DE862778C

DE862778C - Electrode arrangement for piezoelectric oscillating crystals

Info

Publication number: DE862778C
Application number: DES7323D
Authority: DE
Inventors: Hans Von Dipl-Ing Beckerath
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1938-12-03
Filing date: 1938-12-03
Publication date: 1953-01-12

Description

Elektrodenanordnung für piezoelektrische Schwingkristalle Die Erfindung betrifft einen Schwingkristall, vorzugsweise einen Schwingquarz, der sich durch einen hohen Resonanzwiderstand auszeichnet. Der Resonanzwiderstand eines Schwingkristalls, der von der Dämpfung des Kristalls abhängt, liegt bei der allgemein sehr geringen Dämpfung eines Kristalls in einer bestimmten, meist verhältnismäßig niederohmigen Größenordnung für einen Kristall von gebräuchlichen Bemessungswerten. Für viele Verwendungszwecke ist jedoch eine solche Größe des Resonanzwiderstandes nachteilig, und es besteht daher vielfach der Wunsch, mit einem höheren Resonanzwiderstand zu arbeiten. So arbeitet z. B. bei Verwendung eines Kristalls in einer rückgekoppelten Schwingschaltung ein verhältnismäßig niederohmiger Schwingkristall oft sehr ungünstig. Derartize Schwinzschaltuneen werden mit Vorteil meist so aufgebaut, daß sich eine phasenreine Rückkopplung ergibt und der Quarz genau in seiner Längsresonanz schwingt, was in einer Spannungsteilerschaltung zwischen reellen Widerständen möglich ist. Hierbei muß der Resonanzwiderstand in derselben Größenordnung und möglichst größer als die übrigen Widerstände sein, um die Gesamtdämpfung im Rückkopplungsweg klein zu halten. Um die notwendige Rückkopplungsspannung zu erhalten, wird bei einer. vorgegebenen Höchstbeanspruchung (Stromdichte) des Kristalls eine bestimmte Forderung an die Größe des Resonanzwiderstandes gestellt. Infolge der sehr geringen Quarzdämpfung ist der Resonanzwiderstand für den beschriebenen Verwendungszweck häufig zu klein. Dieser Nachteil kann durch die Verwendung eines Schwingkristalls nach der Erfindung beseitigt werden, bei dem sich jeder gewünschte höhere Resonanzwiderstand ohne Änderung der Frequenz erzielen läßt.Electrode assembly for piezoelectric vibrating crystals The invention relates to an oscillating crystal, preferably an oscillating quartz, which moves through is characterized by a high resonance resistance. The resonance resistance of a vibrating crystal, which depends on the attenuation of the crystal is generally very low Damping of a crystal in a certain, mostly relatively low-resistance Order of magnitude for a crystal of common design values. For many However, such a size of the resonance resistance is disadvantageous for purposes of use, and there is therefore often a desire to have a higher resonance resistance work. So z. B. when using a crystal in a feedback loop Oscillating circuit a relatively low-resistance oscillating crystal is often very unfavorable. Such Schwinzschaltuneen are usually built with advantage so that one phase-pure feedback results and the quartz oscillates precisely in its longitudinal resonance, what is possible in a voltage divider circuit between real resistors. The resonance resistance must be of the same order of magnitude and as greater as possible than the remaining resistances, the total attenuation in the feedback path is small to keep. In order to obtain the necessary feedback voltage, a. given maximum stress (current density) of the crystal a certain requirement to the size of the resonance resistance. As a result of the very low quartz attenuation the resonance resistance is often too small for the purpose described. This disadvantage can be avoided by using a vibrating crystal according to the invention be eliminated in which any higher resonance resistance desired can be achieved without changing the frequency.

Bei dem Schwingkristall nach der Erfindung sind auf mindestens einer der mit Elektroden versehenen Flächen die Elektrodenbelegungen in voneinander isolierte Teile aufgetrennt. Hierbei ist mindestens einer der von den anderen auf derselben Kristallfläche befindlichen Elektrodenteilen isolierten Teile mit einer diesem Teil gegenüberliegenden, auf der. entgegengesetzten Kristallfläche befindlichen Elektrode verbunden. Der Schwingkristall nach der Erfindung ist als Kristallübertrager mit zwei Elektrodenpaaren anzusehen, wobei die sekundären Elektroden kurzgeschlossen sind und die eine Sekundärelektrode mit der auf der gleichen Kristallfläche liegenden Primärelektrode eine zusammenhängende Belegung bilden kann. Dadurch, daß bei dem Schwingkristall nach der Erfindung ein Teil der Belegungen kurzgeschlossen ist, läßt sich durch Widerstandstransformierung jeder gewünschte höhere Resonanzwiderstand erzielen. Dies läßt sich auf Grund folgender Überlegungen an Hand der Zeichnungen nachweisen.In the oscillating crystal according to the invention are on at least one of the areas provided with electrodes, the electrode assignments in isolated from each other Parts separated. Here at least one of the others is on the same Electrode parts located on the crystal face isolated parts with one of this part opposite, on the. opposite crystal face located electrode tied together. The oscillating crystal according to the invention is used as a crystal transmitter consider two pairs of electrodes with the secondary electrodes short-circuited and which have a secondary electrode with the one lying on the same crystal face Primary electrode can form a coherent occupancy. The fact that with the Oscillating crystal according to the invention a part of the assignments is short-circuited, Any desired higher resonance resistance can be achieved by means of resistance transformation achieve. This can be based on the following considerations with reference to the drawings prove.

Bei dem in Fig. i. dargestellten Schema stellt die Fläche i beispielsweise die schwingende Stirnfläche eines longitudinal schwingenden Kristallstabes dar. b1 bedeutet die Breite der primären Belegung und b2 die der sekundären Belegung, wobei b1 + b2 = bo der Gesamtbreite sein soll. cl sei die statische Kapazität der Primärseite des Kristalls einschließlich der Kapazität der Zuleitungen, 02 die statische Kapazität der Sekundärseite einschließlich irgendeiner zugeschalteten Kapazität. Mit ck. sei die Kopplungskapazität zwischen beiden Belegungen bezeichnet. Der innere Widerstand des Generators sei verschwindend gegenüber den übrigen Scheinwiderständen. Wegen des starren, frequenzunabhängigen Stromverhältnisses muß sich ein dem voll belegten Kristall ähnliches Ersatzbild ergeben. Das Ersatzbild für den voll belegten Quarz (Index o) besteht bekanntlich aus einer Reihenschaltung der Größen Lo, Co, R., der die statische Kapazität CA, parallel liegt. i, ist dann der piezoelektrische Kristallstrom des voll belegten Kristalls, wenn er bei der gleichen Frequenz die gleiche Schwingamplitude ausführt wie im Fall der unterteilten Belegungen.When in Fig. I. In the diagram shown, the surface i represents, for example, the vibrating face of a longitudinally vibrating crystal rod. b1 means the width of the primary occupancy and b2 that of the secondary occupancy, where b1 + b2 = bo the total width. cl is the static capacity of the primary side of the crystal including the capacity of the supply lines, 02 the static capacity of the secondary side including any connected capacity. With ck. let us denote the coupling capacity between the two assignments. The internal resistance of the generator is negligible compared to the other apparent resistances. Because of the rigid, frequency-independent current ratio a substitute image similar to the fully occupied crystal must result. The substitute image for the fully occupied quartz (index o) is known to consist of a series connection of the sizes Lo, Co, R., to which the static capacitance CA is parallel. i, is the piezoelectric crystal current of the fully coated crystal if it executes the same oscillation amplitude at the same frequency as in the case of the subdivided coatings.

Um nunmehr die einem voll belegten Kristall mit den Größen La, Ca, Ra entsprechenden Ersatzgrößen L, C, R- zu suchen, wird analog zum Transformator ein Übersetzungsverhältnis eingeführt, - Es ist somit Wird der Kristall in Schwingungen versetzt, so fließen die Ströme il und i2. Wegen der Phasengleichheit von il und i2 haben alle in Fig. i eingezeichneten Ströme gleiche Phase. Es ist der durch den Generator fließende Strom i3 = il -I- i4 .. Werden ck und c2 verlustfrei angenommen, so muß die vom Generator gelieferte Wirkleistung gleich der Verlustleistung des voll belegten Kristalls sein.In order to look for the substitute sizes L, C, R- corresponding to a fully occupied crystal with the sizes La, Ca, Ra, a transformation ratio is introduced analogously to the transformer, So it is If the crystal is set in oscillation, the currents il and i2 flow. Because of the phase equality of i1 and i2, all currents drawn in FIG. I have the same phase. It is the current i3 = il -I- i4 .. flowing through the generator. If ck and c2 are assumed to be loss-free, the active power supplied by the generator must be equal to the power loss of the fully occupied crystal.

232 R = 202 R0 Da die schwingende Masse in beiden Fällen die gleiche Bewegung ausführt, müssen auch die induktiven Scheinleistungen einander gleich sein. 232 R = 202 R0 Since the oscillating mass executes the same movement in both cases, the inductive apparent powers must also be equal to each other.

232 Q) L = 202 co L0 .232 Q) L = 202 co L0.

Die kapazitive Scheinleistung ist gegenüber der des voll belegten Quarzes größer, da der Strom i2 die Kapazitäten ck und c2 durchfließt, also Es ergibt sich somit Wird nun die Sekundärseite kurzgeschlossen, so ergibt sich für c2 = x R=Ro.(i+iz)2 L - Lo @1 + ü) 2 Der Kristall erscheint also lediglich widerstandsmäßig im Verhältnis (i -i- ii)2 herauftransformiert, ohne daß eine Frequenzänderung damit verbunden ist. Bei einem stabförmigen longitudinal schwingenden Kristall nach Fig. i und 2 bedeutet das Übersetzungsverhältnis das Verhältnis der Breiten der Belegungen; allgemeiner ist es, das Verhältnis von Flächen, die den piezoelektrischen Ladungen proportional sind. Die abgeleiteten Formeln gelten in gleicher Weise auch für Plattenkristalle oder andere Kristallformen, die Dickenschwingungen ausführen. Hierbei ist allerdings vorausgesetzt, daß die ganze Oberfläche eine Wellenfront darstellt. i% wäre dann das Flächenverhältnis der voneinander getrennten Belegungen.The capacitive apparent power is greater than that of the fully occupied crystal, since the current i2 flows through the capacitances ck and c2, i.e. It thus arises If the secondary side is now short-circuited, then for c2 = x R = Ro. (I + iz) 2 L - Lo @ 1 + ü) 2 The crystal thus only appears to be stepped up in terms of resistance in the ratio (i -i ii) 2, without any change in frequency being associated with it. In the case of a rod-shaped, longitudinally oscillating crystal according to FIGS. I and 2, the transmission ratio means the ratio of the widths of the coverings; it is more general, the ratio of areas that are proportional to the piezoelectric charges. The derived formulas also apply in the same way to plate crystals or other crystal shapes that oscillate through thickness. However, it is assumed here that the entire surface represents a wave front. i% would then be the area ratio of the separate occupancies.

In einem Zahlenbeispiel läßt sich die Widerstandstransformierunggut verdeutlichen. So ist z. B. bei einem Stabquarz von den Abmessungen 27 x 12 x 1,5 mm und einer Resonanzfrequenz von ioo kAz in voll belegtem Zustand die Impedanz Zo = cvLo = 2,5 ' 1o7 Ohm. Nimmt man einen Gütewert an, so beträgt R, = 125 Ohm. Wird nun die Belegung eines solchen Kristalls aufgeteilt und einÜbersetzungsverhältnis ü = 3 gewählt, so beträgt b2 9 mm und bi 3 mm. In diesem Fall ist Z = Zo. (1 + ü)2 = 4 . io8 Ohm. R = R, - (1 -E- ii) 2 =.2ooo Ohm.The resistance transformation can be illustrated well in a numerical example. So is z. B. with a rod quartz of the dimensions 27 x 12 x 1.5 mm and a resonance frequency of 100 kAz when fully occupied, the impedance Zo = cvLo = 2.5 '1o7 ohms. If you take a quality value on, then R, = 125 ohms. If the occupancy of such a crystal is divided up and a transmission ratio ü = 3 is selected, then b2 is 9 mm and bi 3 mm. In this case Z = Zo. (1 + ü) 2 = 4. io8 ohms. R = R, - (1 -E- ii) 2 = .2oo ohms.

Bei der Herstellung eines Kristalls nach der Erfindung kann z. B. so verfahren werden, daß der Kristall zunächst mit einer vollen Belegung versehen und dann durch Einschleifen einer Rille parallel zur Längskante der Metallbelag einer Oberfläche in zwei voneinander isolierte Teile aufgetrennt wird. Die Belegung der einen Teilfläche ist hierbei zweckmäßig um den Quarz herumgeführt und steht so mit der nicht aufgetrennten Belegung auf der gegenüberliegenden Kristallfläche in unmittelbarer leitender Verbindung.In the manufacture of a crystal according to the invention, for. B. proceed in such a way that the crystal is initially provided with a full occupancy and then by grinding a groove parallel to the long edge of the metal covering a surface is separated into two isolated parts. The occupancy the one part area is expediently led around the quartz and stands so with the non-separated occupancy on the opposite crystal face in direct contact.

Ein Ausführungsbeispiel für einen derartigen Kristall ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist auf der Oberseite des Kristalls i die Belegung 2 von der Teilbelegung 3 isoliert. Die Belegung 3 ist über eine auf der Seitenfläche des Kristalls befindliche Belegung 4 mit der auf der Unterfläche des Kristalls angeordneten Belegung 5 verbunden. Bei einem longitudinal schwingenden Stab verläuft die Trennlinie zwischen den Belegungen 2 und 3 zweckmäßig parallel der Kante, deren Länge frequenzbestimmend ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Übersetzungsverhältnis größer als i. Die Trennungslinie fällt daher auf die linke Hälfte des Kristalls, so daß die Einspannstelle, die zweckmäßig gleichzeitig auch die Stromzuführung darstellt, in einem Gebiet liegt, das durch Herumführen der Trennungslinie dem schmalen Elektrodenstreifen zugeordnet werden kann. Die Anschlüsse liegen somit an der Elektrodenbelegung 2 einerseits und an der Elektrodenbelegung 5 andererseits.An embodiment of such a crystal is shown in Fig. 2 shown. Here is on the top of the crystal i, the occupancy 2 of the partial occupancy 3 isolated. Allocation 3 is on the side of the Occupancy 4 located on the crystal with that arranged on the lower surface of the crystal Occupancy 5 connected. In the case of a longitudinally vibrating rod, the dividing line runs between the assignments 2 and 3 expediently parallel to the edge, the length of which determines the frequency is. In the illustrated embodiment, the transmission ratio is greater as i. The dividing line therefore falls on the left half of the crystal, so that the clamping point, which expediently also represents the power supply, lies in an area which, by routing the parting line around the narrow electrode strip can be assigned. The connections are therefore on the electrode assignment 2 on the one hand and on the electrode coating 5 on the other hand.

In der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Kristall in einer höheren Harmonischen schwingt. Der Kristall schwingt hierbei beispielsweise in der dritten Harmonischen. Durch entsprechende Ausbildung der Trennungslinie zwischen den Elektrodenbelegungen 2 und 3 wird hier ebenfalls ein Kristall mit Widerstandstransformation geschaffen.In Fig. 3, a further embodiment is shown at which the crystal vibrates in a higher harmonic. The crystal vibrates here for example in the third harmonic. By forming the dividing line accordingly A crystal with resistance transformation is also formed between the electrode coverings 2 and 3 created.

Claims

PATESTAXSPF% ..: i. Electrode arrangement for piezoelectric oscillating crystals to achieve a higher resonance resistance without changing the other electrical Properties, characterized in that from those on opposite surfaces attached metal coverings at least on one side of the crystal only a part serves to excite electrical vibrations, while the remaining part is isolated from it is; and connected in short-circuit to the opposing surface bearing opposite charges is.

2. Piezoelectric oscillating crystal according to claim i, characterized in that that the occupancy of a partial area is led around the crystal and with the not separated occupancy on the opposite crystal face in the immediate vicinity conductive connection.

3. Piezoelectric oscillating crystal according to claim i or 2, characterized in that the holder of the crystal at the same time for Power supply is used.

4. Piezoelectric oscillating crystal according to claim i to 3, characterized in that the crystal vibrates longitudinally.

5. Piezoelectric Oscillating crystal according to claim 4, characterized in that the dividing line between the excitation coating and the short-circuit coating isolated therefrom essentially parallel. the length of which is frequency-determining runs to the edge.

6. Piezoelectric oscillating crystal according to claim i to 5, characterized in that the crystal in a higher Harmonics vibrates.