DE937472C - Piezoelektrisches Schaltelement - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 5, JANUAR 1956

M 22020 Villa/2iα⁴

ist als Erfinder genannt worden

Piezoelektrisches Schaltelement

Patentanmeldung bekanntgemadit am 7. Juli 1955

Patenterteilung bekanntgemacht am 8. Dezember 1955

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Schaltelement mit einem im wesentlichen plattenförmigen piezoelektrischen Körper und mit auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordneten Elektroden, welches als piezoelektrischer Oszillator und Resonator verwendet werden kann. Durch die Erfindung werden noch bestehende Schwierigkeiten bei der Herstellung piezoelektrischer Schaltelemente mit vorbestimmten Werten der wirksamen Induktivität überwunden.

Ein piezoelektrisches Schaltelement, welches aus einer zweckentsprechend geschnittenen Platte eines piezoelektrischen Kristalls hergestellt ist und in üblicher Weise auf einander gegenüberliegenden Flächen metallische Beläge als Elektroden besitzt, stellt an seinen Anschlußklemmen eine Impedanz dar, welche der Serienschaltung einer Induktivität L₁ einer Kapazität C und eines Widerstandes r und einem dieser Serienschaltung parallel geschalteten Kondensator C₀ entspricht,· wobei dieser letztere Kondensator seiner Natur und Größe nach die Kapazität zwischen den Elektroden mit dem Kristall als Dielektrikum darstellt. Eine gewünschte Resonanzfrequenz ω, für welche die Gleichung ω² L C = ι erfüllt ist, kann bei der Herstellung durch eine sehr sorgfältige Bearbeitung erzielt werden, jedoch ist dieses Verfahren der endgültigen Bearbeitung auf die gewünschte Resonanz-

frequenz teuer, und es ist daher vorzuziehen, für die Herstellung eine gewisse Toleranz der. Resonanzfrequenz zuzulassen und beim Gebrauch des Schaltelementes besondere Mittel zur Einstellung der Resonanzfrequenz zu verwenden, beispielsweise in Gestalt einstellbarer Reaktanzen von positivem oder negativem Phasenwinkel in Reihe mit dem genannten 'L und ■ C, Wenn beispielsweise eine Arbeitsfrequenz auf ± ι · io—⁵ eingehalten werden ίο soll, ist es wirtschaftlicher, nicht ein piezoelektrisches Schaltelement von dieser Genauigkeit herzustellen, sondern die Genauigkeit nur bis auf ± ι · io—⁴ zu treiben .und den endgültigen Abgleich mit Hilfe einer Schaltung zur Frequenzeinstellung in der angedeuteten Weise zu bewirken. Für die Bemessung einer solchen Schaltung zum Frequenzabgleich ist es jedoch erforderlich, den Wert der wirksamen Kristallinduktivität L wenigstens in Annäherung zu kennen, beispielsweise mit einer so Genauigkeit von etwa io% oder weniger. Die Erfindung betrifft piezoelektrische Schaltelemente, welche ohne Schwierigkeiten hinreichend genau mit einem gewünschten vorbestimmten Wert der wirksamen Induktivität hergestellt werden können. Bei einem piezoelektrischen Schaltelement mit einem im wesentlichen plattenförmigen piezoelektrischen Körper und mit auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordneten Elektroden sollen erfindungsgemäß die ^: Elektroden die Form von Streifen aufweisen und derartig angeordnet sein, daß ihre Projektionen bei einer Projektionsrichtung senkrecht zur Elektrodenfläche einander überkreuzen und die Projektion jeder Streifenfläche nach zwei Seiten über die gemeinsame Projektionsfiäche hinausragt. Die im wesentlichen der gemeinsamen Projektionsfläche entsprechende wirksame Elektrodenfläche ist dann kleiner als die Streifenfläche jeder Elektrode. Vorzugsweise sollen dabei die Elektroden als leitende Beläge unmittelbar von den Flächen des piezoelektrischen Körpers getragen werden.

Wenn die streifenförmigen Elektrodenflächen einander praktisch rechtwinklig kreuzen, ergibt sich als gemeinsame Projektionsfläche ein Rechteck. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Schaltelementes nach der Erfindung haben die streifenförmigen Elektrodenflächen auch gleiche Breite, so daß die gemeinsame Projektionsfläche ein Quadrat ist.

Es sei erwähnt, daß es durch die britische Patentschrift 679 575 bekannt ist, einen scheibenförmigen Abschnitt eines piezoelektrischen Kristalls auf der zylindrischen Innenfläche eines Schleifwerkzeuges so zu bearbeiten, daß auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen zwei durch die Mitten dieser Oberflächen gehende, einander kreuzende Streifen unbeschliffen bleiben. Es entsteht dann — bei gleicher Breite dieser Streifen — in derMitte der beschlififenen Platte ein quadratisch begrenzter Teil, der auf beiden Seiten unbeschliffene und daher ebene Oberflächen aufweist. Nur auf diesen, quadratischen Oberflächenteilen sind bei den bekannten Kristallplatten die Elektroden, als von der Oberfläche getragene leitende Schichten angebracht. Man erkennt, daß es zur Einhaltung einer vorbestimmten Größe der wirksamen Elektrodenoberfläche erforderlich ist, daß die Elektrodenflächen einander genau gegenüberliegen und daß eine geringe Verschiebung einer Elektrodenfläche die wirksame Fläche, die dem gemeinsamen Anteil ihrer Projektionen auf eine parallele Fläche entspricht, wesentlich ändern würde. Die wirksame Induktivität L eines piezoelektrischen Schaltelementes ist abhängig von der Frequenz, von den Elektrodenabmessungen und von der Gestalt und im allgemeinen auch von der Größe der Kristallplatte. Bei Kristallplatten mit Resonanzfrequenzen innerhalb des Bereiches von 3 bis 30 MHz, welche in Dickenscherschwingungen erregt werden und welche Elektroden von hinreichender Dicke aufweisen (d. h. von einer derartigen Dicke, daß die Frequenz bei 5 MHz durch eine Elektrode von 1 cm² Fläche um ungefähr 1 % verringert wird), wird die mechanische Kristallwelle von den Kanten der Elektroden reflektiert, und nur der Teil des Kristalls zwischen den Elektroden schwingt in nennenswertem Maße. Unter diesen Umständen und unter- der Annahme einer flachen Kristallplatte läßt sich die wirksame Induktivität L durch eine Beziehung zur Elektrodenfläche £ und die Frequenz'/ in Hz ausdrücken durch die Gleichung . ·

Ef '

worin k eine Konstante ist, welche unter anderem von der Art des verwendeten Kristalls und von dem Grad der Annäherung der Kristalloberfläche an eine Ebene abhängt.

Für viele im Handel befindliche piezoelektrische Schaltelemente konnte festgestellt werden, daß sie trotz geeigneter Verhältniswerte des Plattendurchmessers zur Plattendicke und trotz der Verwendung genügend dicker Elektroden zwar für Frequenzen von ungefähr 4 MHz und darüber geeignet waren, daß jedoch im Falle der Verwendung derartiger Schaltelemente bei tieferen Frequenzen sich wesentliche Abweichungen des tatsächlichen Verhaltens von dem für L gefundenen Ausdruck zeigten. Wenn in diesem tieferen Frequenzbereich die genannte Gleichung mit hinreichender Annäherung erfüllt sein sollte, so war es entweder nötig, die Dicke oder die Fläche der Elektroden oder beides zu vergrößern. Je größer jedoch die Elektrodenfläche wird, um so schwieriger wird es für eine bestimmte Plattejigröße, über die ganze Oberfläche planparallele Begrenzungsflächen zu schaffen. Abweichungen in dieser Hinsicht bewirken jedoch auch Abweichungen des Wertes der Konstante k in der Gleichung für L. Außerdem rückt bei zunehmender Größe der Elektrodenfläche auch die der gewünschten Schwingung zunächst liegende unerwünschte Resonanzfrequenz der Scherschwingung näher an die Hauptresonanz heran, und die Induktivität L wird durch die Hauptresonanzfrequenz verringert. In vielen Schaltungen

mit piezoelektrischen Bauelementen verringert sich die Frequenzstabilität in dem Maße, wie der Wert der Induktivität L verringert wird. Aus diesem Grunde ist jede Verringerung des Wertes von L in der Praxis unerwünscht und nachteilig.

Hieraus ergeben sich gewöhnlich bei der Verwendung bekannter piezoelektrischer Schaltelemente Schwierigkeiten, bestimmte Werte der Induktivität L bei der Herstellung mit hinreichender Genauigkeit einzuhalten, beispielsweise von der Größe von io°/o, zum Teil aus dem Grunde, weil die Oberflächen der Platten eine gewisse Krümmung aufweisen, und zum Teil auch aus dem Grunde, weil gewisse Abweichungen in der Lage der Elektroden auftreten, wenn diese in üblicher Weise durch Verdampfen oder Versprühen von Metallen auf den Kristalloberflächen niedergeschlagen werden. Man könnte glauben, daß die Schwierigkeit auf Grund von Krümmungen der Kristallflächen durch eine Verringerung der Elektrodenfläche unter die zur Zeit gebräuchliche Größe vermindert werden könnte, wobei die Wirkung • dieser Flächenverminderung auf die Resonanzfrequenz durch Vergrößerung der Elektrodendicke aufgehoben werden könnte. Tatsächlich würde aber dadurch die jetzt schon vorhandene Schwierigkeit, die Elektroden sehr genau an die gewünschte Stelle zu bringen, nur noch vergrößert werden, so daß tatsächlich die zur Zeit gebräuchlichen Toleranzen für die Lage der Elektrodenflächen dabei vermindert werden müßten, um zu gleichen Endergebnissen zu kommen.

Entsprechend der Erfindung wird die wirksame Elektrodenfläche £ als gemeinsame Projektionsfläche eines Paares von streifenförmigen Elektroden gebildet, welche einander kreuzen ■— z. B. unter einem rechten Winkel. Auf diese Weise ergibt sich eine wirksame Elektrodenfläche, welche kleiner ist als jede der beiden Streifenflächen. Da die beiden Streifen derartig angeordnet sind, daß beide Streifen nach zwei Seiten über die gemeinsame Projektionsfläche hinausragen, kann — vorausgesetzt, daß der Winkel der Überkreuzung konstant bleibt — jeder der beiden Streifen in seiner Lage verändert werden, ohne daß sich die Fläche E ändert. Auf diese Weise ist die Schwierigkeit sehr enger Herstellungstoleranzen in bezug auf die Lage der Elektrodenflächen vermieden, wenn nur der Winkel der Überkreuzung einigermaßen eingehalten wird. In dieser Hinsicht kann nun festgestellt werden, daß die Größe der gemeinsamen Projektionsfläche sich in Annäherung proportional mit dem Schnittwinkel der Streifenflächen ändert und daß daher bei den praktisch in Betracht kommenden kleinen Winkelfehlern die dadurch verursachten Veränderungen der Elektrodenfläche vernachlässigt werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung von einem praktischen Standpunkt aus besteht darin, daß sich die nach der Erfindung ausgebildeten piezoelektrischen Schaltelemente leicht herstellen lassen, wobei man von einer einstellbaren Maske zum Abdecken der Kristalloberfläche beim Besprühen oder Aufdampfen der Elektroden Gebrauch machen kann, welche auf verschiedene gewünschte Streifenbreiten einstellbar ist.

In den meisten Fällen wird die gemeinsame Projektionsfläche als Quadrat ausgebildet werden, jedoch können auch wirksame Elektrodenflächen von rechteckiger Gestalt angewendet werden. Beispielsweise ergibt sich für einen bestimmten Abstand zwischen der gewünschten und der benachbarten unerwünschten Scherschwingung ein Minimum des Wertes von L, wenn die gemeinsame Projektionsfläche in der Richtung der X-Achse des Kristalls länger ist als in einer dazu senkrechten Richtung. Dabei hängt das optimale Verhältnis der Seitenlängen des Rechtecks von der Art der verwendeten Kristallplatte ab.

Außer der bei der Beschreibung bisher vorausgesetzten Erregung der Kristallplatten in Dickenscherschwingungen lassen sich nach der Erfindung hergestellte piezoelektrische Schaltelemente auch in Flächenscherschwingungen oder Longitudinalschwingungen erregen. Während bei Dickenscher-Schwingungen die Resonanzfrequenz bekanntlich hauptsächlich durch die Plattendicke bestimmt ist, ist im Fall der Flächenscherschwingungen und Longitudinalschwingungen diese Resonanzfrequenz hauptsächlich durch die Längenabmessungen der Platte festgelegt. Bei derartigen Kristallplatten verwendet man entsprechend üblicher Praxis gewöhnlich Elektroden, welche sich über die ganze Ausdehnung dergrößeren Kristallflächen erstrecken; in manchen Fällen wird auch gefordert, daß die gs Elektrodenfläche gegenüber der Kristalloberfläche verkleinert ist, um höhere Kristallinduktivitäten zu erhalten. Die Erfindung ist mit großem Vorteil auf solche Fälle anwendbar und erlaubt die Einhaltung einer vorbestimmten Elektrodenfläche mit großer Genauigkeit ohne Schwierigkeit. Besonders bei Kristallen für verhältnismäßig tiefe Frequenzen sind die Schwingungen nicht auf den zwischen den Elektrodenflächen liegenden Teil beschränkt. Daher ergeben sich häufig gewisse Abweichungen der Induktivitätswerte in Abhängigkeit von der Lage der Elektroden. Diese Abweichungen verschwinden, wenn die Elektroden symmetrisch in bezug auf die Kristalle angeordnet sind.

In den Fig. 1 bis 4 der Zeichnung sind piezoelektrische Schaltelemente nach der Erfindung dargestellt. In allen vier Figuren stellt K eine Kristallplatte dar. TE ist ein Metallbelag, der die eine Elektrode, und zwar die obere bildet, zu der die Stromzuführung T1 gehört. TB ist die entsprechende untere Elektrode, welche daher in unterbrochenen Linien dargestellt ist und zu der die Stromzuführung T 2 gehört. Die gemeinsame Projektionsfläche, welche der wirksamen Elektrodenfläche entspricht, ist durch das Bezugszeichen E bezeichnet. In Fig. 1 erstrecken sich die Elektrodenstreif en.in diagonaler Richtung über die ganze Plattenoberfläche. In Fig. 2 sind Teile der diagonalen Streifen von Fig. 1 weggelassen. In Fig. 3 haben die Elektroden eine Winkelform bzw. L-Form, wobei die einander überkreuzenden Teile

zu den Kanten der rechteckigen Kristallplatte parallel laufen. Außerhalb des Bereiches ihrer gegenseitigen Überkreuzung sind die Beläge winklig gegen die Längsrichtung der Streifen ungebogen, so daß die Stromzuführungen T ι und Γ2 an den Ecken der Kristallplatte befestigt werden können. In Fig. 4 reichen die L-förmigen Streifen etwas weiter, als zur Überkreuzung erforderlich ist. Der Winkel zwischen den Elektrodenstreifen sollte angenähert 90⁰ sein und möglichst nicht so weit von 90⁰ abweichen, um größere Fehler der Elektrodenfläche hervorzurufen. Sowohl für die Form der Elektroden'als auch der Kristallplatten sind viele Gestaltungsmöglichkeiten gegeben; beispielsweise

können kreisförmige oder rechteckige Kristallplatten verwendet werden.

Es ist bekannt, wenn auch nicht im allgemeinen Gebrauch, die Dickenscherschwingungen dadurch auf die wirksame Elektrodenfläche zu beschränken, daß man eine Elektrodenbelastung verwendet; auch ist es bekannt, die größeren Kristallflächen etwas konvex auszubilden. Wenn man von der Erfindung Gebrauch macht, ergibt sich durch eine derartige Ausbildung der Kristallflächen kaum ein

Vorteil. Es ist daher vorzuziehen, die größeren Kristallflächen so eben wie möglich zu bearbeiten und die verbleibenden Abweichungen von Kristall zu Kristall auf ein Minimum herabzusetzen, wodurch auch die daraus resultierenden Abweichungen der wirksamen Induktivität vermindert werden. Es sei erwähnt, daß bei den dargestellten Ausführungsbeispielen von Bauelementen nach der Erfindung die Schwingungen durch die Beschränkung auf den zwischen den Elektroden liegenden Teil des Kristalls von den Kanten und Ecken der Platte, wo die elektrischen Verbindungen und mechanischen Träger angebracht sind, ferngehalten werden. Dies trägt dazu bei, mechanischeVerluste zu vermindern und hohe Gütewerte zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil, welcher aus der Verwendung kleiner wirksamer Elektrodenflächen hervorgeht, besteht darin, daß der Strom durch die Zuführungsteile der Elektroden (das sind die Teile, welche von den äußeren Stromzuführungen zu der gemeinsamen Projektionsfläche jeder Elektrode -,_ führen) vermindert wird, wodurch ebenfalls elektrische Verluste herabgesetzt werden und die Güte erhöht wird.

Claims (11)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Piezoelektrisches Schaltelement mit einem im wesentlichen plattenförmigen piezoelektrischen Körper mit auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden die Form von Streifen (TE, TB) aufweisen und derartig angeordnet sind, daß ihre Projektionen bei einer Projektionsrichtung senkrecht zur Elektrodenfläche einander überkreuzen und die Projektion jeder Streifenfläche (E) nach zwei Seiten über die gemeinsame Projektionsfläche hinausragt.
2. 2. Schaltelement nach Anspruch'1, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen der gemeinsamen Projektionsfläche (E) entsprechende wirksame Elektrodenfläche kleiner ist als die Streifenfläche jeder Elektrode.
3. 3. Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als leitende Beläge unmittelbar von den Flächen des piezoelektrischen Körpers (K) getragen werden.
4. 4. Schaltelement nach einem der Ansprüche r bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenformigen· Elektrodenflächen (TE, TB) einander praktisch rechtwinklig kreuzen.
5. 5. Schaltelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Projektionsfläche ein Rechteck ist.
6. 6. Schaltelement nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Elektrodenflächen (TE, TB) gleiche Breite aufweisen.
7. 7. Schaltelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Projektionsfläche (E) ein Quadrat ist.
8. 8. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Elektrodenflächen (TE, TB) wenigstens in einer Richtung bis zum Rande des piezoelektrischen Körpers (K) fortgesetzt und dort mit Stromzuführungen verbunden sind.
9. 9. Schaltelement nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungen der Elektrodenflächen außerhalb des Bereiches ihrer gegenseitigen Überkreuzung winklig gegen die Längsrichtung der Streifen umgebogen sind.
10. 10. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1

    bis 9, gekennzeichnet durch die Ausbildung des piezoelektrischen Körpers (K) als in Dickenscherschwingungen erregtes Kristallelement.
11. 11. Schaltelement nach den Ansprüchen 4, 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrichtung des der wirksamen Elektrodenfläche entsprechenden Rechtecks in Richtung der X-Achse des Kristalls angeordnet ist.

    Angezogene Druckschriften:
    Britische Patentschrift Nr. 679 575·

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    © 509 612 12.55