusammenfällt, mit einer Winkelspanne von minde­ stens 30 Winkelminuten auszuführen. Auch eine größe­ re Anzahl von Brücken kann ausgeführt werden. So kann der Zwischenteil des Kristalls außer den beiden Brücken in der Achse ZZ′ auch noch mindestens eine Brücke 42 in der Achse X aufweisen (Fig. 13). Man kann die Aufhängungsbrücken vorzugsweise symmetrisch anordnen, und zwar sowohl hinsichtlich ihrer Form als auch hinsichtlich ihrer Azimutstellung. So erhält man beispielsweise gute Eigenschaften, wenn man vier Brük­ ken vorsieht, beispielsweise zwei Brücken in der Achse ZZ′ und zwei Brücken in der Achse X. Eine andere mögliche azimutale Verteilung der Brücken unter Be­ rücksichtigung der Symmetrie eines Quarzkristalls in AT-Schnitt besteht darin, zwei Brücken in der Achse ZZ′ und eine Brücke in einer Richtung anzuordnen, die einen Winkel von 60° mit der Achse ZZ′ hat.

Die Anordnung der Brücken wie beispielsweise der Brücken 34, 35, 42 in bezug auf die Umfangsfläche des Kristalls kann je nach den vorgesehenen Anwendungs­ fällen verändert werden. Im allgemeinen ist es vorteil­ haft, wenn die Mitte der Brücken mit der Knotenebene des Bezugspunktes P des piezoelektrischen Körpers la, 2a zusammenfällt, die in halber Höhe des Kristallkör­ pers 1 a, 2 a angeordnet ist, d. h. in der Mitte der Dicke des Kristalls, wie es in den Fig. 19 bis 21 dargestellt ist, die Teilschnitte eines Kristalls 1 a, 2 a in Ebenen sind, die die Schnittachse des Kristalls enthalten; die Figuren zei­ gen verschiedene mögliche Formen der Brücken 60, 63, 66, die den Umfangsteil 2 a des Kristalls mit dem aktiven Mittelteil 1 a verbinden. Wenn man die Fig. 19 betrach­ tet, sieht man beispielsweise eine Brücke 60 mit einer oberen Fläche 71 und einer unteren Fläche 72, die zuein­ ander parallel und senkrecht zum oberen Abschnitt 61 und unteren Abschnitt 62 der Umfangsfläche des akti­ ven Teils 1 a des Kristalls verlaufen und jeweils mit den Teilen 61 und 62 der Umfangsfläche des Kristalls durch einen kleinen konkav abgerundeten Abschnitt 70 mit dem Krümmungsradius R verbunden sind. Die Brücke 60 kann auch mit der inneren Umfangsfläche des Rand­ teils 2 a des Kristalls über kleine, konkav abgerundete Abschnitte entsprechend den Abschnitten 70 verbunden sein. Der Radius R der abgerundeten Abschnitte 70 kann kleiner als 1 mm sein.

In Fig. 20 erkennt man beispielsweise eine Brücke 63, die eine obere Fläche 74 und eine untere Fläche 75 aufweist, die zum aktiven Mittelteil la hin konvergieren, vorzugsweise in der Höhe der Hauptknotenebene mit dem Bezugspunkt P des Kristalls 1 a, 2 a; sie sind in einem Winkel α von ungefähr 80° zu der Umfangsfläche 64, 65 des aktiven Teils la des Kristalls geneigt, wobei diese Umfangsfläche 64, 65 selbst senkrecht zur Ebene 8 ver­ läuft. Die Flächen 74 und 75 der Brücke 63 sind jeweils mit dem oberen Teil 64 und dem unteren Teil 65 der Umfangsfläche des aktiven Teils la des Kristalls über einen kleinen, konkav gerundeten Abschnitt 73 verbun­ den.

Fig. 21 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Brücke 66, die dazu bestimmt ist, eine leichte Ela­ stizität in der Ebene P des Kristallschnitts zu ergeben, indem die Brücke verlängert wird, ohne die Breite der Nut zu vergrößern, die zwischen dem Mittelteil 1 a und dem Umfangsteil 2 a eingeschnitten ist. Die Brücke 66 weist eine obere Fläche 77 und eine untere Fläche 78 auf, die im wesentlichen parallel sind und in der Schnitt­ ebene der Fig. 21 (diese Ebene enthält die Schnittachse des Kristalls) ungefähr ein Sinusprofil haben.

Allgemein bestimmen die seitlichen Wände 59 (Fig. 18), 61, 62 (Fig. 19), 64, 65 (Fig. 20), 67, 68 (Fig. 21) der Nuten 81, 82, 84, 85, 87 bzw. 88 den eingeschnürten Zwischenabschnitt; außerdem sind die die Umfangsflä­ che des aktiven Teils 1 a bildenden Wände senkrecht zur Hauptebene des Bezugspunktes P des Kristalls und ha­ ben eine Konizität nach unten von ungefähr 30 Winkel­ minuten.

In Fig. 22 erkennt man, daß die Brücken 34, 35, die zwischen den Ausnehmungen 36 und 37 belassen wur­ den und den aktiven Mittelteil 1 a mit dem festen Um­ fangsteil 2 a des Kristalls verbinden, radial verlaufen. Fig. 23 zeigt aber eine Ausführungsform, bei der das Ende 34 b bzw. 35 b der Brücke 34 bzw. 35, das dem Umfangsteil 2 a zugekehrt ist, um einen bestimmten Winkel β um die Schnittachse in bezug auf das Ende 34 a bzw. 35 a versetzt ist, das dem aktiven Mittelteil 1 a zuge­ kehrt ist, wobei die Seitenflächen 34 c und 34 d bzw. 35 c und 35d jeder der Brücken 34 und 35 gekrümmt sind und dieselbe Krümmungsrichtung aufweisen.

Bei den Ausführungsformen des Schwingers nach der Erfindung und insbesondere bei den Ausführungsfor­ men nach den Fig. 9 bis 13, 15 und 17 bis 23 ist es wichtig, daß die Umfangsfläche des aktiven Mittelteils 1 a des Kristalls nicht nur senkrecht zur Bezugsebene des Kri­ stalls 1 a verläuft und nur eine möglichst geringe Konizi­ tät hat, sondern vorteilhafterweise ist auch die für die Endbearbeitung verwendete Schleifkorngröße, die den Endzustand der Umfangsfläche des Kristalls 1 a be­ stimmt, sehr fein, und zwar in der Größenordnung von einigen Mikron. Die Brücken 34, 35, 42, 60, 63, 66 kön­ nen selbst eine geringe Dicke von weniger als einigen hundert Mikron aufweisen (beispielsweise weniger als 200 Mikron), wodurch es möglich wird, einen aktiven Mittelteil zu erhalten, der selbst eine geringe Dicke hat. Durch Ionenbearbeitung ist es möglich, einen aktiven Teil des Kristalls mit einer Dicke von weniger als 100 Mikron zu erhalten, was die Verwendung von erfin­ dungsgemäßen Schwingern mit nicht am Kristall ange­ brachten Elektroden im VHF-Bereich gestattet. Die Breite des eingeschnürten Mittelteils, der zwischen dem Mittelteil la und dem Umfangsteil 2 a angeordnet ist, kann unterschiedliche Werte je nach den gewünschten Anwendungsbereichen annehmen. Bei Kristallen im AT-Schnitt (in der 5. Harmonischen schwingender 5-MHz-Kristall) liegen die Brückenbreiten d (Fig. 19, 20) in der Größenordnung von 2 bis 3 mm und es hat sich gezeigt, daß man dadurch sehr gute Eigenschaften erhält.

Bei der Ausführung nach den Fig. 9 und 10 sind die Nuten 38, 39, die jeweils aus den dem Zwischenteil 34, 35, 36 des Kristalls 1 a, 2 a zugekehrten Zonen der Flä­ chen 43, 44 der Tragscheiben 3 a und 4 a herausgearbei­ tet sind, vorzugsweise mit Schleifkörnern bearbeitet, die jeweils eine Umlaufbahn beschreiben, die in einer Ebe­ ne liegt, die durch die Achse des Kristalls 1 a, 2 a geht. Damit die auf die Flächen 43, 44 der Scheiben 3 und 4 aufmetallisierten Elektroden 26, 27 einen sicheren elek­ trischen Durchgang haben, soll außerdem die Oberflä­ chengüte der Flächen 43 und 44 in der Größenordnung von 0,2 Mikron liegen.

Erfindungsgemäße piezoelektrische Schwinger, die aus einem natürlichen Quarzkristall hergestellt sind, dessen Überspannungskoeffizient Q in der Größenord­ nung von 3×10⁶ liegt, die bei einer Frequenz von 5 MHz in der 5. Harmonischen schwingen, haben eine Eigenstabilität in der Größenordnung von 4×10^-13 für Zeiten in der Gegend von einer Sekunde, während Os­ zillatoren, die mit diesen Schwingern aufgebaut werden, eine Stabilität von 10^-12 über eine Sekunde, 3×10^-12 über hundert Sekunden und eine Stabilität von weniger als 10^-11 über einen Tag haben nach einer Betriebsdau­ er von mehreren Wochen.

Durch die Verwendung eines einstückigen dielektri­ schen Ringes zur Bestimmung des Abstands zwischen zwei Scheiben, die auf ihren inneren Flächen die Elek­ troden tragen, und durch die Verwendung von Aufhän­ gevorrichtungen, die den aktiven Teil des Kristalls in bezug auf eine der Tragplatten oder Tragscheiben oder in bezug auf den einzigen Abstandsring tragen, ohne daß größere Spannungen eingeführt werden, ohne daß es zu einer Berührung des Kristalls mit den Elektroden kommt, wobei sehr kleine freie Spalten zwischen dem aktiven Kristall und der Elektrode aufrechterhalten werden, haben die Schwinger nach der Erfindung eine wesentlich verbesserte Stabilität in Abhängigkeit von der Zeit und ermöglichen eine bequeme und genaue Frequenzeinstellung.

Verschiedene Abwandlungen und Ergänzungen der nur als Beispiele beschriebenen und die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsformen sind möglich, oh­ ne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Es wurde ein Quarzschwinger beschrieben mit Elek­ troden, die nicht mit dem Kristall verbunden sind. Der Quarzschwinger weist eine Stabilität auf, die im Mittel und über längere Zeit verbessert ist und eine leichtere Frequenzeinstellung ermöglicht. Der Schwinger weist im Inneren einer dichten Dose einen Kondensator auf, der von zwei Scheiben 3, 4 aus dielektrischem Material gebildet wird, die durch einen unbeweglichen Ring 2 getrennt sind, der den Abstand zwischen den Scheiben 3 und 4 bestimmt. Die Elektroden sind durch Metallnie­ derschlag auf den Flächen der Scheiben 3 und 4 gebildet, die einem Quarzkristall 1 zugekehrt sind, der in dem Kondensator eingeschlossen ist. Die Spalte zwischen dem Kristall 1 und den Scheiben 3 und 4 sind wesentlich geringer als ein Millimeter. Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen Schwingers sind beispielsweise Fernmeldeeinrichtungen und Radargeräte.

Claims (40)

1. Piezoelektrischer Schwinger, bei dem ein piezo­ elektrischer Kristall in einem Hohlraum gehalten ist, der von einer ersten dielektrischen Scheibe, ei­ ner zweiten, gegenüberliegenden, dielektrischen Scheibe und einem dielektrischen Ring gebildet ist, wobei zwischen einer dem Kristall zugewandten ersten Fläche der ersten Scheibe sowie einer dem Kristall zugewandten zweiten Fläche der zweiten Scheibe jeweils Abstand eingehalten ist und die er­ ste sowie die zweite Scheibe mit je einer mit einem elektrischen Leiter verbundenen Elektrode verse­ hen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche eine erste, dem Kristall (1, 1 a) gegenüberliegende Metallbeschichtung (26) und die zweite Fläche eine zweite, dem Kristall gegen­ überliegende Metallbeschichtung (27) aufweisen, wobei die erste und die zweite Metallbeschichtung mit der zugehörigen Elektrode (28, 29) elektrisch verbunden sind und der Abstand kleiner als einige zehn Micrometer ist.

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kristall auf die zweite Scheibe (4) aufgesetzt ist (Fig. 7, 8).

3. Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Scheiben aus Siliziumdioxid besteht.

4. Schwinger nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektri­ sche Kristall ein Quarzkristall ist.

5. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsring (2) aus Siliziumdioxid besteht.

6. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsring (2) aus einem piezoelektrischen Material besteht und mit Elektroden zu einer Dicken-Veränderung ver­ sehen ist.

7. Schwinger nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Abstandsrings (2) durch elastische Verformung veränderbar ist (Fig. 6).

8. Schwinger nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsring von einem Umfangsteil (2 a) des Kristalls gebildet ist, der über einen Abstand (34, 35) verringerter Dicke in den aktivierbaren Mittelteil (40, 41) des Kristalls übergeht (Fig. 9).

9. Schwinger nach Anspruch 4 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Quarzkristall vor der Monta­ ge eine Wärmebehandlung bei ungefähr 480°C und danach einer sehr leichten Oberflächenbearbeitung mit Bifluorid unterworfen ist.

10. Schwinger nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Fläche einen Krümmungsradi­ us aufweist, der sich von dem Krümmungsradius der entsprechenden, gegenüberliegenden Fläche des Kristalls unterscheidet.

11. Schwinger nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des Kristalls die Scheibe (4) zwei etwas konische Lö­ cher (30, 31) aufweist, in denen zwei metallische Hohlkörper (24, 25) der selben Konizität wie die Löcher und mit aufgerauter Außenfläche versehen angeordnet sind, und daß dünne metallische Bänder (22, 23) , die an der Umfangsfläche des Kristalls be­ festigt sind, in den Hohlkörpern aufgenommen und an diese angeschweißt oder angelötet sind.

12. Schwinger nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dünnen metallischen Bänder aus Nickel bestehen.

13. Schwinger nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Hohlkörper aus Nickel bestehen.

14. Schwinger nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen metalli­ schen Bänder an der Umfangsfläche des Kristalls durch Thermokompression befestigt sind.

15. Schwinger nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen metalli­ schen Bänder an der Umfangsfläche des Kristalls mittels eines Klebstoffes befestigt sind.

16. Schwinger nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Löcher einen Konuswinkel von ungefähr 1 Grad aufwei­ sen.

17. Schwinger nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kri­ stall haltende Scheibe (4) aus dem gleichen Material besteht wie der Kristall, und daß der Kristall auf die Scheibe (4) an mehreren Punkten (5, 6, Fig. 7, 8) mittels Thermokompression aufgesetzt ist.

18. Schwinger nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (1 a, 2 a) radial außerhalb seines den Metallbeschich­ tungen (26, 27) gegenüberliegenden zentralen Be­ reichs (1 a) eine Einschnürung (34, 35) seiner Dicke und einen Umfangsteil (2 a) aufweist, in welchem der Kristall zwischen den Scheiben (3 a, 4 a) gehal­ ten ist.

19. Schwinger nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zentrale Teil (1 a) über mehrere Brücken (36, 37, 42) in den Umfangsteil (2 a) über­ geht.

20. Schwinger nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mitte der Brücken (60, 63, 66) mit der Knotenebene (P) des zentralen Teils (1 a) zu­ sammenfällt (Fig. 19-21).

21. Schwinger nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken sich nach außen gekrümmt erstrecken (Fig. 23).

22. Schwinger nach einem der Ansprüche 18-21, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (3 a, 4 a) gegenüber der Einschnürung (34, 35) an ihren dem Kristall (1 a, 2 a) zuweisenden Flächen (23, 44) Ver­ tiefungen (38, 39) aufweisen (Fig. 9, 10), deren Tiefe größer ist als die Breite des freien Spaltes, zwischen dem zentralen Teil (1 a) und der benachbarten Me­ tallbeschichtung.

23. Schwinger nach einem der Ansprüche 18-22, dadurch gekennzeichnet, daß die auf eine der Scheiben (3 a, 4 a) zuweisende Fläche (41) des zen­ tralen Teils (1 a) relativ zu der auf die gleiche Schei­ be zuweisenden Fläche des Umfangsteils (2 a) zu­ ruckversetzt ist.

24. Schwinger nach einem der Ansprüche 18-23, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Metallbe­ schichtung versehene mittlere Flächenabschnitt (43, 44) einer der Scheiben (3 a, 4 a) relativ zu einer radial außerhalb der Metallbeschichtung liegenden Umfangsfläche der Scheibe zurückversetzt ist.

25. Schwinger nach einem der Ansprüche 18-24, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine radial außer­ halb der Metallbeschichtung liegende Umfangsflä­ che der Scheibe(n) (3 a, 4 a) eine dünne Metallschicht (46, 47, 48, 49) aufgebracht ist (Fig. 15, 16, 17).

26. Schwinger nach Anspruch 25, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf die Metallschicht eine dünne Nik­ kelschicht aufgebracht ist.

27. Schwinger nach einem der Ansprüche 18-26, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung (34, 35) durch eine Nut (58) gebildet ist.

28. Schwinger nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mit den Scheiben im Inneren einer Dose ( 7, 8) gehalten ist, welche auf den äußeren Rand der Scheiben einwirkende mechanische Klemmorgane (11, 12) aufweist.

29. Schwinger nach einem der Ansprüche 19-28, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall im AT- Schnitt geschnitten ist und daß der zentrale Teil über zwei Brücken mit dem Umfangsteil verbun­ den ist, die beiderseits des zentralen Teils in der Achse ZZ′ angeordnet sind.

30. Schwinger nach Anspruch 29, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine weitere, in der X-Achse angeord­ nete Brücke (42) vorgesehen ist.

31. Schwinger nach Anspruch 30, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Brücken vorgesehen sind, die beiderseits des zentralen Teils sich in der X-Achse erstrecken.

32. Schwinger nach einem der Ansprüche 29-31, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Brücke vorgesehen ist, die in eine um einen Winkel von 60° in bezug auf die Achse ZZ verlaufende Richtung ausgebildet ist.

33. Schwinger nach einem der Ansprüche 19-32, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken in einer die Schnittachse des Kristalls enthaltenden Schnitt­ ebene zueinander parallele obere und untere Be­ grenzungen aufweisen, die senkrecht zur Umfangs­ fläche des Kristalls verlaufen und mit dieser über einen konkav gerundeten Abschnitt (70, 73) ver­ bunden sind.

34. Schwinger nach einem der Ansprüche 19-33, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken in einer die Schnittachse des Kristalls enthaltenden Schnitt­ ebene obere und untere Begrenzungen aufweisen, die zum zentralen Teil des Kristalls hin konvergie­ ren und in einem Winkel von ungefähr 80° in bezug auf die Umfangsfläche des Kristalls geneigt sind.

35. Schwinger nach einem der Ansprüche 19-34, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken in einer die Schnittachse des Kristalls enthaltenden Schnitt­ ebene obere und untere Begrenzungen aufweisen, die parallel zueinander verlaufen und im wesentli­ chen ein sinusförmiges Profil haben.

36. Schwinger nach einem der Ansprüche 19-35, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken radial gerichtet sind.

37. Schwinger nach einem der Ansprüche 30-36, dadurch gekennzeichnet, daß eine der unteren bzw. oberen Begrenzungen der Brücken gegenüber der ihr benachbarten Fläche des zentralen Teils zurück versetzt ist und die andere in deren Verlängerung der ihr benachbarten Fläche des zentralen Teils liegt.

38. Schwinger nach einem der Ansprüche 19-37, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Einschnürungen, die jeweils die inneren bzw. äuße­ ren Umfangsfläche des Umfangsteils und des zen­ tralen Teils bilden, senkrecht zur Hauptbezugsebe­ ne des Kristalls verlaufen und eine Konizität von weniger als ungefähr 30 Winkelminuten aufweisen.

39. Schwinger nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall­ beschichtungen durch eine Thermokompression mit vorhergehendem Goldniederschlag mit elektri­ schen Anschlußleitungen (14, 15) verbunden sind.

40. Schwinger nach einem der Ansprüche 1-38, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbeschich­ tungen mittels eines Nickelkontaktes mit elektri­ schen Anschlußleitungen (14, 15) verbunden sind, dessen eines Ende mit der jeweiligen Anschlußlei­ tung verschweißt oder verlötet ist und dessen ande­ res, konisches Ende in einem konischen Loch der Scheibe ausgerichtet ist, welche die der Anschluß­ leitung zugeordnete Metallbeschichtung trägt.