DE2946162C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator mit einem Dickenscherungsschwingungen ausführen­ den Stab gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Frequenzen von 1 MHz und mehr weisen diese Resonatoren üblicherweise ein Schwingungsteil in Form eines kreisförmi­ gen Plättchens auf, welches Dickenscherungsschwingungen ausführt. Auch schwingende Teile in Form von rechteckigen Plättchen, die leichter herzustellen sind, werden seit ei­ niger Zeit dafür eingesetzt und werden im folgenden auch ausschließlich behandelt.

Derartige Resonatoren mit Dickenscherungsschwingungen ver­ wenden vorzugsweise den Effekt der Energiekonzentration (energy trapping), bei dem die Schwingungen in der Mitten­ region des piezoelektrischen Plättchens konzentriert sind, so daß dieses entlang seiner Ränder oder Enden an einer Halterung befestigt werden kann, die mit einem Gehäuse fest verbunden ist, wobei nur ein geringer Energieverlust auftritt und die Befestigung mittels Hartlötens oder Kle­ bens erfolgt. Das Gehäuse weist meistens die Form einer Kapsel oder Ampulle aus Glas auf, das von den metallischen Zuleitungen durchsetzt wird, oder die Form einer Metallkap­ sel, die ebenfalls mit metallischen Zuleitungen versehen ist, die jedoch vom Rest der Kapsel durch Glasperlen oder Keramik isoliert sind.

Zur Aufrechterhaltung gleichmäßiger Eigenschaften sind be­ sonders hochwertige Resonatoren hermetisch in ihrer Kapsel eingeschlossen und üblicherweise unter Vakuum, um so jeg­ liche Verunreinigung fernzuhalten und Energieverluste durch die Gegenwart von Luft zu vermeiden. In diesem Fall müssen die elektrischen Anschlüsse notwendigerweise vakuum­ dicht sein, wodurch manche Probleme entstehen.

Ist es nun notwendig, einen möglichst kleinen Resonator herzustellen, so treten Schwierigkeiten bei der Befesti­ gung der Stimmgabel mit ihrem Träger auf und beim vakuum Ausführen der elektrischen Anschlüsse. Insbesondere bei Re­ sonatoren, die im Vakuum arbeiten, erfordert das kleine In­ nenvolumen eine absolute Dichtigkeit, um die Eigenschaften auch bei jahrelangem Betrieb aufrecht zu erhalten, wodurch ein Aufheizen der Bauteile vor dem Verschließen notwendig wird, so daß kein späteres Entgasen der Oberflächen mehr auftreten kann, die sich im Inneren des vakuumdichten Ge­ häuses befindet. Dieses Aufheizen erfolgt im Vakuum bei hoher Temperatur, wobei der Zeitraum umso kürzer ist, je höher die Temperatur ist. Eine obere Temperaturgrenze ist durch die Lötstellen und Klebestellen sehr schnell erreicht.

Aus der DE 27 03 335 A1 ist ein piezoelektrischer Resona­ tor bekannt, dessen schwingendes Teil und dessen Halterung ein einziges ebenes Stück bilden, das durch Ausschneiden aus einem Plättchen erhalten ist. Insbesondere bei dem aus Fig. 9 dieser Druckschrift bekannten Ausführungsbeispiel ist das Lager- oder Aufnahmeelement von den Seitenabschnit­ ten verlängert, wobei der Aufnahmeabschnitt und der Schwingabschnitt als ein gemeinsamer Körper durch ein Ätz­ verfahren ausgebildet sind, um so den Nachteil einer Unter­ schwingung oder Nebenschwingung zu vermeiden. Das Lager- oder Aufnahmeelement ist als Parallelhalterung anzusehen, nicht jedoch als den schwingenden vollständig umgebendes Teil. Das Gleiche gilt für die in den anderen Ausführungs­ beispielen dargestellten Kristallschwinger. Jedoch handelt es sich bei diesem Kristallschwinger nicht um ein einge­ kapseltes Endprodukt, sondern um die Ausgestaltung des Schwingelementes bzw. des Lagerelementes.

Aus der DE 25 37 361 A1 ist ein Resonator mit einem piezo­ elektrischen Schwinger bekanntgeworden, der einen Rahmen und drahtförmige Leiter aufweist, über die der Schwinger an dem Rahmen befestigt ist, wobei der Rahmen aus mindestens einer Platte mit Öffnungen bestehen kann, inner­ halb welcher der Schwinger aufgehängt ist. Hierbei handelt es sich also um einen aus mehreren Schichten bestehenden Rahmen, der eine Umrahmung für einen in ihm aufgehängten Schwinger darstellt. Zu diesem Zweck ist eine rechteckige Isolierplatte vorgesehen, in deren Zentrum eine rechtecki­ ge Öffnung ausgespart ist und auf die eine zweite recht­ eckige Platte aus Isoliermaterial gelegt wird mit eben­ falls einer rechteckigen Öffnung, wobei beide Öffnungen zu­ einander zentriert sind. Die beiden äußeren Flächen des da­ durch gebildeten Gesamtrahmens werden nach dem Einsetzen des Schwingers mittels zweier Deckel abgedeckt.

Bei derartig kleinen piezoelektrischen Resonatoren treten in erster Linie Schwierigkeiten bei der Befestigung des Schwingers in der Lageröffnung sowie bei der Befestigung der elektrischen Anschlüsse auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und einen piezoelektrischen Resonator zu schaffen, dessen rechteckiges Plättchen oder Stab Dicken­ scherungsschwingungen ausführt und nur eine geringe Anzahl getrennter Bauteile aufweist, die besonders klein sein können und dessen Zusammenbau und Bearbeitung erheblich einfacher ist als diejenigen der bekannten Resonatoren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen

Fig. 1 u. Fig. 2 das schwingende Teil und seine Halterung in zwei unterschiedlichen Bearbeitungsschritten,

Fig. 3 u. Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Er­ findung,

Fig. 5 einen Schnitt durch das schwingende aber ein­ gekapselte Teil,

Fig. 6 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Resonators, wie er als fertiges Bauteil erscheint,

Fig. 7 eine aufgeschnittene Ansicht eines anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles eines Resonators.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes schwingendes Teil. Man er­ hält es durch Ausschnitt aus einem piezoelektrischen Plättchen, wobei es im allgemeinen eine rechteckige Form aufweist. Es be­ steht aus zwei getrennten Bereichen, die aus einem einzigen ebenen Stück bestehen: Ein Mittenteil mit stabförmigem Aufbau 1, welches das schwingende Teil bildet und ein Umfangsteil 2, welches einen Rahmen bildet, der den Stab 1 vollständig um­ gibt und von diesem entlang seiner Längsränder durch den Einschnitt 3 getrennt ist. Der Einschnitt 3 ist derart, daß der Stab kontinuierlich mit dem Rahmen 2 verbunden ist, der also an seinen beiden Enden 4 als Halterung dient. In diesen Halterungsbereichen 4 treten keine Schwingungen auf, wenn der Stab 1 Dickenscherungsschwingungen ausführt und der Effekt der Energiekonzentration auftritt. Diese neutralen Bereiche 4 sowie die Verbindung zwischen dem Stab 1 und dem Halterungs­ rahmen 2 beeinflussen also die Leistungen des Resonators nicht.

Fig. 2 zeigt, wie in einem späteren Bearbeitungsschritt eine Anordnung bipolarer Elektroden 5 auf die beiden sich gegen­ überliegenden Seiten des Stabes 1 in herkömmlicher Art auf­ gebracht werden, beispielsweise durch Aufdampfung im Vakuum. Die Dicke der metallischen Elektroden 5 muß so gewählt sein, daß der Effekt der Energiekonzentration in ausreichender Weise auftritt, d. h. derart, daß der Bereich, der die Schwingungen ausführt, streng begrenzt ist auf den zwischen den Elektroden 5 liegenden Teil, welcher der Mittelteil des Stabes 1 ist. Da­ nach wird der Halterrahmen 2 auf seinen beiden gegenüberlie­ genden Flächen mit einer metallischen Schicht 7 versehen und über einen Kontaktstreifen 6 mit den entsprechenden Pol der Elektrodenanordnung 5 verbunden.

Fig. 3 und 4 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem der Einschnitt 3 den Stab 1 an drei Seiten umgibt, so daß er freitragend ist und nur an einem einzigen Ende mit dem Halte­ rahmen 4 verbunden ist. Diese Anordnung kann ohne Schwierig­ keiten gewählt werden, da die beiden Enden 4 des Stabes 1 von den Dickenscherungsschwingungen nicht ergriffen sind, die in der Mittelzone des Stabes 1 konzentriert sind, so daß die Ver­ bindung mit dem Halterahmen 2 nur zur Aufrechterhaltung der Geometrie der Anordnung und zur Ausbildung der elektri­ schen Verbindungen dient, wobei die Verbindung eines ein­ zigen Endes 4 mit dem Halterahmen 2 ausreicht.

Mit 8 sind napfförmige Deckel bezeichnet, die z. B. aus me­ tallischen Plättchen bestehen, und wie Fig. 5 zeigt, ei­ nen Umfangsrand 9 aufweisen, der jeweils auf der metallisierten Schicht 7 des Halterahmens 2 über den gesamten Umfang anliegt ohne dabei den Stab 1 zu berühren. Die Befestigung der Deckel 8 am Halterahmen 2 erfolgt, falls sie metallisch sind, mittels Hartlöten oder eines leitenden Klebers oder eines leitenden Zementes. Erfolgt die Befestigung durch Hartlöten, so kann die metallische Schicht 7 vor dem Zusammenbau mit einer ge­ eigneten Verbindung beschichtet werden, beispielsweise gal­ vanisch oder im Siebdruck-Prozeß. Das Aufheizen des Bauteils er­ folgt dann anschließend im Vakuum bei einer Temperatur, die den Schmelzpunkt der Verbindung übersteigt, so daß ein Zusammen­ bau der Deckel 8 mit dem Halterahmen 2 in neutraler Atmos­ phäre und in Vakuum durch die aufgebrachte Verbindung in hermetischer Weise erfolgt.

Die Deckel 8 dienen, sofern sie metallisch sind, als hermetisch abgeschlossene elektrische Zuführungen für den Resonator. Wie Fig. 6 zeigt, kann beim fertigen Bauteil jeder Deckel 8 mit Anschlußfahnen 10 versehen sein, die eine beliebige Form auf­ weisen können, beispielsweise diejenige, die punktiert ange­ deutet ist. Der Rest der Kapsel kann durch einen Lack oder durch eine geeignete Farbe geschützt und isoliert werden.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Er­ findung, bei dem die metallische Schicht 7 auf dem Halterahmen 2 erheblich dicker ist, so daß es möglich ist, vollständig ebene Deckel 8 aufzusetzen, ohne daß sie den Stab 1 be­ rühren können. Diese Deckel 8 können entweder metallisch sein, oder aus einem isolierenden Material, wie z. B. Glas, Keramik oder sogar Quarz bestehen. Unter diesen Voraus­ setzungen wird jeder Deckel 8 auf einer seiner Flächen mit einer metallischen Schicht 11 versehen, welche Rahmenform aufweist. Diese dicke Schicht ist wie im vorhergehenden Bei­ spiel Träger von Anschlußfahnen 10, wonach der Zusammenbau erfolgt, wie es weiter oben beschrieben worden ist.

Claims (4)

1. Piezoelektrischer Resonator mit einem Dickenscherungs­ schwingungen ausführenden Stab, der den Effekt der Ener­ giekonzentration aufweist, wobei das schwingende Teil und seine Halterung ein einziges ebenes Stück bilden, das durch Ausschneiden aus einem Plättchen derart erhal­ ten ist, daß der mittlere Teil des Stabes Sitz der Schwingungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das den Stab vollständig umgebende Umfangsteil den Halterahmen bildet, wobei Stab und Umfangsteil wenig­ stens über ein Stabende miteinander verbunden sind,
• b) die obere und die untere Fläche des Halterahmens mit je einem Deckel versehen ist,
• c) der Halterahmen an seiner oberen und unteren Fläche jeweils eine metallische Schicht trägt, auf der sich die Deckel abstützen und
• d) jede metallische Schicht nach außen gerichtete Fahnen als elektrische Anschlüsse des Resonators aufweist, wo­ bei die metallische Schicht jeweils dicker als die elektrische Anschlußfahne ist.

2. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Deckel eben sind und aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Glas, Keramik oder Quarz bestehen und auf einer ihrer Flächen mit einer metallischen, einen Rahmen formenden Schicht be­ deckt sind.

3. Piezoelektrischer Resonator nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckel metallisch sind und an einer metallischen Schicht, die auf der oberen und unteren Fläche des Halterahmens auf­ gebracht ist, angelötet sind, so daß sie gleichzeitig die elektrischen Anschlüsse darstellen.

4. Piezoelektrischer Resonator nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli­ sche Schicht dünn ist und daß die Deckel eine Napfform aufweisen.