DE2936225C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Querschwingungen ausführender Resonator weist die Form einer dünnen Platte auf, die Bewegungen in der Plattenebene durchführt. Die Dicke muß genügend klein sein, damit die durch die Bewegung außerhalb der Ebene hervorgerufenen Trägheitskräfte, infolge sich überschneidender elastischer Konstanten ist, nun einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Verformungsenergie haben. Die am häufigsten verwendete Form ist das Rechteck, wodurch das Auftreten von vier geometrischen Parametern bedingt wird:

• - zwei Schnittwinkel zur Festlegung der Richtung der Normalen zur Platte,
• - ein Schnittwinkel zur Festlegung der Orientierung der Seiten des Rechteckes in der Plattenebene,
• - das Dimensionsverhältnis zwischen den Seiten des Rechteckes.

Für den praktischen Einsatz eines derartigen Resonators ist es erforderlich, daß sein thermischer Koeffizient der ersten Ordnung in der Nähe von Null liegt (z. B. ±1 · 10^-6/°C) bei der mittleren Einsatztemperatur.

Unter den unterschiedlich geschnittenen kommerziell erhältlichen Quarzen weisen diejenigen mit GT- Schnitt die vorteilhaftesten thermischen Eigenschaften auf. Es handelt sich dabei um eine rechtwinklige Platte, deren Dimensionsverhältnis gleich 0,86 ist und die durch Drehung um die elektrische Achse X des Kristalls, gefolgt von einer Drehung von ±45° um die Normale erhalten wird. Ein Resonator mit GT-Schnitt führt eine Querschwingung aus und insbesondere eine Breiten-Dehnungsschwingung. Die Frequenz-Temperatur-Koeffizienten der ersten und zweiten Ordnung sind Null, und der Koeffizient der dritten Ordnung ist sehr klein. Der Nachteil dieses Schnitts liegt darin, daß die thermischen Eigenschaften des Resonators in kritischer Weise vom Dimensionsverhältnis der Platte abhängen.

Beispielsweise beträgt der thermische Koeffizient der ersten Ordnung α für einen Quarz mit GT-Schnitt ±0,1 · 10^-6/°C, der Koeffizient der zweiten Ordnung β ±1 · 10^-6/°C² und der Koeffizient der dritten Ordnung γ weniger als 30 · 10^-12/°C³.

Dabei ist festzuhalten, daß für eine Relativänderung

des Dimensionsverhältnisses von 1% die Änderung des thermischen Koeffizienten der ersten Ordnung gleich 2,5 · 10^-6/°C beträgt. Dies bedeutet, daß der thermische Koeffizient eines GT-Harzes nach dem Einbau in den Resonator notwendigerweise justiert werden muß.

Es sind weiterhin Quarze mit DT-Schnitt bekannt, die aus einer im allgemeinen quadratischen Platte bestehen, die durch Drehung um die elektrische Achse X erhalten wird und die Flächenscherungsschwingungen ausführt. Resonatoren mit DT-Schnitt haben bezüglich denjenigen mit GT-Schnitt den Vorteil, daß sie nur sehr wenig auf Änderungen des Dimensionsverhältnisses ansprechen. Ihre thermischen Eigenschaften sind jedoch weniger gut. So ist beispielsweise der thermischen Koeffizient der ersten Ordnung α Null, der thermische Koeffizient der zweiten Ordnung β -(15-20) · 10^-9/°C² und der thermische Koeffizient der dritten Ordnung γ ungefähr gleich 45 · 10^-12/°C³.

Es sind weiterhin Quarze mit AT-Schnitt bekannt, die die Form einer Platte aufweisen, welche durch Drehung um die elektrische Achse X des Kristalls erhalten wird. Die Daten dieser Quarze sind insbesondere der Veröffentlichung "Quarz vibrators and their applications" von Pierre Vigoureux, herausgegeben von "His Majesty's Stationary Office", London, 1950, entnehmbar. Zwei Arten von Quarzen mit AT- Schnitt, die mit einer Frequenz von 4 MHz schwingen, sind zur Zeit kommerziell erhältlich. Es handelt sich um den AT-Quarz der Firma Nihon Dempa mit den folgenden thermischen Eigenschaften bei 25°C:

• - Thermischer Koeffizient der ersten Ordnung:
  α=±0,1 · 10^-6/°C
• - Thermischer Koeffizient der zweiten Ordnung:
  β=-4±1 · 10^-9/°C²
• - Thermischer Koeffizient der dritten Ordnung:
  γ=95 · 10^-12/°C³

sowie um den AT-Quarz der Soci´t´ Suisse pour l'Industrie Horlogère (SSIH) mit den folgenden thermischen Eigenschaften bei 25°C:

• - Thermischer Koeffizient der ersten Ordnung:
  α=±0,1 · 10^-6/°C
• - Thermischer Koeffizient der zweiten Ordnung:
  β=-11 · ±1 · 10^-9/°C²
• - Thermischer Koeffizient der dritten Ordnung:
  γ=90 · 10^-12/°C³

außer den geringen thermischen Eigenschaften bezüglich der GT-Quarze haben die AT-Quarze eine viermal höhere Frequenz bei vergleichbaren Abmessungen. Andererseits hängt der thermische Koeffizient der ersten Ordnung stärker von den unterschiedlichen Werten des Schnittwinkels ab. So beträgt z. B. für eine Änderung Δϕ des Winkels ϕ von 1°, die entsprechende Änderung Δα des thermischen Koeffizienten der ersten Ordnung gleich 4,7 · 10^-6/°C. Der AT-Quarz der Firma Nihon Dempa weist weiterhin eine komplizierte Form auf mit einer Abschrägung an jedem Stabende und einer Neigung der Seitenflächen. Dadurch wird eine individuelle Metallisierung nach der vollständigen Bearbeitung erforderlich. Der AT- Quarz der Firma SSIH weist eine erhebliche Länge von ungefähr 11 mm auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen piezoelektrischen Resonator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die obengenannten Nachteile hinsichtlich der bekannten Quarze vermieden sind und der die folgenden Eigenschaften aufweist:

• a) einen thermischen Koeffizienten der ersten Ordnung α von Null, der vom Schnittwinkel abhängt und nicht in kritischer Art vom Dimensionsverhältnis der Kristallplatte;
• b) thermische Koeffizienten höherer Ordnung, die so gering wie möglich sind und insbesondere mit der Möglichkeit den thermischen Koeffizienten der zweiten Ordnung β zum Verschwinden zu bringen;
• c) ausreichende piezoelektrische Kopplung und ausreichend große dynamische Kapazität C₁ zur Erzielung eines annehmbaren Impedanzwertes;
• d) ausreichend kleine piezoelektrische Kopplung aller anderen Schwingungsarten zur Erfüllung der folgenden Bedingung: worin mit Q der Qualitätsfaktor bezeichnet ist. Diese Bedingung sorgt dafür, daß allein die optimale Schwingung durch den Oszillator angeregt wird;
• e) Verwendung eines Substrates, daß durch eine einzige kristallographische Drehung erhalten wird und dessen Einfluß auf den thermischen Koeffizienten der ersten Ordnung α nicht groß sein sollte, zum Beispiel kleiner als 5 · 10^-6/°C pro Winkelgrad;
• f) eine zweite Drehung, die um die Normale zur Platte erfolgt, ist nicht kritisch, wobei Abweichungen in der Größenordnung von ±5′ annehmbar sein sollen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhaftere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der bevorzugte Ausführungsformen dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Orientierung eines erfindungsgemäßen Resonators im Achsensystem X, Y, Z,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des geometrischen Ortes der Werte R, ϕ für die der thermische Koeffizient der ersten Ordnung des Resonators gleich Null ist, die

Fig. 3-7 Draufsichten auf fünf verschiedene Formen piezoelektrischer, für den Resonator geeigneter Platten und

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Resonators in Form einer rechtwinkligen Platte mit der Anordnung der Elektroden.

Die in Fig. 1 dargestellte Platte, die im folgenden Platte mit ZT-Schnitt bezeichnet wird, erhält man vorzugsweise aus einem Substrat mit Z-Schnitt, d. h. einer Platte, deren Normale die optische Achse Z des Quarzkristalls ist. Eine erste Drehung um den Winkel ϕ um die Achse Y, welche die mechanische Kristallachse darstellt, bringt die optische Achse Z nach Z′ und die elektrische Achse X nach X₁. Eine zweite Drehung um den Winkel R um die Achse Z bringt die Achsen X₁ nach X′ und Y nach Y′. Die Hauptrichtungen X′, Y′, Z′ entsprechen der Länge l bzw. der Breite w bzw. der Dicke t der Platte mit ZT-Schnitt. Nach der IRE-Notation wird ein derartiger Schnitt wie folgt bezeichnet: (zxwt) ϕ, R, wobei:
z die Richtung der Dicke der ursprünglichen Platte bezeichnet (Substrat mit Z-Schnitt),
x die Richtung der großen Abmessung der ursprünglichen Platte bezeichnet,
w bedeutet, daß die erste Drehung um den Winkel ϕ um diejenige Achse erfolgt ist, welche sich in der Breite der ursprünglichen Platte erstreckt, und
t bedeutet, daß die zweite Drehung um den Winkel R um die Richtung der Dicke der fertigen Platte erfolgt ist (Normale zur Oberfläche der großen Flächen).

Um die oben angegebenen Bedingungen zu erfüllen, werden die Winkel ϕ und R wie folgt gewählt

16°<ϕ<36°
10°<R<26°

und das Dimensionsverhältnis w/l derart, daß w/l zwischen 0,5 und 0,8 liegt.

Die besten Ergebnisse erzielt man für Werte von ϕ ungefähr 26°, R≈20° und w/l ungefähr gleich 2/3. Aus kristallsymmetrischen Gründen ist eine Platte mit den Winkelwerten ϕ=-26° und R=-20° identisch zur oben beschriebenen Platte.

Die Dicke ist ein freier Parameter, wie bei allen Querschwingern. Sie muß jedoch so gewählt werden, daß jede störende Kopplung mit den Bewegungsschwingungen außerhalb der Ebene vermieden werden. In der Nähe dieser Winkelkombination stellt man fest, daß das Frequenz/Temperatur-Verhältnis eine kubische Kurve ist, deren Scheitelpunkt durch geeignete Wahl des Dimensionsverhältnisses variabel ist. Der thermische Koeffizient der ersten Ordnung am Scheitelpunkt hängt vom Winkel ab und kann zum Verschwinden gebracht werden. Der thermische Koeffizient der zweiten Ordnung hängt vom Dimensionsverhältnis ab und kann für den Wert w/l≃2/3 zum Verschwinden gebracht werden. Der thermische Koeffizient der dritten Ordnung beträgt nur ungefähr 55 · 10^-12/°C³, d. h. erheblich weniger als derjenige eines Quarzes mit AT-Schnitt. Die mit der Breite zusammenhängende Frequenzkonstante beträgt 2823 kHz · mm. Die in Fig. 2 dargestellte Kurve bezeichnet den geometrischen Ort derjenigen Punkte, für die der thermische Koeffizient der ersten Ordnung Null ist, wobei man sieht, daß dieser Koeffizient stark mit dem Winkel ϕ variiert, jedoch nur sehr wenig von den kleinen Änderungen des Winkels R abhängt.

Eine detaillierte Analyse der Eigenschaften dieses Quarzes mit ZT-Schnitt zeigt, daß die Deformation praktisch eine reine Dehnung in Richtung der Breite ist, woraus folgt, daß eine Nebeneinanderanordnung entlang der Y-Achse von n Resonatoren, die abwechselnd gegenphasig schwingen, die thermischen Eigenschaften nicht verändert. Ein derartig zusammengestellter Resonator schwingt also in der n-ten Dehnungsharmonischen entlang Y′.

Der einfachste Aufbau eines Resonators mit ZT-Schnitt besteht aus einer rechtwinkligen Quarzplatte, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist und die durch einen oder zwei Drähte gehalten wird, die vorzugsweise in der Mitte befestigt sind. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, die die Verwendung von Haltedrähten vermeiden.

Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Resonator mit einem Quarzkristall mit ZT-Schnitt eine rechtwinklige Quarzplatte mit folgenden Abmessungen aufweisen:

Breite w :2,7 mm, Länge l :4,0 mm, Dicke t :0,2 mm,

mit folgenden Werten für die Schnittwinkel (ϕ und R):

ϕ 26°, R 20°.

In diesem Fall beträgt die Resonanzfrequenz des Resonators 2²⁰ Hz, d. h. ungefähr 1049 kHz.

Fig. 3 zeigt einen Quarzkristall mit ZT-Schnitt, der aus einem inneren aktiven Teil 10 der Länge l und Breite w besteht, welcher von einem Rahmen 11 umgeben ist und der über zwei Füße 12 und 13 mit diesem Rahmen verbunden ist. Der Rahmen 11 und die Füße 12 und 13 bilden den passiven Teil des Kristalls. Der aktive Teil schwingt in Richtung der Breite, wie es durch die Pfeile 15 angedeutet ist.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Platte mit ZT-Schnitt, welcher einen rechtwinkligen aktiven Teil 20 der Länge l und Breite w aufweist, der auf jeder Seite in Längsausdehnung durch einen Vorsprung 21, 22 dreieckiger Form verlängert ist. Die Platte schwingt in Richtung der Pfeile 23 und kann daher leicht an zwei festen Halterungen 24 und 25 mittels der Spitzen der entsprechenden Dreiecke 21 und 22 befestigt werden.

Fig. 5 zeigt eine rechtwinklige Platte mit ZT-Schnitt, deren aktiver Teil 30 bezüglich der Abmessungen äquivalent zu drei Platten 31, 32, 33 ist, deren jede eine Länge l und eine Breite w aufweist, so daß das Verhältnis w/l=0,5 bis 0,8 ist. Die mittlere Platte 32, die zwischen den Platten 31 und 33 angeordnet ist und gegenphasig schwingt, weist z. B. zwei Verlängerungsteile 34 und 35 auf, die dazu dienen, um die Anordnung an einer nicht dargestellten Halterung zu befestigen.

Fig. 6 zeigt eine Platte mit ZT-Schnitt in Gestalt einer Stimmgabel. Sie besteht aus einem aktiven Teil, der aus zwei Platten 41 und 42 gebildet wird, die jeweils die Länge l und die Breite w aufweisen, so daß das Verhältnis w/l=0,5 bis 0,8 beträgt und die parallel zueinander auf einem Fußteil 43 befestigt sind, welches in diesem Fall den passiven Teil darstellt und an einer Halterung befestigt werden kann.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Platte mit ZT-Schnitt, die einen aktiven Teil 50 aufweist, der mit einem passiven Teil 51 verbunden ist. Der aktive Teil besteht aus einer rechtwinkligen Platte mit den Abmessungen l und w derart, daß das Verhältnis w/l=0,5 bis 0,8 ist, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen. Der aktive Teil schwingt gemäß den Pfeilen 52.

Fig. 8 zeigt eine Art der Metallisierung einer Platte mit ZT-Schnitt. Integrierte Oszillatoren mit niedrigem Verbrauch haben einen negativen Widerstand, der umgekehrt proportional zur Frequenz ist. Bei einem Betrieb unter linearen Bedingungen muß der Quarzresonator die folgende Bedingung erfüllen:

Der ZT-Resonator weist insbesondere eine Scherschwingung auf mit niedrigerer Frequenz für die diese Bedingung anscheinend nicht erfüllt werden kann, wenn die Platte vollständig metallisiert ist. Es ist deshalb notwendig auf eine teilweise Metallisierung zurückzugreifen, die derart gewählt ist, daß das folgende Verhältnis erfüllt ist:

Diese Art der Metallisierung wird durch längsgerichtete Streifen 61 und 62 gebildet, die teilweise die großen Flächen der Platte 60 bedecken. Einer der Ränder dieser Streifen kann mit dem Rand der Platten zusammenfallen. Die Streifen 61 und 62 sind notwendigerweise verschoben bezüglich der Mittenebene senkrecht zu den großen Flächen der Platte, derart, daß wenn eine der Metallisierungen, z. B. der Streifen 61, positiv polarisiert ist und wenn der andere 62 negativ polarisiert ist, das resultierende elektrische Feld eine Komponente entlang Y′ besitzt, welche zu seiner Komponenten entlang Z′ entgegengesetzt ist.

Der in Fig. 8 dargestellte Resonator wird mittels zweier kurzer Aufhängedrähte 63 und 64 gehalten, welche als elektrische Leiter ausgebildet sind, die senkrecht zum Zentrum der beiden großen Flächen der Quarzplatte angelötet sind. Diese Aufhängungen gewährleisten gleichzeitig die elektrische Verbindung zwischen dem nicht dargestellten Anregungskreis und den entsprechenden metallisierten Streifen 61 und 62 der Quarzplatte 60.

Außer den bereits oben erwähnten Vorteilen weist diese Platte mit ZT-Schnitt den Vorteil auf, daß sie einfach herzustellen ist und keinerlei Justierung ihrer thermischen Eigenschaften nach der Herstellung erfordert. Eine mögliche Frequenzjustierung kann einfach dadurch erfolgen, daß eine gleichförmige Materialschicht aufgebracht wird, entweder über die gesamte Oberfläche oder vorzugsweise entlang eines Streifens in der Nähe der Ränder parallel zur Plattenlänge, ohne daß dadurch die thermischen Eigenschaften verändert werden.

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Resonator, der wenigstens einen Quarzkristall in Form einer rechtwinkligen dünnen Platte aufweist, deren Länge l sich entlang einer Achse X′ erstreckt, deren Breite w sich entlang einer Achse Y′ erstreckt und deren Dicke t sich entlang einer Achse Z′ erstreckt und der Querschwingungen ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse Z′ senkrecht zu den großen Flächen der Platte sich in der Ebene der elektrischen Achse X mit der optischen Kristallachse Z erstreckt und mit der Achse Z einen Winkel ϕ einschließt, und daß die Achse Y′ mit der mechanischen Achse Y des Kristalls einen Winkel R einschließt, mit den folgenden Winkelwerten
z x wt (16°-36°), (10°-30°).

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Breite w und der Länge l der Platte zwischen 0,5 n und 0,8 n liegt, wobei n die Anzahl der Harmonischen der Grundschwingung der ausgeführten Schwingungsform ist.

3. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel ϕ, R folgende Werte aufweisen:
z x wt 26°, 20°.

4. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis w/l ungefähr gleich 2/3 n beträgt, wobei n die Größe der Harmonischen der Grundschwingung der ausgeführten Schwingungsform ist.

5. Resonator nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzkristall die Form einer Stimmgabel aufweist, deren Arme durch zwei rechtwinklige Platten gebildet werden mit einem Verhältnis w/l von 0,5 bis 0,8.

6. Resonator nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzkristall einen aktiven Teil aufweist, in Form einer rechtwinkligen Platte, deren Abmessungen äquivalent zu einer Platte sind, die wenigstens eine rechtwinklige Platte aufweist mit einem Verhältnis von w/l von 0,5 bis 0,8, und einen passiven Teil mit wenigstens einer Verlängerung aufweist, das neben dem aktiven Teil angeordnet ist.

7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Teil eine rechtwinklige Platte aufweist, mit einem Verhältnis w/l von 0,5 bis 0,8 und der passive Teil zwei Dreiecke aufweist, welche den aktiven Teil in Längsrichtung verlängern.

8. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Teil eine rechtwinklige Platte aufweist mit einem Verhältnis w/l von 0,5 bis 0,8 und der passive Teil einen rechtwinkligen Rahmen aufweist, der den aktiven Teil vollständig umgibt, wobei beide Teile miteinander über Verlängerungsstücke verbunden sind, die jeweils mit den kleinen Seiten des aktiven Teils fest verbunden sind.

9. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte auf jeder ihrer großen Fläche teilweise metallisiert ist, daß diese Metallisierung die Form eines Streifens aufweist, der parallel zur Längsrichtung der Platte verläuft und daß die Streifen zueinander verschoben sind bezüglich der Mittenebene der Platte und daß sie so ausgestaltet sind, daß, wenn eine der Metallisierungen positiv polarisiert ist und die andere negativ polarisiert ist, das elektrische Feld eine Komponente in Richtung der γ- Achse aufweist in einer Richtung, die ihrer Komponente in der Z′-Achse entgegengesetzt ist.