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Die Erfindung bezieht sich auf einen Aufbau, durch den
ein Resonator mit einer ultradünnen piezoelektrischen
Platte, die Resonanzfrequenzen in der Größenordnung von
etwa 10 bis 100 Megahertz erzeugen kann, in einer
Kapsel gehalten wird.
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In den letzten Jahren ist der Bedarf an mit
Hochfrequenz und hoher Frequenzstabilität arbeitenden
verschiedensten Bauteilen der Elektronik und von
Kommunikationseinrichtungen stark gestiegen. Ein normaler AT-
Quarzkristall-Resonator, wie er bislang überwiegend als
piezoelektrisches Bauelement (Z. B. als Resonator oder
Filter) verwendet wird, hat zwar eine exzellente
Temperatur-Frequenz-Kennlinie. Da jedoch seine
Resonanzfrequenz umgekehrt proportional zu seiner Dicke ist, liegt
seine Grundfrequenz bei einer maximalen Festigkeit, die
für praktische Zwecke ausreichend ist, höchstens bei
etwa 40 MHz.
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Häufig wird auch ein sogenanntes
Oberton-Schwingungsmittel verwendet, die eine höhere harmonische
Schwingung eines AT-Quarzkristall-Resonators zur Bildung
einer Frequenz heranzieht, die ein ungerades Vielfaches
der Grundresonanzfrequenz ist; doch benötigt sein
Schwingkreis einen LC-Abstimmkreis mit einer Spule, so
daß er nicht zur Herstellung in Form einer integrierten
Halbleiterschaltung geeignet ist. Darüber hinaus ist
der Oberton-Schwingkreis mitunter schwer zu aktivieren,
weil ein solcher Resonator ein großes
Kapazitätsverhältnis und mithin eine hohe Impedanz aufweist.
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Dagegen ist es gelungen, einen Oberflächenschallwellen-
Resonator (surface acoustic wave (SAW) resonator)
herzustellen, dessen Schwingungsfrequenz durch die Teilung
von Elektroden eines Interdigitalumformers bestimmt
wird und der in der Lage ist, eine Maximalfrequenz von
etwa 1 GHz infolge des Fortschritts in der
Fotolithografie abzugeben, doch ist ein piezoelektrisches
Substrat, das für den SAW-Resonator verwendet werden
kann, merklich schlechter als der AT-Quarzkristall
hinsichtlich der Temperatur-Frequenz-Kennlinie.
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Um diese Probleme zu lösen, ist firmenintern, d. h.
nicht öffentlich, ein piezoelektrischer Resonator
vorgeschlagen worden, wie er in den Fig. 5(a), 5(b), 6(a)
und 6(b) dargestellt ist.
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Das heißt, es wurde ein Hohlraum oder eine Vertiefung 5
durch maschinelle Bearbeitung oder Ätzung in der einen
Seite eines Blocks 1 eines AT-Quarzkristalls weitgehend
in dessen Mitte ausgebildet, wie es in den Fig. 5(a)
und 5(b) dargestellt ist, und bei dem die Dicke eines
schwingfähigen Teils 2, der den Boden des Hohlraums 5
bildet, beispielsweise etwa gleich 16 um für eine
Grundresonanzfrequenz von 100 MHz betrug.
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Auf derjenigen Seite des Blocks, wo sich der Hohlraum 5
befindet, ist der ultradünne schwingfähige Teil 2 von
einer rahmenartigen Rippe 3 umrandet, die einteilig mit
diesem ausgebildet ist. Die gewünschte Form des
ultra
dünnen schwingfähigen Teils 2 kann durch die
rahmenartige Rippe 3 beibehalten werden. In diesem Fall ist es
von Vorteil, daß die anregenden Elektroden für den
piezoelektrischen Block aus einer Gesamtelektrode 12, die
auf der einen Seite des Blocks, wo der Hohlraum 5
vorgesehen ist, und einer Partialelektrode 14 sowie einem
Elektroden-Leitungsmuster 14a, 14b auf der
gegenüberliegenden Seite des Hohlraums 5 zusammengesetzt sind,
wobei sich das Elektroden-Leiterteil 14a von der
Partialelektrode 14 bis zu einer Endfläche des Blocks
erstreckt.
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Es ist technisch vorteilhaft, einen Resonator mit dem
erwähnten Aufbau mit seiner Oberseite nach unten - mit
der offenen Seite des Hohlraums 5 nach unten - in einer
Kapsel 11 aus Keramik oder ähnlichem Material
unterzubringen bzw. zu verpacken, die einen konkaven
Aufnahmeraum 10 in ihrer Mitte aufweist, und die Oberseite 3a
auf der einen Seite des rahmenartigen Randteils 3 durch
einen elektrisch leitenden Klebstoff 15, der in Form
einer mit dieser Seite fluchtenden Linie darauf
aufgebracht ist, mit einer elektrisch leitenden Folie 16
mechanisch und elektrisch zu verbinden, die auf dem Boden
des Aufnahmeraums 10 freiliegt, hermetisch durch die
Kapsel hindurchgeht und mit einem äußeren Leiterteil 17
verbunden ist, der auf der Außenseite der Kapsel
vorsteht oder auf dieser freiliegt, wie es in Fig. 6(a)
und 6(b) dargestellt ist.
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Man hat zunächst geglaubt, daß die Elektrodenanordnung
nach den Fig. 5(a), 5(b), 6(a) und 6(b) kein besonderes
Verfahren der Montage des Resonators in der flachen
Kapsel und der Verbindung der einen Elektrode mit einem
äußeren Leiterteil erfordere, sondern daß dies auf
einfache Weise durch Befestigung des Resonators auf der
einen Seite der Gesamtelektrode an einer leitenden
Folie möglich sei, die auf dem Boden der Kapsel
freiliegt, und zwar mittels eines elektrisch leitenden
Klebstoffs.
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Es wurde jedoch praktisch nicht untersucht, welches
Verfahren am besten zur Befestigung des Resonators mit
einem solchen Aufbau in einer gewünschten Kapsel
geeignet ist, ohne seine verschiedenen Eigenschaften zu
verschlechtern, zum Teil weil der Resonator nur in
Laboratorien untersucht und nicht in Serie produziert wurde.
Als Ergebnis einer versuchsweisen Herstellung eines
solchen Resonators, wie er hier geschildert wurde, hat
sich herausgestellt, daß es schwierig ist, den Bereich
zum Verbinden des einen Randteils des Resonators mit
dem Boden der flachen Kapsel durch einen leitenden
Klebstoff zu definieren, weil der Resonator höchstens
etwa 3 mm · 3 mm groß ist, um den Anforderungen an eine
Mikrominiaturisierung verschiedener Bauteile
elektronischer Einrichtungen zu genügen. Ferner hat sich auch
herausgestellt, daß im Klebstoff bei seiner Aushärtung
austretende mechanische Spannungen unmittelbar auf den
Resonator übertragen werden, wo sie unvermeidlich
Änderungen seiner Resonanzfrequenz und Temperatur-Frequenz-
Kennlinie nach der Einkapselung bewirken.
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Im Hinblick auf die Tatsache, daß verschiedene
Eigenschaften eines piezoelektrischen Resonators, der ein
derartiges ultradünnes piezoelektrisches Substrat
aufweist, wie es vorstehend erwähnt wurde, erheblich
dadurch beeinflußt werden, an welcher Stelle der
Resonator an einer vorbestimmten Kapsel befestigt ist,
besteht ein Ziel der Erfindung darin, einen
Halterungsaufbau für einen ultradünnen Quarzkristall-Resonator
anzugeben, der Änderungen der verschiedenen
Eigenschaf
ten des piezoelektrischen Bauelements, insbesondere der
Temperatur-Frequenz-Kennlinie, unterdrückt.
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Erfindungsgemäß ist bei einem Aufbau eines
piezoelektrischen Resonators, der in einer Kapsel untergebracht
ist und einen ultradünnen schwingfähigen Teil, der
durch einen Hohlraum in der einen Seite eines AT-
Quarzkristallblocks im wesentlichen in dessen Mitte
gebildet ist, und eine dünne rahmenartige Rippe, die mit
dem schwingfähigen Teil einteilig ausgebildet ist und
diesen umgibt, aufweist, der Resonator in der Kapsel
durch einen langgestreckten, mit Klebstoff
beschichteten und sich in Richtung der Z-Achse des Kristalls
erstreckenden Bereich an der Kapsel befestigt.
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Das piezoelektrische Bauteil mit dem in den Fig. 5(a)
und (b) dargestellten Aufbau hat sich manchmal als
fehlerhaft erwiesen, weil der Resonator sehr klein und es
daher schwierig ist, die Menge an leitendem Klebstoff
zu steuern, die zum Ankleben des oberen Bereich 3a auf
der einen Seite der rahmenartigen Rippe 3 am Boden der
Kapsel 11 verwendet wird, so daß überschüssiger
Klebstoff mitunter in den Hohlraum 5 fließt und die Dicke
des schwingfähigen Teils 2 vergrößert, was eine
Änderung der Resonanzfrequenz bewirkt.
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Um dieses Problem zu lösen, kann ein Aufbau vorgesehen
sein, bei dem der Resonator eine Nut oder einen Schlitz
zur Aufnahme von überschüssigem Klebstoff in dem
Randteil der rahmenartigen Rippe längs der einen Seite des
Hohlraums zwischen dem mit Klebstoff beschichteten
Bereich, in dem der Resonator an der Kapsel befestigt
ist, und dem Rand des Hohlraums aufweist, um zu
verhindern, daß der Klebstoff aus dem mit Klebstoff
beschichteten Bereich in den Hohlraum fließt.
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In den beiliegenden Zeichnungen stellen dar:
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Fig. 1(a), (b), und (c) jeweils eine perspektivische
Ansicht, Draufsicht und Querschnittsansicht des Aufbaus
eines das Merkmal nach Anspruch 2 aufweisenden
Quarzkristall-Resonators,
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Fig. 2(a) und (b) Draufsichten abgewandelter
Ausführungsformen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,
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Fig. 2(c) einen Teil einer weiteren Abwandlung in
Draufsicht,
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Fig. 3(a) und (b) Draufsichten verschiedener
Ausführungsbeispiele von Resonatoren, die das Hauptmerkmal
der Erfindung aufweisen,
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Fig. 4(a) und (b) grafische Darstellungen der Daten
von Vergleichsuntersuchungen zur Bestätigung der
Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Merkmals,
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Fig. 5(a) und (b) jeweils perspektivische Ansichten
eines vorgeschlagenen, jedoch nicht veröffentlichten
Resonators mit einer ultradünnen piezoelektrischen
Platte und den Schnitt X-X nach Fig. 5(a) und
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Fig. 6(a) und (b) jeweils eine Schnittansicht und
eine Draufsicht zur Veranschaulichung der Unterbringung
des eine ultradünne piezoelektrische Platte
aufweisenden Resonators in einer Kapsel.
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Bei dem AT-Quarzkristall-Resonator nach den Fig. 1(a)
und 1(b) ist ein Hohlraum 5 durch Ätzen oder machinelle
Bearbeitung in der einen Seite eines rechteckigen
parallelepipedförmigen Blocks 1 aus AT-Quarzkristall im
wesentlichen in dessen Mitte ausgebildet, so daß der
Boden des Hohlraums 5 einen ultradünnen schwingfähigen
Teil 2 bildet, der durch einen dicken rahmenartigen
Randteil (eine Rippe) 3 umrandet ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist jedoch oben im Randteil der Rippe
3 längs eines mit einem elektrisch leitenden Klebstoff
beschichteten Teils 3a (zum Befestigen des
Quarzkristalls) in der Nähe des Hohlraums 5 eine Nut 40 zur
Aufnahme von überschüssigem Klebstoff ausgebildet, so
daß überschüssiger Klebstoff 15, der aus dem mit
Klebstoff beschichteten Teil herausquillt, wenn der
Resonator an der Kapsel angeklebt wird, in die Nut 40 fließt
und mithin dann daran gehindert wird, in den Hohlraum 5
zu fließen.
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Die Nut 40 kann gleichzeitig mit der Ausbildung des
Hohlraums 5 geätzt werden, so daß dafür kein besonderer
Herstellungsschritt erforderlich ist.
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Die Nut 40 muß weitgehend parallel zu dem mit dem
leitfähigen Klebstoff beschichteten Bereich 3a verlaufen,
während ihre Breite, Länge, Tiefe und Form so zu wählen
ist, daß der überlaufende überschüssige Klebstoff 15
daran gehindert wird, in den Hohlraum 5 zu fließen.
Unter diesem Gesichtspunkt kann die Nut 40 auch ein
Schlitz sein, der sich durch den rahmenartigen Randteil
der Rippe 3 erstreckt.
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Die Nut 40 muß nicht immer die dargestellte geradlinige
Form haben, sondern kann auch an beiden Enden mit
großen Klebstoff-Reservoirs 41 versehen sein, wie sie in
Fig. 2(a) dargestellt sind. Alternativ ist es auch
möglich, die Nut 40 an einem Rand des Quarzkristallblocks
1 in der Nähe des mit Klebstoff beschichteten Bereichs
3a zu öffnen, um den überschüssigen Klebstoff 5 auf den
Boden der Kapsel durch die offenen Enden 42 hinablaufen
zu lassen. Auf diese Weise kann die Fläche, auf der der
Quarzkristall-Block 1 mit dem Boden der Kapsel
verbunden wird, begrenzt werden.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Resonator
freitragend an einem Randteil der rahmenartigen Rippe
festgehalten. Ein solcher Aufbau ermöglicht zwar eine
Verringerung von Änderungen der Resonanzfrequenz des
Resonators, so daß seine Temperatur-Frequenz-Kennlinie und
andere Eigenschaften verbessert werden. Bei diesem
Aufbau ist es jedoch sehr wahrscheinlich, daß der
Resonator infolge von Vibrationen oder Stößen, die auf ihn
einwirken, flattert und abbricht. Um dies zu vermeiden,
kann der Randteil 3b der rahmenartigen Rippe auf der
dem mit Klebstoff beschichteten Bereich 3a
gegenüberliegenden Seite des Hohlraums 5 manchmal an einer Ecke
3b' mit dem Boden der Kapsel zugunsten einer
Verbesserung der erwähnten verschiedenen Kennlinien bzw.
Eigenschaften des Resonators verbunden sein. Ferner kann in
einem solchen Fall eine Nut 45 vorzugsweise vorgesehen
sein, wie es in Fig. 2(c) dargestellt ist, um die
Verbindungsfläche zwischen dem Teil 3b und dem Boden der
Kapsel zu begrenzen.
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Der den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2
zugrundeliegende Gedanke besteht in der Ausbildung eines
Aufbaus, durch den verhindert wird, daß der Klebstoff
in den Hohlraum fließt, indem die Nut zur Aufnahme von
überschüssigem Klebstoff oben in einem Randteil der
rahmenartigen Rippe zwischen dem mit Klebstoff
beschichteten Bereich und dem Hohlraum ausgebildet wird,
wie es zuvor beschrieben wurde.
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Obwohl bei diesen Ausführungsbeispielen der
piezoelektrische Resonator so eingekapselt wird, daß sein
Hohl
raum dem Boden der Kapsel zugekehrt ist, versteht sich,
daß der Resonator so eingekapselt werden kann, daß
seine ebene Oberfläche dem Boden der Kapsel zugekehrt ist.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird zwar
ein rechteckiger Block aus piezoelektrischem Material
verwendet, doch ist diese Form lediglich erforderlich,
um eine gruppenweise Massenherstellung des Resonators
zu ermöglichen, so daß die Erfindung nicht speziell
darauf beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung auch
bei Resonatoren angewandt werden, die in der Draufsicht
kreisförmig, polygonal oder anders geformt sind.
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Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1(a) bis (c) und
2(a) bis (c) stellen mithin Lösungen des erwähnten
Problems dar und sind in der Lage, nahezu vollständig zu
verhindern, daß, wenn der Resonator, der den
ultradünnen schwingfähigen Teil aufweist, mit dem Boden seiner
Kapsel verbunden wird, überschüssiger Klebstoff in den
schwingfähigen Teil des Resonators fließt und eine
Änderung seiner Resonanzfrequenz bewirkt. Ferner
erfordern diese Ausführungsbeispiele keinen hochpräzisen
Klebstoffspender und mithin keine besondere
Einrichtung, und sie gestatten die gleichzeitige Ausbildung
der den überschüssigen Klebstoff aufnehmenden Nut und
des Hohlraums. Mithin verbessert der Aufbau der
erwähnten Ausführungsbeispiele nicht nur die Produktionsrate
des Produkts, sondern er verbilligt auch die
Herstellung dieser Art von piezoelektrischem Resonator.
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Wie schon erwähnt wurde, hat sich bei einer
versuchsweisen Serienfertigung des in den Fig. 5(a) und (b)
dargestellten AT-Quarzkristall-Resonators
herausgestellt, daß sich seine Temperatur-Frequenz-Kennlinie
erheblich in Abhängigkeit davon ändert, an welcher
Stelle der Resonator mit dem Boden der Kapsel verbunden
ist.
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Zur weiteren Untersuchung dieses Problems haben die
Erfinder zehn Proben, bei denen der Resonator 9 mit dem
Boden der Kapsel an einem Randteil der rahmenartigen
Rippe 3 längs der Z-Achse der AT-Quarzkristall-Blocks 1
verbunden war, und zehn Proben herstellt, bei denen der
Resonator 9 mit dem Boden der Kapsel längs der X-Achse
des Blocks 1 befestigt war, wie es in Fig. 3(a)
dargestellt ist, und dann haben sie Versuche hinsichtlich
der Änderung der Temperatur-Frequenz-Kennlinien der
Proben durchgeführt. Die Fig. 4(a) und (b) stellen die
Ergebnisse dieser Versuche dar.
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Wie die Versuchsergebnisse zeigen, ist die Änderung der
Temperatur-Frequenz-Kennlinie des an der Kapsel längs
der Z-Achse des AT-Quarzkristall-Blocks 1 befestigten
Resonators kleiner als bei dem an der Kapsel längs der
X-Achse des AT-Quarzkristall-Blocks 1 befestigten
Resonator.
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Hinsichtlich anderer Eigenschaften wurden keine
signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Arten von
piezoelektrischen Bauelementen festgestellt, obwohl
hier keine Versuchsdaten angegeben sind.
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Obwohl bislang nicht klar ist, was der Grund für diese
Versuchsergebnisse ist, ist doch in jedem Falle klar,
daß der Resonator mit der AT-Quarzkristall-Platte an
der Kapsel längs der Z-Achse befestigt werden sollte.
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Die Erfindung ist zwar am Beispiel eines Falles
beschrieben worden, bei dem ein Resonator, der einen
rechteckigen Quarzkristall-Block aufweist, mit einem
Randteil der den Hohlraum umgebenden rahmenartigen
Rippe an der Kapsel befestigt ist, doch ist sie nicht
immer speziell darauf beschränkt. Wenn der Quarzkristall-
Block 1 beispielsweise scheibenförmig ist, wie es in
Fig. 3(b) dargestellt ist, braucht der Klebstoff 15
lediglich auf einem Randteil längs ihrer Z-Achse
aufgebracht zu werden. Selbst wenn der Resonator mit der
Kapsel fest an einem Randteil längs der Z-Achse auf der
ebenen Oberfläche des Quarzkristall-Blocks 1 auf der
gegenüberliegenden Seite des Hohlraums 5 befestigt ist,
ist der erwähnte Effekt erzielbar. Ferner ist die
Erfindung auch bei einem Resonator anwendbar, der die
Partialelektrode auf derjenigen Seite des AT-
Quarzkristall-Blocks 1 aufweist, auf der der Hohlraum 5
vorgesehen ist, und der die Gesamtelektrode auf der
gegenüberliegenden Seite aufweist, und das
piezoelektrische Bauelement, einschließlich der AT-Quarzkristall-
Platte nach der vorliegenden Erfindung, kann auch ein
Resonator und ein Filterelement sein (einschließlich
ein sogenanntes Mehrmoden-Quarzkristall-Filterelement
mit geschlitzten Elektroden).
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Für die Befestigung des Resonators in der Kapsel kann
es auch zweckmäßig sein, daß der Bereich, in dem der
Klebstoff aufzubringen ist, beiderseits deutlich durch
Farbe markiert ist.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele nach den Fig.
3(a) und 3(b) ermöglichen eine Verringerung der
Änderung der Temperatur-Frequenz-Kennlinie des ultradünnen
piezoelektrischen Resonators bei seiner
Serienfertigung, ohne daß ein besonderer Verfahrensschritt
erforderlich ist, so daß die Herstellung piezoelektrischer
Bauelemente mit gleichbleibender Qualität
sichergestellt ist.