DE4497992C2 - Rechteckiges AT-Schnitt-Quarzelement, Quarzschwinger, Quarzschwingereinheit und Quarzoszillator sowie Verfahren zur Herstellung des Quarzelements - Google Patents
Rechteckiges AT-Schnitt-Quarzelement, Quarzschwinger, Quarzschwingereinheit und Quarzoszillator sowie Verfahren zur Herstellung des QuarzelementsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Quarzelement, einen Quarzschwinger, eine
Quarzschwingereinheit und einen Oszillator, der diese Komponenten verwendet, und insbeson
dere auf ein AT-Schnitt-Quarzelement mit rechteckiger Form zur Verwendung für einen Ober
tonschwingungsbetrieb. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren, zur
Herstellung solch eines Quarzelements.
Quarzschwingereinheiten führen ihren Schwingungsbetrieb auf der Basis des piezoelektrischen
Effekts eines Einkristallquarzes aus. Sie können bei einer konstanten Frequenz eine sehr stabile
Schwingung liefern und werden in einer großen Vielfalt von Anwendungen benutzt. Insbeson
dere werden Quarzschwingereinheiten und Quarzoszillatoren als Referenztaktgenerator bei
verschiedenen elektronischen Systemen wie Kommunikationssystemen, elektronischen Daten
verarbeitungssystemen etc. benutzt. In der letzten Zeit gehen die Trends bei diesen elektroni
schen Systemen zu immer geringeren Größen, geringeren Gewichten, höheren Betriebs
frequenzen und höheren Betriebsgeschwindigkeiten. Diese Trends erfordern dringend Quarz
schwingereinheiten mit geringerer Größe und geringerem Gewicht, aber auch der Fähigkeit, bei
einer hohen Frequenz stabil zu schwingen.
AT-Schnitt-Quarzelemente, die aus einem Einkristallquarz herausgeschnitten werden, zeigen
eine ausgezeichnete Frequenz-Temperatur-Kennlinie über einen weiten Temperaturbereich.
Darüber hinaus weisen AT-Schnitt-Quarzelemente außerdem im Langzeitbetrieb eine sehr kleine
Frequenzabweichung auf. Das AT-Schnitt-Quarzelement wird in eine rechteckige Form gebracht
mit einer Länge l in der X-Achse, der Dicke t in der Y'-Richtung und der Breite w in der Z'-
Richtung, wobei die Länge l größer ist als die anderen Dimensionen. Das Quarzelement wird in
einem kleinen Quarzhalter in einer zylindrischen Form angeordnet, die abgedichtet wird. Aus
diesem Grund, in Verbindung mit den oben beschriebenen ausgezeichneten Eigenschaften, wird
das AT-Schnitt-Quarzelement vorteilhafterweise dazu verwendet, eine kleine Quarz
schwingereinheit hoher Leistungsfähigkeit aufzubauen. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-
Achse beziehen sich auf die elektrische Achse, die mechanische Achse, bzw. die optische
Achse eines Einkristallquarzes, während die Y'-Achse und die Z'-Achse gegenüber der Y-Achse
und der Z-Achse um 35° um die X-Achse gedreht sind.
Zur Schaffung eines eine Quarzschwingereinheit verwendenden Oszillators in der Form eines
oberflächenmontierbaren Bauelements (SMD), das auf einer Leiterplatte in gleicher Weise wie
ICs montiert werden kann, ist es erforderlich, daß die Quarzschwingereinheit in einem kleinen
Halter mit einem Durchmesser von 2 mm oder weniger und einer Länge von etwa 6 mm
untergebracht ist, so daß der Oszillator in Verbindung mit modernen integrierten Schaltungen
kleiner Größe verwendet werden kann. Wie auf dem 21. EM Symposium (Papers of Technical
Meeting on Electronic Circuits, IEEJ, Seiten 37-42, 22. Mai 1992) berichtet, hat man bereits
Quarzelemente einer so geringen Größe geschaffen, die in einem Quarzhalter in einer
zylindrischen Form untergebracht werden können, so daß sie mit der Grundfrequenz schwingen
können. Quarzschwingereinheiten, die bei der Grundfrequenz schwingen, können jedoch nur
einen niedrigen Frequenzbereich wie etwa 17 MHz bis 40 MHz abdecken und können nicht in
hochfrequenten Bändern über 40 MHz verwendet werden, wie sie bei den schnellen
elektronischen Systemen, wie sie oben beschrieben wurden, erforderlich sind.
Die Schwingungsfrequenz eines AT-Schnitt-Quarzelements ändert sich umgekehrt mit seiner
Dicke t. Wenn daher die Grundfrequenz 40 MHz übersteigt, wird die Dicke des Quarzelements
kleiner als 42 µm, weshalb die Herstellung sehr schwierig wird. Um daher Quarzschwinger
einheiten zu realisieren, die bei hohen Frequenzen schwingen können, ist es nötig, ein Quarz
element zu entwickeln, das in einer Obertonschwingungsmode benutzt werden kann, sowie eine
Quarzschwingereinheit, die solch ein Quarzelement verwendet. Zur Unterbringung eines Quarz
elements in einem Halter so geringer Größe, wie es oben beschrieben wurde, sollte seine Länge
l weniger als 5 mm betragen, und seine Breite w sollte weniger als 1,5 mm betragen. Wenn
jedoch ein AT-Schnitt-Quarzelement so geringer Größe für eine Obertonschwingung verwendet
wird, tritt häufig eine Störschwingung neben dem Dickenschermodus der Hauptschwingung auf.
Darüber hinaus tritt eine Kopplung zwischen der Störschwingung und der Hauptschwingung
auf, und selbst eine geringe Temperaturänderung wie etwa 5°C bis 10°C verursacht einen
Sprung der Schwingungsfrequenz. Für den Fall eines Quarzelements einer so geringen Größe ist
eine optimale Form des Quarzelements, insbesondere hinsichtlich des Breiten /Dicken-
Verhältnisses (des Verhältnisses der Breite w zur Dicke t) noch nicht bekannt, die zu einer
kubischen Frequenz-Temperatur-Kennlinie führt, wie sie bei AT-Schnitt-Quarzschwingereinheiten
wesentlich ist, und zwar in einem erforderlichen Temperaturbereich (etwa -20°C bis etwa
+80°C).
Bei Quarzschwingern, die ein kleines Quarzelement verwenden, ist das Energieeinfangen des
Dickenschermodus der Hauptschwingung oft unzureichend, was eine Verschlechterung des
Resonanzwiderstands Rr verursacht. Bei kleinen Quarzelementen und Quarzschwingern, insbe
sondere solchen, die in der Obertonschwingungsmode verwendet werden, sind der Einfluß ihrer
Abmessungen, der Oberflächenrauhigkeit, der Breite der Elektroden und des Gewichts der
Elektroden auf den Resonanzwiderstand Rr nicht bekannt.
Bei der Oberflächenverarbeitung ist es möglich, wenn die Oberflächenrauhigkeit verbessert wird,
den Resonanzwiderstand Rr bei der Verarbeitung zu erhöhen. Der Resonanzwiderstand Rr
variiert jedoch von Produkt zu Produkt. Beim Gebrauch solch eines Quarzelements geringer
Größe führt daher eine einfache Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit nicht zur praktischen
Herstellung leistungsfähiger Quarzelemente zu niedrigen Kosten, da die Erzielung einer ausrei
chend hohen Produktionsausbeute unmöglich ist.
Aus der JP-A-2-198213 ist ein rechteckförmiges, im AT-Schnitt geschnittenes Kristallelement
bekannt, das in einer Obertonschwingereinheit Verwendung findet und für dessen
Breiten/Dickenverhältnis w/t verschiedene gültige Bereiche angegeben sind, nämlich die Bereiche
8,4 ± 0,2; 10,64 ± 0,2; 11,85 ± 0,15; 13,45 ± 0,15; 14,8 ± 0,2; 17,6 ± 0,2; 19,8 ±
0,2; und 20,9 ± 0,2. Die Länge des Kristallelements ist als kleiner als 8 mm definiert. Zur
Oberflächenbeschaffenheit sind dieser Druckschrift keine näheren Angaben entnehmbar.
Aus der JP-A-64-58107 ist ein Kristallschwinger bekannt, der ein im AT-Schnitt geschnittenes
Quarzelement enthält, hinsichtlich dessen Oberflächenrauhigkeit ein oberer Grenzwert von unter
0,2 µm angegeben ist. Allgemein wird bei der Herstellung solcher Quarzschwinger versucht,
möglichst glatte Oberflächen zu erzielen, indem die Oberfläche einem Poliervorgang unterzogen
wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Quarzelement zu schaffen, das sich durch geringe
Größe und geringes Gewicht auszeichnet und einen niedrigen Resonanzwiderstand Rr aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
Das erfindungsgemäße Quarzelement ist so ausgebildet, daß es gute Temperatureigenschaften
besitzt und im Oberton-Schwingungsmodus arbeiten kann und bei einer Vielzahl praktischer
Anwendungen einsetzbar ist. Das Quarzelement kann als oberflächenmontierbares Bauelement
in gleicher Weise wie ICs verwendet werden.
Mit der Erfindung werden weiterhin gemäß den Patentansprüchen 5, 7 und 14 ein
Quarzschwinger, eine Quarzschwingereinheit bzw. ein Quarzoszillator geschaffen, die jeweils
mit einem solchen Quarzelement ausgestattet sind und gleichfalls in der Form von
oberflächenmontierbaren Bauelementen eingesetzt werden können. Diese Elemente weisen
gleichfalls ausgezeichnete Temperatureigenschaften und niedrigen Resonanzwiderstand auf.
Weiterhin wird mit der Erfindung ein Herstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 17 zur
Herstellung eines solchen AT-Schnitt-Quarzelements geschaffen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Quarzschwingereinheit weist geringe Größe auf und kann bei einer hohen
Frequenz schwingen. Das Quarzelement kann zur Erzeugung von Obertonschwingungen
eingesetzt werden, wobei keine Kopplung mit Störschwingungen über den gesamten
Temperaturbereich, innerhalb dessen eine das Quarzelement verwendende
Quarzschwingereinheit erwartungsgemäß arbeitet, auftreten. Solch ein Quarzelement ist ein AT-
Schnitt-Quarzelement mit rechteckiger Form zur Benutzung in einer dritten
Obertonquarzschwingereinheit.
Vorzugsweise weist das Quarzelement eine Länge l längs der X-Achse im Bereich von 4000 µm
bis 4700 µm und/oder eine Breite w im Bereich von 800 µm bis 1500 µm auf, so daß es eine
Quarzschwingereinheit mit einem ausgezeichneten Resonanzwiderstand bilden kann.
Das Quarzelement zeichnet sich dadurch aus, daß seine Oberfläche geätzt ist, derart, daß die
maximale Höhe Rmax seiner Oberflächenrauhigkeit (maximale Oberflächenrauhtiefe) im Bereich
von 0,2 µm bis 0,7 µm oder mehr, vorzugsweise im Bereich von 0,3 µm bis 0,6 µm liegt, so
daß es einen ausgezeichneten Resonanzwiderstand aufweist. Bei herkömmlichen Quarz
elementen wird die Oberfläche so bearbeitet, daß sie möglichst flach wird, wodurch der
Resonanzwiderstand verringert wird. Bei der vorliegenden Erfindung dagegen, wird die Ober
flächenrauhigkeit gezielt in den oben beschriebenen Bereich gelegt, so daß nicht nur ein
niedriger Resonanzwiderstand, sondern auch eine hohe Produktionsausbeute erreicht wird.
Bei der vorliegenden Erfindung werden Quarzelemente dadurch hergestellt, daß ein Quarzkristall
in die Form eines AT-Schnitt-Wafers geschnitten und weiter geläppt und die Oberfläche des
Wafers geätzt wird. Bei der Herstellung ist es bevorzugt, daß die Verringerung der Dicke pro
Oberfläche, die von dem Ätzprozeß resultiert, d. h. die Hälfte der gesamten Dickenverringerung
(nachfolgend als Ätzdicke bezeichnet) im Bereich von 0,5 µm bis 2,5 µm liegt, und es ist
weiterhin bevorzugt, daß die maximale Oberflächenrauhtiefe Rmax im Zustand unmittelbar vor
dem Ätzprozeß im Bereich von 0,3 µm bis 0,7 µm liegt. Bei dem unmittelbar vor dem Ätzprozeß
durchgeführten Läpp-Oberflächenbehandlungsprozeß ist es wirkungsvoll, daß das Läppen unter
Verwendung eines auf Aluminiumoxid basierenden Abriebstoffs mit einer mittleren Korngröße
von 2,5 µm bis 3 µm ausgeführt wird. Der Ätzprozeß kann unter Verwendung von 10 bis 30
Gewichts% Flußsäure als Ätzmittel durchgeführt werden.
Was die Elektroden angeht, die auf den durch die Dicke des Quarzelements getrennten gegen
überliegenden Oberflächen ausgebildet werden, so kann das Quarzelement mit einem
Breiten/Dicken-Verhältnis w/t im Bereich von 8,48 ± 0,05 ausgezeichnete Resonanz
widerstands- und Temperaturcharakteristiken aufweisen, wenn die Elektroden so ausgebildet
werden, daß die Breite W der Elektrode, in Z'-Achsenrichtung gemessen, kleiner ist als die
Breite w des rechteckigen AT-Schnitt-Quarzelements, wobei die Zwischenräume zwischen den
Kanten der Breite der Elektroden und den Kanten der Breite des AT-Schnitt-Quarzelements im
Bereich von 75 µm bis 230 µm oder, bevorzugter, im Bereich von 75 µm bis 200 µm liegen. In
ähnlicher Weise weisen rechteckige AT-Schnitt-Quarzelemente mit einem Breiten/Dicken-
Verhältnis w/t im Bereich von 12,18 ± 0,05, 13,22 ± 0,07, 14,78 ± 0,07 oder 15,57 ±
0,07 ausgezeichnete Eigenschaften auf, wenn die oben beschriebenen Zwischenräume
zwischen den Elektrodenkanten und den Quarzelementkanten im Bereich von 75 µm bis 340 µm
oder, bevorzugter, 75 µm bis 200 µm liegen. Was die Dicke der Elektrodenfilme angeht, die
beispielsweise durch Verdampfung abgeschieden werden, so kann eine ausgezeichnete
Resonanzwiderstandscharakteristik erhalten werden, wenn die Dicke gezielt in einen solchen
Bereich gebracht wird, daß die Änderung der Schwingungsfrequenz des rechteckigen AT-
Schnitt-Quarzelements mit abgeschiedenen Elektrodenfilmen relativ zur Frequenz des recht
eckigen AT-Schnitt-Quarzelements ohne Elektroden im Bereich von 7000 bis 30 000 ppm (Teile
pro Million) liegt.
Wenn solch ein rechteckiges AT-Schnitt-Quarzelement zur Bildung einer Quarzschwingereinheit
verwendet wird, dann ist es möglich, eine Quarzschwingereinheit zu erhalten, die eine geringe
Größe und ein geringes Gewicht aufweist und in der Lage ist, bei einer hohen Frequenz zu
schwingen. Was einen Tragmechanismus zum Tragen eines Quarzelements angeht, so kann das
Quarzelement von Leitungsdrähten getragen werden, die an einem Ende jeder Elektrode des
Quarzelements an dessen einem Ende in Richtung der X-Achse angeschlossen sind, wobei der
Anschluß durch Löten oder einen leitenden Klebstoff erfolgen kann. Ferner kann das in oben
beschriebener Weise hergestellte Quarzelement klein genug sein, um in einem Halter mit einem
Durchmesser von 2,0 mm ± 0,2 mm und einer Länge von 6,0 mm ± 0,5 mm aufgenommen
zu werden, wodurch eine stabile Schwingung bei einer hohen Frequenz erreicht wird. Der
Quarzhalter kann mit einem Gießmaterial geformt oder vergossen werden. Ferner kann der
Quarzhalter auch zusammen mit einer integrierten Schaltung einschließlich einer Oszillator
schaltung geformt oder vergossen werden, wodurch man einen Quarzoszillator erhält, der zur
Montage auf der Oberfläche einer Leiterplatte geeignet ist.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung detaillierter beschrieben.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung, die den Umriß einer Ausführungsform eines
gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Quarzelements zeigt,
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das einen Prozeß zur Herstellung eines Quarzelements, eines
Quarzschwingers und einer Quarzschwingereinheit gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung zeigt,
Fig. 3 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines Quarzschwingers gemäß einer Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die den Umriß einer Quarzschwingereinheit gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig. 5 ist eine schematisches Diagramm, das das Innere der Quarzschwingereinheit von Fig.
4, längs der Y-Achse gesehen, darstellt,
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das das Innere der Quarzschwingereinheit von Fig.
4, längs der Z'-Achse gesehen, darstellt,
Fig. 7 ist eine Grafik, die die Temperaturkennlinien von Quarzschwingereinheiten darstellt,
die unter Verwendung eines Quarzelements mit einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von
etwa 12,18 hergestellt wurden,
Fig. 8 ist eine Grafik, die die Charakteristik in bezug auf die Kopplung mit Störschwingungen
für Quarzschwingereinheiten zeigt, die unter Verwendung eines Quarzelements mit
einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von etwa 12,18 hergestellt wurden,
Fig. 9 ist eine Grafik, die die Temperaturkennlinien von Quarzschwingereinheiten zeigt, die
unter Verwendung eines Quarzelements mit einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von
etwa 8,48 hergestellt wurden,
Fig. 10 ist eine Grafik, die die Charakteristik in bezug auf die Kopplung mit Störschwingungen
für Quarzschwingereinheiten zeigt, die unter Verwendung eines Quarzelements mit
einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von etwa 8,48 hergestellt wurden,
Fig. 11 ist eine Grafik, die die Temperaturkennlinien von Quarzschwingereinheiten zeigt, die
unter Verwendung eines Quarzelements mit einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von
etwa 15,57 hergestellt wurden,
Fig. 12 ist eine Grafik, die die Charakteristik in bezug auf die Kopplung mit Störschwingungen
für Quarzschwingereinheiten zeigt, die unter Verwendung eines Quarzelements mit
einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von etwa 15,57 hergestellt wurden,
Fig. 13 ist eine Grafik, die die Charakteristik in bezug auf die Kopplung mit Störschwingungen
für Quarzschwingereinheiten zeigt, die unter Verwendung eines Quarzelements mit
einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von etwa 13,22 hergestellt wurden,
Fig. 14 ist eine Grafik, die die Charakteristik in bezug auf die Kopplung mit Störschwingungen
für Quarzschwingereinheiten zeigt, die unter Verwendung eines Quarzelements mit
einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von etwa 14,78 hergestellt wurden,
Fig. 15 ist eine Grafik, die Frequenzbereiche zeigt, die von Quarzschwingereinheiten
abgedeckt werden können, welche unter Verwendung eines Quarzelements mit einem
Breiten/Dicken-Verhältnis, wie es in den voranstehenden Figuren gezeigt ist,
hergestellt wurden,
Fig. 16 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen der Länge l und dem Resonanz
widerstand Rr eines Quarzelements zeigt,
Fig. 17 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen der Breite w und dem Resonanz
widerstand Rr eines Quarzelementes zeigt,
Fig. 18 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen dem Resonanzwiderstand Rr und
der Oberflächenrauhigkeit der geätzten Oberfläche eines Quarzelements mit einem
Breiten/Dicken-Verhältnis E von 12,18 zeigt,
Fig. 19 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen dem Resonanzwiderstand Rr und
der Oberflächenrauhigkeit der geätzten Oberfläche eines Quarzelements mit einem
Breiten/Dicken-Verhältnis E von 8,48 zeigt,
Fig. 20 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen dem Resonanzwiderstand Rr und
der Oberflächenrauhigkeit der geätzten Oberfläche eines Quarzelements mit einem
Breiten/Dicken-Verhältnis E von 15,57 zeigt,
Fig. 21 ist eine Grafik, die die Änderungen des Resonanzwiderstands Rr für zwei Gruppen
von Quarzelementen zeigt, das eine ist nach Polieren geätzt, das andere nach Läppen,
Fig. 22 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauhigkeit und der
Ätzdicke eines Quarzelements zeigt,
Fig. 23 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen der Ätzdicke und dem Resonanz
widerstand Rr zeigt,
Fig. 24 ist eine Grafik, die für verschiedene Zwischenräume D die Temperaturkennlinien von
Quarzschwingereinheiten zeigt, welche unter Verwendungen eines Quarzelements mit
einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von 12,18 hergestellt wurden,
Fig. 25 ist eine Grafik, die für verschiedene Zwischenräume D die Temperaturkennlinien von
Quarzschwingereinheiten zeigt, welche unter Verwendungen eines Quarzelements mit
einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von 8,48 hergestellt wurden,
Fig. 26 ist eine Grafik, die für verschiedene Zwischenräume D die Temperaturkennlinien von
Quarzschwingereinheiten zeigt, welche unter Verwendungen eines Quarzelements mit
einem Breiten/Dicken-Verhältnis E von 15,57 hergestellt wurden,
Fig. 27 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen dem Resonanzwiderstand Rr und
dem Zwischenraum D zwischen der Kante der Elektroden und der Kante des Quarz
elements zeigt,
Fig. 28 ist eine Grafik, die den Zusammenhang zwischen dem Resonanzwiderstand Rr und
der Frequenzänderung zeigt, die auftritt, wenn eine Elektrode abgeschieden wird,
Fig. 29 ist ein schematisches Diagramm, die eine mit Harz vergossene Quarzschwingereinheit
zeigt, wobei ein Teil des Quarzschwingers zur vereinfachten Darstellung entfernt ist,
und
Fig. 30 ist eine Schnittansicht eines Quarzoszillators, der eine Quarzschwingereinheit und
einen mit einer Oszillatorschaltung versehenen IC aufweist, die mit Harz vergossen
sind.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Quarzelement 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung, ist das Quarzelement
1 aus einem Einkristallquarz herausgeschnitten und in eine Rechteckform gebracht, wodurch ein
rechteckiges AT-Schnitt-Quarzelement mit der Länge l längs der X-Achse, der Dicke t längs der
Y'-Achse und der Breite w längs der Z'-Achse gebildet wird, wobei das Koordinatensystem
XY'Z' gemäß Darstellung in Fig. 1 definiert ist.
Fig. 2 stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzelements, eines Quarzschwingers und
einer Quarzschwingereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Zunächst wird im Schritt 11
ein Einkristallquarz unter einem gewünschten Winkel in die Form von Wafern geschnitten (AT-
Schnitt). Im Schritt 12 wird die Oberfläche eines Wafers einem groben Läppen mit einem
Siliziumkarbidschmirgelstoff mit einer Korngröße der #1500 oder einer ähnlichen Korngröße
unterzogen. Im Schritt 13 wird die Oberfläche weiterhin einem Endbehandlungsläppen mit
einem Schmirgelstoff auf der Basis von Alumiumoxid unterzogen, dessen mittlere Korngröße im
Bereich von 2,5 µm bis 3 µm liegt. Bei diesem Endbehandlungsläpprozeß wird die Oberfläche
des Wafers so geläppt, daß die maximale Oberflächenrauhtiefe Rmax des Wafers weniger als
0,7 µm wird. Bei den hier beschriebenen Experimenten wurde die maximale Oberflächenrauh
tiefe Rmax unter Verwendung eines Oberflächenrauhigkeitmeßinstruments mit dem Namen
"Talysurf 6" hergestellt von Rank-Taylor-Hobson Co. gemessen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken wird bei der vorliegenden Erfindung Polieren unter
Verwendung eines Polierabriebmittels bei dem Endbehandlungsläpprozeß bei der Oberfläche des
Quarzelements 1 nicht ausgeführt. Ein Zwischenläpprozeß kann je nach Bedarf zwischen den
Schritten 12 und 13 ausgeführt werden, und zwar unter Verwendung eines Siliziumkarbid
schmirgelstoffs mit einer Korngröße der #3000 oder einer ähnlichen Korngröße. Im Schritt 14
wird dann eine Vielzahl geläppter Wafer aneinander befestigt, und die aneinander befestigten
Wafer werden zu Quarzelementen gewünschter Abmessungen oder eines gewünschten
Breiten/Dicken-Verhältnisses und einer gewünschten Länge geschnitten. D. h., im Schritt 15
werden die Wafer längs Ebenen senkrecht zur X-Achse zum Erhalt von X-Schnitt-Abschnitten
geschnitten. In den Schritten 16 und 17 werden dann die durch das Schneiden freigelegten
Oberflächen unter denselben Bedingungen wie in den Schritten 12 und 13 geläppt. Nach
Abschluß des Läpprozesses an den senkrecht zur X-Achse liegenden Oberflächen werden die
Wafer im Schritt 18 längs Ebenen senkrecht zur Z-Achse geschnitten, so daß Z-Schnitt-
Abschnitte erhalten werden. Weiterhin werden die durch das Schneiden freigelegten Ober
flächen in den Schritten 19 und 20 in gleicher Weise geläppt wie bei den oben beschriebenen
Schritten.
Obwohl die Wafer, wenn sie aus einem Einkristallquarz geschnitten werden, eine ziemliche
Größe wie etwa einige 10 mm2 aufweisen, haben ihre Stirnflächen eine sehr kleine Größe, die
der Größe eines herzustellenden endgültigen Quarzelements entspricht. Zur Vermeidung einer
Schwierigkeit bei der Verarbeitung solcher kleiner Stirnflächen, wird eine Vielzahl von Wafern
mittels Bienenwachses oder ähnlichem aneinander befestigt und dann in eine Vielzahl einzelner
Elemente geschnitten. Ihre geschnittenen Stirnflächen werden dann geläppt, so daß die
gewünschte Oberflächenflachheit an den kleinen Stirnflächen der Quarzelemente erreicht wird.
Nach dem Läpprozeß an den Stirnflächen, werden die Quarzelemente im Schritt 21 von einander
getrennt und dann im Schritt 22 gesäubert. Die Länge l und die Breite w der Quarzelemente
werden unter Verwendung einer Meßuhr mit 1 µm Genauigkeit gemessen, wobei die Skala der
Meßuhr vor jeder Messung mit einem Standardparallelendmaß kalibriert wird. Die Dicke t wird
gemessen, indem ein Quarzelement ohne Elektroden an einem Rohelementoszillator montiert
und seine Schwingungsfrequenz ausgewertet wird. D. h., die Dicke t kann durch Einsetzen der
gemessenen Schwingungsfrequenz in folgende Gleichung erhalten werden:
t = 3 × C/f (1)
wobei C die Frequenzkonstante für die Grundschwingung, d. h. 1670 µm • MHz ist und f die
dritte Obertonschwingungsfrequenz des Quarzelementes ist. Die Schwingungsfrequenz wird mit
einer Genauigkeit von 1 KHz gemessen, und die Dicke t (µm) wird aufgrund der gemessenen
Schwingungsfrequenz bestimmt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Quarzelement entsprechend dem oben
beschriebenen Prozeß so geformt, daß es ausreichend kleine Abmessungen aufweist, um in
einem Zylinder mit etwa 2 mm Durchmesser und etwa 6 mm Länge aufgenommen zu werden.
Unter Berücksichtigung der Abmessungen einer Basis zum Tragen des Quarzelements beträgt
die obere Grenze der Länge l des Quarzelements 4700 µm. Die obere Grenze der Breite w
beträgt 1500 µm und wird von dem Innendurchmesser des Halters bestimmt.
Im Schritt 23 wird dann jedes Quarzelement geätzt. Bei diesem Ätzprozeß wird 10-30%ige
Flußsäure als Ätzmittel verwendet. Durch das Ätzen wird der Bereich von Spannungen und
Schäden entfernt, die durch den Läpprozeß hervorgerufen wurden.
Im Schritt 24 wird ein Elektrodenmaterial auf beiden durch die Dicke t getrennten Oberflächen
durch Verdampfung oder Sputtern abgeschieden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird
die Elektrode durch Abscheidung von Chrom, Nickel, Silber oder Gold oder andernfalls durch
Abscheiden dieser Materialien eines auf dem anderen in der Form eines Mehrschichtaufbaus
ausgebildet.
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Quarzschwinger 5 darstellt, der ein Quarz
element 1 mit abgeschiedenen Elektroden enthält. Bei dem Quarzschwinger der vorliegenden Er
findung wird eine Anregungselektrode 2 nahezu rechteckiger Form mit einer Breite W in einem
im wesentlichen zentralen Bereich der Oberfläche des Quarzelements 1 ausgebildet, so daß sich
die Anregungselektrode 2 längs der Länge des Quarzelements erstreckt. Zusätzlich wird eine
Verbindungselektrode 3 von der Anregungselektrode 2 in Richtung auf eine Ecke 1a an einem
Ende der Länge des Quarzelements ausgebildet. Ferner wird eine Verbindungselektrode 3 in
einer Ecke 1b neben der Ecke 1a ausgebildet, wobei die Verbindungselektrode 3 mit einer auf
der gegenüberliegenden Oberfläche des Quarzelements 1 ausgebildeten Anregungselektrode
verbunden wird.
Die Ausbildung dieser Verbindungs- oder Anschlußelektroden wird so gesteuert, daß der
Zwischenraum D zwischen der Längskante 2a der auf der Oberfläche des Quarzelements
ausgebildeten Elektrode und der Längskante 1c des Quarzelements einen vorbestimmten Wert
aufweist, während die Filmdicke der Elektrode durch Überwachung der Schwingungsfrequenz
des Quarzelements 1 während des Abscheidungsprozesses so gesteuert wird, wie dies später
detaillierter beschrieben wird.
Im Schritt 25 werden dann Leitungen an die jeweiligen Verbindungselektroden angeschlossen,
wobei die Leitungen nicht nur als elektrische Wege zur Lieferung eines Stroms an die
Elektroden, sondern auch als Tragelemente zum mechanischen Tragen des Quarzschwingers
dienen. Die Leitungen können mit den Elektroden mittels Lötens oder eines leitenden Klebstoffs
verbunden werden, wie eines silbergefüllten Epoxy-Klebstoffs oder eines Klebstoffs auf
Polyimidbasis.
Im Schritt 26 wird die Schwingungsfrequenz der Quarzschwingereinheit dadurch endgültig
justiert, daß eine geringe Menge Silber auf der Elektrode abgeschieden wird oder ein Ober
flächenabschnitt der Elektrode leicht entfernt wird. Im Schritt 27 wird der Quarzschwinger in
einen zylindrischen Halter eingesetzt, wobei das Einsetzen in einer Vakuumkammer unter
Erhitzung des Quarzschwingers ausgeführt wird, so daß adsorbiertes Gas entfernt wird. Der
Halter wird dann in einer Vakuumatmosphäre abgedichtet und damit eine fertigestellte Quarz
schwingereinheit erhalten. Das Abdichten kann auch in einer inerten Gasatmosphäre anstelle
eines Vakuums durchgeführt werden.
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das die Quarzschwingereinheit darstellt, und Fig. 5 und
6 zeigen seine Querschnitte. Bei der vorliegenden Ausführungsform enthält die Quarz
schwingereinheit 10 einen zylindrischen Halter 9 mit einem Durchmesser von 2,0 mm ±
0,2 mm und einer Länge von 6,0 mm ± 0,5 mm. Der Quarzschwinger 5 ist in dem Halter 9
untergebracht und der Halter 9 dann abgedichtet. Die Verbindungselektroden 3 sind mit den
jeweiligen Leitungen 4 verbunden. Die Leitungen 4 erstrecken sich zur Außenseite des Halters 9
durch die Basis 6, so daß die für das Schwingen erforderliche elektrische Leistung dem Quarz
schwinger 5 über die Leitungen 4 zugeführt werden kann.
Auf diese Weise wird eine dritte Oberton-Quarzschwingereinheit gemäß der Erfindung
zusammengesetzt und im Schritt 28 einem endgültigen Test in bezug auf die Frequenz, den
Resonanzwiderstand Rr, der ein Ersatzreihenwiderstand Rr ist, der auftritt, wenn die Quarz
schwingereinheit im Schwingungsbetrieb ist, die Temperatureigenschaften, wie etwa die
Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz und des Resonanzwiderstands Rr von der Temperatur,
etc. durchgeführt.
Obwohl AT-Schnitt-Quarzelemente verschiedene Schwingungsmoden aufweisen, ist der bei
rechteckigen AT-Schnitt-Quarzelementen auftretende Hauptschwingungsmodus der Dicken
schermodus. Die anderen Modi wie der Flächenschermodus oder der Biegemodus wirken als
Störschwingungen. Es ist sehr wichtig, das Breiten/Dicken-Verhältnis auf einen Wert einzu
stellen, der diese Störschwingungen über die gesamte Betriebstemperatur unterdrücken kann.
Die mit jedem Modus verbundene Frequenz kann berechnet werden. Zusätzlich zu den voraus
sagbaren Schwingungen tritt jedoch eine Kopplung mit Störschwingungen auf. Die Kopplung
hängt von der Form und den Abmessungen eines Quarzelements ab und kann nicht durch
Rechnung vorherbestimmt werden. Insbesondere im Fall eines AT-Schnitt-Quarzelements
geringer Größe, wie das oben beschriebene, war ein optimales Breiten/Dicken-Verhältnis E (w/t),
das die Störschwingungen auf einen in praktischen Anwendungen erforderlichen ausreichend
niedrigen Wert unterdrücken kann, nicht bekannt. Im Hinblick auf das Obige hat der Erfinder der
vorliegenden Erfindung eine Menge Quarzelemente mit verschiedenen Abmessungen, die gemäß
dem oben beschrieben Herstellungsverfahren hergestellt wurden, bewertet und war erfolgreich
in der Bestimmung eines optimalen Breiten/Dicken-Verhältnisses E, das die Störschwingungen
über den gesamten Bereich der Betriebstemperatur unterdrücken kann.
Fig. 7 zeigt die Temperaturkennlinien von Quarzschwingereinheiten, wobei einer ein
Breiten/Dicken-Verhältnis E von 12,18 und die anderen einen Wert nahe 12,18 aufweisen und
wobei diese Quarzschwingereinheiten nach dem oben beschriebenen Fabrikationsverfahren so
hergestellt wurden, daß sie bei einer Frequenz f von 55,0 MHz in der dritten Obertonmode
schwingen. Die Länge l des in diesen Quarzschwingereinheiten verwendeten Quarzelementes
beträgt 4200 µm und die Breite w ist etwa 1100 µ, wobei die Breite w so eingestellt ist, daß sie
bei der gegebenen Frequenz f nach Maßgabe der folgenden Gleichung schwingen
w = E × (3 × C/f) (2)
Fig. 7(b) zeigt die Temperaturkennlinien einer Quarzschwingereinheit mit einem Quarzelement,
dessen Breiten/Dicken-Verhältnis gerade 12,18 beträgt. Wie aus der Figur ersichtlich, stellt die
Frequenz-Temperatur-Kennlinie dieser Quarzschwingereinheit eine stabile kubische Kurve dar,
die in dem AT-Schnitt-Quarzelement vorherrscht. Andere Schwingungsmodi oder die Kopplung
mit den Störschwingungen werden im Temperaturbereich von -45°C bis +95°C nicht
beobachtet. Der Resonanzwiderstand Rr hat eine Wert von nur 40 Ω und ist im wesentlichen
konstant, was bedeutet, daß keine Kopplung mit den Störschwingungen vorhanden ist. Zur
Bewertung wurden unter Verwendung des Meßsystems MODEL 2100 das von der Sunders Co.
hergestellt wird, der Resonanzwiderstand Rr und die Frequenzabweichung von einer Bezugs
frequenz bei 25°C, wie sie durch die folgende Gleichung (3) definiert wird, gemessen:
Frequenzabweichung = (fT-f25)/f25 (3)
wobei fT die Schwingungsfrequenz bei einer beliebigen Temperatur ist, während f25 die
Schwingungsfrequenz bei 25°C ist. Bei den anderen später beschriebenen Beispielen erfolgte
die Bewertung auf gleiche Weise.
Fig. 7(a) zeigt die Temperaturkennlinien einer Quarzschwingereinheit mit einem Quarzelement
dessen Breiten/Dicken-Verhältnis 12,13 beträgt und Fig. 7(c) zeigt die Temperaturkennlinien
einer Quarzschwingereinheit mit einem Quarzelement, dessen Breiten/Dicken-Verhältnis 12,23
beträgt. Diese beiden Muster wurden in gleicher Weise hergestellt und bewertet wie das oben
beschriebene erste. In den Temperaturkennlinien der Quarzschwingereinheit mit dem
Breiten/Dicken-Verhältnis 12,13 beobachtet man bei Temperaturen nahe -25°C eine Kopplung
mit der Störschwingung. Im Fall der Quarzschwingerheit mit dem Breiten/Dicken-Verhältnis von
12,23 ist andererseits eine Kopplung mit der Störschwingung bei Temperaturen nahe 95°C zu
beobachten. Dies bedeutet, daß falls das Breiten/Dicken-Verhältnis gezielt in den Bereich von
12,13 bis 12,23 gebracht wird, eine stabile Schwingung über den erforderlichen Temperatur
bereich von -20°C bis +80°C ohne Kopplung mit den Störschwingungen erreicht werden kann.
Keine Kopplung mit den Störschwingungen tritt über den erforderlichen Temperaturbereich von
-20°C bis +80°C auf.
Fig. 8 faßt die Temperaturkennlinien der Quarzschwingereinheiten mit unterschiedlichen
Breiten/Dicken-Verhältnissen nahe 12,18 zusammen, wobei ausgezogene Linien solche Bereiche
repräsentieren, wo eine Kopplung mit den Störschwingungen beobachtet wird. Wie oben
beschrieben, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung experimentell den optimalen Bereich
des Breiten/Dicken-Verhältnisses des Quarzelements bestimmt, in welchem die das Quarz
element verwendende Quarzschwingereinheit keine Kopplung mit den Störschwingungen über
den erforderlichen Temperaturbereich von -20°C bis +80°C aufweist. D. h., der optimale
Bereich des Breiten/Dicken-Verhältnisses beträgt 12,18 ± 0,05, wie durch die Fläche repräsen
tiert, die mit den abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linien in Fig. 8 umrundet ist.
Fig. 9 zeigt die Temperaturkennlinien von Quarzschwingereinheiten, wobei einer ein
Breiten/Dicken-Verhältnis E von 8,48 und die anderen einen Wert nahe 8,48 aufweisen und
wobei diese Quarzschwingereinheiten entsprechend dem oben beschriebenen Fabrikations
verfahren so hergestellt wurden, daß sie bei einer Frequenz f von 41,667 MHz in der dritten
Obertonmode schwingen. Die Länge l des in diesen Quarzschwingereinheiten verwendeten
Quarzelements beträgt 4200 µm, und die Breite w ist etwa 1020 µm, wobei die Breite w wie
bei dem oben beschriebenen ersten Beispiel so eingestellt ist, daß sie bei der gegeben Frequenz
f schwingen. Fig. 9(b) zeigt die Temperaturkennlinien einer Quarzschwingereinheit mit einem
Quarzelement, dessen Breiten/Dicken-Verhältnis gerade 8,48 beträgt. Die Kennlinien in bezug
auf die Frequenzabweichung und den Resonanzwiderstand Rr zeigen an, daß keine anderen
Schwingungsmodi auftreten, d. h. daß es keine Kopplung mit den Störschwingungen über den
Temperaturbereich von -45°C bis +95°C gibt. Der Resonanzwiderstand Rr hat einen Wert von
nur etwa 50 Ω und ist im wesentlichen konstant.
Fig. 9(a) zeigt die Temperaturkennlinien einer Quarzschwingereinheit mit einem Quarzelement,
dessen Breiten/Dicken-Verhältnis 8,43 beträgt, und Fig. 9(c) zeigt die Temperaturkennlinien
einer Quarzschwingerheit mit einem Quarzelement, dessen Breiten/Dicken-Verhältnis 8,53
beträgt. Diese beiden Muster wurden auf gleiche Weise wie das oben beschriebene erste her
gestellt und bewertet. In der Temperaturkennlinie der Quarzschwingereinheit mit dem
Breiten/Dicken-Verhältnis von 8,43 wird eine Kopplung mit der Störschwingung bei Tempera
turen nahe -25°C beobachtet. Im Fall der Quarzschwingereinheit mit dem Breiten/Dicken-
Verhältnis von 8,53 ist andererseits eine Kopplung mit der Störschwingung bei 80°C oder mehr
zu beobachten. Wenn daher das Breiten/Dicken-Verhältnis des Quarzelements gezielt in den
Bereich von 8,43 bis 8,53 gebracht wird, dann kann man über den erforderlichen Temperatur
bereich von -20°C bis +80°C eine stabile Schwingung ohne Kopplung mit den Stör
schwingungen erreichen.
Fig. 10 faßt die Temperaturkennlinien der Quarzschwingereinheiten mit unterschiedlichen
Breiten/Dicken-Verhältnissen nahe 8,43 zusammen, wobei ausgezogene Linien solche Bereiche
repräsentieren, in denen eine Kopplung mit den Störschwingungen beobachtet wird. Wie aus
Fig. 10 ersichtlich, zeigen die von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgeführten
Experimente deutlich einen optimalen Bereich des Breiten/Dicken-Verhältnisses des Quarz
elements, innerhalb dessen die das Quarzelement verwendende Quarzschwingereinheit keine
Kopplung mit den Störschwingungen über den erforderlichen Temperaturbereich von -20°C bis
+80°C aufweist. D. h., der optimale Bereich des Breiten/Dicken-Verhältnisses beträgt 8,48 ±
0,05, wie durch die Fläche repräsentiert, die von den abwechselnd kurz und lang gestrichelten
Linien in Fig. 10 umrundet ist.
Fig. 11 zeigt die Temperaturkennlinien von Quarzschwingereinheiten, wobei einer ein
Breiten/Dicken-Verhältnis E von 15,57 und die anderen einen Wert nahe 15,57 aufweisen, und
wobei die Quarzschwingereinheiten gemäß dem oben beschriebenen Fabrikationsverfahren so
hergestellt wurden, daß sie bei einer Frequenz f von 71,730 MHz in der dritten Obertonmode
schwingen. Die Länge l des in diesen Quarzschwingereinheiten verwendeten Elements beträgt
4200 µm, und die Breite w liegt bei etwa 1080 µm, wobei die Breite w wie in den oben
beschriebenen vorherigen Beispielen so eingestellt ist, daß sie bei der gegebenen Frequenz
schwingen. Fig. 11(b) zeigt die Temperaturkennlinien einer Quarzschwingereinheit mit einem
Quarzelement, dessen Breiten/Dicken-Verhältnis gerade 15,57 beträgt. Die Kennlinien bezüglich
sowohl der Frequenzabweichung als auch des Resonanzwiderstandes Rr zeigen, daß keine
anderen Schwingungsmodi auftreten, d. h. daß über den Temperaturbereich von +45°C bis
+95°C keine Kopplung mit den Störschwingungen auftritt. Der Resonanzwiderstand Rr beträgt
nur etwa 40 Ω und ist im wesentlichen konstant.
Fig. 11 (a) zeigt die Temperaturkennlinien einer Quarzschwingereinheit mit einem Quarzelement,
dessen Breiten/Dicken-Verhältnis 15,50 beträgt und Fig. 11(c) zeigt die Temperaturkennlinien
einer Quarzschwingereinheit mit einem Quarzelement, dessen Breiten/Dicken-Verhältnis 15,64
beträgt. Diese beiden Muster wurden auf gleiche Weise wie das oben beschriebene erste her
gestellt und bewertet. In den Temperaturkennlinien der Quarzschwingereinheit mit dem
Breiten/Dicken-Verhältnis von 15,50 ist nahe -30°C eine Kopplung mit der Störschwingung zu
beobachten. Im Fall der Quarzschwingereinheit mit dem Breiten/Dicken-Verhältnis von 15,64 ist
andererseits eine Kopplung mit der Störschwingung bei 90°C oder mehr zu beobachten. Wenn
daher das Breiten/Dicken-Verhältnis des Quarzelements gezielt in den Bereich von 15,50 bis
15,64 gebracht wird, kann man die stabile Schwingung über den erforderlichen Temperatur
bereich von -20°C bis +80°C ohne Kopplung mit den Störschwingungen erhalten.
Fig. 12 faßt die Temperaturkennlinien der Quarzschwingereinheiten mit unterschiedlichen
Breiten/Dicken-Verhältnissen nahe 15,57 zusammen, wobei ausgezogene Linien solche Bereiche
repräsentieren, in denen eine Kopplung mit den Störschwingungen beobachtet wird. Wie aus
Fig. 12 ersichtlich, zeigen die von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgeführten
Experimente deutlich einen optimalen Bereich des Breiten/Dicken-Verhältnisses des Quarz
elements, innerhalb dessen der das Quarzelement verwendende Quarzschwinger über den
erforderlichen Temperaturbereich von -20°C bis +80°C keine Kopplung mit den Stör
schwingungen zeigt. D. h., der optimale Bereich des Breiten/Dicken-Verhältnisses beträgt 15,57
± 0,07, wie durch die Fläche repräsentiert, die von den abwechselnd lang und kurz gestrichel
ten Linien in Fig. 12 umrundet ist.
Fig. 13 faßt die Temperaturkennlinien von Quarzschwingereinheiten zusammen, die mit Quarz
elementen unterschiedlicher Breiten/Dicken-Verhältnisse nahe 13,22 versehen sind, welche
eine Länge l von 4200 µm und eine Breite w von etwa 11 00 µm aufweisen, wobei die Fein
einstellung der Breite w so ausgeführt ist, daß sie bei einer Frequenz von 60,0 MHz in der
dritten Obertonmode schwingen. Auch in diesem Bereich nahe 13,22 zeigen, wie aus Fig. 13
ersichtlich, die von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführten Experimente
deutlich einen optimalen Bereich des Breiten/Dicken-Verhältnisses E des Quarzelements, inner
halb dessen die das Quarzelement verwendende Quarzschwingereinheit über den erforderlichen
Temperaturbereich von -20°C bis +80°C keine Kopplung mit den Störschwingungen aufweist.
D. h., der optimale Bereich des Breiten/Dicken-Verhältnisses beträgt 13,22 ± 0,07 wie durch die
Fläche repräsentiert, die in Fig. 13 durch die abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linien
umrundet ist.
Fig. 14 faßt die Temperaturkennlinien von Quarzschwingereinheiten zusammen, die mit Quarz
elementen verschiedenes Breiten/Dicken-Verhältnisse E nahe 14,78 versehen sind, welche eine
Länge l von 4200 µm und bei Breite w von etwa 1110 µm aufweisen, wobei die Feineinstellung
der Breite w so ausgeführt ist, daß sie bei einer Frequenz von 66,667 MHz in der dritten Ober
tonmode schwingen. Wie aus Fig. 14 ersichtlich, zeigen die von dem Erfinder der vorliegenden
Erfindung ausgeführten Experimente deutlich auch in diesem Bereich nahe 14,78 einen optima
len Bereich des Breiten/Dicken-Verhältnisses E des Quarzelements, innerhalb dessen die das
Quarzelement verwendende Quarzschwingereinheit keine Kopplung mit den Störschwingungen
über den erforderlichen Temperaturbereich von -20°C bis +80°C aufweist. D. h., der optimale
Bereich des Breiten/Dicken-Verhältnisses beträgt 14,78 ± 0,07, wie durch die Fläche repräsen
tiert, die in Fig. 14 durch die abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linien umrundet ist.
Wie oben beschrieben, war der Erfinder der vorliegenden Erfindung nach Durchführung wieder
holter Experimente darin erfolgreich, kleine Quarzelemente zu erzielen, die nach dem früher
beschriebenen Fabrikationsverfahren hergestellt wurden, und für Schwingungen in der dritten
Obertonmode ohne Kopplung mit den Störschwingungen verwendet werden können, und zwar
indem das Breiten/Dicken-Verhältnis E gezielt in die speziellen Bereiche um die speziellen
Mittelwerte gebracht wurde.
Fig. 15 zeigt die Temperaturbereiche, die von den Quarzschwingereinheiten abgedeckt werden
können, die mit einem Quarzelement versehen sind, das Abmessungen aufweist, die klein genug
sind, damit es in einem zylindrischen Halter mit einem Durchmesser von 2 mm entsprechend
den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung untergebracht werden kann. Aus Fig. 15 ist
ersichtlich, daß ein weiter Bereich von etwa 30 MHz bis 90 MHz von den Quarzschwinger
einheiten abgedeckt werden kann, die ein Quarzelement mit einer Breite im Bereich von 800 µm
bis 1500 µm verwenden und ein Breiten/Dicken-Verhältnis aufweisen, das geeignet ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus 8,48, 12,18, 13,22, 14,78 und 15,57.
Anhand der oben beschriebenen Experimente wurden die optimalen Bereiche des
Breiten/Dicken-Verhältnisses ermittelt, die es einem kleinen rechteckigen AT-Schnitt-Quarz
element ermöglichen, in der Obertonmode stabil zu schwingen. Damit werden die Form von
Quarzelementen und andere Faktoren studiert, damit ein niedrigerer Resonanzwiderstand Rr
erreicht wird, der zur Benutzung der mit einem solchen Quarzelement versehenen Quarz
schwingereinheit bei praktischen Anwendungen wichtig ist.
Fig. 16 faßt die experimentellen Ergebnisse hinsichtlich des Resonanzwiderstands einer Quarz
schwingereinheit zusammen, die mit Quarzelementen verschiedener Längen l versehen sind,
welche nach dem früher beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. In dieser Figur sind die
Ergebnisse für drei typische Werte des Breiten/Dicken-Verhältnisses E eines Quarzelements
aufgetragen: 8,48 zur Verwendung bei einer ziemlich niedrigen Frequenz (f = 41,667 MHz),
12,18 zur Verwendung bei einer mittleren Frequenz (f = 55,0 MHz) und 15,57 zur
Verwendung bei einer hohen Frequenz (f = 71,730 MHz). Die Breite w jedes Quarzelements
wurde so eingestellt, daß die Quarzschwingereinheit bei einer gegebenen Frequenz schwingt.
Allgemein wird ein Quarzschwinger so ausgelegt, daß er einen Resonanzwiderstand Rr von
etwa 60 Ω oder weniger aufweist. Wie aus Fig. 16 ersichtlich, kann, wenn das Breiten/Dicken-
Verhältnis 15,57 beträgt, die obige Forderung in bezug auf den Resonanzwiderstand Rr erfüllt
werden, falls die Länge l des Quarzelements größer als 3000 µm ist. Im Fall, wo das
Breiten/Dicken-Verhältnis 12,18 beträgt, kann die obige Forderung hinsichtlich des Resonanz
widerstand Rr erfüllt werden, falls die Länge l des Quarzelements größer als 3500 µm ist. In
dem Fall, wo das Breiten/Dicken-Verhältnis 8,48 beträgt, kann die Forderung erfüllt werden,
wenn die Länge l des Quarzelements größer als 4000 µm ist. Unabhängig davon also, welches
Breiten/Dicken-Verhältnis der in den obigen Beispielen 1 bis 5 beschriebenen Werte das Quarz
element aufweist, wird der Resonanzwiderstand Rr niedrig genug sein, wenn die Länge l des
Quarzelements größer als 4000 µm ist.
Damit andererseits das Quarzelement in einem zylindrischen Halter mit einer Länge von etwa
6 mm aufgenommen werden kann, ist es wünschenswert, daß die Länge l weniger als etwa
4700 µm beträgt.
Fig. 17 zeigt den Resonanzwiderstand der Quarzschwingereinheiten, die mit Quarzelementen
verschiedener Breiten w hergestellt wurden, wobei die Quarzschwingereinheiten entsprechend
dem oben beschriebenen Verfahren gefertigt wurden. In dieser Figur sind die Ergebnisse für drei
typische Werte des Breiten/Dicken-Verhältnisses E des Quarzelements aufgetragen: 8,48 zur
Benutzung bei einer ziemlich niedrigen Frequenz, 12,18 zur Benutzung bei einer mittleren
Frequenz und 15,57 zur Benutzung bei einer hohen Frequenz. Die Länge l des Quarzelements ist
zu 4200 µm festgelegt.
Wie aus Fig. 17 ersichtlich, ist es, wenn das Breiten/Dicken-Verhältnis 15,57 oder 12,18
beträgt, falls das Quarzelement eine Breite w größer als 700 µm aufweist, möglich eine
ausgezeichnete Quarzschwingereinheit mit einem Resonanzwiderstand Rr kleiner als 60 Ω zu
erzielen. In dem Fall, wo das Breiten/Dicken-Verhältnis 8,48 beträgt, wird, wenn die Breite w
größer als 800 µm ist, der Resonanzwiderstand Rr kleiner als 60 Ω. Unabhängig also welches
Breiten/Dicken-Verhältnis von den bei den obigen Beispielen 1 bis 5 beschriebenen Werten das
Quarzelement aufweist, wird der Resonanzwiderstand Rr klein genug sein, falls die Breite w des
Quarzelements größer als 800 µm ist.
Damit andererseits das Quarzelement in einem zylindrischen Halter mit einem Durchmesser von
etwa 2 mm aufgenommen werden kann, ist es wünschenswert, daß die Breite w weniger als
etwa 1500 µm beträgt.
Fig. 18 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Resonanzwiderstand der Quarzschwinger
einheit und der Oberflächenrauhigkeit des zur Herstellung der Quarzschwingereinheit verwende
ten Quarzelements, wobei die Oberflächenrauheit unmittelbar nach dem Ätzen der Oberfläche
des Quarzelements bewertet wurde. Das Breiten/Dicken-Verhältnis E ist 12,18, und die Breite w
ist so eingestellt, daß die Quarzschwingereinheit bei 55,0 MHz in der dritten Obertonmode
schwingt. Die Länge l jedes verwendeten Quarzelements beträgt 4200 µm. In Fig. 18 ist die
Oberflächenrauhigkeit nach Beendigung des Ätzprozesses in dem früher beschriebenen Schritt
23 gemessen, wobei die Oberflächenrauhigkeit anhand der maximalen Oberflächenrauhtiefe
bewertet wird. Das Quarzelement mit einer maximalen Rauhtiefe Rmax von 0,1 µm ist jedoch
durch einen Prozeß gefertigt, der sich von dem oben beschriebenen Prozeß für die anderen
Muster darin unterscheidet, daß die Oberfläche wie bei den herkömmlichen Techniken vor dem
Ätzprozeß poliert wird. In Fig. 18 repräsentieren ausgefüllte Kreise Mittelwerte von
Resonanzwiderständen Rr, und die Länge der ausgezogenen Linien repräsentiert die
Schwankungen der Meßwerte.
Aus Fig. 18 ist ersichtlich, daß, obwohl die Muster, deren Oberflächen im Oberflächenend
behandlungsprozeß poliert wurden, einen niedrigen Resonanzwiderstand Rr aufweisen, der
Resonanzwiderstand Rr von Muster zu Muster stark variiert, wobei einige Muster Werte von
größer als 60 Ω zeigen. Im Gegensatz dazu zeigen die Muster, die im Endbehandlungsprozeß
geläppt wurden, kleine von dem Quarzelement verursachte Schwankungen des Resonanzwider
stands Rr. Wenn der Maximalwert Rmax der Oberflächenrauhtiefe der geätzten Oberflächen im
Bereich von 0,2 µm bis 0,7 µm liegt, ist es möglich, einen guten Resonanzwiderstand Rr von
weniger als etwa 60 Ω einschließlich der Schwankung von Element zu Element zu erzielen.
Wenn der Maximalwert Rmax der Oberflächenrauhtiefe der geätzten Oberfläche im Bereich von
0,3 µm bis 0,6 µm liegt, ist es möglich, einen besseren Resonanzwiderstand kleiner als 60 Ω
einschließlich der Schwankung von Element zu Element zu erzielen.
Fig. 19 zeigt ebenfalls des Zusammenhang zwischen dem Resonanzwiderstand der Quarz
schwingereinheit und der Oberflächenrauhigkeit, die nach dem Oberflächenätzen des Quarz
elements, das zur Fertigung der Quarzschwingereinheit verwendet wurde, bewertet wurde. In
diesem Fall ist das Breiten/Dicken-Verhältnis E 8,48, und die Breite w ist so eingestellt, daß die
Quarzschwingereinheit bei 41,667 MHz in der dritten Obertonmode schwingt. Die Länge l jedes
verwendeten Quarzelements beträgt 4200 µm.
Wie aus den in Fig. 19 gezeigten experimentellen Ergebnissen ersichtlich, variierte auch in
diesem Fall, obwohl die Muster, die dem Endbehandlungspolierprozeß unterzogen wurden, einen
niedrigen Resonanzwiderstand Rr aufweisen, der Resonanzwiderstand Rr stark von Muster zu
Muster, und viele Muster haben Werte größer als 60 Ω. Im Gegensatz dazu weisen die Muster,
die in dem Endbehandlungprozeß geläppt wurden, kleine Schwankungen des von dem Quarz
element verursachten Resonanzwiderstands Rr auf. Wenn der Maximalwert Rmax der Ober
flächenrauhtiefe der geätzten Oberfläche in dem Bereich von 0,2 µm bis 0,7 µm liegt, ist es
möglich, einen guten Resonanzwiderstand Rr kleiner als etwa 60 Ω einschließlich der
Schwankung von Element zu Element zu erreichen. Wenn der Maximalwert Rmax der Ober
flächenrauhtiefe der geätzten Oberfläche in dem Bereich von 0,3 µm bis 0,6 µm liegt, ist es
möglich, einen besseren Resonanzwiderstand Rr weniger als 60 Ω einschließlich der
Schwankung von Element zu Element zu erzielen.
Fig. 20 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Resonanzwiderstand der Quarzschwinger
einheit und der Oberflächenrauhigkeit, bewertet nach dem Oberflächenätzen des zur Herstellung
der Quarzschwingereinheit verwendeten Quarzelements für den Fall, wo das Breiten/Dicken-
Verhältnis E 15,57 beträgt. Die Breite w ist so eingestellt, daß die Quarzschwingereinheit bei
71,730 MHz in der dritten Obertonmode schwingt. Die Länge l jedes verwendeten Quarz
elements beträgt 4200 µm.
Wie aus Fig. 20 ersichtlich, variiert auch in diesem Fall, obwohl die Muster, die dem End
behandlungspolierprozeß unterzogen wurden, niedrige Resonanzwiderstände Rr aufweisen, der
Resonanzwiderstand Rr stark von Muster zu Muster, und viele Muster haben Werte größer als
60 Ω. Im Gegensatz dazu weisen die Muster, die in dem Endbehandlungsprozeß geläppt
wurden, kleine Schwankungen des von dem Quarzelement verursachten Resonanzwiderstands
Rr auf. Wenn der Maximalwert Rmax der Oberflächenrauhtiefe der geätzten Oberfläche in dem
Bereich von 0,2 µm bis 0,7 µm liegt, ist es möglich, einen guten Resonanzwiderstand Rr kleiner
als etwa 60 Ω einschließlich der Schwankung von Element zu Element zu erreichen. Wenn der
Maximalwert Rmax der Oberflächenrauhtiefe der geätzten Oberfläche in dem Bereich von
0,3 µm bis 0,6 µm liegt, ist es möglich, einen besseren Resonanzwiderstand Rr kleiner als 60 Ω
einschließlich der Schwankung von Element zu Element zu erzielen.
Aus den oben beschriebenen experimentellen Ergebnissen kann geschlossen werden, daß zum
Erhalt leistungsfähiger Quarzschwingereinheiten, die nicht nur einen niedrigen Resonanzwider
stand Rr, sondern auch eine geringe Schwankung des Resonanzwiderstands von Element zu
Element aufweisen, es vorzuziehen ist, daß die Oberflächenbehandlung so ausgeführt wird, daß
die resultierende Oberflächenrauhigkeit in dem oben beschriebenen speziellen Bereich liegt, im
Gegensatz zu herkömmlichen Techniken, wo die Oberfläche so bearbeitet wird, daß die resultie
rende Oberflächenrauhigkeit möglichst flach wird.
Bei den herkömmlichen Techniken zur Herstellung kleiner Quarzelemente, insbesondere solcher,
die als Obertonquarzelemente verwendet werden, wird die Oberflächenbearbeitung so ausge
führt, daß die resultierende Oberflächenrauhigkeit möglichst gering wird, damit eine unregel
mäßige Reflexion der Schwingung unterdrückt wird, die an der Oberfläche der Quarzelemente
auftritt, um so die Anregungseffizienz zu verbessern. Von diesem Gesichtspunkt aus wird die
Oberflächenrauhigkeit des Quarzelements so gesteuert, daß die maximale Rauhtiefe Rmax
weniger als 0,2 µm oder 0,1 µm wird. Insbesondere bei der Produktion kleiner Quarzelemente
wurde der Polierprozeß als wesentlich betrachtet, um das Lecken oder Streuen der
Schwingungen zu verhindern.
Das Polieren ist ein teurer und zeitraubender Prozeß, der ein teures Polierabriebmittel erfordert.
Obwohl es darüber hinaus möglich ist, durch Einsatz des Polierprozesses eine Oberfläche mit
geringer Rauhigkeit zu erhalten, ist es schwierig, eine neigungsfreie Oberfläche zu erzielen. Auf
der durch Polieren behandelten Oberfläche gibt es wellenartige Unregelmäßigkeiten. Das
Polieren erfordert daher eine große Fertigkeit. Wenn eine polierte Oberfläche eines Quarz
elements in Kontakt mit einer polierten Oberfläche eines anderen Quarzelements kommt, wird es
schwierig, sie von einander zutrennen. Ferner ist es schwierig, die polierte Oberfläche zu hand
haben, da die polierte Oberfläche sehr leicht beschädigt werden kann und damit eine
Verschlechterung der Oberflächenflachheit leicht auftritt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird dagegen die Oberflächenendbehandlung mittels des
Läppens so ausgeführt, daß die resultierende Oberflächenrauhigkeit vorzugsweise in den Bereich
von 0,2 µm bis 0,7 µm oder, noch bevorzugter, in den Bereich von 0,3 µm bis 0,6 µm fällt,
wodurch man Quarzschwingereinheiten erhält, die einen niedrigen Resonanzwiderstand Rr
aufweisen und ebenso eine geringe Schwankung des Resonanzwiderstands Rr von Element zu
Element besitzen. Damit ist es möglich, sehr leistungsfähige Quarzschwingereinheiten mit hoher
Produktionsausbeute herzustellen. Bei der Produktion solcher sehr leistungsfähiger Quarz
schwingereinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Polierprozeß nicht erforderlich,
was bedeutet, daß kleine Quarzelemente ohne Verwendung des zeitraubenden Polierprozesses,
der eine große Fertigkeit erfordert, hergestellt werden können, weshalb es möglich ist, sehr
leistungsfähige Quarzschwingereinheiten zu niedrigen Kosten zu liefern.
Fig. 21 ist eine grafische Darstellung, die vergrößert die Streuung des Resonanzwiderstands Rr
für die in Beispiel 8 beschriebenen Quarzschwingereinheiten zeigt, die unter Verwendung eines
Quarzelements hergestellt wurden, dessen gemessener Wert des Breiten/Dicken-Verhältnisses E
12,18 beträgt. In dem Fall, wo die Oberfläche nach dem Polieren so geätzt wird, daß die
maximale Rauhtiefe etwa 0,1 µm wird, haben einige Muster einen sehr hohen Resonanzwider
stand wie etwa 100 Ω, obwohl der Mittelwert des Resonanzwiderstands Rr nur 38 Ω beträgt.
Im Gegensatz dazu ist in dem Fall, wo die Oberfläche nach dem Läppen so geätzt wird, daß die
maximale Rauhtiefe etwa 0,4 µm wird, nicht nur der Mittelwert des Resonanzwiderstands Rr
nur 40 Ω, sondern auch der maximale Wert des Resonanzwiderstands Rr beträgt nur 50 Ω.
Ferner variiert die Dicke des polierten Quarzelements stark. Es ist daher erforderlich, die
Schwingungsfrequenz durch Ätzen zu justieren. Die polierte Oberfläche wird beim Entfernen,
Säubern und Trocknen leicht verunreinigt und beschädigt. Wenn die Oberfläche mit solcher
Verunreinigung oder Beschädigung geätzt wird, werden die verunreinigten oder beschädigten
Oberflächenabschnitte nicht geätzt und bleiben damit als Ätzhügel zurück. Darüber hinaus
werden die Beschädigung oder die Defekte vergrößert, was zu Unregelmäßigkeiten an der Ober
fläche führt. Als Ergebnis wird der Resonanzwiderstand Rr größer.
Wenn dagegen die Oberfläche nach dem Läppen geätzt wird, ist es möglich, einen kleinen Wert
für Rmax und eine kleine Schwankung der Oberflächenrauhigkeit zu erzielen. Daher ist die
Schwankung des Resonanzwiderstandes Rr klein, und es ist möglich Quarzelemente mit einer
hohen Produktionsausbeute herzustellen. Über Quarzelemente hinaus kann die vorliegende
Erfindung vorteilhaft auch auf andere Vorrichtungen wie Keramikschwinger angewendet
werden, bei denen die Oberflächenschwingungen reflektiert und eingefangen werden.
Die Schwankung in der Dicke des geläppten Quarzelements ist geringer als die des polierten
Quarzelements, weshalb auch die Schwankung der Schwingungsfrequenz des geläppten Quarz
elements geringer ist. Im Fall, wo die Oberfläche geläppt ist, wird es, da die Schwankung des
Resonanzwiderstands durch den dem Läpp-Prozeß folgenden Ätzprozeß nicht ausgedehnt wird,
möglich, die Schwankung in der Frequenz weiter zu verringern, wenn die geläppten Quarz
elemente entsprechend der Schwingungsfrequenz in etliche Klassen gruppiert werden und die
Quarzelemente in jeder Gruppe abhängig von der Schwingungsfrequenz für eine geeignete Zeit
geätzt werden.
Fig. 22 zeigt die Änderung der Oberflächenrauhigkeit, die während des Prozesses auftritt, in
welchem die geläppte Oberfläche geätzt wird, wobei die Änderung als Funktion des Ätzbetrags
aufgetragen ist. Fig. 23 zeigt die Änderung des Resonanzwiderstands Rr, die während des
Prozesses auftritt, wo die geläppte Oberfläche geätzt wird, wobei die Änderung ebenfalls als
Funktion des Ätzbetrags aufgetragen ist. Diese Muster haben alle dasselbe Breiten/Dicken-
Verhältnis von 12,18, während die Breite w so eingestellt wurde, daß sie bei 55,0 MHz
schwingen. Die Länge l der verwendeten Quarzelemente beträgt 4200 µm. In den Fig. 22 und
23 sind die Änderungen der Oberflächenrauhigkeit und des Resonanzwiderstandes Rr für Muster
mit drei verschiedenen Werten der maximalen Oberflächenrauhtiefe aufgetragen: 1,2 µm (A),
0,7 µm (B) und 0,4 µm (C), wobei die Oberflächenrauhigkeit unmittelbar vor dem Ätzprozeß
gemessen wurde. Jeder in den Figuren aufgetragene Wert der Resonanzwiderstände Rr stellt
den Mittelwert einer Vielzahl von Meßwerten dar. Das Ätzen erfolgte unter Verwendung eines
10-30%igen Flußsäureätzmittels wie früher beschrieben.
Aus Fig. 22 ist ersichtlich, daß in dem Bereich, wo der Ätzbetrag weniger als etwa 0,5 µm
beträgt, die maximale Rauhtiefe Rmax mit zunehmenden Ätzbetrag rapide abnimmt. Diese Tat
sache impliziert, daß die während des Läpp-Prozesses stark beschädigte Oberflächenschicht
durch des Ätzen abgetragen wird. In dem Bereich, wo der Ätzbetrag 0,5 µm bis 2,5 µm beträgt,
ist keine große Änderung der Oberflächenrauhigkeit zu beobachten, was vermuten läßt, daß in
der Oberflächenschicht verbliebene Fehler stabiler Struktur allmählich durch das Ätzen entfernt
werden. Andererseits steigt in dem Bereich, wo der Ätzbetrag größer als 2,5 µm ist, die
maximale Oberflächenrauhtiefe Rmax mit dem Ätzbetrag an. Dies ist wahrscheinlich auf die
Änderung der Ätzrate abhängig von der Kristallorientierung eines Einkristallquarzes zurück
zuführen. Die Abhängigkeit der Ätzrate von der Kristallorientierung schafft große Unregelmäßig
keiten an der Oberfläche der Quarzelemente und bewirkt damit die Zunahme in Rmax.
Wie in Fig. 23 gezeigt, ändert sich der Resonanzwiderstand in ähnlicher Weise wie die in Fig. 22
gezeigte maximale Oberflächenrauhtiefe. D. h., in dem Bereich, wo der Ätzbetrag weniger als
0,5 µm beträgt, nimmt der Resonanzwiderstand Rr mit zunehmenden Ätzbetrag rapide ab. In
dem Bereich, wo der Ätzbetrag 0,5 µm bis 2,5 µm beträgt, ist keine starke Änderung des
Resonanzwiderstands Rr zu beobachten. In dem Bereich jedoch, wo der Ätzbetrag größer als
2,5 µm ist, steigt der Resonanzwiderstand Rr stark mit dem Ätzbetrag an. Aufgrund der oben
beschriebenen experimentellen Ergebnisse kann geschlossen werden, daß es vorzuziehen ist, die
Oberfläche der Quarzelemente nach dem Läppen um einen Betrag im Bereich von 0,5 µm bis
2,5 µm zu Ätzen, um ein Quarzelement hoher Qualität zu erzielen, das einen niedrigen
Resonanzwiderstand Rr mit einer geringen Streuung aufweist. Wenn die Abtragungsmenge pro
Oberfläche bei dem Ätzprozeß so gesteuert wird, daß sie in den oben beschriebenen Bereich
fällt, werden große Schäden oder Defekte die bei den Schneid- und Läpp-Prozessen des Quarz
elements auftreten, entfernt, womit eine stabile Struktur an der Oberfläche des Quarzelements
auftritt, die zu einem niedrigen Resonanzwiderstand Rr mit einer geringer Streuung führt.
Wie aus Fig. 23 ersichtlich, ist es zur Erzielung eines niedrigen Resonanzwiderstands Rr unter
60 Ω bei dem Quarzelement gemäß der vorliegenden Erfindung darüber hinaus wünschenswert,
daß die maximale Oberflächenrauhtiefe, die vor dem Ätzprozeß gemessen wird, unter 0,7 µm
liegt. Unter Berücksichtigung des Grads der Oberflächenrauhigkeit des Quarzelements, der
durch den Endbearbeitungsläpprozeß erhalten wird, ist es wünschenswert, daß die maximale
Oberflächenrauhtiefe, die vor dem Ätzprozeß gemessen wird, in dem Bereich von 0,3 µm bis
0,7 µm liegt, damit Quarzelemente erzeugt werden, die einen niedrigen Resonanzwiderstand Rr
mit einer geringen Streuung aufweisen. Bei der Ausführungsform der Erfindung kann die Ober
fläche des Quarzelements zu der oben beschriebenen gewünschten Flachheit geläppt werden,
indem ein auf Aluminiumoxid basierendes Schleifmittel mit einer mittleren Korngröße von
2,5 µm bis 3,0 µm verwendet wird.
Zum Erhalt eines Quarzschwingers guter Charakteristiken nach Ausbildung von Elektroden auf
einem Quarzelement ist es wichtig, die Größe der Elektroden und die Dicke des Elektrodenfilms
geeignet auszuwählen. Wenn die Elektrodengröße zu gering ist, dann wird die Energie nicht
ausreichend eingefangen, und der Resonanzwiderstand Rr nimmt zu. Wenn andererseits sich die
Elektroden zu Stellen sehr nahe den Kanten eines Quarzelements erstrecken, treten Stör
schwingungen, die von den Kanten resultieren auf, was eine Verschlechterung der
Temperaturcharakteristiken bewirkt oder in einer Zunahme des Resonanzwiderstands Rr
resultiert. Bei kleinen Quarzelementen zur Verwendung bei der dritten Obertonschwingung, um
die es hier in der vorliegenden Erfindung geht, war jedoch der Einfluß von Elektrodengröße und -
dicke auf der Resonanzwiderstand Rr nicht bekannt.
Fig. 24 zeigt die Temperaturkennlinien des Quarzelements für verschiedene Elektrodengrößen,
wobei jedes Quarzelement gemäß dem oben beschriebenen Verfahren so hergestellt ist, daß es
ein Breiten/Dicken-Verhältnis von 12,18, eine Breite w von 1109 µm und eine Länge l von
4200 µm aufweist, so daß es bei 55,0 MHz schwingt. Die Elektroden wurden auf beiden Ober
flächen des Quarzelements ausgebildet, wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.
Spezieller wurden bei diesem Beispiel die Elektroden durch Aufdampfen von Chrom und Silber
ausgebildet. Es wurden verschiedene Muster mit unterschiedlichen Zwischenräumen D zwischen
jeder Kante der Breite des Quarzelements und jeder Kante der Breite der Elektrode vorbereitet.
Unter Verwendung dieser Quarzelemente wurden Quarzschwingereinheiten hergestellt, und die
Temperaturkennlinien der erhaltenen Quarzschwingereinheiten wurden mit dem Meßsystem
MODEL 2100 gemessen, das von der Sunders Co. produziert wird.
Wie in Fig. 24(b) gezeigt, weist das Muster mit einem Zwischenraum D von 100 µm eine stabile
Frequenz-Temperatur-Kennlinie in der Form einer kubischen Kurve über den gesamten Tempera
turbereich auf. Dieses Muster zeigt außerdem einen guten Resonanzwiderstand Rr mit einem
nahezu konstanten Wert von 40 Ω über den gesamten Temperaturbereich.
Im Gegensatz dazu zeigt das Muster mit einem Zwischenraum von 350 µm unstabile Eigen
schaften sowohl hinsichtlich der Frequenz als auch des Resonanzwiderstands Rr über den
gesamten Temperaturbereich, wie in Fig. 24(a) dargestellt. Dies kann mit dem unzureichenden
Energieeinfangen infolge der kleinen Fläche der Elektrode erläutert werden. Auf der anderen
Seite zeigt das Muster mit einen Zwischenraum D von 50 µm eine Kopplung mit Stör
schwingungen bei Temperaturen nahe 80°C, wie in Fig. 24(c) dargestellt.
Die maximalen Resonanzwiderstände Rr im Temperaturbereich von -20°c bis +80°C sind in
Fig. 27 für verschiedene Zwischenräume D von 50 µm bis 350 µm aufgetragen. In dem Fall, wo
das Breiten/Dicken-Verhältnis E 12,18 beträgt ist es, wenn der Zwischenraum D im Bereich von
50 µm bis 340 µm liegt, möglich, einen kleinen Resonanzwiderstand Rr unter 60 Ω zu erhalten.
Berücksichtigt man jedoch die Tatsache, daß das Muster mit einem Zwischenraum D von 50 µm
eine Kopplung mit Störschwingungen bei Betriebstemperatur zeigt, dann ist es vorzuziehen, daß
der Zwischenraum D im Bereich von 75 µm bis 340 µm liegt.
Fig. 25 zeigt die experimentellen Ergebnisse von Quarzelementen, die je nach dem gleichen
Verfahren wie das obige Beispiel hergestellt wurden. In diesem Beispiel jedoch hat jedes Quarz
element ein Breiten/Dicken-Verhältnis von 8,48, eine Breite w von 944 µm und eine Länge l von
4200 µm, so daß es bei 45,0 MHz schwingt. Wie in Fig. 25(b) gezeigt, weist das Muster mit
einem Zwischenraum D von 100 µm eine gute Stabilität sowohl der Frequenz-Temperatur-Kenn
linie als auch des Resonanzwiderstands Rr über den gesamten Temperaturbereich auf. Darüber
hinaus zeigt dieses Muster einen guten Resonanzwiderstand Rr von nur 50 Ω.
Im Gegensatz dazu zeigt das Muster mit einem Zwischenraum D von 250 µm eine Instabilität
über den gesamten Temperaturbereich, wie in Fig. 25(a) dargestellt, was eine dem voran
gehenden Beispiel ähnliche Tendenz ist. Andererseits zeigt das Muster mit einem Zwischenraum
D bvon 50 µm eine Kopplung mit Störschwingungen bei Temperaturen nahe 80°C, wie in Fig.
25(c) gezeigt.
Die maximalen Resonanzwiderstände Rr im Temperaturbereich von -20°C bis +80°C sind auch
in Fig. 27 für verschiedene Zwischenräume D von 50 µm bis 250 µm aufgetragen. Wie aus
dieser Figur ersichtlich, ist es in dem Fall, wo das Breiten/Dicken-Verhältnis E 8,48 beträgt,
möglich einen geringen Resonanzwiderstand Rr unter 60 Ω zu erhalten, wenn der Zwischen
raum D in dem Bereich von 50 µm bis 230 µm liegt. Berücksichtigt man allerdings die Tatsache,
daß das Muster mit einem Zwischenraum D von 50 µm eine Kopplung mit Störschwingungen
bei der Betriebstemperatur zeigt, dann ist es vorzuziehen, daß der Zwischenraum D in dem
Bereich von 75 µm bis 230 µm liegt.
Fig. 26 zeigt die experimentellen Ergebnisse von Quarzelementen, die je nach dem gleichen
Verfahren wie die vorhergehenden Beispiele hergestellt wurden. Bei diesem Beispiel jedoch hat
jedes Quarzelement ein Breiten/Dicken-Verhältnis von 15,57, eine Breite w von 1170 µm und
eine Länge l von 4200 µm, so daß es bei 66,667 MHz schwingt. Wie in Fig. 26(b) gezeigt,
weist das Muster mit einem Zwischenraum D von 100 µm eine gute Stabilität der Frequenz-
Temperatur-Kennlinie sowie des Resonanzwiderstands Rr über den gesamten Temperaturbereich
auf. Darüber hinaus zeigt dieses Muster auch einen guten Resonanzwiderstand Rr von nur
40 Ω.
Im Gegensatz dazu zeigt das Muster mit einem Zwischenraum von 350 µm eine Instabilität über
den gesamten Temperaturbereich, wie in Fig. 26(a) dargestellt, was eine den vorherigen
Beispielen ähnliche Tendenz ist. Auf der anderen Seite zeigt das Muster mit einem Zwischen
raum D von 50 µm eine Kopplung mit Störschwingungen bei Temperturen nahe 35°C, wie in
Fig. 26(c) gezeigt.
Die maximalen Resonanzwiderstände Rr in dem Temperaturbereich von -20°C bis +80°C sind
auch in Fig. 27 für verschiedene Zwischenräume von 50 µm bis 350 µm aufgetragen. Wie aus
dieser Figur ersichtlich, ist es in dem Fall, wo das Breiten/Dicken-Verhältnis E 15,57 beträgt,
möglich einen kleinen Resonanzwiderstand Rr unter 60 Ω zu erhalten, wenn der Zwischenraum
D in dem Bereich von 50 µm bis 340 µm liegt. Berücksichtigt man allerdings die Tatsache, daß
das Muster mit einem Zwischenraum von 50 µm eine Kopplung mit Störschwingungen bei der
Betriebstemperatur zeigt, dann ist es vorzuziehen, daß der Zwischenraum D in dem Bereich von
75 µm bis 340 µm liegt.
Wenn die Elektroden, wie oben erörtert, auf dem Quarzelement so ausgebildet werden, daß der
Zwischenraum D einen geeigneten Wert aufweist, wie oben beschrieben, dann ist es möglich,
die Wirkungen von Störschwingungen zu vermeiden, welche von den Kanten des Quarz
elements herrühren, und es ist ebenfalls möglich, einen niedrigen Resonanzwiderstand Rr zu
erzielen. In der Schlußfolgerung ist es im Fall von Quarzelementen mit einem Breiten/Dicken-
Verhältnis von 8,48 zur Verwendung in einem niedrigen Frequenzbereich vorzuziehen, daß der
Zwischenraum D in dem Bereich von 75 µm bis 230 µm liegt. In dem Fall von Quarzelementen
mit einem Breiten/Dicken-Verhältnis in dem Bereich von 12,18 bis 15,57 ist es vorzuziehen, daß
der Zwischenraum D in dem Bereich von 75 µm bis 340 µm liegt. Ferner, wenn der Zwischen
raum D im Bereich von 75 µm bis 200 µm liegt, dann ist es möglich Quarzschwinger zu
erzeugen, die eine hohe Stabilität in der Frequenzabweichung aufweisen und ebenso einen
niedrigen Resonanzwiderstand für einen weiten Bereich von Breiten/Dicken-Verhältnissen von
8,48 zur Verwendung in einem niedrigen Frequenzbereich bis 15,57 zur Verwendung in einem
hohen Frequenzbereich.
Fig. 28 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Resonanzwiderstand Rr und der Frequenz, die
sich mit der Verdampfungsmenge von Elektrodenmaterial ändert, das auf einem Quarzelement
abgelagert wird, wenn das Quarzelement gemäß dem oben beschriebenen Verfahren so
hergestellt wird, daß es ein Breiten/Dicken-Verhältnis von 12,18, eine Breite w von 1109 µm
und eine Länge l von 4200 µm aufweist, so daß es bei 55,0 MHz schwingt. Die Frequenz
änderung kann durch die folgende Gleichung definiert werden:
Frequenzänderung = (f-f')/f 4)
wobei f die Frequenz für das Muster bezeichnet, auf das noch keine Elektroden aufgedampft
wurden, während f' die Frequenz für das Muster mit aufgedampften Elektroden ist.
Wie aus Fig. 28 ersichtlich, zeigen in dem Bereich wo die von dem Elektrodenaufdampfen
hervorgerufene Frequenzänderung geringer als 7000 ppm ist, die Muster einen sehr hohen
Resonanzwiderstand Rr. Im Bereich der Frequenzänderung von 7000 ppm bis 30 000 ppm
beträgt dagegen der Resonanzwiderstand nicht mehr als 50 Ω. Andererseits zeigt der
Resonanzwiderstand in dem Bereich, wo die von dem Elektrodenaufdampfen hervorgerufene
Frequenzänderung größer als 30 000 ppm ist, einen allmählichen Anstieg, was bedeutet, daß die
Charakteristiken der Quarzschwingereinheiten in diesem Bereich allmählich schlechter werden.
In dem Bereich, wo die Frequenzänderung weniger als 7000 ppm beträgt, wird der
Resonanzwiderstand Rr infolge eines unzureichenden Einfangens von Energie der Schwingung in
dem Dickenschermodus hoch. In dem Bereich größer als 30 000 ppm wird andererseits das
Gewicht der Anregungselektrode zu groß, was die Schwingung im Dickenschermodus des
Quarzelements stört und damit einen Anstieg des Resonanzwiderstands Rr bewirkt.
Wie aus der obigen Diskussion ersichtlich, ist es möglich, eine gute Quarzschwingereinheit mit
einem niedrigen Resonanzwiderstand Rr zu erzeugen, wenn die von dem Elektrodenaufdampfen
auf einem Quarzelement hervorgerufene Frequenzänderung gezielt in den Bereich von 7000 ppm
bis 30 000 ppm gebracht wird.
Wie oben beschrieben, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung anhand der Experimente und
Bewertung das Verfahren und Bedingungen zur Herstellung einer Quarzschwingereinheit, die
einen Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 2 mm und einer Länge von etwa 6 mm
aufweist, welche in einem weiten Frequenzbereich bis hin zu 100 MHz schwingen kann,
erstellt. Das Quarzelement, der Quarzschwinger und die Quarzschwingereinheit, die unter den
oben beschriebenen Bedingungen gemäß der Erfindung hergestellt werden, weisen stabile
Temperaturcharakteristiken auf, die in der AT-Schnitt-Quarzschwingereinheit wesentlich sind,
und haben außerdem einen niedrigen Resonanzwiderstand Rr wie 60 Ω über den Betriebs
temperaturbereich von -20°C bis +80°C.
Fig. 29 zeigt eine Quarzschwingereinheit 30, die in der Form einer Oberflächenmontage
vorrichtung hergestellt wurde, wobei die Quarzschwingereinheit 30 eine harzvergossene Quarz
schwingereinheit 10 enthält. Die Quarzschwingereinheit 30 ist so hergestellt, daß die Leitungen
4 der Quarzschwingereinheit 10, die über einen zylindrischen Halter 9 nach außen ragen, mittels
Schweißens mit Metalleitungen 31 verbunden sind, und diese Elemente sind mit einem Harz 32
vergossen. In der Quarzschwingerheit 30 gemäß der vorliegenden Erfindung kann, da der Halter
9 auch mit dem Harz 32 vergossen ist, die Quarzschwingereinheit 30 an der der Oberfläche
einer Leiterplatte ohne zusätzliche Elemente montiert werden.
In einem in Fig. 30 gezeigten Beispiel ist eine Quarzschwingereinheit 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer integrierten Schaltung 41 kombiniert und beide sind mit einem Harz
vergossen, wodurch ein Quarzoszillator 40 erhalten wird. In diesem Quarzoszillator 40 sind die
Quarzschwingereinheit 10 und die integrierte Schaltung 41, die wenigstens eine Oszillator
schaltung enthält, welche in Verbindung mit der Quarzschwingereinheit 10 in der dritten Ober
tonmode schwingt, auf einem Metallrahmen 42 montiert, und dieses ist dann mit einem Harz 32
vergossen. Der Quarzoszillator 40 kann auf einer Leiterplatte montiert werden, so daß er eine
Referenzfrequenz liefert, die verschiedene auf der Platte montierte Schaltungen steuert. Da der
Durchmesser der Quarzschwingereinheit 10 gemäß der vorliegenden Erfindung nur 2,0 mm
beträgt, hat auch der erhaltene Oszillator eine sehr geringe Dicke wie 2,5 mm bis 2,7 mm.
Ferner kann die Quarzschwingereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ein stabiles Signal bei
einer sehr hohen Frequenz liefern, und läßt sich damit vorteilhaft bei schnellen elektronischen
Systemen einsetzen.
Wie oben beschrieben, kann ein Quarzelement bei der vorliegenden Erfindung, selbst wenn es in
einer sehr geringen Größe ausgebildet wird, stabil in der dritten Obertonmode ohne Kopplung
mit Störschwingungen bei einer sehr hohen Frequenz schwingen, da es so produziert wird, daß
sein Breiten/Dicken-Verhältnis einen oben beschriebenen speziellen Wert aufweist. Ferner sind in
der vorliegenden Erfindung verschiedene Faktoren bestimmt zum Erhalt eines kleinen
Resonanzwiderstands mit einer geringen Streuung in dem Quarzelement und dem Quarz
schwinger, der unter Verwendung eines rechteckigen AT-Schnitt-Quarzelements zur Verwen
dung in der dritten Obertonschwingung hergestellt ist. Damit kann das Quarzelement gemäß der
vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, eine Quarzschwingereinheit hoher Frequenz
und einen Quarzoszillator mit einer geringen Größe und einem geringen Gewicht zu erhalten, die
zusammen mit ICs in der Form eines SMD montiert werden können. Ferner ist in der vorliegen
den Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Quarzelements hoher Leistungs
fähigkeit mit einer großen Produktionsausbeute offenbart. Damit schafft die vorliegende
Erfindung eine Quarzschwingereinheit und einen Quarzoszillator, die sich zur Verwendung in
verschiedenen elektronischen Anlagen und Systemen wie Kommunikationssystemen oder
Informationsverarbeitungssystemen eignen, welche sich immer noch in rascher Entwicklung hin
zu geringerer Größe, geringerem Gewicht und höherer Geschwindigkeit befinden.
Das Quarzelement, der Quarzschwinger, die Quarzschwingereinheit und der Quarzoszillator
können in verschiedenen Arten elektronischer Geräte und Systeme einschließlich Kommunika
tionssystemen und Informationsverarbeitungssystemen insbesondere als eine Taktsignalquelle
verwendet werden. Insbesondere können die Quarzschwingereinheit und der die
Quarzschwingereinheit verwendende Quarzoszillator eine kleine, leichte Taktsignalquelle liefern,
die bei hoher Frequenz arbeitet und die als SMD in kleinen elektronischen Geräten und
Systemen verwendet werden kann.
Claims (21)
1. Rechteckiges AT-Schnitt-Quarzelement, das zur Verwendung in einer Dritter-Ober
ton-Quarzschwingereinheit ausgelegt und aus einem Einkristallquarz mit einem XY'Z'-Achsensy
stem geschnitten ist, das durch Drehung des orthogonalen XYZ-Koordinatensystems um dessen
X-Achse erhalten wird, wobei die X-Achse als die elektrische Achse, die Y-Achse als die
mechanische Achse und die Z-Achse als die optische Achse definiert ist,
bei dem das Breiten/Dicken-Verhaltnis w/t zwischen der Breite w des AT-Schnitt-Quarz elements in der Richtung längs der Z'-Achse und dessen Dicke t in der Richtung längs der Y'- Achse in einem Bereich liegt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die die Bereiche 8,48 ± 0,05, 12,18 ± 0,05, 13,22 ± 0,07, 14,78 ± 0,07 und 15,57 ± 0,07 enthält, und
das AT-Schnitt-Quarzelement eine einem Ätzprozeß unterzogene Oberfläche aufweist, wobei die maximale Höhe Rmax der Oberflächenrauhigkeit in dem Bereich von mehr als 0,2 µm bis 0,7 µm liegt.
bei dem das Breiten/Dicken-Verhaltnis w/t zwischen der Breite w des AT-Schnitt-Quarz elements in der Richtung längs der Z'-Achse und dessen Dicke t in der Richtung längs der Y'- Achse in einem Bereich liegt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die die Bereiche 8,48 ± 0,05, 12,18 ± 0,05, 13,22 ± 0,07, 14,78 ± 0,07 und 15,57 ± 0,07 enthält, und
das AT-Schnitt-Quarzelement eine einem Ätzprozeß unterzogene Oberfläche aufweist, wobei die maximale Höhe Rmax der Oberflächenrauhigkeit in dem Bereich von mehr als 0,2 µm bis 0,7 µm liegt.
2. AT-Schnitt-Quarzelement nach Anspruch 1, bei dem die Länge des AT-Schnitt-
Quarzelements in der Richtung längs der X-Achse im Bereich von 4000 bis 4700 µm liegt.
3. AT-Schnitt-Quarzelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Breite w in dem
Bereich von 800 bis 1500 µm liegt.
4. AT-Schnitt-Quarzelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die maximale Höhe
Rmax der Oberflächenrauhigkeit in dem Bereich von 0,3 µm bis 0,6 µm liegt.
5. Quarzschwinger mit einem rechteckigen AT-Schnitt-Quarzelement nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, wobei das Breiten/Dicken-Verhältnis w/t in dem Bereich von 8,48 ± 0,05
liegt, sowie mit Elektroden, die auf gegenüberliegenden Oberflächen des AT-Schnitt-Quarz
elements aufgebracht sind, wobei die gegenüberliegenden Oberflächen durch die Dicke t
getrennt sind, die Breite W der in Richtung der Z'-Achse angeordneten Elektrode geringer ist als
die Breite w des AT-Schnitt-Quarzelements und die Zwischenräume zwischen den Kanten der
Elektrode mit der Breite W und den die Breite w des rechteckigen AT-Schnitt-Quarzelements
begrenzenden Kanten im Bereich von 75 µm bis 230 µm liegen.
6. Quarzschwinger nach Anspruch 5, bei dem die Zwischenräume in dem Bereich von
75 µm bis 200 µm liegen.
7. Quarzschwingereinheit mit einem rechteckigen AT-Schnitt-Quarzelement nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Breiten/Dicken-Verhältnis w/t in einem Bereich liegt, der aus
der Gruppe enthaltend 12,18 ± 0,05, 13,22 ± 0,07, 14,78 ± 0,07 und 15,57 ± 0,07
ausgewählt ist, und mit auf gegenüberliegenden Oberflächen des AT-Schnitt-Quarzelements
aufgebrachten Elektroden, wobei die gegenüberliegenden Oberflächen durch die Dicke t getrennt
sind, wobei die Breite W der längs der Z'-Achse angeordneten Elektrode kleiner als die Breite w
des AT-Schnitt-Quarzelements ist und die Zwischenräume zwischen den die Breite W der
Elektrode begrenzenden Kanten und den die Breite w des rechteckigen AT-Schnitt-Quarzele
ments begrenzenden Kanten im Bereich von 75 µm bis 340 µm liegen.
8. Quarzschwingereinheit nach Anspruch 7, bei dem die Zwischenräume in dem Bereich von
75 µm bis 200 µm liegen.
9. Quarzschwingereinheit mit einem rechteckigen AT-Schnitt-Quarzelement nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, und mit auf gegenüberliegenden Oberflächen des AT-Schnitt-Quarzele
ments aufgebrachten Elektroden, wobei die gegenüberliegenden Oberflächen, durch die Dicke t
getrennt sind, und die aufgebrachten Elektroden eine Dicke in einem Bereich aufweisen, der
einer Änderung in dem Bereich von 7000 ppm bis 30000 ppm der Schwingungsfrequenz des mit
den Elektroden versehenen AT-Schnitt-Quarzelements, bezogen auf die Frequenz des AT-Schnitt-
Quarzelements ohne Elektroden, entspricht.
10. Quarzschwingereinheit mit einem rechteckigen AT-Schnitt-Quarzelement nach
einem der Ansprüche 1 bis 4, und mit auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen des AT-Schnitt-
Quarzelements aufgebrachten Elektroden, wobei die gegenüberliegenden Oberflächen durch die
Dicke t getrennt sind, sowie mit einem Tragmechanismus zum Tragen eines Endes der Länge
längs der X-Achse des AT-Schnitt-Quarzelements, wobei der Tragmechanismus Leitungen
enthält, die über ein Lötmittel oder einen leitenden Klebstoff mit den Elektroden verbunden sind.
11. Quarzschwingereinheit mit einem rechteckigen AT-Schnitt-Quarzelement nach
einem der Ansprüche 1 bis 4, und mit einem Quarzhalter zum Schutz des AT-Schnitt-Quarzele
ments, wobei der Quarzhalter einen Durchmesser in dem Bereich von 2,0 mm ± 0,2 mm und
eine Länge in dem Bereich von 6,0 mm ± 0,5 mm aufweist.
12. Quarzschwingereinheit nach Anspruch 11, bei dem die Breite w des AT-Schnitt-
Quarzelements im Bereich von 800 µm bis 1500 µm liegt und die Länge l in der Richtung längs
der X-Achse in dem Bereich von 4000 µm bis 4700 µm liegt.
13. Quarzschwingereinheit nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der Quarzhalter mit
einem Formmaterial vergossen ist.
14. Quarzoszillator mit einem Quarzhalter zur Aufnahme und zum Schutz eines recht
eckigen AT-Schnitt-Quarzelements nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und einer integrierten
Schaltung mit einer Oszillatorschaltung, die das AT-Schnitt-Quarzelement in Schwingungen
wobei der Quarzhalter und die integrierte Schaltung mit einem Formmaterial vergossen
versetzt,
sind.
15. Quarzoszillator nach Anspruch 14, bei dem der Quarzhalter einen Durchmesser im
Bereich von 2,0 mm ± 0,2 mm und eine Länge im Bereich von 6,0 mm ± 0,5 mm aufweist.
16. Quarzoszillator nach Anspruch 14, bei dem die Breite w des AT-Schnitt-Quarzele
ments im Bereich von 800 µm bis 1500 µm liegt und die Länge l in der Richtung längs der X-
Achse im Bereich von 4000 µm bis 4700 µm liegt.
17. Verfahren zur Herstellung eines AT-Schnitt-Quarzelements gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Oberfläche eines aus einem Quarzkristall geschnittenen Wafers
unter Verwendung eines Schleifmittels derart geläppt wird, daß die maximale Höhe Rmax der
Oberflächenrauhigkeit der Oberfläche in dem Bereich von mehr als 0,2 µm bis 0,7 µm liegt, und
diese Oberfläche unmittelbar nachfolgend einem Ätzprozeß unterzogen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Abtragungstiefe jeder Oberfläche in dem
Ätzprozeß in dem Bereich von 0,5 µm bis 2,5 µm liegt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem der Endbehandlungsläpprozeß, der
unmittelbar vor dem Ätzprozeß ausgeführt wird, unter Verwendung eines Schleifmittels auf
Aluminiumoxidbasis, das eine mittlere Korngröße im Bereich von 2,5 µm bis 3 µm aufweist,
ausgeführt wird.
20. Verfahren zur Herstellung eines Quarzelements nach Anspruch 17, 18 oder 19, bei
dem der Ätzprozeß unter Verwendung eines 10-30%igen Flußsäureätzmittels ausgeführt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, das einen Filmabscheidungsprozeß
zur Ausbildung von Elektroden durch Abscheidung eines Metallelektrodenmaterials auf den
beiden durch die Dicke des AT-Schnitt-Quarzelements getrennten gegenüberliegenden Ober
flächen beinhaltet, wobei die Änderung der Schwingungsfrequenz des Quarzelements, die bei
dem Filmabscheidungsprozeß auftritt, in dem Bereich von 7000 ppm bis 30 000 ppm liegt.
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