DE4225428A1 - Quarzkristall-resonatorbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Quarzkristall-Resonatorbau­ teil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art, und insbesondere auf Resonatoren, die für Anwendungen bei hoher Frequenz und engen Toleranzen geeignet sind.

Ein niedrige Verluste aufweisender Quarzresonator weist typischerweise eine Quarzplatte mit einer geeigneten Kristall­ orientierung oder einem geeigneten Kristallschnitt auf, wobei die Platte über auf beiden Seiten der Platte angeordnete Elektroden angesteuert wird. Es wurde festgestellt, daß es durch eine Verdickung des mit Elektroden versehenen Teils der Platte, entweder durch Metallisieren der Elektroden oder durch Versehen der Platte mit einem konvexen Umriß, möglich ist, die mechani­ schen Schwingungen in dem Elektrodenbereich einzufangen oder auf diesen zu begrenzen, um auf diese Weise ein Bauteil mit geringen Verlusten zu schaffen. Das Bauteil kann über seine Kanten oder am Rand ohne wesentliche Störung der Schwingungen in seinem aktiven Bereich befestigt werden. Typischerweise ist das Bauteil an diskreten Punkten unter Verwendung von Federklammern und von einem silbergefüllten Harzmaterial befestigt, über das ein elektrischer Kontakt zu dem Bauteil hergestellt wird.

Eine derartige Konstruktion ergibt eine Anzahl von Problemen. Die Frequenz des Bauteils ist umgekehrt proportional zu seiner Dicke, und sie ist daher gegenüber dem Vorhandensein von Oberflächenfilmen wie z. B. aus Wasser oder organischen Materialien empfindlich. Dies ist der Grund dafür, daß enge Toleranzen aufweisende Bauteile hermetisch abgedichtet entweder in einem Vakuum oder in einer trockenen Stickstoffatmosphäre angeordnet werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß das silbergefüllte Harzmaterial, das zur Herstellung eines Kontaktes an dem Bauteil verwendet wird, eine Quelle von organischen Spurenmaterialien darstellt, die einer Alterung des Bauteils hervorrufen.

Typischerweise ist die eingefangene oder begrenzte Schwingungs­ mode oder -betriebsart eine Dickenscherschwingerbetriebsart. Eine derartige Betriebsart ist jedoch unvermeidbar von Biege­ schwingungen begleitet, die nicht begrenzt oder eingefangen sind und damit den Rand des Bauteils erreichen. Bei bekannten an diskreten Punkten angreifenden Befestigungen werden diese Schwingungen teilweise in den Resonatorbereich zurückreflek­ tiert. Bei bestimmten Frequenzen treten diese konstruktiv in Interferenz und rufen sich über die gesamte Platte erstreckende Resonanzen hervor. Diese Resonanzen können in ihrer Frequenz nahe beieinanderliegen und außerdem schlechte Temperaturkoeffi­ zienten aufweisen. Das Ergebnis besteht darin, daß wenn die Frequenz dieser Schwingungen durch die Frequenz der gewünschten begrenzten Resonanz hindurchläuft, sie eine Interferenz mit dieser Resonanz hervorrufen und "Aktivitätseinbrüche" zusammen mit einer Frequenzabweichung hervorrufen. Weiterhin können geringe Änderungen der Grenzbedingungen am Rand der Platte große Änderungen der Frequenz dieser Plattenresonanzen und damit der Temperaturen hervorrufen, bei denen sie mit der Haupt-Mode in Interferenz kommen. Dies führt zu einer thermischen Hysterese, die Probleme bei temperaturkompensierten Quarzoszillatoren hervorruft.

Ein weiteres Problem bei der üblichen an diskreten Punkten erfolgenden Befestigung ist die Vibrationsempfindlichkeit des fertigen Bauteils. In der Theorie verschwindet, wenn die Befestigung vollständig symmetrisch sein würde und die Vibration am Symmetriemittelpunkt einwirkt, die Vibrationsempfindlichkeit in allen drei Achsen. In der Praxis ist dies jedoch sehr schwierig zu erzielen, weil es schwierig ist, die aus silberge­ fülltem Harzmaterial bestehenden oder andere Befestigungsstruk­ turen genau an dem erforderlichen Punkt anzubringen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile so gering wie möglich zu halten oder zu überwinden.

Eine Lösung des vorstehenden Problems besteht darin, das Bauteil in einem Quarzgehäuse zu befestigen. Diese Technik ist in der GB-A-22 02 989 erläutert, die eine Quarzresonatorbaugruppe mit einem Quarzresonator und ersten und zweiten Gehäuseteilen beschreibt, die aneinander angepaßt sind, um einen Hohlraum zu bilden, in dem der Resonator angeordnet ist. Hierbei sind die Gehäusebauteile aus dem gleichen Quarzmaterial und damit mit der gleichen Kristall-Orientierung wie der Resonator hergestellt.

Obwohl diese Struktur im Betrieb befriedigende Eigenschaften aufweist, ruft die Herstellung der Gehäusebauteile, in denen der Resonator eingekapselt ist, beträchtliche Bearbeitungskosten hervor.

Erfindungsgemäß wird ein Quarzkristall-Resonatorbauteil geschaffen, das ein Resonatorelement und erste und zweite Gehäusebauteile einschließt, wobei das Resonatorelement eine Quarzplatte umfaßt, die einen konturierten Mittelteil aufweist, der von einer ringförmigen Ausnehmung umgeben ist, so daß die Schwingungsenergie auf den Mittelbereich begrenzt ist, und wobei die Gehäusebauteile jeweils eine ebene Quarzplatte umfassen, die an der jeweiligen Oberfläche des Resonatorelementes an dessen Umfang befestigt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in der eine Querschnittsansicht des in einem Quarzgehäuse angeordneten Resonatorbauteils gezeigt ist.

Die in dieser Zeichnung dargestellte Ausführungsform des Bauteils umfaßt ein Quarz-Resonatorelement 11, das zwischen zwei ebenen Quarz-Gehäuseplatten 12, 13 befestigt ist. Das Resonatorelement 11 ist durch eine Quarzplatte gebildet, die in ihren allgemein in der Mitte liegenden Bereichen derart konturiert oder geformt ist, daß sie einen konvexen oder linsenförmigen Bereich 110 bildet, der von einer ringförmigen Ausnehmung 111 umgeben ist. Die Geometrie, d. h. die Tiefe und der Krümmungsradius der Ausnehmung ist so festgelegt, daß ein Einfangen oder Beschränken der bevorzugten Dickenscherschwinger­ mode auf den Bereich 110 sichergestellt ist. Vorzugsweise sind die Ausnehmung und die konturierte Oberfläche symmetrisch zum Mittelpunkt der Resonatorplatte.

Das Resonatorelement 11 kann mit Hilfe eines Hochfrequenz- Plasma-Ätzverfahrens auf die gewünschte Form konturiert oder geformt werden.

Der Rand des Resonatorelementes 11 weist die gleiche Dicke wie der Mittelbereich 110 auf. Dies ermöglicht die Verwendung von ebenen Abdicht- oder Gehäuseplatten 12, 13, die an dem Umfang des Elementes 11 mit Hilfe einer hermetischen Dichtung 14 befestigt sind, die beispielsweise aus einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt oder einer Metallegierung mit niedrigem Schmelz­ punkt gebildet ist. Die Dicke der Dichtung 14 bestimmt den Abstand zwischen den Platten 12, 14 und dem aktiven Bereich des Resonatorelementes 11. Weil die Dichtung vollständig anorganisch ist, wird das Problem der Emission von Verunreinigungen besei­ tigt. Bei manchen Anwendungen kann die Dichtung eine elektro­ statische Verbindung oder eine Diffusionsverbindung umfassen.

Der Abdichtvorgang wird bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise bei 400° bis 500°C, und bei einem verringerten Druck oder unter Vakuum ausgeführt.

Die äußere Oberfläche einer oder beider Platten 12 kann ein Substrat, beispielsweise für eine Dünn- oder Dickfilmschaltung bilden, so daß sich eine integrierte Oszillatorbaugruppe ergibt.

Vorzugsweise sind die inneren Oberflächen der Platten 12, 13 und beide Oberflächen des Resonatorelementes 11 mit Gold beschichtet, um symmetrische Molekularbiegungen zwischen den Oberflächen zu erzielen. Die Goldbeschichtung des Elementes 11 ergibt weiterhin die Ansteuerelektroden.

Die Platten 12, 13 sind bezüglich ihrer Kristallorientierung mit dem Resonatorelement 11 derart ausgerichtet, daß eine thermische Fehlanpassung im wesentlichen beseitigt wird. Die für das Resonatorelement verwendeten Kristallschnitte sind typischer­ weise AT-Schnitte oder SC-Schnitte, wobei der letztere ein doppelt gedrehter Schnitt mit einer Anzahl von Vorteilen ist, wie z. B. Dehnungskompensation. Bauteile mit SC-Schnitt sind jedoch in der Herstellung aufwendiger. Die Winkeldrehung um die X-Achsen bestimmt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Ebene der Platte. Weil dieser Winkel bei dem SC-Schnitt und dem geringere Kosten verursachenden AT-Schnitt gleich ist, ist es möglich, Gehäuseplatten mit AT-Schnitt zusammen mit einem Resonatorelement mit SC-Schnitt zu verwenden.

Die fertige eine Packung bildende Struktur weist eine geringe Vibrationsempfindlichkeit in den beiden seitlichen Richtungen auf. Eine geringe Empfindlichkeit in der Dickenrichtung wird dadurch sichergestellt, daß die Kontur und damit die Schwingungsverteilung symmetrisch um den Mittelpunkt der Kontur der Resonatorplatte 11 gehalten wird.

Biegungsmoden, die durch die Erregung der eingefangenen Dickenscherschwingermode erzeugt werden, erreichen unvermeidbar den Rand der Resonatorplatte. Aufgrund der hermetischen Abdichtung um den Rand der Resonatorplatte wird diese Energie in die beiden Dichtungs- oder Gehäuseplatten 12, 13 eingekoppelt. Durch Aufbringen eines geeigneten (nicht gezeigten) akustischen Absorbers (beispielsweise eines Kunststoffilmabsorbers) auf die Außenoberflächen dieser Platten kann verhindert werden, daß diese Biegungsschwingungen in die Resonatorplatte zurückreflektiert werden. Auf diese Weise können Probleme hervorrufende Aktivitätseinbrüche und ihre Auswirkungen auf die thermische Hysterese im wesentlichen beseitigt werden. Es wurde weiterhin festgestellt, daß eine Aufrauhung der Außenoberflächen der Platte 12 eine wirksame akustische Absorption ergibt.

Das auf die Innenoberflächen der Abdichtplatten 12, 13 aufgebrachte Gold kann zum Feinabgleich des Bauteils auf eine bestimmte Frequenz verwendet werden. Ein gesteuerter Laserstrahl, der durch eine derartige Platte hindurchgeleitet wird, verdampft Gold von der Oberfläche, so daß das Gold auf der Oberfläche der Resonatorplatte abgeschieden wird. Diese zusätzliche Goldmenge vergrößert die Massenbelastung auf der Resonatorplatte und verringert damit deren Frequenz.

Die Gesamtstruktur kann in einem Kunststoffgehäuse befestigt werden, das einen stoßabsorbierenden Schaum enthält.

Es ist verständlich, daß die vorstehend beschriebene Technik bei der Konstruktion von Filtern verwendet werden kann, die eine Anzahl von in geeigneter Weise miteinander gekoppelten Resonatoren umfassen. Es ist möglich, eine Anzahl derartiger Resonatoren auf einer einzigen monolithischen Resonatorplatte mit entweder einer elektrischen oder einer akustischen Kupplung zwischen den einzelnen Resonatoren herzustellen. Derartige in geeigneter Weise verbundene Mehrfachresonatoren können dann durch Quarzplatten eingeschlossen werden, wie dies weiter oben beschrieben wurde, um ein Filter zu bilden. Alternativ kann eine beliebige Anzahl von einzelnen oder mehrfachen Resonatoren miteinander ausgerichtet und übereinander gestapelt werden, wobei der gleiche Abdichtvorgang für das Gehäuse oder die Packung mit Abschlußplatten verwendet wird, die die äußeren Schichten der Bauteile bilden. Ein derartiges Bauteil kann entweder als Filter oder als Anzahl von getrennten Resonatorenanwendungen angeschaltet werden, die eine Vielzahl von Frequenzen erfordern.

Claims (11)

1. Quarzkristall-Resonatorbauteil mit einem Resonatorelement, das zwischen ersten und zweiten Gehäusebauteilen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonatorelement eine Quarzplatte (11) mit einem mit einer Kontur versehenen Mittelteil (110) aufweist, der von einer ringförmigen Vertiefung (111) umgeben ist, so daß die Schwingungsenergie in dem Mittelteil (111) eingefangen ist, und daß die Gehäusebauteile jeweils eine ebene Quarzplatte (12, 13) umfassen, die an der jeweiligen Oberfläche des Resonatorelementes (11) an dessen Umfang befestigt ist.

2. Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonatorelement (11) ein Bauteil mit SC-Schnitt ist.

3. Resonatorbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusebauteile (12, 13) aus Material mit AT-Schnitt bestehen.

4. Resonatorbauteil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusebauteile (12, 13) bezüglich ihrer Kristallorientierung mit dem Resonatorelement (11) ausgerichtet sind, um eine thermische Fehlanpassung zwischen diesen Bauteilen so gering wie möglich zu machen.

5. Resonatorbauteil nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen des Resonatorelementes (11) und die nach innen gerichteten Oberflächen der Gehäusebauteile (12, 13) mit Gold beschichtet sind.

6. Resonatorbauteil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusebauteile (12, 13) an dem Resonatorelement (11) über ein einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisendes Glas oder eine einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisende Metallegierung (14) befestigt sind.

7. Resonatorbauteil nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (12, 13) an dem Resonatorelement (11) jeweils über eine elektrostatische Verbindung oder eine Diffusionsverbindung befestigt sind.

8. Resonatorbauteil nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche eines oder beider Gehäusebauteile (12, 13) mit einer akustisch absorbierenden Schicht versehen ist.

9. Resonatorbauteil nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der das Resonatorelement (11) umgebende Raum evakuiert ist.

10. Resonatorbauteil nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorplatte eine Vielzahl von einzeln konturierten Resonatoren aufweist.

11. Gestapelte Baugruppe mit einer Vielzahl von Resonatorbauteilen nach einem der Ansprüche 1-10.