-
Diese Erfindung bezieht sich auf die Temperaturmessung, und
insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Bestimmung der Temperatur eines piezoelektrischen
Kristalloszillators.
-
Piezoelektrische, d. h. Quarzkristall-Oszillatoren oder
Resonatoren werden in weitem Umfang als Frequenznormale
verwendet, beispielsweise für Frequenzsyntheseanwendungen.
Obwohl der Frequenzgang eines Quarzbauteils bei
Temperaturänderungen relativ klein ist, ist er für Anwendungen mit
engen Toleranzen von erheblicher Bedeutung und muß daher
durch die Ableitung eines Fehlersignals kompensiert werden.
Eine bevorzugte Lösung dieses Problems besteht darin, den
Quarzkristall selbst als Temperatursensor zu verwenden. Es
wurde festgestellt, daß einige Harmonische einen stärkeren
Frequenzgang mit der Temperatur aufweisen, als andere.
-
Eine Lösung dieses Problems ist in der EP-A-0 136 627
beschrieben, die sich auf eine Resonatoranordnung bezieht, bei
der zwei Harmonische einer Grundfrequenz verglichen werden,
um ein Maß der Kristalltemperatur abzuleiten.
-
Eine weitere Lösung des Problems ist beispielsweise in dem
US-Patent 4 872 765 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird
das Korrektursignal von einem Signal abgeleitet, das gleich
mFn-nFm ist, worin Fn die n-te harmonische Frequenz
und Fm die (eine niedrigere Frequenz aufweisende) m-te
Harmonische ist. Diese Lösung leidet an dem Nachteil, daß
die relativ großen Unterschiede zwischen den
Schwingungsbereichen der Oberschwingungsfrequenzen sehr starke
Beschränkungen hinsichtlich der Konstruktion eines kompakten Kristalls
bedingen, der ein gutes Betriebsverhalten bei den verschiedenen
harmonischen Frequenzen liefern muß. Wenn beispielsweise die
Schwingungen eines Kristalls mit einem Durchmesser von 10 um
und mit einem SC-Schnitt auf den Mittelpunkt des Bauteils
begrenzt werden sollen, um unerwünschte Wechselwirkungen mit
Biegemoden zu vermeiden, ist eine Oberflächenkontur von
ungefähr 7 Dioptrien erforderlich. Ein derartig hohes Ausmaß einer
Oberflächenkrümmung führt beispielsweise dazu, daß die dritte
Oberton-Mode extrem empfindlich gegen Auswirkungen von kleinen
Oberflächenunregelmäßigkeiten wird, die zu einer Wechselwirkung
mit Biegemoden führen.
-
Eine weitere Lösung besteht in der Verwendung von Harmonischen
von zwei unterschiedlichen Modenklassen. Diese Technik ist
beispielsweise in dem US-Patent 4 468 634 beschrieben, die die
Verwendung eines Stimmgabelresonators beschreibt, der sowohl in
einer Torsions- als auch einer Biegebetriebsart schwingt. Die
Frequenzdifferenz zwischen diesen beiden Moden ist
temperaturabhängig und ergibt somit ein Maß der Kristalltemperatur. Diese
Technik ergibt jedoch schwerwiegende Beschränkungen hinsichtlich
der Konstruktion des Resonators. Andere auf diesem Gebiet Tätige
haben die Verwendung einer B-Moden-Harmonischen zusammen mit
einer C-Moden-Harmonischen vorgeschlagen. Dies kann im Prinzip
eine genaue Temperaturmessung ergeben. Es wurde jedoch
festgestellt, daß es bei Kristallschnitten, bei denen die C-Mode
relativ stabil ist, nahezu unmöglich ist, eine Kopplung zwischen
den B-Moden und den Biegemoden vollständig zu vermeiden.
Entsprechend weist die B-Mode bei bestimmten Temperaturen
erhebliche Verzerrungen ihres Temperaturganges auf. Weiterhin wurde
festgestellt, daß die Frequenz des B-Moden-Oszillators
gegenüber Beanspruchungen empfindlich ist, die sich aus der
Temperaturänderungsgeschwindigkeit ergeben, wodurch eine
weitere Ungenauigkeit eingeführt wird.
-
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in einer
weitgehenden Verringerung oder Beseitigung dieser Nachteile.
-
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines
piezoelektrischen Resonator-Temperatursensors, der eine hohe
Genauigkeit aufweist und einen stabilen Betrieb ergibt.
-
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung der
Temperatur eines Kristallresonators geschaffen, der einen
linsenförmigen Quarzkörper umfaßt, wobei das Verfahren die
Schaffung einer Vielzahl von Elektroden auf dem Körper, die
Erzeugung von harmonischen Schwingungen über die Elektroden
und den Vergleich der Frequenzen der Harmonischen umfaßt,
um auf diese Weise ein Signal abzuleiten, das die Resonator-
Temperatur anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Harmonischen jeweils eine als jeweils eine von jeweiligen ersten
und zweiten C-Moden-Grundschwingungen erzeugt werden und
zueinander in nichtharmonischer Beziehung stehen, von ähnlicher
Frequenz sind und die gleiche Oberschwingungsordnung haben, daß
jede der harmonischen Schwingungen eine Schermoden-Schwingung
ist, die als eine (n, a, b)-Schwingung gekennzeichnet ist,
worin n die Oberschwingungsnummer ist und gleich der Anzahl
von Knoten entlang einer ersten Richtung ist, a die Anzahl
von Schwingungsbäuchen entlang einer zweiten Richtung
senkrecht zu der ersten Richtung ist, und b die Anzahl von
Schwingungsbäuchen entlang einer dritten Richtung senkrecht
zu den ersten und zweiten Richtungen ist.
-
Die beiden Schwingungen werden als zueinander in
nichtharmonischer Beziehung stehende Signale bezeichnet.
Typischerweise übersteigt die höhere Frequenz die niedrigere Frequenz
um weniger als 5% und vorzugsweise um 2% oder weniger.
Speziell ist keine Frequenz eine einfache Vielfache oder
ein einfacher rationaler Bruchteil der anderen. Weil die
nichtharmonischen Signale eine ähnliche Frequenz und
Schwingungsart aufweisen, sind die Auswirkungen
beispielsweise eines Modeneinfangens ähnlich, so daß eine kompakte
Kristallkonstruktion ein gutes Betriebsverhalten in beiden
nichtharmischen Moden liefern kann. Weiterhin kann die
Auswahl zwischen den Moden durch die Verwendung geeigneter
Elektrodenstrukturen und durch Steuerung der Ansteuerphase
des die Schwingung aufrechterhaltenden Verstärkers bestimmt
werden, wodurch Probleme vermieden werden, die sich aus der
Verwendung von unterschiedlichen frequenzselektiven Elementen
ergeben. Weil die harmonischen Schwingungen hinsichtlich
ihrer Frequenz einen engen Abstand aufweisen und von ähnlicher
Art sind, werden sie zusätzlich in gleicher Weise durch
Strahlung und anderer Umgebungsbedingungen beeinflußt.
-
Die Technik ist von spezieller Anwendung für die
Temperaturkompensation von Kristalloszillatoren unter Verwendung von
Frequenzsynthese-Techniken.
-
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
Fig. 1 eine teilweise schematische Draufsicht auf
einen Kristallresonator ist, der zur Schwingung in zwei
Schwingungsmoden ausgebildet und mit Elektroden versehen ist,
-
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Resonators nach
Fig. 1 ist,
-
Fig. 3 und 4 zwei Ausführungsformen von
Modenerregungsschaltungen zur Verwendung mit dem Resonator nach
Fig. 1 sind,
-
Fig. 5 und 6 die räumliche Verteilung von typischen
SC-Schwingungsmoden zeigen, und
-
Fig. 7 eine Frequenzsynthesizerschaltung zeigt, die
einen Kristallresonator beinhaltet und mit einer
Temperaturregelung für die Ausgangsfrequenz versehen ist.
-
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist zu erkennen, daß
der Resonantor einen allgemein linsenförmigen Quarzkörper 1
umfaßt, der mit Metall-Elektroden 13, 14 und 15, beispielsweise
Nickelchrom-/Gold-Elektroden, versehen ist. Es wird
vorzugsweise ein Kristall mit SC-Schnitt verwendet. Zur Unterstützung
des Verständnisses der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2
sind zueinander senkrechte Vektoren i, j und k gezeigt, die
drei räumliche Bezugsrichtungen definieren. Andere geeignete
Kristallschnitte schließen die AT- und BT-Schnitte ein. Der
Kristall kann auf einer Fläche eben sein, oder beide Flächen
können mit einer Kontur versehen sein.
-
Die Elektroden 13, 14 und 15 sind so auf der
Resonatoroberfläche angeordnet, daß sie zwei eine ähnliche Frequenz
aufweisende C-Moden-Schwingungen erzeugen, die allgemein durch
die Pfeile X und Y angezeigt sind. Diese Pfeile zeigen die
örtlichen Bewegungen entsprechend den beiden harmonischen
Moden zu einem Zeitpunkt für die (n, 2,1)- bzw. (n, 1,1)-
Mode an. Vorzugsweise ist n eine ungerade ganze Zahl.
-
In vorteilhafter Weise werden die Schwingungen über eine
Elektrodenstruktur angeregt, die eine bevorzugte Kopplung
durch unterschiedliche Oszillatoren an unterschiedliche
nichtharmonische Moden ermöglicht, wodurch die Notwendigkeit
einer Schmalband-Frequenzauswahl oder ein Einfangen in dem
die Schwingung aufrechterhaltenden Verstärker vermieden wird.
-
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Elektrodenanordnung ist
für einen Kristall mit SC-Schnitt geeignet. Für einen Kristall
mit einem AT-Schnitt würde eine Elektrodenanordnung ähnlich der
einer monolithischen Doppelkristallfilters besser geeignet sein.
-
Die Moden werden durch Anlegen geeigneter Potentiale an die
Elektroden erregt. Bei einem Kristall vom SC-Schnitt erregt
beispielsweise das Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen
den äußeren Elektroden 13 und 15 bei mit einem in der Mitte
zwischen den Potentialen der äußeren Elektrode liegenden
Potential an der Mittelelektrode vorzugsweise eine (n, 1,1)-
Mode. Eine Schaltung zur Erzeugung derartiger
Potentialbedingungen ist in Fig. 3 gezeigt. Die Schaltungsausgänge 33,
und 35 sind mit den Elektroden 13, 14 bzw. 15 gekoppelt.
-
Fig. 4 zeigt eine alternative Schaltung zur vorzugsweisen
Erregung einer (n, 2,1)-Mode oder einer (n, 1,2)-Mode, wobei
die spezielle Mode durch die Kristallausrichtung bestimmt ist.
Diese Schaltung legt identische Potentiale über Ausgänge 43
und 45 an die Elektroden 13 und 15 an und legt weitere
Potentiale über den Ausgang 44 an die Elektrode 14 an.
-
Die Schaltungen nach den Fig. 3 und 4 können gleichzeitig
verwendet werden, weil jede lediglich eine unbedeutende
Auswirkung auf die andere hat.
-
Es ist klar, daß ein weiter Bereich von harmonischen Moden zur
Verfügung steht, wobei diese Moden in gewisser Weise analog zu
den verschiedenen Schwingungsmoden einer ebenen Platte sind.
Das System der Klassifizierung dieser Moden wird nachfolgend
definiert.
-
Jede Mode ist durch eine dreistellige Charakteristik der Form
(n, a, b) definiert, worin:
-
n die Oberschwingungsnummer ist, d. h. die Anzahl der
Knoten entlang der Richtung k nach Fig. 1,
-
a die Anzahl der Schwingungsbäuche entlang der Richtung
j nach Fig. 1 ist, und
-
b die Anzahl der Schwingungsbäuche in einer Richtung
senkrecht zu der der Richtungen j und k ist, d. h. in
der Richtung i nach Fig. 1.
-
Typischerweise verwenden wir eine (n, 1,1)-Oberschwingung
zusammen mit irgendeiner der (n, 2,1)-, der (n, 1,2)- oder
der (n, 2,2)-Oberschwingungen. Der Wert von n ist eine ganze
Zahl unter Einschluß von 1. Typischerweise verwenden wir
dritte Oberschwingungen oder Schwingungen, für die n = 3 ist.
-
Die Fig. 5 und 6 zeigen die räumliche Verteilung der
Amplituden der nichtharmonischen Schwingungsmoden für ein
Kristallelement mit vier Dioptrien. Die Kurven zeigen die
räumliche Verteilung der nichtharmonischen Schwingungen
gegenüber dem Abstand von dem Kristallmittelpunkt entlang
der vorstehend definierten i- und j-Richtungen.
-
Fig. 5 zeigt die Amplitude oder Intensitätsverteilung für
einen Satz von Grund- oder ersten harmonischen Schwingungen,
für die n = 1 ist. Zu Vergleichszwecken zeigt Fig. 5 eine
Anordnung, bei der nicht alle Modenenergien innerhalb eines
Kreises mit einem Radius von 5 mm eingefangen sind. Es wird
bevorzugt, eine Anordnung zu verwenden, bei der im wesentlichen
die gesamte Modenenergie begrenzt ist, so daß eine Störung des
Temperatur-/Frequenzganges der Moden vermieden wird. Unter
diesen Umständen kann eine steilere Kristallkontur verwendet
werden, um eine Modenaufspreizung zu verringern.
-
Fig. 6 zeigt die Amplituden- oder Intensitätsverteilung eines
entsprechenden Satzes von Schwingungen der dritten harmonischen
(n = 3). Wie dies aus Fig. 6 zu erkennen ist, nimmt die
Intensität der dritten harmonischen Moden sehr schnell auf Null ab,
so daß im wesentlichen die gesamte Energie in einem Kreis mit
einem Radius von 5 mm eingefangen ist.
-
Der richtige Wert (oder die Werte) von n, die für irgendein
spezielles Kristallelement ausgewählt werden können, können
entsprechend der Kristallkonstruktion bestimmt werden. Wenn
beispielsweise der Kristall eine steile Kontur hat, so daß
die Grundschwingung beispielsweise in einem Kreis von 5 mm
eingefangen ist, so besteht die Möglichkeit einer Kopplung
zwischen der Schwingung mit der dritten Harmonischen und den
Biegeschwingungsmoden des Kristalls. Unter diesen Umständen
würde es sinnvoll sein, Schwingungsmoden auszuwählen, für die
n = 1 ist. Wenn andererseits der Kristall eine flache Kontur
mit einer entsprechenden Aufspreizung der Grundschwingungen
hat, so würde es besser sein, Moden höherer Ordnung
auszuwählen, beispielsweise solche, für die n = 3 ist.
-
Es ist damit zu erkennen, daß für eine bestimmte
Kristallkonstruktion es möglich ist, zwei nichtharmonische Schwingungen
der gleichen Modenordnung auszuwählen, die eine ähnliche,
jedoch nicht identische Frequenz haben.
-
In Fig. 7 ist ein Schaltbild eines Frequenzsynthesizers
gezeigt, der einen temperaturgesteuerten Kristalloszillator
beinhaltet. Es ist zu erkennen, daß diese Schaltung lediglich
als Beispiel beschrieben wurde und nicht für die speziellen
Kristallkonstruktionen ausgelegt ist, die vorstehend
beschrieben wurden.
-
Der Synthesizer schließt einen piezoelektrischen Bezugs-
Resonator 51 ein, der von zugehörigen Oszillatorschaltungen
52 angesteuert wird und dessen einer Ausgang
Frequenzteilerschaltungen 53 zugeführt wird, deren Ausgänge über einen
Mischer 54 gemischt werden. Eine Steuerschaltung 55 bestimmt
die speziellen geteilten Frequenzen, die zu irgendeinem
Zeitpunkt gemischt werden sollen, entsprechend einem gespeicherten
Divisionsalgorithmus, um auf diese Weise die gewünschte
synthetisierte Ausgangsfrequenz zu schaffen.
-
Der Ausgang des Synthesizers ist mit einer
Temperaturkompensation in der folgenden Weise versehen. Den beiden
nichtharmonischen Schwingungen entsprechende Signale werden jeweiligen
ersten und zweiten Verstärkern 56, 57 zugeführt, deren Ausgänge
mit einer Mischerschaltung 58 gekoppelt sind. Der Mischer
kombiniert die beiden verstärkten Signale, um eine
Überlagerungsfrequenz entsprechend der Frequenzdifferenz zwischen den
beiden nichtharmonischen Schwingungen zu gewinnen. Wenn die
Frequenzdifferenz zwischen den nichtharmonischen Schwingungen
relativ klein ist, so ist diese Überlagerungsfrequenz relativ
niedrig.
-
Der Ausgang des Mischers wird über ein Tiefpaßfilter 59, das
die Hochfrequenzsumme der nichtharmonischen Schwingungen
beseitigt, einer Frequenzmeßschaltung 60 zugeführt. Es sei
bemerkt, daß eine der ursprünglichen Frequenzen als den
Bezugswert für den Frequenzmesser verwendet werden kann. Die
Schaltung 60 ergibt ein frequenz- und damit
temperaturabhängiges Signal an die Steuerschaltung 55, die in Abhängigkeit
von diesem Eingang den Divisionsalgorithmus einstellt, um
Änderungen der Oszillatorfrequenz zu kompensieren, so daß die
synthetisierte Ausgangsfrequenz auf einem konstanten Wert
gehalten wird.
-
Es ist verständlich, daß bei anderen Anwendungen das der
Temperatur entsprechende Frequenzdifferenzsignal in einem
Rückführungssignal verwendet werden kann, um den Resonator
auf einer konstanten Temperatur und damit auf einer konstanten
Frequenz zu halten. Alternativ kann die Anordnung als ein
Thermometer verwendet werden.