TW201238244A - GT-cut quartz crystal resonator - Google Patents
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Description
201238244 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於GT切割石英晶體共振器。 【先前技術】 依據晶體板或晶體述(crystal blank)(即構成晶體共振器之振 動板)仗石央皁晶體加以切割時所取得的晶輕方白 (crystallographic orientation ),用以作為頻率或時間參考^的晶^ 共振器區分為數種「切割」型態(舉例來說,參見 Kawashima, Koichi Hirama, Naoya Saito, and Mitsuaki Koyama "Quartz Resonators and Devices", Transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers C-I Vbl J82-C-I,No. 12, pp. 667 to 682, December 1999)。AT 切割和 SC = 割為此種「切割」廣為人知的例子。其中,GT蝴晶體链具 異的頻率-溫度躲,且當周遭溫度改變時在共振解僅呈$見極 =變。因此,舉例來說,GT切割晶體埋被職可應用於 :確性父穩定性的晶體振盡器。此外,讲切割晶體共振器 有縱使在其共振鮮低的航仍可則、尺寸加㈣賴優點。 如眾所周知地,在石英中結晶學上定義χ軸、γ ‘釦 乂〜结晶軸。沿著正交於γ軸的—平面_之—日 m交於γ軸的平面係平行於χ軸和ζ軸的面 晶體板係丫板繞}<:軸旋轉+51.5。(即(?=+515。彳 ° (, 〇.+45〇) -!又用於具》定石獅切财向的參數。圖丨說 了具體和疋在GT切割晶體板之内的方向,由χ軸、α ‘7 軸繞X軸旋轉+51.5。而取得的軸,分別定義 ^ '和Ζ 軸。由於X,軸係叫道X轴旋轉所取得,χ,軸:=目同和】 201238244 由X軸和Z’軸繞γ'轴以自z丨轴刭 軸,分別定義為Χ”轴和ζ”軸轴到Χ軸的方向旋轉45。而取得的 現在敘述在GT切割晶體板中的振動 沉切割晶體板21中的振動模式係在如圖2所述,在 在Z”軸方向的縱向振動模式之結合振動模。勺縱向振動模式和 ”方向之縱向振動模式兩者皆為之声方向和Z” (length-extensi〇nal vibrati〇n m〇de)。由处人,_ 縮振動模式 所取得之軸模式雜_「寬長伸鞠;模式 extensional coupling vibration mode), 〇 ^ ^ 向藉=箭頭加以指示,且由振動所造成位^的輪 不。然而,為了方便說日月,在這個例虛線加以表 在晶體板21中實際位移大許多之位 係=具有較 二個縱向振賴式之㉟合振賴式,由,這種 板以矩形或正方形加以形成,且其卜域的GT切割晶體 對侧邊則平行於Z"軸,以用作^ a丘平行於x”軸而另一 體链。晶體板的主面-者皆器中的振動板,即晶 的激勵電極(触ati〇Li=)於激發作為_ 坯GT切割晶體板作為構成晶體共振器的振動板(即晶體 链)的狀况,必須將該晶體板固持於一容 晶體共振器的容器的壁面或類似者。有 "^接觸 的支掊部疋振動部’以及用於支持該振動部 形成(^男ίρ ϋί«微影技術由石英晶體之板狀構件整體地加以 iktito K^d Η Λ Α ; ^ Hir〇fomi 〇SamU 〇Chia^
Reso* £tM—ized ^-Cut Quartz 1983 y ^ 〇r〇l〇glCal Imtitute °f JaP^ Vol. 104, pp. 36-48, 之晶體板21 ’如圖3所示,支持部22連接至作為振動板 邱曰2曰?总―/矩形之主要部分中—對對向邊上的中點位置。支持 脖叙邱士&的形狀藉由利用有限元素法或類似者力17以刻'·,以使 .統的編^振鮮實㈣_包含支料22之全體共振系 201238244 吾人須注意的是,石英晶體板的振動模式依據切割的型能而 有所不同。舉例來說,對於已被廣為使用的AT切割晶體板,ΐ輕 J模式係厚度-切變振賴式㈤ekness_shear vibrati_Qde)/,、^ 二if僅由厚度加以決定。因此,AT 士刀割晶體板的平面形 狀^圓形或糖圓形。此外,AT切割的晶體堪,可被支樓 於厚度-切變振動之駐留點(stationarypoint)的位置。、田 模式然==蝴晶_ ’其振賴式係寬長伸御I合振動 、工5思者7、振頻率依據該晶體趣的平面形狀和寬、|算耸 置呈體t 地蚊柯職她置域雜任意位 位移的割晶體板的外周部上’通常沒有振動 如上所述,GT切割晶體板具有優異的頻率__、'σ 合於建構具有高穩定性和高準確性 湯^/凰^寺’丨,且適 術領域的GT切割晶體链具有矩形形二而技相關技 耦合振動模式,該晶體板於該支持部的連接位、伸縮 該支持部的設置可能因而阻礙該晶體板 且 板之振動造成不良效應的形狀=而對晶體 形狀,製造此種支持部是困難的。此外复雜的 尺寸相比,不能忽略支持部本身的尺寸/===要部分的 差異大幅影響晶體板的振動特性,且抑制晶體共^器的之 【發明内容】 本發明提供-種GT切割晶體共振器,& 構造之支持部,且該支持部不會對振生、^H具有小且簡單 根據本發明的一態樣,一 GT 曰w成不良效應。 板,以-橢圓形形成,該有分別= 201238244 正乂的一縱向振重力;.斗4 & & 支持該晶體板,該“長轴和短軸;及-支持部, 耦合f l縱向振動模式時於該位置^曰=反|周^^的一位置,售 讲切割晶m反,習知上以矩/取振動位移。 加以形成。如後所述, 成,在本發明中則以橢圓形 外周緣部上具有可撮動^f體板之中,在該晶體板的 板的支持部連接至這些夕、I個點。用於支持該晶體 移的實質駐留位置“―者^據本發明,能夠在振動位 會對振動特性造成不f有2簡單構造且不 溫度特性與高歡㈣晶財^卩’㈣轉具有優異 $本發明中’在一晶體共振 板。此一 GT切割晶體共振界 讀GT切割晶體 同共振頻率,該以體板每—者5,=數晶體板’其具有相 具有分別對應於- GT切宝j中相互正_! / 口以形成,該橢圓形 方向的長軸和短軸;一針的二縱向振動模式之振動 支輯心垃^支持部’提供於該等晶體板之每-者,琴 緣上J的=板,且連接至該對應晶體板外i 田輕5 〇亥一縱向振動模式時,於該位罟?日真 = 複數猶係配置於包含該二縱向振動g 方向時,該另—晶體板伸展於與iti向 【實施方式】 根據圖4所示之第—實施例之石英晶體共振器,與上述 技術領域之晶體共振器相同之處在於使用GT切割晶體板3曰 與相關技術領域的晶體共振器不同之處則在於晶體板3i 一二 圓平面形狀。 ,、令概 201238244 橢圓形晶體板31具有—結二 割之Y'軸;橢圓的長軸與〇 :亥結構中.板面正交於财切 Z軸一致。結果,就振動模 ^轴一致,且橢圓的短轴盘 振動模式,其係在X”軸方向體板31具有寬長伸縮轉合 振動模式之齡,且能夠在^2動模式與在Z”轴方向的縱向 圖2所述之晶體板21。參昭圖4 °和z"軸方向交替伸縮,如同 廓以虛線加以強調。麸而‘,、、芒、士丄由振動所位移之晶體板31的於 該外周緣上各點之振動:移的外周棒 點,振動位移量為最小。由於』以二到P4所示各 軸方向與作為短轴之Z”軸方向交^曰:板,在作為長軸之X” 上(即在橢圓上)總是有四個點於該^可 板31的外周緣 若在各縱向振動模式中振動寻^取侍取小振動位移。 寸,點Pl到A為寬長伸縮耗小於晶體板31的尺 點。對應於以__成之it,實際之敬留 係依據晶體板31的長軸長度「a」和短y 駐遠點的位置, 有所不同。這個比例係一縱橫 二^」之間的比例而 〇-S55 ^ ^ ^ 31 ^ t ^ ? 自位^長;二向朝㈣ 體二駐 = 體共藉 造成不良效應T域晶體板31 ^ 31的振動特性 的振動模式中之駐留點,因此不使至在晶體板3! 持。!3各自可由連接至晶體板31外周緣的簡單的 ^說’支 =加以形成。使用GT切割晶體板31能夠取得構 高穩定性之晶體振篮器。 此職致具有騎確性與 結構=及6說明根據如此構造的此實施例之晶體共振器的具體 該晶體共振器包含以實質上矩形形成之框33,且橢圓形财 201238244 係固持於框33的開口部中。在圖5及6所 ^振盗之中’擴圓形晶體板31具有正交於讲切巧之 曰曰 ::ΐ橢fi?軸與gt切割之χ”軸-致,且該橢圓的短= ^ 32 m^::^T:tTZZt :;bi' 厚,。因此,來說,當配件於框反= 月b夕ΊΙ万止日日體板31與該蓋構件接觸。 了 石英共振器的形成,舉例來說,可利用相當於饥切割之 ft: 32、與框33的部分訂且移除其他3 板f構件娜成晶财振料,支持^ H J由石央所構成’且與晶體板31整體性地形成。 啊it 34係實壯形成於晶體板31的—主面的全 延伸至形成於柩π μ主支持。卩32的表面上’並且由激勵電極34 亦實質上形成於晶體板地’激勵電極35 另一立梏邱矣而μα 另主面的王°卩區域上。經由形成於 至-接八^夫輝:7延甘伸電極(未顯示),激勵電極35電連接 (未顯!^),其形成於框33的下表面上。 缺而,。要體共振器中’晶體板31被支持於二個點。 …、而,、要支持曰曰體板31於上述之駐留點ρ (^4Α#3^3〇 幸由方向的彈性係數中且轴方向的彈性係數C,n與Ζ” X1,軸方向之財下,仍因此縱使以Ζ"财向之尺寸取代 ”有相同的振動特性。亦即是,在以上說 201238244 長㈣應於橢圓形晶體板之χιι軸方向,且短 於
卓由方^。f *是’縱使該長轴對應於2”轴方向且該短軸^岸;X1' 軸方向,仍可取得如上所述之相同效果。 驗軸對應於X 8展^^ 度特性的改變加以描述。圖 果。明顯地,只ί縱橫比二^ 的溫度特性。此處所述之優異溫^ 即可取付優異 ±l〇ppm/t:之範圍内。里又、糸如一階溫度係數在大約 以上已描述根據第一實施例一能媒沾θ 實施例的另—態樣,本一二妓:曰:,、振器。根據第--晶體板,苴係二=白:肢編,該共振器包含: 對晶分別對應於 該支持部於該a轉 7万向之長轴和紐軸,及 位置可取得麵合振^式之I。位置連接該晶體板,於該 得係藉由輕合該長軸方向的=輕合振動模式之取 且該晶體板與該域部可整铸可由辟所構成, 該短軸的長度較佳設定在該 I 卜相對該長軸的長度, 且,一激勵電極可形成於‘:二.75到0.90倍的範圍内。而 附帶一提,縱你ίΐί日日胜板的主面每一者之上。 加以形成,gt切割晶振電m於該晶體板的板面儘量大地 效串聯電阻ESR變大(例如電容α變小與等 晶體共振器的共振步神係 之^性。其原因在於GT切割 尺寸適合於為了降低等效“=決定。因此,無法調整 .在GT切割晶體板之中,兴^1、 ^廣大之晶體板的平面尺寸。 割晶體板之等效串聯電兄’等效串聯電容C1約為ΑΤ切 、—刀之―,且其等效串聯電阻ESR约 201238244 為AT切割晶體板之等效串 GT,晶體共振器的振盈電路^時:倍二結果,在設計連接至 路組態變得複雜。_是,當晶體現高穩定性振盡之電 會降低振㈣路的振盪麵。〜❻的等財聯伽較大時, 有較大等效串聯電容與較小等效串聯電阻的 根據圖9A到9C所示之第二每始 有兩片橢圓形之GT切割晶體板Λ ',T切割晶體共振器具 )所示者相似。在言亥晶體共振器的構&造°中板每一者與圖 持於框33的開口部中。晶體 θ曰體板41a和41b係固 方向,分別與GT切割石英晶二和4lb每一者的短軸和長軸的 一致。該等振動方向中曰的二個縱向振動模式的振動方向 振頻率。 —者口此白具有CT切割振動模式之相同的共 部43内壁的二個棒狀支持 對應=框43的厚 棒狀連接^件轴沿一直線加以布置。藉由 緣上體外周緣上的一點與晶體板仙外周 =^端與晶體板41b長軸的一端。設定連接構件4δ之連接位 連接短轴的一端並非必要的。然而’若連接構件係 ,接至aa體板周緣上的上述駐留點,將喪失設置連接構件 義,且晶體板二者無機械性連接。 “ 晶體板41a和41b、支持部42、框43、與連接構件48 夬整體性地加以形成。舉例來說,藉由製作GT㈣石英晶體晶.. 10 201238244 • 圓,且將利用光微影技術的银刻製程實施;b μ n j.
y Q κ 衣一個日日體板41&和41b配詈於Λ Γττ+r7宝丨I 央日曰體的二個縱向振龍式之振動平 ° 持部42與連接構件48亦配置於該平面内。斤域之千面内’且支 此處係假設-晶體板的二個主面其中之— ,器的俯視圖,係「晶體板的上端面U = 俯視圖的背面侧,係r晶體板的後表面」。面其配置於遠 如圖9B所不,激勵電極44你每·所μ 上 每一者的二個主面每^貝t开^於晶體板41M〇41b 由形成於支持部42上端面與框43之上的傳 於連接此晶體共振器至外部電路 的激勵電極。用 J 45a 〇 ^ ϊ - 係配置於傳導路徑45b r電極4塾用4=^=路的電極請 電極,穿過框二與後表面上的激勵 .㈣=此方式電連接於晶體板41及41b之間二 即圖中由方向伸展且於絲方向收縮, 短=向由狀長軸方向伸展且於 方向伸展且於體板仙於短軸 振盪,在連接構件48的位置之f * 41b以此方式 幾乎沒有改變。因此,連板仙和仙二者之間的間距 二者且不影變哕等曰邮把夕4 機械性連接晶體板41a和41b 的縱使在這些晶 百些不冋的狀況下,由於設置連接構件 201238244 48 ’晶體板41a和仙二者於相 為晶體共振器之高Q (品質因子)值、;且可取得作 狀況電性等效於具有些微不同之 :一,接構件48,該 聯,且這會導致整體上Q值的降低^、。’、、、一固晶體共振器並 4ia ^ f上的點’支持部42不影響晶體二41a‘4==晶體板外周 構件48機械性連接晶體板4la和41b二者且不^動特性。連接 振動。由於晶體板41a* 41b具有相該等晶體板之 係耦合於晶體板m此 振動模式 動,且不會產生寄生振動(spurious V1=;^㈣的穩定性振 一在根據本實施例之晶體共振器之中, 二示之,共面積的兩倍而不改變其共振則變^ 4 降體相比’等效串聯電容變成兩倍且等效串炉、= 由於較小的等效串聯電阻,能夠以簡單白f電;電路時, 邊際,且建構具高穩定性的振盪電路1电路組悲取得大的振盡 ,圖9A至"C所示之範例中,晶體板41a絲的 接至另—此 器。接下來,將敘述根據本發日縣三實❹m GT切割晶體共振 轉ΐ第ΐ實施例中,使用兩個晶體板化和仙以建構-晶體 細’在本發明中,藉由反覆地在二個鄰接日,3 $作機械性連結以輕合所有該等晶體板成為』—? 發明亦可使用三個以上GT切割晶體板。 、動換式,本 12 201238244 除了設置三個晶體板4ia到41c之外, 例之晶體共振器與圖9A到9C所示者0 一不之第二貫摊 一者所設置之二個棒狀支持部42,晶、°,由^晶體板每 接至框43。支持部42 #於取猂f : a到41c每一者被連 位置連接至職之上之 構件48a連接至晶_ 4㈣二=^由棒狀連接 和仙相互機械性連接,且晶體_ “ = *之個主面每-與形成於晶體板仙後表面上之二 -和4i後表面上之激勵電極:導=,形f於晶體板 傳導路徑45b之ΐ 接,㈣亦配置於 極性關係。晶體板仙和41c 二、有互為相反之 ί = 動。在該晶體共振器中,晶» 4la到41c ΪΑ/f1 二振气:么定地以單一振動模式振動成為一整體 Ξ 謹1= 單振 述^^發z四實施例之gt切割晶體共振器。 在根據弟二貫施例之晶體共振器之中,連接構件48係配置於 13 201238244 鄰接晶體板41a和41b之間,以撼料 而,晶體板之間機械性連結的性,結晶體板恤和41b。然 實施例之晶體共振器與第二每x不限定於此。圖11所示之第四 4la和仙之間的機械性連結俜疋類似的’除了晶體板 晶體板4la _由的一端與晶體= f 接構件而藉由直接連接 所以在晶體板41a 以電激發(如上所述), 位置無應力發生。根據本•/彳連接日,,在該等晶體板之間的接合 所示者類_有益!ί ^θθ體共振器具有與第二實施例 在根據第二到第四實施例其中之 具有相同共振頻率之複數〇 、曰曰:、振益之中,配置 接晶體板其中之間的電佈線,以使當二鄭 於該第-方向之一第二方向-晶體板伸展於正交 接。因此,與僅包含—θ娜此二果5亥複數晶體板相互並聯電連 貫施例其中之一的晶I# j£括哭 t低根據第一到第四 振器相等之等效串聯電^ °同時’具有與AT切割晶體共 該等晶體板與電連接該等激勵稭=上述之方式機械性連結 不產生該晶體共振器呈現相當高的穩定性,且 丑择實施例’在根據第二到第四實施例立中之-的曰, f,之中’較佳將橢圓形 =體 設定於0.75到_的範圍内。㈤4㈣者·檢比(b/a) 【圖式簡單說明】 匕GT切割晶體板之切割方向的解釋圖; Ξ 3 ί f 3 ’說明GT切割晶體板的振動模式,· ,Gx 14 201238244 構造 晶體共振器的基本 晶體元件的具體構造 圖4展示根據本發明第一實施例之財切割 5為俯視®,展祕_-實施例之 圖7說明晶體板中之轴方向;圖, 的範例; 圖6係圖5沿線A-A,所得之剖, 圖8展示橢圓BGT切割晶 性之一階溫度係數α之間的關係;。、縱杈比輿其頻率溫度特 ,9Α為俯視圖,說明根據本發— 共振态; 一具知例之GT切割晶體 關係圖犯係解_ 9Α所㈣體咖中吻極之間的佈線 Ϊ10 tmm; 共振器;及 乂本1月弟二貫施例之GT切割晶體 共振器。 =11為俯視圖,說明根據本發明第 四實施例之GT切割晶體 【主要元件符號說明】 11 原石 12 切割方向 21 GT切割晶體板 22 支持部 31 GT切割晶體板 32 支持部 33 框 34 激勵電極 35 激勵電極 36 延伸電極 37 接合墊 15 201238244 41a、41b、41c GT切割晶體板 42 支持部 43 框 44 激勵電極 45a、45b傳導路徑 46 貫穿孔 47a、47b 電極墊 48、48a、48b 連接構件 16
Claims (1)
- 201238244 七、申請專利範圍: 1.-種^切割晶體共振器,包含: 短軸分別對應於之—橢圓形 ’該長軸及該 方向;及 D中相互正交的二縱向振動模式之振動 石英’其中該支持部* 3命如申請專利範圍第!項的GT切割晶體 度,係在該長軸的長度的0.75到0.U之|f圍;短轴的長 4.如申請專利範圍第〗項的GT 雕 晶體板的主面每-者之上的— 振裔’更包含形成於該 5·如切割晶體編,其中 形成及—對激勵電極,分別 應的係提供於該等晶體板之每一者,且支持該框上一對 -相晶體板係配置於包含該二縱向振動模式之振動方向的 該等晶體板其中二鄰接晶體板其中之_ 機械,連接至該二鄰接晶體板之另一晶體板二曰二二外周緣’ 展於=方/使得當該一晶體板伸. ^刀门㈣日日脰板伸展於與該第—方向正交之一第 17 201238244 方向。 6. 如申請專利範圍第5項的GT 與該另一晶體板的外周緣之_^|連其中^晶體板 板之長軸及短軸其中之—的 =連接’係軸於該—晶體 中之一的一端之間Γ 而亥另一晶體板之長軸及短軸其 7. 如申請專利範圍第5項的G丁切口 件,其連接至該一晶體板之外緣^_,另、振=更包^一連接構 連接構件顯性連·—晶體體板之外周緣,該 8. 如申請專利範圍第6項的G 口口 亥一晶體板的長轴‘ 曰日脰板的長軸和短軸其中之—的— 々/而/、该另一 該一晶體板和其他晶體板。 鳊μ連接構件係機械性連接 9. 如申請專利範圍第7項的G 持部、及該連接構件係由 ’其中該框、該支 成。 所構成,且與該等晶體板整體性形 請日專^圍第5項的GT切割晶體共朗,1作由紐 連接該一曰日體板之外周緣上的咖其中猎由直接 -點,機械性連接該一晶體板和其他、^體^晶·之外周緣上的 11.如申凊專利範圍第6項的 機械性連接該一晶體板和其他 晶體板之 連接該-晶體板之長轴及短轴且中刀^曰^振器’其中藉由直接 長軸及短轴射之一的一端:^端與該另 晶 體 态,其_該框及該 12.如申請專利範圍㈣項的GT切割晶體魏 18 201238244 支持部係由石英所構成,且與該等晶體板整體性形成。 13.如申請專利範圍第5項的GT切割晶體共振器,其中,在該等 晶體板的每一者之中,該短軸的長度係在該長軸的長度的0.75到 0.9倍之範圍内。 八、圖式· 19
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