DE3910460A1

DE3910460A1 - Dickenscherungs-kristallresonator und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3910460A1
Application number: DE19893910460
Authority: DE
Inventors: Hitoaki Hayashi; Isao Mutai
Original assignee: Asahi Dempa Co Ltd
Current assignee: Asahi Dempa Co Ltd
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1990-01-25
Anticipated expiration: 2009-04-01
Also published as: JPH0230207A; DE3910460C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen in einem Dickenscherungsmodus schwingenden Kristallresonator, insbesondere einen Dickenscherungs-Kristallresonator mit einem großen Q-Faktor mit stetigen Temperaturverhalten. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des besagten Dickenscherungs-Kristallresonators.

Fig. 1 zeigt einen elektrischen Ersatzschaltkreis des Dickenscherungs-Kristallresonators, der eine Kristallplatte und ein unmittelbar auf deren entgegengesetzten Oberflächen angebrachtes Elektrodenpaar umfaßt. Der Q-Faktor (Gütefaktor), der den Wirkungsgrad bzw. die Güte der Schwingung eines solchen Kristallresonators darstellt, wird durch folgende Gleichung (1) ausgedrückt:

wobei f eine Schwingungsfrequenz darstellt, C ₁ eine Kapazität des Kristallresonators, und R ₁ ein Widerstand des Kristallresonators, die einen Widerstand gegen die Schwingung des Kristallresonators darstellt. Um einen großen Q-Faktor des bei einer bestimmten Frequenz schwingenden Kristallresonators zu erreichen, ist es notwendig, die Kapazität C ₁ und/oder der Widerstand R ₁ des Kristallresonators klein zu machen.

Die Schwingungsfrequenz f des Kristallresonators, z.B. eines Dickenscherungsresonators aus AT geschnittenem Quartz, wird durch f ≃ 1660 × n/t ausgedrückt, wobei die Einheit der Frequenz f kHz ist, n die Ordnung der Schwingung darstellt, die für die Grundschwingung gleich 1 ist, und 3, 5 . . . für die 3., 5. . . . Oberschwingung ist, und t eine Dicke der Kristallplatte darstellt, deren Einheit in mm ausgedrückt ist. Da die Ordnung der Schwingung vorausbestimmt ist, hängt die Schwingungsfrequenz f des Dickenscherungs-Kristallresonators von der Dicke t der Kristallplatte ab. Daher sollte zur Verminderung der Kapazität C ₁ des bei einer gegebenen Frequenz schwingenden Kristallresonators und daher zum Erhalt eines Kristallresonators mit großen Q-Faktor die Größe der auf entgegengesetzten Oberflächen der Kristallplatte angebrachten Elektroden klein gemacht werden. Es gibt jedoch eine Begrenzung in der Verminderung der Größe der Elektroden beim Dickenscherungs-Kristallresonator wegen des folgenden Grunds.

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht der allgemeinen Bauart eines bekannten Dickenscherungs-Kristallresonators, bei dem die Elektroden auf entgegengesetzten Oberflächen der Kristallplatte angebracht sind. Bei diesem Kristallresonator sind die Elektroden 2, 3 an der vorderen und hinteren Oberfläche der Kristallplatte 1 so vorgesehen, daß sie entgegengesetzt zueinander sind. Die Kristallplatte 1 wird durch unterstützende Drähte 4 und 5 aus elektrisch leitfähigem Material gehalten, und diese Drähte sind mit den besagten Elektroden 2, 3 jeweils verbunden. Diese unterstützenden Drähte 4, 5 sind jeweils mit den Anschlußklemmen 6, 7 verbunden, die durch Isolatoren 8, 9 an der Metallbasis 10 a befestigt sind. Die Basis 10 a wird von einer Metallabdeckung 10 b abgedeckt, und der durch die Basis 10 a und die Abdeckung 10 b gebildete Raum ist mit einem Inertgas gefüllt. Im allgemeinen werden die Elektroden 2, 3, die auf den entgegengesetzten Oberflächen der Kristallplatte 1 angebracht sind, durch Vakuumverdampfung hergestellt. Bei dem Dickenscherungs-Kristallresonator schwingt oder verformt sich die Kristallplatte 1 in einer zu den Flächen der Elektroden parallelen Richtung. Wenn der Kristallresonator in einer solchen Dickenscherungsmode schwingt, neigt ein Teil der zwischen den entgegengesetzten Elektroden angeordneten Kristallplatte durch die Anlegung der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden dazu, voneinander abzuweichen, jedoch der verbleibende Teil der Platte in dem Randbereich, auf dem keine Elektroden angebracht sind, leistet der Abweichung des zwischen den Elektroden angeordneten Kristallteils Widerstand. Wenn daher die Größe der Elektroden zur Verminderung der Kapazität für den Erhalt eines großen Q-Faktors klein ist, wird bei einem Kristallresonator mit gegebener Dimension der Kristallplatte der Widerstand R ₁ natürlich groß sein, und es wird unmöglich sein, einen großen Q-Faktor zu erhalten. Daher wird es in Betracht gezogen, die Elektroden und auch den Randteil der Kristallplatte 1, auf dem die Elektroden nicht ausgebildet sind, so schmal als möglich zu machen. Um jedoch die auf einer Oberfläche der Kristallplatte gebildete Elektrode 2 und den damit verbundenen unterstützenden Draht 5 von der auf der anderen Seite der Kristallplatte geformten Elektrode 3 und dem damit verbundenen unterstützenden Draht 5 elektrisch zu isolieren, muß der Randbereich eine bestimmte Breite besitzen. Im allgemeinen wird eine Breite von 1-2 mm für den Randbereich des Kristallresonators benötigt. Aus dem Obigen wird offensichtlich, daß es eine Begrenzung gibt, die Kapazität C ₁ des Kristallresonators durch Verringerung der Größe der Elektroden klein zu machen.

Andererseits hat der Widerstand R ₁ des Kristallresonators einen charakteristischen Unterschied von dem des Widerstands einer allgemeinen elektrischen Schaltung. Sie stellt einen Widerstand gegen die mechanische Schwingung der Kristallplatte dar. Die Gründe für einen solchen Widerstand sind noch nicht vollständig gelöst, es werden jedoch die folgenden vier Faktoren in Betracht gezogen. Der erste Faktor besteht darin, daß der in dem Randbereich des Kristallresonators, auf dem die Elektroden nicht angebracht sind, sich befindende Kristall die Schwingung des in dem zentralen Teil, an dem die Elektroden angebracht sind, sich befindenden Kristalls einschränkt. Der zweite Faktor besteht darin, daß die unterstützenden Drähte die Schwingung einschränken. Der dritte Faktor besteht darin, daß die Phase der Schwingung des zwischen den Elektroden sich befindenden Kristalls von der Phase der Schwingung abweicht, die von den seitlichen Rändern der Kristallplatte reflektiert wird. Der vierte Faktor besteht darin, daß verschiedene Arten von während des Herstellungsprozesses in der Kristallplatte erzeugten Defekten als Widerstand wirken. Unter der oben erwähnten Situation sind bisher verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, um den Widerstand des Dickenscherungs-Kristallresonators klein zu machen. Jedoch ist noch keine vollkommen zufriedenstellende Lösung vorgeschlagen worden, wie im folgenden erläutert wird.

Fig. 4 zeigt einen herkömmlichen Kristallresonator, bei dem die Kristallplatte 1 plankonvex geformt ist, und beispielsweise eine Oberfläche der Kristallplatte als eine konvexe Fläche und die andere Oberfläche als eine plane Fläche ausgebildet ist, und die beiden Oberflächen poliert sind, um wie eine Spiegeloberfläche zu werden. Ein solcher Planokonvextyp-Kristallresonator ist in der US Patentbeschreibung No. 41 88 557 offenbart. Bei einem solchen Kristallresonator ist es möglich, die schwingende Energie im Zentrum des Kristallresonators zu konzentrieren, und die Verschiebung der Randbereiche wird beinahe Null, so daß der durch den ersten, oben erwähnten Faktor verursachte Widerstand reduziert werden kann. Und da es zudem möglich ist, die Ankopplung von Kontursignalen höherer Ordnung zu vermindern, die durch die Dicke und die Kontur der Kristallplatte bestimmt ist, kann der durch den zweiten Faktor verursachte Widerstand verringert werden. Da im weiteren die beiden Oberflächen der Kristallplatte so geformt sind, daß sie wie eine Spiegeloberfläche sind, kann der durch den vierten Faktor hervorgerufene Widerstand ebenfalls reduziert werden. Daher wird der Q-Faktor dieses Planokonvextyp-Kristallresonators hoch, es besteht jedoch der schwerwiegende Nachteil, daß der Herstellungsprozeß dafür komplex ist und daher die Kosten für die Herstellung hoch werden, weil mindestens eine der beiden Oberflächen der Kristallplatte in der konvexen Form aufgebaut sein sollte. Daher ist die Anwendung des Planokonvextyp-Kristallresonators praktisch auf das Ausmaß beschränkt, bei dem das wirtschaftliche Problem nicht beachtet werden muß.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung des herkömmlichen Kristallresonators, bei dem der Widerstand R ₁ klein ist. Bei dieser Ausführung ist der äußere Rand des Kristallresonators 1 durch Läppung zur Formung eines konischen Randes abgeschrägt. Auch in einem solchen Kristallresonator mit abgeschrägtem Rand ist die Verschiebung der Schwingung in dem zentralen Bereich der Kristallplatte konzentriert und der Verlust aufgrund der unterstützenden Drähte am Rand der Kristallplatte kann verringert werden. Es besteht jedoch eine Begrenzung, um den Widerstand R ₁ durch das Durchführen der abschrägenden Behandlung des äußeren Randes der Kristallplatte klein zu machen, und im Falle eines bei einer höheren Frequenz schwingenden Kristallresonators wird der abschrägende Prozeß extrem schwierig und weiter tritt der Effekt der Abschrägung nicht so deutlich auf. Wie oben festgestellt wurde, ist die Schwingungsfrequenz f des Kristallresonators hauptsächlich durch die Dicke der Kristallplatte 1 bestimmt. Z.B. ist bei einer Grundfrequenz von 1 MHz die Dicke der Kristallplatte 1,66 mm. Und bei einer Frequenz von 10 MHz wird die Dicke 0,166 mm. Daraus wird offensichtlich, daß wenn die Schwingungsfrequenz höher wird, die Dicke der Kristallplatte dünner wird. Daher kann im allgemeinen die abschrägende Behandlung nicht an Kristallresonatoren mit einer Frequenz von ungefähr 10 MHz oder mehr durchgeführt werden.

Um den Widerstand R ₁ klein zu machen, ist ein weiteres Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem die läppende Behandlung zur Formung der beiden Oberflächen der Kristallplatte als Spiegeloberflächen durchgeführt wird. Im allgemeinen wird die Kristallplatte mittels Schleifkorn geläppt, nachdem die Platte in der gegebenen Orientierung des Kristalls geschnitten wurde. Zu Beginn der Läppung werden grobe Körner verwendet, und zum Ende werden feine Körner verwendet. Die Korngröße der Körner zur Verwendung am Abschluß ist etwa #2500 bis #4000, deren Durchmesser etwa einige Mikrometer beträgt. Die Korngröße zur Anwendung beim Abschluß wird durch Inbetrachtnahme des notwendigen Betriebsverhaltens des Resonators bei der praktischen Anwendung und den Kosten dafür bestimmt. Wenn die Kristallplatte durch Verwendung sehr feiner abschleifender Körner ohne Berücksichtigung wirtschaftlicher Effektivität geläppt ist, um eine spiegelartig endbehandelte Oberfläche zu erhalten, wird der vierte Faktor verringert sein und der Widerstand R ₁ wird bis zu einem gewissen Grade klein werden. Jedoch werden die Kosten dafür extrem hoch und unrealistisch sein. Weiter werden bei der mechanischen Läppung unter Verwendung von Körnern beeinflußte Grundschichten in den Oberflächen der Kristallplatte erzeugt, so daß es eine Begrenzung dabei gibt, den Widerstand R ₁ klein zu machen.

Darüber hinaus ist auch vorgeschlagen, eine ätzende Behandlung auf der Kristallplatte in solcher Art durchzuführen, daß die gesamte Kristallplatte in eine ätzende Flüssigkeit, z.B. eine Lösung aus Ammoniumfluorid, eingetaucht wird, um nicht nur den Widerstand R ₁ zu verringern, sondern auch um die Alterungsveränderung der Schwingungsfrequenz zu reduzieren, indem die in der Oberfläche der Kristallplatte erzeugte beeinflußte Grundschicht oder Schmutz oder Flecken von der Oberfläche der Kristallplatte entfernt werden. Der Widerstand R ₁ kann durch ein solches Ätzverfahren klein gemacht werden. Wenn jedoch die Oberfläche der Kristallplatte überätzt wird, wird die Oberfläche rauh und der Widerstand R ₁ wird vergrößert. Weiter wird nicht nur der Randbereich, sondern auch der zentrale Bereich, auf dem die Elektroden angebracht werden sollen, geätzt, so daß die Haftkräfte der Elektroden an die Oberflächen der Kristallplatte schwach werden. Darüber hinaus kann eine angestrebte Dicke der Kristallplatte nicht erhalten werden, und ihre Schwingungsfrequenz kann verschoben sein.

Bei der Herstellung der in Massenproduktion angefertigten Dickenscherungs-Kristallresonatoren ist auf eine solche Art die Kristallplatte in eine gegebene Form geschnitten, wobei die Kristallplatte durch Verwendung abschleifender Körner poliert und die Ränder der Kristallplatte abgeschrägt wird, und die gesamte polierte Oberfläche der Kristallplatte geätzt wird, so daß der Widerstand R ₁ der Kristallplatte in einem erlaubbaren Bereich vermindert ist und der Q-Faktor groß wird.

Jedoch sind die Forderungen der Benutzer an das Betriebsverhalten und die Kosten der Kristallresonatoren streng geworden. Daher ist es nun schwierig, die Benutzerforderungen zu erfüllen, sogar wenn die oben erwähnte Herstellungstechnik zur Anfertigung des Kristallresonators verwendet wird. Es ist zu sagen, der Benutzer fordert, den Widerstand des Kristallresonators viel geringer zu machen. Darüber hinaus wird im Temperaturverhalten des Widerstandes R ₁ eine nicht gleichmäßige Veränderung, die sog. Absenkung (dip), gefunden. Diese Absenkung (dip) steht in Beziehung zu einer Absenkung des Temperaturverhaltens der Frequenz des Kristallresonators, und daher ist sie schwierig auszugleichen. Deshalb ist durch den Benutzer auch gefordert, daß der Kristallresonator, dessen Temperaturverhalten des Widerstandes R 1 oder der Frequenz keine Absenkung (dip) hat, entwickelt wird und daß die Herstellungskosten niedrig werden.

Die vorliegende Erfindung hat als erste Aufgabe die Schaffung eines Dickenscherungs-Kristallresonators, bei dem alle die oben erwähnten Nachteile ausgeräumt sind, insbesondere der Widerstand R ₁ klein ist und deshalb der Q-Faktor groß ist, es keine Absenkung (dip) oder Einbruch in den Temperaturcharakteristiken gibt, und der Kristallresonator stabil bei einer gewünschten Frequenz schwingt.

Die andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und billiges Verfahren zur Herstellung des Dickenscherungs-Kristallresonators, wie oben erwähnt, zu schaffen.

Der Dickenscherungs-Kristallresonator entsprechend der Erfindung enthält:
eine Kristallplatte mit einander gegenüberliegenden vorderen und hinteren Oberflächen; und
ein Paar von Elektroden, von denen jede jeweils an der Vorderen und hinteren Oberfläche der besagten Kristallplatte angebracht ist, und in mindestens einem Teil der Randbereiche der besagten Oberflächen der Kristallplatte, wo die besagten Elektroden nicht angeordnet sind, die freien Kristalloberflächen in einem solchen Ausmaß freigelegt sind, daß der besagte Teil des Randbereichs im wesentlichen transparent ist.

Entsprechend dem Dickenscherungs-Kristallresonator der vorliegenden Erfindung sind in allen oder einem Teil der Oberflächen der Kristallplatte, auf denen die Elektroden nicht vorgesehen sind, die rohen Kristalloberflächen freigelegt, so daß die Oberflächen im wesentlichen transparent sind. Daher wird die beeinflußte Schicht, die die plastische Verformungsschicht, die verbleibende Belastungsschicht und den nachfolgenden Riß mit umfaßt, fast von der Oberfläche der Kristallplatte entfernt. Daher kann sowohl der durch den vierten Faktor verursachte Widerstand, als auch der Widerstand durch den ersten Faktor ausreichend klein gemacht werden, weil die Masse des Teils des Kristallresonators dort, wo die Elektroden nicht angeordnet sind, klein wird. Da im weiteren die beeinflußte Schicht von den Oberflächen entfernt ist, werden die Temperaturcharakteristiken des Widerstandes R ₁ und der Frequenz des Kristallresonators stabil, und es werden infolgedessen keine Absenkungen (dips) gefunden.

Das Verfahren zur Herstellung des Dickenscherungs-Kristallresonators entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält die Schritte:

Durchführung einer chemischen oder physikalischen Ätzung auf mindestens einem Teil der Oberfläche der Kristallplatte mit Ausnahme eines Bereichs, auf dem die Elektroden angebracht werden sollen, um die beeinflußte Schicht des besagten Teils der Oberfläche in einem solchen Ausmaße zu entfernen, daß die freien Kristalloberflächen offenliegen und der besagte Teil im wesentlichen transparent wird.

Entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können die Kristallresonatoren mit hervorragenden Eigenschaften einfach und billig hergestellt werden, da die physikalische oder chemische Ätzung keine beeinflußte Schicht erzeugt.

Die Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9, 11, 12 und 16 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den verbleibenden Unteransprüchen.

Im folgenden werden die Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild des Kristallresonators;

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Bauweise eines herkömmlichen Dickenscherungs-Kristallresonators;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Schwingungsmoden des Dickenscherungs-Kristallresonators;

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht des herkömmlichen Planokonvextyp-Kristallresonators;

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht des herkömmlichen Kristallresonators, dessen Rand durch Abschrägung konisch zuläuft;

Fig. 6A ist ein Grundriß einer Ausführung des Dickenscherungs-Kristallresonators entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6B zeigt eine Querschnittsansicht des Aufbaus des Kristallresonators aus Fig. 6A;

Fig. 7 zeigt einen Graphen, der die Temperaturcharakteristik des Widerstandes und das Verhältnis der Vielfalt der Schwingungsfrequenzen des Dickenscherungs-Kristallresonators entsprechend der Ausführung aus Fig. 6 darstellt;

Fig. 8 zeigt einen Graphen, der die Temperaturcharakteristik eines herkömmlichen Kristallresonators darstellt;

Fig. 9A, 9B und 9C zeigen Querschnittsansichten von anderen Ausführungen des Kristallresonators entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10A, 10B und 10C sind Querschnittsansichten, die aufeinanderfolgende Schritte der Herstellung des Kristallresonators entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 11A, 11B und 11C zeigen Fotografien im optischen Mikroskop der Kristallplatte entsprechend der Erfindung;

Fig. 12A, 12B und 12C zeigen Fotografien im optischen Mikroskop der bekannten Kristallplatte;

Fig. 13A, 13B, 13C und 13D zeigen Fotografien im Elektronenmikroskop der Kristallplatte entsprechend der Erfindung; und

Fig. 14 zeigt ein Schema der mehrschichtigen Kristallplatten entsprechend einer anderen Ausführung des Verfahrens entsprechend der Erfindung.

Die Fig. 6A und 6B sind eine schematische Ansicht und eine Querschnittsansicht, die die Bauweise von einer Ausführung des Dickenscherungs-Kristallresonators entsprechend der vorliegenden Erfindung erläutern. In diesen Figuren sind nur eine Kristallplatte 11 und die Elektroden 12 und 13 veranschaulicht, die auf entgegengesetzten Oberflächen darauf angeordnet sind. Die Kristallplatte 11 hat eine quadratische Form mit 5,4 mm×5,4 mm bei einer Dicke von 0,166 mm. Der Durchmesser von jeder der Elektroden 12 und 13 beträgt 3,7 mm. Der Randbereich der Kristallplatte 11 ist so abgeschrägt, daß ein äußerer Bereich, der sich 0,7 mm vom Rand der Kristallplatte 11 einwärts erstreckt, abgeflacht ist. Die ätzende Behandlung wird auf einem Teil der Oberflächen der Kristallplatte 11 durchgeführt, wo die Elektroden nicht angeordnet werden sollen, indem eine Flüssigkeit aus Ammoniumfluorid in dem Umfang verwendet wird, daß die freien Kristallflächen des Quartz, insbesondere die natürliche Oberfläche des Kristalls, freigelegt werden. In Fig. 6B ist die Dicke der Kristallplatte 11 in vergrößertem Maßstab gezeigt, um eine klare Auflösung zu ermöglichen. Ein solcher Kristallresonator erzeugt die Grundschwingung bei einer Schwingungsfrequenz von 10 MHz.

Die in Fig. 7 gezeigten Kurven A und B zeigen die Temperaturcharakteristik des Verhältnisses der Änderung der Schwingungsfrequenz (Δ f/f) und den Widerstand R ₁ des Kristallresonators nach der obigen ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Kurve A zeigt, daß der Widerstand klein ist und in einem Bereich von ungefähr 7,4-8,8 Ω liegt, daß kein Abfall in der Temperaturcharakteristik des Widerstandes gefunden wird und daß die Variation des Widerstandes aufgrund der Temperatur gering ist. Weiter zeigt die Kurve B, daß das Verhältnis der Variation der Schwingungsfrequenz mit der Temperatur ungefähr +7 ppm bis -10 ppm ist, was ebenso klein ist.

Die Kurven A und B aus Fig. 8 stellen die Temperaturcharakteristik eines herkömmlichen Kristallresonators dar, bei dem die äußeren Teile der Oberflächen der Kristallplatte nicht geätzt sind. Die Kurve A aus Fig. 8 zeigt, daß beim herkömmlichen Kristallresonator der Widerstand ca. 25-30 Ω beträgt, was etwa dreimal größer ist als bei dem Kristallresonator der vorliegenden Erfindung, und daß der Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur sich plötzlich verändert, insbesondere, daß eine Absenkung gefunden wird. Und die Kurve B in Fig. 8 zeigt, daß das Verhältnis der Variation der Schwingungsfrequenz ungefähr +15 ppm -15 ppm beträgt, was größer ist als bei der vorliegenden Erfindung, und daß die Kurve B nicht glatt ist.

In der ersten Ausführung des Dickenscherungs-Kristallresonators entsprechend der vorliegenden Erfindung wird die ätzende Behandlung nur auf den abgeflachten äußeren Teil der Kristallplatte 11 angewendet, kann jedoch auf den, zwischen dem abgeschrägten Bereich und dem mit den Elektroden 12 und 13, wie in Fig. 9A gezeigt, bedeckten Bereich liegenden, flachen Bereich ausgedehnt werden. Und es kann auch möglich sein, die ätzende Behandlung auf dem flachen Bereich, wie in Fig. 9B gezeigt, teilweise durchzuführen. Weiter besteht die Möglichkeit, daß die Ätzung bis zu einem Teil des flachen Bereichs wirksam ist, der von den Elektroden 12, 13 bedeckt ist, wie in Fig. 9C gezeigt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die ätzende Behandlung auf Bereichen durchzuführen, die in Erweiterung der oben erwähnten Bereiche mit den Zuleitungsbereichen der Elektroden in Berührung sind, die zur Ankopplung der unterstützenden Drähte an die Elektroden angeordnet sind.

Der Grad der Entfernung der beeinflußten Schicht oder die Arbeitsverzerrung der Kristallplatte wird durch das Ausmaß bestimmt, wie der Widerstand R ₁ klein gemacht werden muß. Mit dem größten Vorzug sind die Oberflächen des Kristallresonators bis zu dem Ausmaß zu ätzen, daß die freien Oberflächen des Quartzkristalls oder die natürlichen Oberflächen des Quartzkristalls offengelegt werden. Es besteht jedoch kein Einfluß, wenn die beeinflußte Schicht teilweise zurückbleibt, wie es der Fall sein kann. Nebenbei scheint die Oberfläche der Kristallplatte im wesentlichen mit den Augen durchsichtig zu sein. Es wird gefunden, daß eine große Menge von glatten und flachen konkaven Oberflächen vorhanden ist, wenn die Kristallplatte mit Hilfe eines Mikroskops untersucht wird. Im Gegensatz dazu ist die nichtgeätzte Oberfläche milchigweiß, insbesondere semitransparent, und eine große Menge von sehr feinen Unebenheiten wird durch das Mikroskop beobachtet. Bei dem Dickenscherungs-Kristallresonator nach der vorliegenden Erfindung besteht der wichtige Punkt darin, daß die Oberflächen des äußeren Bereichs der Kristallplatte die natürliche oder freie kristalline Oberfläche haben. Es ist nicht notwendig, daß die beeinflußte Schicht auf allen Oberflächen, wo die Ätzung durchgeführt werden sollte, im gleichen Grade entfernt wird. Wenn z.B., wie in der ersten Ausführung in Fig. 6A und 6B gezeigt wird, die Ätzung auf dem zwischen dem abgeschrägten Bereich und den Elektroden 12, 13 liegenden flachen Bereich durchgeführt wird, kann der Grad des Entfernens der beeinflußten Schicht auf dem flachen Bereich kleiner als auf dem abgeschrägten Bereich gemacht werden.

Das Verfahren zur Herstellung des oben erläuterten Dickenscherungs-Kristallresonators der vorliegenden Erfindung wird im folgenden erklärt.

Zuerst wurde die Dickenscherungs-Kristallschwingplatte hergestellt. Der Durchmesser der Platte betrug 8,3 mm, die Dicke 0,26 mm und die Frequenz der Fundamentalschwingung 6,4 MHz. Nachfolgend wurden die beiden Oberflächen der Kristallplatte 21 mit den abschleifenden Körnern der #4000 geläppt, und der äußere Randbereich der Kristallplatte wurde bis zu einer Stelle von 1,4 mm innerhalb des äußeren Randes abgeschrägt. Die so verarbeitete Platte ist in Fig. 10A gezeigt. Als nächstes wurden die Paraffinschichten 22, 23 auf den zentralen Bereich von beiden Oberflächen der Kristallplatte 21, wie in Fig. 10B gezeigt, aufgebracht. Die Paraffinschichten hatten eine Kreisform mit einem Durchmesser von 5 mm. Und die Kristallplatte 12, auf der die Paraffinsschichten 22, 23 aufgebracht waren, wurde in eine Flüssigkeit aus Ammoniumfluorid bei Zimmertemperatur für 15 Std. eingetaucht, und ein Bereich der nicht mit den Paraffinschichten bedeckten Oberflächen wurde chemisch geätzt. Danach wurden die Paraffinschichten 22 und 23 durch Anwendung von Alkohol entfernt, und die Metallelektroden 24 und 25 wurden im Vakuum auf die vordere und rückseitige Oberfläche der Kristallplatte, wie in Fig. 10C gezeigt, aufgedampft.

Auf diese Art wurden achtunddreißig (38) Dickenscherungs-Kristallresonatoren hergestellt, und deren Widerstände wurden bei einer Temperatur von 25°C gemessen. Als minimaler Widerstand wurden 9,3 Ω und als maximaler Widerstand wurden 17 Ω gemessen, und der mittlere Widerstand betrug 11,2 Ω. Im Vergleich dazu wurde der Widerstand von vierzig (40) herkömmlichen Kristallresonatoren, bei denen die ätzende Behandlung nicht durchgeführt worden war, bei der Temperatur von 25°C gemessen. Als minimaler Widerstand wurden 20,1 Ω und als maximaler Widerstand wurden 44,6 Ω gemessen, und der Mittelwert betrug 26,6 Ω. Als Ergebnis kann festgehalten werden, daß bei dem Dickenscherungs-Kristallresonator nach der vorliegenden Erfindung der Widerstand um das 2- bis 2,6-fache kleiner als bei dem herkömmlichen Kristallresonator gemacht werden kann, so daß der Q-Faktor entsprechend groß gemacht werden kann.

Die Fig. 11A, 11B und 11C sind Fotografien des Kristallresonators entsprechend der Erfindung, die mit dem optischen Mikroskop aufgenommen wurden, und Fig. 12A, 12B und 12C sind Fotografien, die den bekannten Kristallresonator zeigen und ebenfalls mit dem optischen Mikroskop aufgenommen worden sind. Beim Vergleich dieser Fotografien miteinander kann man sofort erkennen, daß bei der Kristallplatte nach der Erfindung der Randbereich transparent ist, während bei der bekannten Kristallplatte der Randbereich halbdurchsichtig oder undurchsichtig ist.

Die Fig. 13A-13D sind Fotografien der Kristallplatte nach der Erfindung, die mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen worden sind. Die in Fig. 13A gezeigte Fotografie besitzt einer Vergrößerung von 100 und entspricht der Grenze zwischen dem nichtgeätzten zentralen Bereich und dem geätzten Randbereich. Der linke Bereich entspricht dem geläppten, jedoch nicht geätzten zentralen Bereich und die rechte Hälfte bezeichnet den geläppten und dann geätzten Randbereich. Die Fig. 13B bis 13D sind mit einer Vergrößerung von 10 000 aufgenommene Fotografien. Das Foto von Fig. 13B zeigt den nichtgeätzten zentralen Bereich, das Foto von Fig. 13C zeigt den geätzten Randbereich, und das Foto von Fig. 13D stellt den Grenzbereich dar. In dem geläppten, zentralen Bereich ist eine Zahl von Einsenkungen aufgrund des mechanischen Polierens ausgebildet, die jedoch im geätzten Randbereich nicht vorhanden sind.

Eine weitere Ausführung des Verfahrens zur Herstellung großer Mengen von Dickenscherungs-Kristallresonatoren entsprechend der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 14 erkärt werden.

Zuerst wird ein mehrschichtiger Körper durch Zusammenfügen von mehreren 10 bis mehreren 100 Kristallplatten 21 gebildet, wobei die Oberflächen von jeder Platte poliert und die Randbereiche abgeschrägt worden sind. Nachfolgend wird der mehrschichtige Körper in eine Flüssigkeit aus erhitztem und geschmolzenem Abdeckmaterial (Resist), z.B. Paraffinflüssigkeit, eingetaucht. Während dieser Behandlung wird die Abdeckflüssigkeit ausreichend in die zwischen benachbarten Platten gebildeten Räume eingeführt. Als nächstes werden nach dem Herausziehen des mehrschichtigen Körpers aus der Abdeckflüssigkeit und seiner Abkühlung die Ränder der Kristallplatten, die den mehrschichtigen Körper aufbauen, mit einem Tuch abgewischt, in das eine Komponente zur Lösung des Paraffins eingebracht ist, um einen stabförmigen mehrschichtigen Körper 31 zu erhalten, bei dem die Abdeckflüssigkeit von den Randbereichen jeder Kristallplatte entfernt ist und deren zentrale Bereiche miteinander durch die Abdeck(Resist)schichten 32 verbunden sind. Im weiteren wird der mehrschichtige Körper 31 in die Ammoniumfluoridflüssigkeit bei Zimmertemperatur eingetaucht, um die freiliegenden Oberflächen an den Randbereichen der Kristallplatten 21 in einem solchen Ausmaße zu ätzen, daß in den Randbereichen die natürlichen oder freien Kristalloberflächen freigelegt werden. Nach der Beendigung der Ätzung wird der mehrschichtige Körper 31 aus der ätzenden Flüssigkeit gezogen und nach dem Waschen und Trocknen werden die Abdeckschichten 32 entfernt, so daß eine große Menge von Kristallplatten erhalten wird, deren äußere Oberflächen geätzt sind. Da nach diesem Verfahren eine große Menge von Kristallplatten zur gleichen Zeit geätzt werden kann, wird somit die Herstellung einfach und die Kosten werden niedrig.

Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird die auf der äußeren Oberfläche der Kristallplatte ausgebildete beeinflußte Schicht mit Hilfe der Ammoniumfluoridflüssigkeit entfernt, die im allgemeinen zum Ätzen von Quartz verwendet wird. Dafür können jedoch auch andere ätzende Flüssigkeiten verwendet werden. Und es kann auch ein Wachs, ein Fichtenharz und eine Mischung daraus als Abdeckschicht anstelle von Paraffin verwendet werden. Weiter kann ein physikalisches, thermisches und mechanisches Verfahren zur Entfernung der beeinflußten Schicht von der Oberfläche des Kristallresonators anstelle der oben dargestellten chemischen Ätzung verwendet werden. Z.B. kann das Plasmaätzverfahren mit Hilfe von CF₄-Gas, das am meisten zur Entfernung von SiO₂-Schichten bei dem Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen auf Halbleitern verwendet wird, insbesondere das reaktive Gas-Ionen-Ätzverfahren, als physikalische Ätzung verwendet werden.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten mehrere Kristallresonatoren her, von denen jeder eine quadratische Kristallplatte mit den Abmessungen von 5,4 mm×5,4 mm, eine Dicke von 0,20 mm, eine Frequenz der Grundwelle von 8,33 MHz und eine Frequenz der dritten Oberschwingung von 25 MHz hatte; jedoch waren die Kristallplatten mit unterschiedlichen Ätzzeiten geätzt worden, um herauszufinden, wie der Widerstand des Kristallresonators nach der vorliegenden Erfindung sich mit der Ätzzeit verändert. Bei diesem Experiment ist jede der Kristallplatten nicht mechanisch abgeschrägt worden. Die unten erwähnte Tabelle 1 zeigt die Veränderung des Widerstandes des Kristallresonators in Abhängigkeit von der Ätzzeit. Mit zunehmender Ätzzeit wird der Widerstand der Grundwelle von 96,4 Ω auf 12,5 Ω verringert. Man kann sagen, der Widerstand wird um das 7-fache oder mehr durch die Ätzung verringert, der Widerstand für die dritte Oberschwingung wird ebenso verringert, jedoch ist die Änderung im Vergleich mit der für die Grundschwingung nicht so groß. Da der Widerstand mit zunehmender Ätzzeit klein wird, kann, wie aus dem Obigen ersichtlich, der Kristallresonator mit einem erwünschten Widerstand durch die geeignete Auswahl der Ätzzeit erhalten werden.

Tabelle 1

Wie oben dargelegt, ist der Widerstand des Dickenscherungs-Kristallresonators nach der vorliegenden Erfindung klein, und somit kann ein großer Q-Faktor erhalten werden, sogar wenn die Elektroden in einer Größe bis zu der praktisch verwendbaren Größe hergestellt sind. Da zudem nur einige wenige Abfälle in der Temperaturcharakeristik gefunden wurden, arbeitet der Kristallresonator in einer stabilen Weise. Und da entsprechend dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung des Kristallresonators mit einem guten Betriebsverhalten keine teuere Herstellungsausrüstung notwendig ist, werden die Kosten zur Herstellung niedrig. Zudem wird nach diesem Verfahren die Ätzung nicht auf der schwingenden Oberfläche der Kristallplatte durchgeführt, wo die Elektroden angebracht sind, so daß die Genauigkeit der früheren Herstellungsschritte nicht verfälscht wird und die gewünschte Schwingungsfrequenz leicht erhalten werden kann.

Claims

1. Dickenscherungs-Kristallresonator, enthaltend:

- eine Kristallplatte mit einander gegenüberliegenden vorderen und hinteren Oberflächen, und
- ein Paar von Elektroden, die jeweils an den vorderen und hinteren Oberflächen der besagten Kristallplatte angebracht sind, wobei die besagten Elektroden einander gegenüberliegen, wodurch bei mindestens einem Teil der äußeren Oberflächen der besagten Kristallplatte, die nicht mit den besagten Elektroden bedeckt ist, die freien Kristalloberflächen in einem solchen Ausmaß freigelegt sind, daß der besagte Teil der äußeren Oberflächen im wesentlichen transparent ist.

2. Dickenscherungs-Kristallresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Kristallplatte abgeschrägt ist und die freien Kristalloberflächen nur auf dem abgeschrägten Rand freigelegt sind.

3. Dickenscherungs-Kristallresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Kristalloberflächen auf all den Oberflächenbereichen der Kristallplatte freigelegt sind, die nicht mit den Elektroden bedeckt sind.

4. Dickenscherungs-Kristallresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Kristallplatte abgeschrägt ist.

5. Dickenscherungs-Kristallresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Kristalloberflächen auf einem Oberflächenbereich freigelegt sind, der sich vom Rand der Kristallplatte im wesentlichen bis zu einer Stelle zwischen dem Rand der Kristallplatte und den Rändern der Elektroden erstreckt.

6. Dickenscherungs-Kristallresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Kristallplatte abgeschrägt ist.

7. Dickenscherungs-Kristallresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Kristalloberflächen sowohl in einem Teil der Oberfläche der Kristallplatte freigelegt sind, der nicht mit den Elektroden bedeckt ist, als auch in einem Teil der Oberfläche der Kristallplatte, der mit den äußeren Bereichen der Elektroden bedeckt ist.

8. Dickenscherungs-Kristallresonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Kristallplatte abgeschrägt ist.

9. Dickenscherungs-Kristallresonator, enthaltend:

- eine Kristallplatte mit einander gegenüberliegenden vorderen und hinteren Oberflächen, und
- ein Paar von Elektroden, die jeweils an den vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte angebracht sind, wobei die besagten Elektroden einander gegenüberliegen, wodurch eine beeinflußte Schicht, die in einem Teil der nicht mit den Elektroden abgedeckten Oberflächen der Kristallplatte ausgebildet ist, in einem größeren Ausmaß entfernt ist, als in einem Teil der Oberflächen der Kristallplatte, auf denen die Elektroden angebracht sind.

10. Dickenscherungs-Kristallresonator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem besagten Teil der Oberfläche der Kristallplatte, auf dem die Elektroden nicht angebracht sind, die beeinflußte Schicht in einem solchen Ausmaß entfernt ist, daß der besagte Teil im wesentlichen transparent ist.

11. Dickenscherungs-Kristallresonator, enthaltend:

- eine Kristallplatte mit einander gegenüberliegenden vorderen und hinteren Oberflächen,
- ein Paar von Elektroden, die jeweils an den vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte angebracht sind, wobei die besagten Elektroden einander gegenüberliegen, wodurch ein äußerer Bereich der Oberfläche der Kristallplatte durch eine ätzende Behandlung bearbeitet worden ist, die keine beeinflußte Schicht einführt.

12. Verfahren zur Herstellung eines Dickenscherungs-Kristallresonators mit den Schritten:

- Schneiden eines Kristallkörpers in eine Kristallplatte mit einander gegenüberliegenden vorderen und hinteren Oberflächen;
- Läppen der Oberflächen der Kristallplatte;
- Entfernen einer beeinflußten Schicht, die in mindestens einem Teil der Oberflächen der Kristallplatte ausgebildet ist, auf dem die Elektroden nicht angebracht sind, mit Hilfe einer chemischen oder physikalischen Ätzbehandlung; und
- jeweiliges Anbringen eines Paars von Elektroden an den vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Schritt zur Entfernung der beeinflußten Schicht jeweils einen Schritt zur Aufbringung von Resistschichten jeweils auf den vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte und einen Schritt zum Eintauchen der Kristallplatte in eine ätzende Flüssigkeit und zum Entfernen der Resistschichten von der Kristallplatte enthält, nachdem die Kristallplatte aus der ätzenden Flüssigkeit herausgezogen worden ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Schritt zur Läppung einen Schritt zur Abschrägung der Ränder der Kristallplatte einschließt.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte beeinflußte Schicht durch das Plasmaätzen unter Verwendung eines reaktiven Ionengases entfernt wird.

16. Verfahren zur Herstellung eines Dickenscherungs-Kristallresonators mit den folgenden Schritten:

- Eintauchen von zahlreichen, zu der gewünschten Form geschnittenen, übereinander geschichteten Dickenscherungs-Kristallplatten in eine Resistflüssigkeit zur Bildung einer Maske gegen eine chemische Ätzung, und deren Herausziehen;
- Entfernen der an den Randbereichen von jeder der besagten Kristallplatten haftenden Resistflüssigkeit;
- Trocknen der Resistflüssigkeit zur Bildung eines mehrschichtigen Körpers von Kristallplatten, die in ihren zentralen Bereichen durch Schichten der besagten Resistflüssigkeit miteinander verbunden sind;
- Eintauchen des besagten mehrschichtigen Körpers der Kristallplatten in eine ätzende Flüssigkeit zur Durchführung einer Ätz-Behandlung nur für die äußeren Bereiche von jeder der Kristallplatten in dem Ausmaß, daß deren freie Kristalloberflächen auf den besagten Randbereichen im wesentlichen freigelegt werden;
- Zerlegen des mehrschichtigen Körpers in getrennte Kristallplatten; und
- Bilden von Elektroden auf beiden Oberflächen der besagten Kristallplatte.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Schritt zur Entfernung der Resistschicht einen Schritt des Wischens der Randbereiche der Kristallplatten des mehrschichtigen Körpers mit Hilfe eines Tuchs, in das ein Lösungsmittel für die Resistflüssigkeit eingetaucht worden ist, einschließt.