DE3022386A1

DE3022386A1 - Piezoelectric oscillation quartz crystal plate - has specified width to length relation for increased attenuation of secondary waves

Info

Publication number: DE3022386A1
Application number: DE19803022386
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing.(Grad.) 1000 Berlin Briese
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1980-06-14
Filing date: 1980-06-14
Publication date: 1981-12-17
Also published as: DE3022386C2

Abstract

The piezoelectric oscillation crystal is a rod-shaped quartz crystal plate of DT-section. In order to attain the optimum secondary wave attenuation, its width-to-length relation is chosen in the range of 0.25 to 0.35, pref. 0.3. In this range the deep secondary resonance has a relatively great frequency spacing from the main wave. The higher frequency secondary resonances are strongly inter-coupled, thus being of high ohmic nature. In this manner they do not form interferences even if the oscillator is used in filters. The frequency dependence on temp. corresponds to a parabola. In this manner the attenuation of the secondary waves, partic. in filter applications is considerably increased.

Description

Nebenwellenarmer DT-QuarzDT quartz with low spurious waves

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Schwingkristall in Form einer stabförmigen DT-Schnitt-Quarzkristallplatte. Derartige DT-Schnitte weisen einen Schnittwinkel von etwa -520 gegenüber der kristallographischen Z-Achse auf und sind z.B. aus der US-PS 2,111,384 und den "Standards on Piezoelectric Crystals, 1949", veröffentlicht im Dezemberheft des Jahrganges 1949 der ,TProceedings of the I.R.E", bekannt. Hierbei können z.B. die Quarzkristallplatten ein Breiten-zu Längenverhältnis bil von etwa 1 aufweisen. Aus der US-PS 2,111,384, der DE-OS 14 66 601 und der DE-AS 19 16 941 ist ein DT-Schnitt mit einem b/l von etwa 0,4 bekannte wobei diese Ausbildung im allgemeinen als SL-Schnitt bezeichnet wird. Bei dem Kantenlängesverhältnis b/l #0,4 erfolgt eine Verkopplung der reinen Plächenscherbewegung mit der Längen-Breiten-Biegebewegung 3. Ordnung, also mit dem 2.The present invention relates to a piezoelectric Oscillating crystal in the form of a rod-shaped DT cut quartz crystal plate. Such DT sections have a cutting angle of about -520 compared to the crystallographic Z-axis and are e.g. from US-PS 2,111,384 and the "Standards on Piezoelectric Crystals, 1949 ", published in the December 1949 volume of, TProceedings of the I.R.E ". Here, for example, the quartz crystal plates can have a width to Have length ratio bil of about 1. From US-PS 2,111,384, DE-OS 14 66 601 and DE-AS 19 16 941 is a DT cut with a b / l of about 0.4 known this training is generally referred to as an SL cut. At the edge length ratio b / l # 0.4 there is a coupling of the pure surface shear movement with the length-width bending movement 3rd order, i.e. with the 2nd

Oberton der Biegegrundschwingung, bei der drei Schwingungsknoten auftreten. Hierdurch wird eine geringere Temperaturabhängigkeit der Frequenz erzielt. Die Frequenzkonstante solcher Schwinger liegt bei N = f.l ~4600 (kflz. mm).Overtone of the fundamental bending oscillation, at which three oscillation nodes occur. This results in a lower temperature dependence of the frequency. The frequency constant Such a transducer is at N = f.l ~ 4600 (kflz. mm).

Ebenfalls aus der DE-AS 19 16 941 ist ein Schwinger mit einem Kantenlängenverhältnis b/l von 0,175 und aus der Fertigung des Anmelders ein solcher mit bil von etwa 0,23 bekannt. Bei diesen tritt eine Verkopplung der reinen Flächenscherbewegung mit der Längen-Breiten-Biegebewegung 4. Ordnung, also mit dem 3. Oberton der Biegegrundschwingung, bei dem sich 4 Schwingungsknoten ausbilden, auf. Die Frequenzkonstante N = f.l liegt bei etwa 7500 bzw. 9800 (kHz.mm). Die Aufhängung der Kristallplättchen muß dabei entsprechend der Lage der Schwingungsknoten bei dieser verkoppelten Biegebewegung mit zwei Drahtpaaren erfolgen. Alle diese bekannten piezoelektrischen Schwinger sollen eine verhältnismäßig gute Nebenwellendämpfung aufweisen. Es hat sich jedoch in der Praxis herausgestellt, daß die hiermit erzielbare Nebenwellendämpfung insbesondere für Filterquarze bei den hohen Ansprüchen der kommerziellen Nachrichtentechnik nicht ausreichend ist.Also from DE-AS 19 16 941 is a transducer with an edge length ratio b / l of 0.175 and from the applicant's production one with bil of about 0.23 known. In these there is a coupling of the pure surface shear movement with the Length-width bending movement of the 4th order, i.e. with the 3rd overtone of the fundamental bending oscillation, in which 4 vibration nodes develop. The frequency constant N = f.l lies at around 7500 or 9800 (kHz.mm). The suspension of the crystal plates must be corresponding to the position of the vibration nodes in this coupled bending movement done with two pairs of wires. All of these known piezoelectric vibrators should have a relatively good spurious attenuation. It has, however It has been found in practice that the secondary wave attenuation that can be achieved with this in particular not for filter crystals with the high demands of commercial communications engineering is sufficient.

Die vorliegende Erfindung setzt sich deshalb zur Aufgabe für einen piezoelektrischen Schwingkristall in Form einer stabförmigen DT-Schnitt-Quarzplatte eine Ausbildung dieser Quarzplatte anzugeben, bei der eine optimale Nebenwellendämpfung erzielt wird. Die Lösung dieser Aufgabe ist dem Anspruch 1 zu entnehmen, wobei der nachgeordnete Anspruch 2 eine besonders vorteilhafte Auswahl aus den Möglichkeiten nach Anspruch 1 aufzeigt.The present invention therefore sets itself the task of one piezoelectric oscillating crystal in the form of a rod-shaped DT cut quartz plate specify a training of this quartz plate, in which an optimal secondary wave attenuation is achieved. The solution to this problem can be found in claim 1, wherein the subordinate claim 2 a particularly advantageous selection from the possibilities according to claim 1 shows.

Die Erfindung soll nun an Hand von Beispielen mit Hilfe der Figuren eingehend beschrieben werden. Es zeigen dabei: Fig. 1 eine Übersicht, bei dem die Frequenzkonstante N = f.l über dem Breiten-zu-Längenverhältnis für den erfindungsgemäßen und für die zum Stande der Technik erwähnten Quarze aufgetragen ist.The invention will now be based on examples with the aid of the figures are described in detail. They show: FIG. 1 an overview in which the Frequency constant N = f.l over the width-to-length ratio for the inventive and is applied to the quartz crystals mentioned in the prior art.

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dieser Übersicht für den Breitenzu-Längenverhältnisbereich eines erfindungsgemäßen Quarzes.2 shows a section from this overview for the width-to-length ratio range of a quartz according to the invention.

Fig. 3 die relative Frequenzabweichung eines erfindungsgemäßen Quarzes über der Temperatur für einen Schnittwinkel von -52°24' und b/l = 0,3.3 shows the relative frequency deviation of a quartz according to the invention above the temperature for a cutting angle of -52 ° 24 'and b / l = 0.3.

ig. /4 die Abhängigkeit der Umkehrpunktstemperatur vom Schnittwinkel bei verschiedenen Breitenzu-Längenverhältnissen.ig. / 4 the dependence of the reversal point temperature on the cutting angle at different width-to-length ratios.

Fig. q eine Skizze des Plättchenschnittes,der Halterung und des Ersatzschaltbildes eines erfindungsgemäßen Quarzes.Fig. Q a sketch of the platelet section, the bracket and the equivalent circuit diagram of a quartz according to the invention.

Die Übersicht nach Fig. 1 veranschaulicht, in welchem Breitenzu-Längenverhältnisbereich die Schwinger nach dem Stande der Technik arbeiten, wobei die einzelnen Bereiche entsprechend gekennzeichnet und den angeführten Druckschriften zugeordnet wurden. In Fig. 2 ist nun als Ausschnitt aus dieser Übersicht der b/l-Bereich von 0,25 bis 0,35 eines erfindungsgemüßten Schwingers dargestellt. In diesem Bereich hat die tief liegende Nebenresonanz (3. Längenbiegung) einen großen relativen Frequenzabstand von der Hauptwelle. Außerdem sind in diesem Bereich die in Fig. 2 mit "A't gekennzeichneten höherfrequenten Nebenresonanzen stark untereinander verkoppelt, sodaß sie sehr hochohmig sind und so beim Einsatz des Schwingers auch in Filtern nicht mehr stören.The overview of Figure 1 illustrates in which width-to-aspect ratio range the transducers work according to the state of the art, with the individual areas marked accordingly and assigned to the specified publications. In FIG. 2, as a detail from this overview, the b / l range from 0.25 to 0.35 of an inventive oscillator is shown. In this area the low-lying secondary resonance (3rd length bend) has a large relative frequency spacing from the main shaft. In addition, those in FIG. 2 are marked with "A't" in this area Higher-frequency secondary resonances are strongly coupled to one another, so that they have a very high resistance and so no longer interfere with the use of the transducer in filters.

Die Frequenzabhängigkeit von der Temperatur entspricht wie beim üblichen DT und dem speziellen SL-Schnitt einer Parabel, wobei #f/fo = a(v -To)2 ist. Bei einer Umkehrpunktlage bei To = 250C ergibt sich bei einem DT-Schnitt mit -52° Schnittwinkel a =-1,25...-3.10-8/°C, für einen SL-Schnitt mit -52°40' Schnittwinkel a =-2,5.10-8/°C und für den erfindungsgemäßen Quarz mit -52°20' Schnittwinkel a =-2,5...-3,5.10-8/°C.The frequency dependence on the temperature corresponds to the usual one DT and the special SL cut of a parabola, where # f / fo = a (v -To) 2. at a reversal point position at To = 250C results with a DT cut of -52 ° Cutting angle a = -1.25 ...- 3.10-8 / ° C, for an SL cut with -52 ° 40 'cutting angle a = -2.5.10-8 / ° C and for the quartz according to the invention with -52 ° 20 'cutting angle a = -2.5 ... -3.5.10-8 / ° C.

Die optimal hohle Nebenwellendämpfung erkauft man sich mithin mit einem etwas größeren Temperaturkoeffizienten, der aber noh immer niedriger oder höchstens gleich dem eines X-Schnittes urid auch für Filterzwecke voll vertretbar ist.The optimal hollow secondary wave attenuation is therefore bought at the same time a slightly larger temperature coefficient, but it is always lower or at most equal to that of an X-cut urid also fully justifiable for filter purposes is.

In Fig. 4 ist nun die Abhängigkeit der Umkehrpunkt temperatur vom gewählten Schnittwinkel aufgetragen und zwar jeweils für b/l = 0,4, b/l = 0,35 und b/l = 03. Wie man sieht, kann im Bereich von etwa 0... 800C die Lage des Umkehrpunktes durch Variation des Schnittwinkels um 10 verändert werden.In Fig. 4 is now the dependence of the reversal point temperature on selected cutting angle plotted for b / l = 0.4, b / l = 0.35 and b / l = 03. As you can see, the position of the reversal point can be in the range from approx. 0 ... 800C can be changed by varying the cutting angle by 10.

Abschließend sollen nun die Abmessungen und Werte eines Filterquarzes für die Trägerfrequenztechnik angegeben werden, dessen Plättchenschnitt, Halterung und Ersatzschaltbild in Fig 5 skizziert dargestellt sind.Finally, the dimensions and values of a filter quartz should now be for the carrier frequency technology are specified, its platelet section, bracket and the equivalent circuit diagram are shown sketched in FIG.

Frequenz: fo = 555,188 kHz b/l = 0,3 Prequenzkonstante N = 5382 kHz.mm Länge x = 9,680 mm Breite bz = 2,900 mm Dicke dy = 0,200 mm Schnittwinkel = 520 24' Rr = 130...160 # Co = 6pF C1 = 12pF Q = 150...190.103 To = 300 A = -3.10-8/°C Nebenresonanzen: 289.kHz = 0,52 fo RN > 12 k# 281 kHz = 0,507 fo RN > 70 k# 1040 kHz = 1,87 fo RN > 15 kQ LeerseiteFrequency: fo = 555.188 kHz b / l = 0.3 frequency constant N = 5382 kHz.mm Length x = 9.680 mm width bz = 2.900 mm thickness dy = 0.200 mm cutting angle = 520 24 'Rr = 130 ... 160 # Co = 6pF C1 = 12pF Q = 150 ... 190.103 To = 300 A = -3.10-8 / ° C Side resonances: 289.kHz = 0.52 fo RN> 12 k # 281 kHz = 0.507 fo RN> 70 k # 1040 kHz = 1.87 fo RN> 15 kQ Blank page

Claims

Claims: 1) Piezoelectric oscillating crystal in the form of a Rod-shaped DT cut quartz crystal plate, d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that to achieve optimal spurious attenuation the width-to-length ratio is chosen in the range from 0.25 to 0.35.

H) Piezoelectric oscillating crystal according to claim 1, d a d u r c it is noted that the width-to-length ratio was chosen to be about 0.3 will.