DE2849389A1 - Piezoelektrischer schwinger - Google Patents

Piezoelektrischer schwinger

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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen äußerst kleinen, miniaturisierten piezoelektrischen Schwinger bzw. Vibrator, bei dem die Kapazität verringert werden soll, die zwischen den Anschlüssen des Gehäuses entsteht und die Eigenschaften, insbesondere die Kennlinien, des Schwingers beeinflussen.
Quarzkristall-Schwinger werden in letzter Zeit in großem Umfang zur Lieferung eines Standard-Zeitsignals für elektronische Armbanduhren eingesetzt. Die Quarzkristall-Schwinger, die bei diesen Armbanduhren verwendet werden, haben entweder die Form einer Stange bzw. Stabes oder die Form einer Abstimmgabel, da diese niederfrequenten, Biegeschwingungen verwendenden Vibratoren eine geringe Größe haben und mit äußerst geringem Energieverbrauch gespeist bzw. erregt werden können. Gehäuse für diese Schwinger werden mit verschiedenen Verfahren hergestellt, die jeweils Vor- und Nachteile haben. Bei einem Verfahren wird eine Kalt-Versiegelungs- bzw. -Abdichtungstechnik verwendet, bei der eine Kappe im Preßsitz durch eine hermetische Abdichtung oder durch die Verwendung einer Kaltschweißung aufgebracfit/ bei einem anderen Verfahren wird ein grünes, keramisches Flächengebilde gesintert und ein transparentes Glas erwärmt und abgedichtet, beispielsweise durch Löten, wobei die Frequenzabstimmung des Schwingers mittels eines Laserstrahls erreicht wird, der durch das transparente Glas projiziert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Schwinger geschaffen, der ein isolierendes Substrat mit einem ausgesparten Bereich, der auf einer oberen Seite des isolierenden Substrates ausgebildet ist, Dünnfilmleitungen, die auf wenigstens einem Bereich der oberen Seite des isolierenden Substrates ausgebildet sind, einen piezoelektrischen, auf der oberen Seite des isolierenden Substrates angebrachten Vibrator, der elektrisch mit den Dünnfilmleitungen verbunden ist, eine isolierende, auf den Dünnfilmleitun-
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gen ausgebildete Schicht, eine metallisierte, auf der oberen Seite des isolierenden Substrates ausgebildete Schicht, und einen auf der oberen Seite des isolierenden Substrates im Vakuumzustand angebrachten Deckel aufweist, um den piezoelektrischen Vibrator einzuschließen, wobei die isolierende Schicht eine Dicke von weniger als 200 Mikron hat, und wobei die Dicke der isolierenden Schicht kleiner als die halbe Breite jeder Dünnfilmleitung ist, wodurch eine Kapazität an jedem Zwischenbereich zwischen der metallisierten Schicht und den Dünnfilmleitungen entsteht.
Die Erfindung schafft also einen piezoelektrischen Schwinger, der ein Gehäuse mit einem planaren, isolierenden Substrat mit Dünnfilmanschlüssen aufweist. Eine isolierende Schicht ist auf den Dünnfilmanschlüssen vorgesehen und hat eine Dicke von weniger als 100 Mikron, wobei die Dicke der isolierenden Schicht kleiner als die halbe Breite der Dünnfilmanschlüsse ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1A und 1B explodierte Querschnittsansichten eines . herkömmlichen, zylindrischen Gehäuses, bei dem eine hermetische Abdichtung für einen Vibrator verwendet wird,
Fig. 2A und 2B perspektivische bzw. explodierte Querschnittsansichten einer keramischen Packung für einen Vibrator,
Fig. 2C ein Diagramm zur Erläuterung eines
Verfahrens zur Herstellung der in den Fig. 2A und 2B gezeigten, keramischen Packung,
Fig. 3A eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines piezoelektrischen Schwingers nach der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 3Β und 3C Querschnittsansichten der in Fig. 3A gezeigten Ausführungsform,
Fig. 4 eine Äquivalent-Schaltung der in Fig. 3C gezeigten Konstruktion,
Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 6 eine Querschnittsansicht einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform eines piezoelektrischen Schwingers nach der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren 1A und 1B sind Querschnittsansichten, welche die wesentlichen Bereiche einer herkömmlichen Abdichtungskonstruktion zeigen. Ein Kristallschwinger 10 weist ein schwingendes Element bzw. einen Vibrator 11 in der Form einer Abstimmgabel auf, die an einer hermetischen Abdichtung 12 angebracht ist? eine Metall-Kappe oder ein Metallgehäuse 15 ist mit einem weichen Metall 14, wie beispielsweise Sn, Pb-Sn oder In versehen. Die Metallkappe 5 wird in kaltem Zustand auf die hermetische Abdichtung 12 gepaßt, indem ein Druck in Richtung des in Fig. 1B gezeigten Pfeils ausgeübt wird. Der Nachteil eines Gehäuses dieses Typs liegt darin, daß die Leitungsdrähte 13, die sich durch die hermetische Abdichtung 12 erstrecken, abgedichtet und durch einen Glasknopf gehalten werden, der aus einem preßgeformten, pulverförmigen Glas besteht; aufgrund der geringen Größe der einzelnen Bauteile ist bei diesem Verfahren die Montage äußerst schwierig. Einen weiteren Nachteil stellen die Probleme bei der präzisen Montage der Gesamtkonstruktion dar, die winzige Abmessungen hat.
Trotzdem hat dieses Verfahren mehrere Vorteile. Dazu gehört insbesondere, daß wegen der Preßpassung der Kappe im kalten Zustand der Schwinger keinem Wärmeeinfluß ausgesetzt wird, so daß sich nur eine sehr geringe Frequenzverschxebung zu dem Zeitpunkt der Abdichtung ergibt.
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Eine weitere Ausführungsform eines Gehäuses für einen Schwinger verwendet ein kejramisches Material, wie in den Figuren 2A, 2B und 2C dargestellt ist. Dabei wird eine transparente Platte 17 eingesetzt, durch die ein Laserstrahl in Richtung des Pfeils projiziert werden kann, um die Frequenz des Vibrators, der die Form einer Abstimmgabel hat, durch Anpassung bzw. Justierung bzw. Einstellung eines Metallgewichtes abzustimmen, das an den Spitzen der Abstimmgabel vorgesehen ist. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß kein Abstimmkondensator vorgesehen sein muß. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß eine große Zahl von Gehäusen aus einem einzigen, keramischen Flächengebilde erhalten werden kann, wie in Fig. 2C zu erkennen ist, so daß sich eine Art Serienfertigung, also die gleichzeitige Fertigung vieler Gehäuse in einem Arbeitsgang, ergibt. Nachteilig ist jedoch, daß es sich bei Keramik um ein sehr poröses Material handelt, das Gase stark adsorbiert; dadurch ergeben sich ungünstige Wirkungen auf die Alterung des Schwingers. Ein weiterer Nachteil ist, daß eine dünne keramische Platte nicht gewährleisten kann, daß der erforderliche unterdruck aufrechterhalten wird.
Aus den obigen Erläuterungen ergibt sich, daß die herkömmlichen Behälter für äußerst kleine Schwinger neben Vorteilen auch Nachteile besitzen, so daß sie für die Unterbringung solcher Schwinger nicht optimal geeignet sind.
Um die Nachteile der herkömmlichen Gehäuse zu vermeiden, schafft die vorliegende Erfindung einen Quarzkristall-Schwinger, der ein isolierendes Substrat aufweist, das Gase nur äußerst langsam adsorbiert. Die Anschlußbereiche werden auf dem Substrat durch Ablagerung im Vakuum oder durch Filmbzw. Schablonen- bzw. Sieb-Druck ausgebildet, so daß Metallfilme entstehen, die zu Film- bzw. Dünnschicht-Leitern geformt werden. Eine isolierende oder schützende Schicht ist auf den Leitungen vorgesehen. Auf der isolierenden Schicht befindet sich ein Lötmittel, das einen niedrigen Schmelzpunkt hat. Diese Konstruktion ermöglicht die Serienferigung,
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so daß eine große Zahl, von Gehäusen gleichzeitig von einem einzigen, planaren, isolierendem Substrat erhalten werden kann. Außerdem läßt sich beispielsweise durch Ablagerung von SiO im Vakuum oder durch Siebdruck- oder ähnliche Techniken eine extrem dünne, isolierende Schicht erhalten, wodurch eine dünne Glasschicht mit niedrigem Schmelzpunkt entsteht. Eine zu extreme Verbreiterung der Breite der Filmleitungen und Verringerung der Dicke der isolierenden Schicht ist jedoch nachteilig, da sich dadurch die Kapazität zwischen den Anschlüssen erhöht; dies stellt für die Gehäuse ein größeres Problem dar. Deshalb wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Beziehung zwischen der Dicke der isolierenden Schicht und der Breite der Filmleitung so eingestellt, daß die Kapazität zwischen den Anschlüssen die Eigenschaften bzw. Kennlinien des Schwingers nicht beeinflußt.
Eine bevorzugte Ausführungsform'der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.
Wie sich aus den Figuren 3A und 3B ergibt, wird ein planares Glassubstrat 20 als isolierendes Substrat verwendet und mit einem ausgesparten Bereich 20a durch Ätzen oder ein ähnliches Verfahren versehen, so daß zwischen dem Substrat 20 und einem piezoelektrischen Vibrator bzw. schwingenden Element 22 ein freier Raum entsteht. Die Aufbringung im Vakuum oder ein ähnliches Verfahren wird bei der Herausführung der Elektroden des Vibrators 22 zu einem Punkt außerhalb der Packung verwendet, um über der gesamten Oberfläche des Glassubstrates einen aus mehreren Schichten bestehenden Metallfilm auszubilden; dann wird ein Photoätzverfahren eingesetzt, um ein planares bzw. ebenes Muster zu schaffen, das als Dünnschicht-bzw. Dünnfilm-Leitungen 24 dient. Eine isolierende Schicht 26, die aus SiO, SiO2 oder einem ähnlichen Material besteht, wird dann im Vakuum auf die Filmleitungen 24 aufgebracht, beispielsweise aufgedampft; wenn die isolierende Schicht zu einem Muster geformt werden soll, wird eine Metallmaske oder ein ähnliches
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Element verwendet. Als Alternative hierzu kann auf der gesamten Oberfläche des Substrates 20 ein Phosphorsilikat-Glasfilm oder ein Film aus SiO^ durch chemische Gasphasenabscheidung ausgebildet werden? anschließend wird das gewünschte Muster durch ein Photoätzverfahren hergestellt. Als nächstes wird ein aus mehreren Schichten bestehender Metallfilm über der gesamten Oberfläche der Schicht 26 durch Ablagerung bzw. Aufbringung im Vakuum ausgebildet. Ein Photoätzverfahren wird verwendet, um den Metallfilm zu einem Muster zu formen, das als metallisierte Schicht 28 dient. Die metallisierte Schicht 28 und ein Deckel 30 werden dann erwärmt und miteinander im Vakuum fest verbunden bzw. abgedichtet, so daß sich eine feste Verbindung ergibt. Dabei wird ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie beispielsweise ein Lötmittel oder eine ähnliche Substanz eingesetzt. Mit diesem Verfahren können die Glaspackungen nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Dabei läßt sich eine große Zahl der Glasgehäuse auf einem einzigen Flächengebilde aus planarem Glas ausbilden; der Transport, das Waschen und die Inspektion, die sich an die Befestigung der Schwinger anschließen, werden erleichtert, wodurch sich der Wirkungsgrad der Fertigung erhöht. Ein weiterer Vorteil ist, daß Glas nur äußerst wenig Gas adsorbiert, so daß die Alterung des Schwingers nicht beeinflußt wird.
Da der isolierende Film 26 äußerst dünn ist, gibt es eine Grenze, bis zu der die Breite der Filmleitungen verrin gert werden kann, um die Kapazität möglichst gering zu machen. Darüberhinaus können die Filmleitungen 24 nicht verbreitert werden, um ihren Widerstand zu verringern. Dementsprechend wird die Breite der Filmleitungen durch die Verwendung von Filmleitungen reduziert, die dadurch erhalten werden, daß ein Metallfilm, der die Adhäsion auf dem Glas verstärkt, und ein Metallfilm laminiert werden, der eine gute elektrische Leitfähigkeit hat.
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Fig. 3C zeigt einen Querschnitt längs .der Linie 3C -■ 3C von Fig. 3A, während Fig. 4 eine Äquivalentschaltung der Kapazität darstellt, die in dem Schwinger nach Fig. 3C entsteht. Obwohl die isolierende Schicht 26 zwischen den beiden FUmleitungen 24 und der metallisierten Schicht 28 ausgebildet ist, entstehen Kapazitäten C-, C2 an den Zwischenbereichen 32, 34 zwischen der metallisierten Schicht 28 und den Filmleitungen 24. Da dies äquivalent zu einer Reihenschaltung ist, werden die Kapazitäten C-, C2 um die Hälfte verringert, nämlich auf C1/2, C2/2, und zwar an dem Bereich zwischen den Anschlüssen mit der Kapazität 40 (siehe Fig. 3A). Beispielsweise im Fall eines Quarzkristall-Schwingers ist es jedoch äußerst schwierig, einen Wert von 1 pF oder weniger für jede der Kapazitäten C1, C2 zu erhalten, wie es notwendig ist, um die benötigte Kapazität von 1pF oder weniger zwischen den Anschlüssen auszubilden.
Untersuchungen haben gezeigt, daß die Kapazität 40 zwischen den Anschlüssen IpF oder weniger war, wenn eine isolierende Schicht 26 aus SiO mit einer Dicke t von 5 Mikron durch Bedampfen bzw. Metallisieren oder ein ähnliches Verfahren abgelagert wurde, während die Breite w der Filmleitung 24 auf 100 Mikron gehalten wurde; wenn also mit anderen Worten t/w - 1/20 war. Weiterhin war es möglich, eine Breite der Filmleitung ·. \ in der Nähe von 200 Mikron in dem Fall zu erhalten, daß eine isolierende Schicht 26 mit 50 bis 100 Mikron unter Verwendung eines Glases mit niedrigem Schmelzpunkt ausgebildet wurde.
Wenn gemäß der vorliegenden Erfindung planare Dünnfilm- bzw. Dünnschicht-Anschlüsse auf einem planaren Glassubstrat ausgebildet werden, wird die Dicke der isolierenden Schicht auf weniger als 100 Mikron und ihre Breite auf weniger als die halbe Breite der Filmleiter eingestellt. Dies macht es möglich, die Kapazität zwischen den Anschlüssen auf einen Wert zu begrenzen, der die Kennlinien des Kristallschwingers nicht beeinflußt. Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich also Gehäuse für piezolelektrische Schwinger in der Serien-
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fertigung mit hoher Genaugkeit in Massenproduktion herstellen,
Fig. 5 stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der planare Anschlüsse des beschriebenen Typs für die Verbindung eines Dünnfilm- bzw. Dünnschicht-Kondensators 42 oder einer integrierten Schaltung 44 verwendet werden können.
Fig. 6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Quarzkristall-Schwingers nach der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche oder entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen haben, wie sie in Fig. 3B verwendet wurden. Bei
der Ausführungsform nach Fig. 6 weist ein Keramiksubstrat 20' eine Aussparung 20'a. auf; eine isolierende Schicht
26, die aus einem SiO2 -FiIm besteht, ist durch irgendein
geeignetes Verfahren, wie beispielsweise Aufdampfen im
Vakuum, auf der gesamten Oberfläche der oberen Seite des
Substrates 20' ausgebildet. Die Anschlußleitungen 24, die isolierende Schicht 26 und die metallisierte Schicht 28
werden auf die gleiche Weise hergestellt, wie es oben unter Bezugnahme auf Fig. 3B erläutert wurde. Da also bei
der Ausführungsform nach Fig. 6 das Keramik-Substrat 20'
mit einer Schutzschicht 46 versehen ist, kann das Keramiksubstrat 20' keine Gase absorbieren, wodurch sich die ungünstigen Auswirkungen auf die Alterung des Schwingers
vermeiden lassen. Außerdem kann das Vakuum in dem Gehäuse äußerst zuverlässig aufrechterhalten werden.
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Claims (14)

  1. ΡΛΤ E N TA N WA LT E A. GRÜNECKER
  2. DtPL-tNG.
  3. H. KINKELDEY
  4. CR-INQ.
  5. W. STOCKMAIR
  6. K. SCHUMANN
  7. Dft RSt NW. - OPL-PHYS
  8. P. H. JAKOB
  9. D(PU-ING.
  10. G. BEZOLD
  11. DR REH WS- DR.««
  12. 8 MÜNCHEN
  13. MAXIMIUANSTRASSS *3
  14. 14. Nov. i978 P 13 306
    Citizen Watch Company Limited
    No. 1-1, 2-chome, Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan
    Piezoelektrischer Schwinger Patentansprüche
    1.) Piezoelektrischer Schwinger, gekennzeichnet durch ein isolierendes Substrat (20, 20') mit einem ausgesparten Bereich (20a, 20'a), der auf der oberen Seite des isolierenden Substrates (20, 20') ausgebildet ist, durch Dünnfilm-Leitungen (24), die auf wenigstens einem Bereich der oberen Seite des. isolierenden Substrates (20, 20') ausgebildet sind, durch einen piezoelektrischen Vibrator, der auf der oberen Seite des isolierenden Substrates (20, 20') angebracht und elektrisch mit den Dünnfilmleitern (24) verbunden ist, durch eine auf den Dünnfilmleitern (24) ausgebildete, isolierende Schicht (26), durch einen auf der oberen Seite des isolierenden Substrates (20, 20') ausgebildete, metallisierte Schicht (28) und durGh einen Deckel (30), der auf der oberen Seite des isolierendenSubstrates (20, 20') im Vakuumzustand befestigt ist, um den piezo-
    909821 /0576
    TELEFON (OSS) 32 28 62 TELEX 00-28 380 TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPtERER
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    elektrischenVibrator einzuschließen, wobei die isolierende Schicht (26) eine Dicke von weniger als 200 Mikron hat, und wobei die Dicke der isolierenden Schicht (26) kleiner als die halbe Breite jeder DünnfUmleitung (24) ist, wodurch eine Kapazität an jedem Zwischenbereich zwischen der metallisierten Schicht(28) und den Dünnfilmleitungen (24) entsteht.
    2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat ein planares Glassubstrat (20) aufweist.
    3. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat ein Keramik-Substrat (20') und eine Schutzschicht (46) aufweist, die auf der gesamten Oberfläche der oberen Seite des Keramik-Substrates (20f) ausgebildet ist.
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