DE2954629C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen UHF-Resonator mit einem piezo­ elektrischen Kristall, der mit einem ringförmigen Umfangs­ teil versehen ist, der mit einem mittleren Teil über eine Zwischenzone verbunden ist, die eine geringe Länge in Radial­ richtung aufweist, auf ihrem größten Teil mit Ausnehmungen versehen ist und wenigstens zwei Verbindungsbrücken enthält, die den mittleren Teil und den Umfangsteil miteinander ver­ binden.

Bekanntlich sind Höchstfrequenzresonatoren besonders schwie­ rig herzustellen. Die herkömmlichen Resonatoren mit anhaf­ tenden Elektroden können bis etwa 300 MHz arbeiten, mit einem Gütefaktor Q von etwa 18000.

Da jedoch derartige Resonatoren anhaftende Elektroden aufwei­ sen, geht die metallische Ablagerung zu einem wesentlichen Teil in die Gesamtdicke des Kristalls ein, die sehr gering ist (in der Größenordnung von 5 bis 20 Mikron) . Der Brems­ effekt, der auf der Ablagerung einer Elektrode beruht, wird daher unzulässig stark. Die herkömmlichen Resonatoren können dadurch verbessert werden, daß nicht anhaftende Elektroden verwendet werden. Für sehr hohe Frequenzen wird dann jedoch die der statischen Kapazität des Resonators entsprechende Impedanz sehr niedrig, so daß die herkömmlichen Resonatoren mit anhaftenden oder nicht anhaftenden Elektroden auf den Einsatz bei Frequenzen unter etwa 500 MHz beschränkt bleiben, und zwar aufgrund von Schwierigkeiten, die sich bei der Auf­ rechterhaltung einer Potentialdifferenz an den Elektrodenan­ schlüssen des Resonators ergeben.

Bei Resonatoren für sehr hohe Frequenzen, die über etwa 500 MHz liegen, werden nicht mehr zwei Elektroden verwendet, die auf verschiedenen Potentialen liegen und ein reelles elektrisches Feld erzeugen, vielmehr werden bei diesen Reso­ natoren die Eigenschaften von Schaltungen mit verteilten Konstanten ausgenutzt, bei denen die Verwendung einer zurück­ springenden Aushöhlung erforderlich ist, in der die das elektrische Feld erzeugenden beabstandeten Beläge auf dem­ selben Potential liegen. Die Anwendung von zurückspringenden Aushöhlungen für Resonatoren für sehr hohe Frequenzen ist insbesondere in einer Veröffentlichung von Ellen S. Stewart und James L. Stewart beschrieben, die in "The Journal of the Acoustical Society of America", Bd. 35, Nr. 7, Juli 1963, S. 975-981, erschienen ist. Da eine zurückspringende Aushöh­ lung eine Schaltung mit verteilten Konstanten ist, ist die Aufrechterhaltung eines elektrischen Feldes zwischen den Be­ lägen der Aushöhlung, zwischen denen ein Quarzkristall ange­ ordnet ist, selbst bei Kristallen geringer Dicke möglich. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Verwendung von feinen Quarz­ lamellen, die die Form von Plättchen oder Scheiben aufweisen und ohne Ausnehmungen ausgebildet sind, aufgrund von Verlu­ sten an akustischer Energie in der Nähe der Ränder der La­ melle zu schlechten Ergebnissen führt. Die Verwendung von piezoelektrischen, selbsttragenden Kristallen, die einen mittleren Teil und einen Umfangsteil aufweisen, die durch eine in der Dicke reduzierte Zwischenzone verbunden sind, kommt im übrigen nicht in Betracht, denn aufgrund der gerin­ gen Dicke der bei den sehr hohen Frequenzen verwendeten Kri­ stalle würde dann die mechanische Widerstandsfähigkeit zu gering.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen UHF-Resonator zu schaf­ fen, welcher bei höchsten Frequenzen arbeitet, einen hohen Gütefaktor aufweist und mechanisch widerstandsfähig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der UHF-Resonator einen Hohlraum aufweist, der durch einen Teil einer geschlossenen Koaxialleitung gebildet ist, deren mitt­ lerer Leiter an seinem einen Ende unterbrochen ist zur Bil­ dung eines freien Raumes geringer Dicke zwischen dem mittle­ ren Leiter der Aushöhlung und demjenigen Ende der Leitung, das eine zu den ein elektrisches Feld erzeugenden Belägen analoge Einrichtung bildet, wobei der piezoelektrische Kri­ stall geringer Dicke zwischen den Belägen der zurücksprin­ genden Aushöhlung angeordnet ist, und an der Stelle der Brücken der Zwischenzone jede Außenoberfläche des Kristalls mit der entsprechenden Außenoberfläche wenigstens desjenigen mittleren bzw. Umfangsteils des Kristalls, der zwischen den Belägen im Hohlraum liegt und den aktiven, vibrierenden Teil des Kristalls bildet, eine Kontinuität hinsichtlich der Tan­ gentialebenen aufweist.

Durch die Erfindung wird die Verwirklichung von UHF-Resona­ toren sehr guter Qualität ermöglicht, und zwar dank der Ver­ wendung von piezoelektrischen Kristallen, die einen Umfangs­ teil enthalten, der einen mit einem mittleren Teil durch eine Zwischenzone verbundenen Ring bildet, wobei die Zwi­ schenzone in Radialrichtung eine geringe Länge aufweist, auf ihrem größten Teil mit Ausnehmungen versehen ist und wenig­ stens zwei Verbindungsbrücken aufweist, an denen jede Außen­ oberfläche des Kristalls eine mit der entsprechenden Außen­ oberfläche wenigstens desjenigen Teils des Kristalls, der den aktiven, schwingenden Teil bildet und zwischen den das elektrische Erregungsfeld erzeugenden Belägen liegt, eine kontinuierlich durchgehende Tangentialebene aufweist.

Ein solcher Kristall ist auch bei geringer Dicke mechanisch stabil, da die Verbindungsbrücken dieselbe Dicke wie die an­ deren Teile des Kristalls haben können.

Auf diese Weise können UHF-Resonatoren verwirklicht werden, die gleichzeitig besonders robust sind und einen hohen Güte­ faktor aufweisen. Der aktive schwingende Teil ist nämlich durch den die Halterung bildenden Teil durch die Zwischen­ zone mit den Verbindungsbrücken isoliert, so daß die Verlu­ ste an akustischer Energie in der Nähe der Ränder des akti­ ven Teils des Kristalls niedrig sind, ohne daß dadurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung erhöht wird.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen UHF-Resonatoren sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt.

Eine Draufsicht einer Ausführungsform des verwendeten piezo­ elektrischen Kristalls ist in Fig. 3 gezeigt.

Der in Fig. 1 gezeigte UHF-Resonator enthält eine zurück­ springende Aushöhlung bzw. einen Hohlkörper 200, der durch ein Koaxialleitungsstück gebildet ist, das durch einen Außenleiter 204 und einen mittleren Leiter 205 abgeschlossen ist.

Der mittlere Leiter ist an seinem einen Ende unterbrochen, um einen Belag 250 zu bilden. Der obere Teil der Aushöhlung, der ein Ende der Koaxialleitung bildet, bildet einen zweiten Belag 240, der elektrisch mit dem Außenleiter 204 verbunden ist. In dem freien Raum zwischen den Belägen 240 und 250 ist ein piezoelektrischer Kristall 1 angeordnet, der vorzugswei­ se zwei ebene Seiten aufweist und selbsttragend mit Brücken 132 nicht reduzierter Dicke ausgebildet ist.

In dem Teil 202 des Hohlkörpers, der zwischen dem mittleren Leiter 205 und dem äußeren Leiter 204 liegt, ist das elek­ trische Feld radial, während in dem freien Raum zwischen dem Innenbelag 250 und dem Ende der den Deckel des Hohlkörpers bildenden Leitung 240 das elektrische Feld senkrecht zu den Belägen ist. Der Quarzkristall 1 liegt also in dem zum Belag 250 senkrechten elektrischen Feld. Der freie rotationssym­ metrische Raum 202 zwischen dem Außenleiter 204 und dem In­ nenleiter 205 ist vorteilhafterweise von einem Quarzblock oder Siliziumoxidblock ausgefüllt, wodurch die Abmessungen der Aushöhlung 200 gegenüber einer solchen, die einen von Luft ausgefüllten freien Raum 202 aufweist, reduziert werden können. Der Quarzkristall 1 ruht an seinem Umfangsteil 12 auf dem dielektrischen Block 202, er kann jedoch ebenfalls auf in dem Außenleiter 204 angebrachten Aussparungen ruhen. Ein freier Raum ist zwischen dem Innenbelag 250 und der Un­ terseite des mittleren Teils 11 und des Zwischenteils 13 des Kristalls angeordnet. Dieser freie Raum kann entweder dadurch gebildet sein, daß der Belag 250 bzw. das Ende des mittle­ ren Leiters 205 bezüglich der Oberfläche, die den Umfangs­ rand 12 des Kristalls trägt (Fig. 1) leicht zurückspringt, oder dadurch, daß die untere Oberfläche 15 des mittleren Teils 11 und des Zwischenteils 13 des Kristalls als solche leicht gegenüber der Unterseite des Umfangsteils 12 des Kri­ stalls zurückversetzt ist (Fig. 2). Die Lage des Deckels 240 der Aushöhlung 200 ist ebenfalls einstellbar, und zwar mindestens an dem mittleren Teil 241 und bezüglich des Außenleiters 204, so daß der freie Raum zwischen der Ober­ seite 14 des Kristalls und dem Deckel bzw. dem oberen Belag 240 eingestellt werden kann, so daß die Frequenz der Aushöh­ lung abgestimmt werden kann. Die Lage des Kristalls 1 kann beispielsweise durch Ankleben oder Thermokompression der Unterseite des nicht vibrierenden Teils 12 des Kristalls auf dem unteren Träger, der durch den Block 202 oder einen Teil des Leiters 204 gebildet ist, fixiert werden.

Der mittlere Teil 11 und die Verbindungsbrücken 132 der Zwischenzone 13 können eine sehr geringe Dicke aufweisen, beispielsweise zwischen 5 und 30 Mikron. Der Umfangsteil kann hingegen wenigstens auf einem Teil seiner Länge eine größere Dicke aufweisen (Fig. 2), so daß er sich leichter handhaben läßt. Der von den Ausnehmungen 131 der Zwischen­ zone 13 begrenzte vibrierende Teil 11 des Kristalls ist mit dem die Halterung 12 bildenden Teil über die Verbindungs­ brücken 132 geringer Breite, jedoch nicht reduzierter Dicke, verbunden und auf die Innenseite des zwischen den Belägen 204 und 205 gelegenen freien Raumes begrenzt.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, sind die mit der zurück­ springenden Aushöhlung versehenen Körper 200 mit zwei Koppel­ schleifen 208, 209 versehen, bei denen jeweils ein Ende mit der Masse des Körpers und das andere Ende 280 bzw. 290 jeweils über eine isolierte Leitung mit einem Erregungsgenerator ver­ bunden ist, der im Frequenzband des mit der Aushöhlung ver­ sehenen Körpers arbeitet und dessen Frequenz moduliert wird. Jede Schleife 208, 209 dringt in eine radial am Fuß des Blocks 202 angebrachte Ausnehmung ein.

Der von den zwei Koppelschleifen 280, 290 angeregte, mit der Aushöhlung versehene Körper weist für einen Frequenzbereich eine Resonanzkurve auf, die durch Einwirkung auf den Deckel 240 oder einen beweglichen Teil 241 desselben abstimmbar ist. Durch den zwischen den Belägen 240, 250 vorhandenen piezo­ elektrischen Kristall 1 wird ein Einschnitt der Resonanzkurve des ausgehöhlten Körpers verursacht, wenn eine Resonanzfre­ quenz eines Partialschwingungstyps des Kristalls in dem Durch­ laßband des ausgehöhlten Körpers liegt. Dieser Einschnitt entspricht der Absorption elektrischer Energie durch den Kristall, die zur Erregung der jeweiligen Partialschwingung erforderlich ist. Durch Ausnutzung eines derartigen Absorption­ einschnitts können sehr präzise Oszillatoren für sehr hohe Frequenzen verwirklicht werden.

Der Gütefaktor eines piezoelektrischen Resonators für sehr hohe Frequenzen hängt stark von der Temperatur ab. Bei Normal­ temperatur und Frequenzen oberhalb eines GHz wird im allge­ meinen der Dämpfungskoeffizient α des Quarzes zu hoch. Ein Resonator der anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Art muß daher bei sehr niedriger Temperatur arbeiten können, um eine Kompensation für das Ansteigen des Dämpfungskoeffizienten des Quarzes zu ermöglichen.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform des Resonators ist be­ sonders für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen geeignet. Der mit der zurückspringenden Aushöhlung versehene Körper 200 ist nicht im wesentlichen aus Metall wie Messing gebildet, sondern enthält als Fußstück ein Quarzteil 202, das aus einem rotationssymmetrischen hohlen Stück gebildet ist. Das Quarz­ teil 202 ist auf seiner Innenseite und Außenseite vollständig metallisiert, ebenso wie auf seiner Unterseite, zur Bildung eines Außenleiters 204 und eines mittleren Leiters 205. In den Innenraum des Teils 202 wird ein Block 220 eingesetzt, der aus einem auf allen Seiten vollständig metallisierten Quarzzylinder gebildet ist und der genau in die mittlere Öffnung des Teils 202 paßt. Die obere metallisierte ebene Fläche 250 des Blocks 220 bildet also den unteren Belag des den Kristall 1 ent­ haltenden freien Raumes. Der Deckel 240 des ausgehöhlten Körpers ist ebenfalls aus einem vollständig metallisierten Quarzteil gebildet. Er weist vorzugsweise einen vorspringen­ den Teil 241 auf seiner Innenseite in der dem aktiven Teil 11 des Kristalls 1 zugewandten Zone auf. Durch Einschleifen des Deckels 240 kann die Frequenz der Aushöhlung eingestellt werden. Durch die Verwirklichung eines VHF-Resonators ausge­ hend von einem ganz aus Quarz gebildeten, mit der zurück­ springenden Aushöhlung versehenen Körpers 200 wie bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform können sowohl die Abmes­ sungen als auch die thermischen Belastungen des ausgehöhlten Körpers reduziert werden. Kombiniert mit einem selbsttragen­ den Kristall mit in der Dicke nicht reduzierten Verbindungs­ brücken, wie er vorstehend beschrieben wurde, ist ein ganz aus Quarz gebildeter Hohlkörper geeignet zur Bildung eines UHF-Resonators sehr hoher Qualität. Mit einem im Vakuum ange­ ordneten Resonator der unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrie­ benen Art und mit Abmessungen für ein GHz können bei dieser Frequenz Gütefaktoren zwischen 50×10³ und 100×10³ erreicht werden. Bei einem solchen Resonator für 1 GHz weist das (außer auf seiner Oberseite) metallisierte Fußstück 202 aus Quarz z. B. folgende Abmessungen auf: Höhe 6,2 mm, Außendurchmesser 6,77 mm, Innendurchmesser 2,6 mm.

Verschiedene Versuche, die bei einem Zwischenraum zwischen den Belägen 250 und 240 in der Größenordnung von 100 Mikron durchgeführt wurden, haben zu ausgezeichneten Ergebnissen ge­ führt, insbesondere mit Quarzkristallen vom AT-Schnitt oder SC-Schnitt, mit zwei ebenen Flächen oder plankonvex und mit einer Dicke zwischen etwa 5 und 30 Mikron am aktiven Teil und an der Zwischenzone.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform des verwen­ deten piezoelektrischen Kristalls. Der schwingende mittlere Teil 11 wird über drei Verbindungsbrücken 132 zwischen Aus­ nehmungen 131 in der Zwischenzone 13 mit dem Umfangsteil 12 verbunden. In diesem Beispiel konvergieren die Seitenränder 133 zu ihrer Innenseite 134 hin, jedoch können die Verbin­ dungsbrücken auch andere Formen aufweisen oder in anderer Anzahl vorliegen. In jedem Fall ist die Dicke der Verbin­ dungsbrücken 132, also ihre Ausdehnung senkrecht zur Papier­ ebene in Fig. 3, nicht kleiner als die Dicke des mittleren Teils 11. Dies gewährleistet mechanische Stabilität auch bei geringer Dicke des Kristalls.

Claims (2)

1. UHF-Resonator mit einem piezoelektrischen Kristall, der mit einem ringförmigen Umfangsteil (12) versehen ist, der mit einem mittleren Teil (11) über eine Zwischenzone (13) verbunden ist, die eine geringe Länge in Radialrichtung auf­ weist, auf ihrem größten Teil mit Ausnehmungen versehen ist und wenigstens zwei Verbindungsbrücken (132) enthält, die den mittleren Teil (11) und den Umfangsteil (12) miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator einen Hohlraum aufweist, der durch einen Teil (204) einer geschlos­ senen Koaxialleitung gebildet ist, deren mittlerer Leiter (205) an seinem einen Ende unterbrochen ist zur Bildung ei­ nes freien Raumes geringer Dicke zwischen dem mittleren Lei­ ter der Aushöhlung und demjenigen Ende der Leitung, das eine zu den ein elektrisches Feld erzeugenden Belägen (240, 250) analoge Einrichtung bildet, wobei der piezoelektrische Kri­ stall (1) geringer Dicke zwischen den Belägen (240, 250) der zurückspringenden Aushöhlung angeordnet ist, und an der Stelle der Brücken (132) der Zwischenzone (13) jede Außen­ oberfläche des Kristalls mit der entsprechenden Außenober­ fläche wenigstens desjenigen mittleren bzw. Umfangsteils des Kristalls, der zwischen den Belägen im Hohlraum liegt und den aktiven, vibrierenden Teil des Kristalls bildet, eine Kontinuität hinsichtlich der Tangentialebenen aufweist.

2. UHF-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum in einem Hohlzylinder aus Quarz oder Sili­ ziumoxid gebildet ist und daß der mittlere Leiter (205) durch Metallisierung der Innenoberfläche des Hohlzylinders und der Außenleiter (204) durch Metallisierung der Außen­ oberfläche des Hohlzylinders gebildet ist.