DE4225428C2 - Quarzkristall-Resonatorbauteil - Google Patents
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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 eine Alterung des Bauteils her
vorrufen.
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 dis
kreten Punkten angreifenden Befestigungen werden diese Schwin
gungen teilweise in den Resonatorbereich zurückreflektiert. Bei
bestimmten Frequenzen treten diese konstruktiv in Interferenz
unf rufen sich über die gesamte Platte erstreckende Resonanz
hervor. Diese Resonanzen können in ihrer Frequenz nahe beieinan
derliegen und außerdem schlechte Temperaturkoeffizienten auf
weisen. 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 Ände
rungen 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 silber
gefülltem Harzmaterial bestehenden oder andere Befestigungs
strukturen genau an dem erforderlichen Punkt anzubringen.
Eine Lösung des vorstehenden Problems besteht darin, das Bauteil
in einem Quarzgehäuse zu befestigen. Diese Technik ist in der
GB-A-2 202 989 erläutert, die eine Quarzresonatorbaugruppe mit
einem Quarzresonator und ersten und zweiten Gehäusebauteilen
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.
Aus der US-A-4 135 108 ist weiterhin ein Quarzkristall-Resona
torbauteil der eingangs genannten Art bekannt, bei dem der
aktive Teil des Resonatorelementes frei von einer Metallisierung
ist, die lediglich an den Umfangsbereichen des Resonator
elementes angeordnet ist. Auch hier sind die Gehäusebauteile aus
dem gleichen Quarzmaterial und damit mit der gleichen Kristall-
Orientierung wie der Resonator hergestellt, und der Abstand
zwischen dem Resonatorelement und den diesen zugewandten Ober
flächen der Gehäuseauteile wird wiederum entweder durch Aus
höhlen der Gehäusebauteile und/oder durch entsprechend starke
Ausbildung der Metallisierung am Umfang des Resonatorelementes
erzielt. Weiterhin ist das aus den Gehäuseteilen und dem
Resonatorelement gebildete Bauteil in einer metallischen Umhül
lung angeordnet, die die einzelnen Bauelemente aneinanderpreßt
und eine hermetische Abdichtung ergibt. Damit ergeben sich auch
hierbei erhebliche Bearbeitungs- und Herstellungskosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Quarzkristall-
Resonatorbauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei
verringerten Herstellungskosten ausgezeichnete elektrische und
mechanische Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können ebene Gehäuse
bauteile verwendet werden, wobei lediglich das Resonatorelement
aus Material mit SC-Schnitt hergestellt ist, während die
Gehäusebauteile aus Material mit kostengünstigerem AT-Schnitt
hergestellt sind.
Die Gehäusebauteile sind direkt am Umfang des Resonatorbauteils
über ein einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisendes Glas oder
einer einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisende Metall-Legierung
befestigt, so daß keine äußeren Elemente zum Anpressen der
einzelnen Bauteile aneinander erforderlich sind.
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 Bau
teils umfaßt ein Quarz-Resonatorelement 11, das zwischen zwei
ebenen Quarz-Gehäuseplatten 12, 13 befestigt ist. Das Resonator
element 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 Krümmungs
radius der Ausnehmung ist so festgelegt, daß ein Einfangen
oder Beschränken der bevorzugten Dickenscherschwingermode 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 (3)
1. Quarzkristall-Resonatorbauteil mit einem Resonatorelement
und ersten und zweiten Gehäusebauteilen, wobei das Resonator
element eine Quarzplatte aufweist, die aus einem Material mit
SC-Schnitt gebildet ist und einen mit einer Kontur versehenen
Mittelteil aufweist, der von einer ringförmigen Vertiefung
umgeben ist, so daß die Schwingungsenergie in dem Mittelteil
eingefangen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusebauteile jeweils durch
eine ebene Quarzplatte (12, 13) aus Material mit AT-Schnitt
bestehen, die an der jeweiligen Oberfläche des Resonatorelemen
tes (11) an dessen Umfang über ein einen niedrigen Schmelzpunkt
aufweisendes Glas oder eine einen niedrigen Schmelzpunkt auf
weisende Metall-Legierung (14) befestigt sind, daß die Gehäuse
bauteile (12, 13) bezüglich ihrer Kristallorientierung mit dem
Resonatorelement (11) ausgerichtet sind, um eine thermische
Fehlanpassung zwischen diesen Bauteilen so gering wie möglich
zu machen, daß sowohl die Oberflächen des Resonatorelementes
(11) als auch die nach innen gerichteten Oberflächen der
Gehäusebauteile (12, 13) mit Gold beschichtet sind, und daß die
Außenoberfläche eines oder beider Gehäusebauteile (12, 13) mit
einer akustisch absorbierenden Schicht versehen ist.
2. Resonatorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der das Resonatorelement (11) umgebende Raum evakuiert ist.
3. Resonatorbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Resonatorplatte eine Vielzahl von einzeln
konturierten Resonatoren umfaßt.
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