DE3330024A1

DE3330024A1 - SURFACE WAVE RESONATOR

Info

Publication number: DE3330024A1
Application number: DE19833330024
Authority: DE
Inventors: Raymond 25000 Besancon Besson; Charles 06600 Antibes Maerfeld; Pierre 25480 Pirey par Miseray Salines Maitre; Louis 06300 Nice Penavaire
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1982-09-10
Filing date: 1983-08-19
Publication date: 1984-03-15
Also published as: FR2533090A1; JPS5966213A; FR2533090B1; GB2126818B; GB2126818A; GB8323883D0

Description

Thomson - CSFThomson - CSF

173, Bd. Haussmann173, vol. Haussmann

75008 Paris /Frankreich75008 Paris / France

Unser Zeichen: T 3642Our reference: T 3642

öberflächenwellenresonatorsurface wave resonator

Die Erfindung betrifft einen Resonator, bei dem die Ausbreitung von elastischen Wellen an der Oberfläche eines Kristalls ausgenutzt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum mechanischen Entkoppeln des aktiven Teils des Oberflächenwellenresonators. The invention relates to a resonator in which the propagation of elastic waves on the surface of a crystal is exploited. In particular, the invention relates to a device for mechanical decoupling of the active part of the surface acoustic wave resonator.

Es ist bekannt, Oberflächenresonatoren auf einem kristallinen Substrat herzustellen. Diese Resonatoren umfassen im allgemeinen zwei reflektierende Gitterstrukturen, die ein Maximum des Reflexionskoeffizienten bei einer gewellten Frequenz aufweisen. Im allgemeinen sind zwei verschachtelte Wandler zwischen den beiden Gittern angeordnet. Auf diese Weise wird ein Resonanzraum erhalten, der eine hohe Güte aufweisen kann.It is known to use surface resonators on a crystalline Manufacture substrate. These resonators generally comprise two reflective grating structures, which have a maximum of the reflection coefficient at a wavy frequency. In general two nested transducers are placed between the two grids. This way becomes a Received resonance space, which can have a high quality.

HD/blHD / bl

Es sind bereits Oberflächenwellenresonatoren herstellbar, deren Resonanzfrequenz zwischen 100 MHz und 1 GHz liegt, bei Gütewerten zwischen 80.000 und 10.000. Diese Resonatoren sind imstande, hohe Eingangsleistungen anzunehmen, die wesentlich höher sind als bei Volumenwellenresonatoren. Die bei derartigen Resonatoren auftretenden Probleme betreffen einerseits die Langzeitstabilität und andererseits das Aushalten von Vibrationen und Beschleunigungen. Die den aktiven Teil desSurface wave resonators can already be produced whose resonance frequency is between 100 MHz and 1 GHz, with quality values between 80,000 and 10,000. These Resonators are able to accept high input powers, which are significantly higher than with bulk wave resonators. The problems that arise with such resonators relate on the one hand to long-term stability and on the other hand, the ability to withstand vibrations and accelerations. The active part of the

J^q Resonators bildende Kristallscheibe wird nämlich im allgemeinen an einem Schutzgehäuse angeklebt, wodurch eine gute Beständigkeit gegenüber Vibrationen gewährleistet ist. Diese Befestigung führt aber zu Diskontinuitäten und Beanspruchungen, die im Fall der RelaxationJ ^ q resonator forming crystal disc is namely in the generally glued to a protective housing, which ensures good resistance to vibrations is. However, this attachment leads to discontinuities and stresses, which in the case of relaxation

l§ eine starke Frequenzabdrift im Laufe der Zeit verursachen, so daß die Langzeitstabilität schlecht ist. Um die Langzeitstabilität der Frequenz wesentlich zu verbessern, ist es bekannt, einen geschmeidigen Kleber vom Kautschuktyp zu verwenden, so daß eine gewisse Entkopplung zwischen der Kristallscheibe und dem Gehäuse erreicht wird. Es ist ferner bekannt, die Scheibe am Gehäuse durch Verbindungen aus einem Golddraht zu befestigen. Um die Beanspruchungen minimal zu machen, sind diese Drähte sehr dünn, so daß die Beständigkeit gegenüber Vibrationen schlecht ist. Schließlich ist es bekannt, Metallstreifen auf allen Seiten der Scheibe zu befestigen, wobei diese Streifen mit Stützen verbunden sind, welche den Außenkontakt mit einer das Gehäuse tragenden Halterung gewährleisten. Diese Art von Aufhängung verursacht aber Beanspruchungen bei der Bearbeitung aufgrund der Verwendung von verschiedenen Metallen, wodurch wiederum die Langzeitstabilität verschlechtert wird. l§ cause a large frequency drift over time, so that the long-term stability is poor. In order to improve the long-term stability of the frequency significantly, it is known to use a pliable adhesive of the rubber type, so that a certain decoupling is achieved between the crystal disk and the housing. It is also known to attach the disc to the housing by means of connections made from a gold wire. In order to minimize the stress, these wires are very thin, so that the resistance to vibration is poor. Finally, it is known to fasten metal strips on all sides of the pane, these strips being connected to supports which ensure external contact with a holder that supports the housing. However, this type of suspension causes stresses during machining due to the use of different metals, which in turn deteriorates the long-term stability.

Der erfindungsgemäße Oberflächenwellenresonator ist auf einer in einem Träger angeordneten Scheibe gebildet, die auf wenigstens einer ihrer Oberflächen einen aktiven Teil aufweist, der aus zwei reflektierenden GitternThe surface acoustic wave resonator according to the invention is on formed of a disk arranged in a carrier and having an active on at least one of its surfaces Has part that consists of two reflective gratings

gebildet ist, und wenigstens einen interdigitalen Wandler aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe Aussparungen aufweist, welche diesen aktiven Teil umgeben, mit Ausnahme von bestimmten Stellen, die auf diese Weise Brücken zwischen dem aktiven Teil und dem Umfangsteil bilden, über den die Scheibe an dem Träger befestigt ist.is formed, and has at least one interdigital transducer, and is characterized in that the disc has recesses which surround this active part, with the exception of certain places, which in this way form bridges between the active part and the peripheral part over which the disc is attached is attached to the carrier.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:Further features and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments and from the drawing, to which reference is made will. In the drawing show:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Oberflächenwellenwandlers; 1 shows a schematic perspective view of a surface acoustic wave transducer;

Fig. 2 einen Oberflächenwellenresonator mit erfindungsgemäß ausgebildeten Aussparungen und Brücken;2 shows a surface acoustic wave resonator according to the invention trained recesses and bridges;

Fig. 3 und 4 eine schematische Darstellung bzw. ein Diagramm zur Bestimmung der Stellen, an denen sich die Brücken befinden;3 and 4 a schematic representation or a diagram for determining the points at which are the bridges;

Fig. 5 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Oberflächenwellenresonators; 5 shows a plan view of a surface acoustic wave resonator according to the invention;

Fig. 6, 7 und 8 Schnittansichten von verschiedenenFigures 6, 7 and 8 are sectional views of various

Brücken des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenresonators; undBridges of the surface acoustic wave resonator according to the invention; and

Fig. 9 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ober-9 shows an embodiment of the upper

flächenwellenresonators mit Doppelbrücken.surface wave resonator with double bridges.

Der in Fig. 1 schematisch gezeigte, herkömmliche Oberflächenwellenresonator umfaßt ein kristallines Substrat in Form einer dünnen Scheibe 10. Auf diesem Substrat sind zwei reflektierende Gitter 11 und 12 graviert, deren Striche entsprechend einer Teilung ρ beabstandetThe conventional surface acoustic wave resonator shown schematically in FIG. 1 comprises a crystalline substrate in the form of a thin disk 10. On top of this substrate two reflective grids 11 and 12 are engraved, the lines of which are spaced according to a pitch ρ

4.4th

sind, wobei der Reflexionskoeffizient bei der Resonanzfrequenz f = ν /2p maximal ist, worin ν ' die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen unter den Gittern ist. Die Striche sind z.B. durch gravierte Rillen oder Metallstreifen oder auch durch ionenimplantierte Zonen gebildet. Wenn die Anzahl von Strichen ausreichend hoch ist, liegt der Reflexionskoeffizient in dem als Sperrband bezeichneten Frequenzbereich der Gitter um die Frequenz f herum nahe bei 1. Die elastischen Oberflächenwellen sind eingefangen, so daß ein Resonanzraum gebildet ist, der einen hohen Gütekoeffizienten aufweist. are, where the reflection coefficient is at the resonance frequency f = ν / 2p is maximal, where ν 'is the speed of propagation the waves is under the bars. The lines are e.g. by engraved grooves or Metal strips or also through ion-implanted zones educated. If the number of bars is sufficiently high, the reflection coefficient is as Stop band denotes the frequency range of the grating around the frequency f close to 1. The elastic surface waves are trapped, so that a resonance space is formed which has a high coefficient of quality.

Die elektromechanische Kopplung mit dem Resonanzraum wird durch Wandler erhalten, die auf der Oberfläche des Substrats 10 angeordnet sind. Es ist bekannt, zwei Wandler in Form von verschachtelten Kämmen 13 und 14 zu verwenden, um gegenüber Ausführungsformen mit nur einem Wandler den Aufbau des Resonators zu vereinfachen.The electromechanical coupling with the resonance chamber is obtained by transducers arranged on the surface of the substrate 10. It is known two Converter in the form of nested combs 13 and 14 to be used compared to embodiments with only a converter to simplify the structure of the resonator.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Oberflächenwellenresonator. Der Resonator ist aus einer Kristallscheibe 30 gebildet, in der sich akustische Oberflächenwellen ausbreiten, z.B. aus Quarz, wobei diese Scheibe so bearbeitet ist, daß der aktive Teil, d.h. die beiden Reflektorgitter und wenigstens ein interdigitaler Wandler, von dem Träger mechanisch entkoppelt ist.Fig. 2 shows a surface acoustic wave resonator according to the invention. The resonator is formed from a crystal disk 30 in which surface acoustic waves are located spread out, e.g. made of quartz, this disk being processed in such a way that the active part, i.e. the two reflector grids and at least one interdigital transducer is mechanically decoupled from the carrier.

Die beispielsweise runde Scheibe ist entlang ihrem kreisförmigen Umfang mit einer kranzförmigen Ausnehmung E versehen, außer an bestimmten Stellen, die sorgfältig in bezug auf die Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen gewählt sind, wie weiter unten ersichtlich wird. Auf diese Weise wird eine Scheibe erhalten, die einen zentralen Teil 31, welcher den aktiven Teil enthält, und einen Umfangsteil· 34 umfaßt, der mit dem Träger zum Einbau in ein Gehäuse verbunden ist, wobei diese beiden Teile durch "Brücken" P verbunden sind. AufThe disk, which is round, for example, has a ring-shaped recess along its circular circumference E provided, except in certain places, which are carefully related to the direction of propagation of the acoustic Waves are chosen, as will be seen below. In this way a disc is obtained which has a central part 31 containing the active part and a peripheral part 34 associated with the support is connected for installation in a housing, these two parts being connected by "bridges" P. on

diese Weise ist der aktive Teil an dem Träger monolithisch "aufgehängt".in this way the active part is monolithically "suspended" from the support.

Gemäß der Erfindung sind die Stellen der Brücken so gewählt, daß die Frequenzänderungen Af des Resonators unter Berücksichtigung einer gegebenen radialen Beanspruchung minimal gemacht sind.According to the invention, the locations of the bridges are chosen so that the frequency changes Af of the resonator are minimized taking into account a given radial stress.

Fig. 3 zeigt einen Resonator auf einer Scheibe, die durch zwei einander entgegengesetzte Kräfte F einer radialen Beanspruchung ausgesetzt ist. Zur Untersuchung des Einflusses von Vibrationen muß der Empfindlichkeitswert Af/AF bekannt sein, worin AF die Änderung der Beanspruchung ist.Fig. 3 shows a resonator on a disc, which by two opposing forces F one is exposed to radial stress. To investigate the influence of vibrations, the sensitivity value Af / AF be known, where AF is the change in stress.

Fig. 4 zeigt diese Änderung Af/AF in Hz pro Newton, wie sie experimentell für eine bestimmte Quarzscheibe mit dem Schnitt ST, X in Abhängigkeit vom Winkel α der Beanspruchung zur Ausbreitungsrichtung ZZ¹ der Wellen ermittelt wurde.4 shows this change Af / AF in Hz per Newton, as it was determined experimentally for a certain quartz disk with the section ST, X as a function of the angle α of the stress to the propagation direction ZZ ^{1 of} the waves.

Man stellt fest, daß die Empfindlichkeit jeweils maximal sind für eine Kraftrichtung, die der Ausbreitungsrichtung der Wellen entspricht (α = 0° und 180 ), während sie für Richtungen in der Nähe von α = 45 und α = 135 sehr gering ist. Diese für radiale Vibrationsrichtungen unempfindliche Richtungen bestimmen die Stellen 33, an denen die Brücken vorhanden sind, wie in Fig. 5 in Draufsicht dargestellt ist.It can be seen that the sensitivity is maximum in each case are for a direction of force that corresponds to the direction of propagation of the waves (α = 0 ° and 180), while it is very small for directions in the vicinity of α = 45 and α = 135. These directions, which are insensitive to radial vibration directions, determine the Places 33 where the bridges are present, as shown in Fig. 5 in plan view.

In Fig. 5 sind als Ausführungsbeispiel vier Brücken dargestellt, jedoch können auch zwei Brücken ausreichen. In FIG. 5, four bridges are shown as an exemplary embodiment, but two bridges can also suffice.

Dieses Beispiel bedeutet keinerlei Einschränkung, denn der Schnittyp der Scheibe hängt von zahlreichen Parametern ab, z.B. der Art des Materials, dem Schnitt, seiner Dicke sowie der Art der Beanspruchungen.This example does not imply any restriction, because the type of cut of the disc depends on numerous parameters e.g. the type of material, the cut, its thickness and the type of stress.

Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Brücken P₁ und P₂ gegenüber der Dicke der Scheibe verdünnt, wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt.According to another embodiment, the bridges P ₁ and P _{2 are} thinned in relation to the thickness of the pane, as shown in FIGS. 6 and 7.

Fig. 8 zeigt verschiedene Ausführungsformen von Brücken P_, P. und P_ in Schnittansicht.8 shows different embodiments of bridges P_, P. and P_ in sectional view.

Fig. 9 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer monolithischen Doppelbrücken-Aufhängung. Der aktive9 shows a top view of an embodiment of a monolithic double bridge suspension. The active one

jQ Teil 100 ist über Brücken P₁₀ an einem Ring 101 aufgehängt, der seinerseits an dem ümfangsteil 102 über Brücken P₁₁ aufgehängt ist. Die Brücken P₁₀ sind in bezug auf den'Radius geneigt und verschaffen auf diese Weise eine Entkopplung des aktiven Teils gegenüberjQ part 100 is _{suspended via bridges P 10} on a ring 101, which in turn is suspended from the circumferential part 102 via bridges P ₁₁ . The bridges P ₁₀ are inclined with respect to the radius and in this way provide a decoupling of the active part from one another

■je tangentialen Beschleunigungen.■ per tangential accelerations.

Die Kristallscheibe kann z.B. durch mechanische Bearbeitung mit Ausnehmungen versehen werden, unter Anwendung einer bekannten Ultraschalltechnik, die darinThe crystal disk can be provided with recesses e.g. by mechanical processing, using a well-known ultrasound technique that is in it

2Q besteht, das Material mit einem Schmirgel zu bearbeiten, worauf ein Feinschleifen folgt. Die relative Winkelstellung der Brücken wird mit hoher Präzision (+-0,04°) erhalten. Jede in dem Material nach der Bearbeitung verbleibende Belastung wird durch eine Wärmebehandlung2Q consists in working the material with an emery, followed by fine grinding. The relative angular position of the bridges is determined with high precision (+ -0.04 °) obtain. Any stress remaining in the material after machining is removed by a heat treatment

2g bei 480 C gefolgt von einer leichten Bifluoridbehandlung beseitigt.2g at 480 C followed by a light bifluoride treatment eliminated.

Die durch die monolithische Aufhängung erhaltenen Vorteile sind folgende:The advantages obtained from the monolithic suspension are as follows:

- sie vermindert die Relaxationen der Befestigungsbeanspruchungen und vermindert folglich die auf dem Altern beruhende Langzeit-Temperaturabdrift;- It reduces the relaxation of the fastening stresses and consequently reduces long-term temperature drift due to aging;

gg - sie vermindert die Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen, verbessert also die spektrale Reinheit;gg - it reduces the sensitivity to vibrations, thus improves the spectral purity;

- sie ermöglicht eine einfache mechanische Befestigung- It enables simple mechanical attachment

3 ν 3 ν

des Resonators über den ümfangsteil 34;of the resonator via the circumferential part 34;

sie vermindert die Frequenzänderung, die durch den Einbau in ein Gehäuse verursacht wird;it reduces the frequency change caused by installation in a housing;

sie vermindert gegenüber herkömmlichen Aufhängungen die temperaturabhängigen Frequenzänderungen.it reduces the temperature-dependent frequency changes compared to conventional suspensions.

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Claims

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Patent Attorneys · European Potent Attorneys Munich Stuttgart

August 19, 1983

Thomson - CSF
173, vol. Haussmann

75008 Paris / France

Our reference: T 3642

Claims

(i .) Surface acoustic wave resonator on a disc (30) which is arranged in a carrier and has an active part on at least one of its surfaces, which consists of two reflective gratings (11, 12) and at least one interdigital transducer (13, 14) is formed, characterized in that the disc has recesses (E) which surround this active part, except at certain points (P), which form connections or bridges between the active part (31) and the peripheral part (34) over which the Washer is attached to the carrier.

2. Resonator according to claim 1, characterized in that the disc is a circular disc (30) which runs along a circular circumference (E) is provided with recesses, which form a ring, and that the places of the bridges are chosen so that the sensitivity of the resonance frequency to stresses is minimized that is due to the fastening or to external forces

HD / bl

are based.

3. Resonator according to claim 2, characterized in / that the disc (30) is made of quartz.

4. Resonator according to claim 3, characterized in that

that the quartz has an ST, X section and that of the bridges (P) between the active part and the peripheral part there are two which are diametrically opposite and are in the vicinity of 45 or 135 to the axis of propagation, or there are four, the near 45
lie to the axis of propagation.

are that are in the vicinity of 45 °, 135 °, 225 ° and 315 °

5. Resonator according to claim 1, characterized in that the thickness of the bridges (P) is equal to the thickness of the Washer (10).

6. Resonator according to claim 1, characterized in that the thickness of the connections is less than that Thickness of the slice.

7. Resonator according to claim 1, characterized in that the active part (100) is suspended from a crystal ring (101) which in turn is suspended from the peripheral part (102) via bridges (P ₁₁ ), the recessed part having a Forms double wreath.

8. Resonator according to claim 1, characterized in that the disc is round and that the connections or Bridges (P) are inclined towards the corresponding radius.