CN1340914A

CN1340914A - 压电振荡器

Info

Publication number: CN1340914A
Application number: CN01125058A
Authority: CN
Inventors: 吉田龙平
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2002-03-20
Also published as: DE10137121A1; KR20020013435A; KR100397745B1; US6538361B2; US20020057039A1; JP2002057544A

Abstract

本发明揭示了一种压电振荡器,包括在电容器衬底的上表面仅仅有与压电谐振器相连接的第一和第二个外电极。压电谐振器与外电极相连接。并联电容部分连接在第一和第二外电极上,并作为加载电容并联在压电谐振器上。此外,作为插入负载电容的负载电容部分连接在第一和第三外电极之间以及第二和第三外电极之间。并联电容部分和一对负载电容部分都位于电容器衬底的内部。本发明的压电振荡器能用于防止由于外部电容变化而引起频率精度的衰退以保持高的频率精度。此外,即使在振荡器的高度减小时,也能避免发生不希望的短路。

Description

压电振荡器

(1)技术领域

本发明涉及到一种压电谐振器与电容器相结合的压电振荡器。更具体的说，本发明涉及到一种与负载电容和并联电容相连接的压电谐振器。

(2)背景技术

通常，压电振荡器已经被广泛地用于为时钟电路和其他合适器件产生振荡频率。在这些应用中，要求压电振荡器具有非常高的频率精度及可靠性。

日本未批准实用申请公开号5-18120就提出了一种压电振荡器。图7是这种压电振荡器的剖视图。在该图中，压电振荡器101包括一个固定在电容器衬底102上的压电谐振器103。采用护罩104对压电谐振器103进行封装。在电容衬底102外表面有外接电极102a到102c。其中外电极102a和102b在电容衬底102的每个端面上。延伸到电容器衬底外表面的外接电极102a和102b与压电谐振器103的振荡电极103a和103b是电连接。

电容器衬底102的内部有内电极102d和102e。内电极102d和102e利用介电层相互交叠。内电极102d与外电极102b相连接，内电极102e与外电极102a相连接。外电极102c通过衬底102的一对侧面从电容器衬底的上表面延伸到下表面。此外，外电极102利用介电层与外电极102d和102e交叠。

采用这种排列，在外电极102a和102b之间形成了一个基于内电极102d和102e之间介电层的并联电容Cp。另外，在内电极102d和外电极102c之间和在内电极102e和外电极102c之间分别形成了负载电容C₁₁和负载电容C₁₂。图8示出了压电振荡器101的电路结构。

在压电振荡器101中，并联电容Cp与压电谐振器103相并联。于是，通过调节并联电容Cp的数值就可以消除发生在谐振频率和非谐振频率间的寄生响应。其结果，使得发生在高频端的寄生响应得到抑制。

此外，日本未批准公开专利号4-192709提出了一种如图9所示的压电振荡器。在压电振荡器111里，压电谐振器113安装在电容器衬底112上。用护罩114对压电谐振器113进行封装。电容衬底内部有从112a到112e的多个电极。内电极112a和112b是间隔一个预定的距离相对设置在相同的高度上。内电极112a与穿孔电极112f相连接，内电极112b与穿孔电极112g相连接。同样地，内电极112d和112e相对设置在相同高度上，以及内电极112d与穿孔电极112f相连接和内电极112e与穿孔电极112g相连接。

内电极112c通过介电层与内电极112a，112b，112d，112e相交叠。内电极112c与穿孔电极112h相连。112f到112h的穿孔电极延伸至电容衬底112的底表面。在电容器衬底112底表面上有与外面电连接的外电极112i到112k。112i至112k的外电极与112f至112h的穿孔电极相连接。

在压电振荡器111中，在电容器衬底112上形成内电极112a至112e，因此负载电容与压电谐振器113相连接。在这个振荡器111中，由于112i到112k的外电极是在电容器衬底112的底表面，因此，电容器衬底112的底表面可以安装在印刷电路板上。

目前，如同其他类型的电子器件一样，这种压电振荡器的小型化、尤其是高度的减少是十分需要的。一个压电振荡器需要小型化，则用于振荡器中的压电谐振器也就更需要小型化。这样，就要减小压电谐振器内的振荡电极的正面面积。因此，压电谐振器两端之间的电容C_f也就减小。例如，当压电谐振器采用含有Pb成分的高Q品质的陶瓷材料制造时，因为要增加相对带宽，就通过改变与压电谐振器相连接的外部电容的幅值来变化频率的精度。

随着制造压电谐振器的压电陶瓷变得越来越精细越来越好，压电谐振器的高频特性也大大改善。然而，随着高频特性的改善，引起不正常振荡的例如三次谐波和五次谐波的高次寄生响应也会明显增加。因此，这种高次寄生响应必须被抑制。

另外，随着振荡器的高度减小，压电谐振器和安装压电谐振器的电容衬底之间的间隙厚度将减小到几个微米。例如，在日本未批准实用专利申请公开号5-18120所述的振荡器，当压电谐振器103发生谐振时，延伸到压电谐振器103的底表面的振荡电极就会与连接电容器衬底地电位的外电极102b发生连接，从而导致短路。

在日本未批准公开的申请专利号4-192709所描述的压电振荡器111中，在电容器衬底112的上表面没有外电极。这样，当振荡器的高度降低时，上述提及的短路不会发生。然而，在压电振荡器111里，随着振荡器的尺寸减小，上面所描述的由外电极变化而产生的影响会增加。这样，要提高频率精度就非常困难。另外，包括三次和五次谐波的高次寄生响应也会增加。

(3)发明内容

为了克服上述提及的以往技术中的问题，本发明一些较佳的实施例提供了一种改进的压电振荡器。对这种压电振荡器来说，由于减小了由外部电容变化而引起频率精度的衰退，因此可获得非常优良的频率特性。此外，即使降低了振荡器的高度，依然不会发生所不希望的短路。这样，本发明较佳实施例中的压电振荡器具有突出的精度和可靠性。

此外，在本发明较佳实施例中的压电振荡器，当高频特性得到很大改善时，也十分有效地减小了由非正常振荡而引起的高次寄生响应。

在本发明较佳实施例中，压电振荡器包括具有第一主表面和第二主表面的电容器衬底，一对侧面和一对端面，包括部分延伸到电容器衬底的第一主表面的第一和第二外电极，未延伸到第一主表面的第三外电极，安装在第一主表面并且与第一和第二外电极电连接的压电谐振器，连接在第一和第二外电极之间并将电容并联加载到压电谐振器的并联电容部分，一对分别插入在第一和第三外电极之间和在第二和第三外电极之间的一对负载电容部分，其中，并联电容部分和一对负载电容部分都位于电容器衬底的内部。

在这种振荡器中，当并联电容部分的电容-频率特性出现在高频位置时，tanδ值就增大。

此外，采用多个内电极以电容器衬底的厚度方向利用决定电容器衬底的介电层相互交叠的方式，可以很好地确定并联电容部分和成对的负载电容部分。

此外，并联电容部分介电层的相对介电常数不同于负载电容部分的相对介电常数。

此外，压电振荡器还包括与电容器衬底第一主表面相连接的护罩，以用于第一主表面上的压电谐振器的封装。

此外，这种振荡器最好还包括能在电容器衬底第一主表面上有一框架形状的绝缘层，可用于压电谐振器的安装。

此外，第一和第二外电极从电容器衬底的第一主表面延伸到它的一对侧面，第三外电极位于一对侧面上。

此外，在这种振荡器中，第一到第三外电极最好能延伸到电容器衬底的第二主表面。

可以从以下结合图例的对本发明较佳实施例的详细解释中，更明显地体现出本发明的其它特征，元件，特性和优点。

(4)附图说明

图1为本发明第一个较佳实施例中的压电振荡器的纵向剖视图：

图2为本发明第一个较佳实施例中的压电振荡器的分解图。

图3为本发明第一个较佳实施例中的压电振荡器的电路结构图。

图4是说明当并联电容的幅值变化时，第一较佳实施例中压电振荡器的阻抗和频率特性之间曲线的变化。

图5显示了用于第一个较佳实施例的改进举例中的压电谐振器的阻抗-频率特性和并联电容的tanδ-频率特性的组合曲线。

图6是说明根据本发明的第二较佳实施例的压电振荡器的一个分解图。

图7是常用压电振荡器的剖视图。

图8是图7所示的常用压电振荡器的电路结构图。

图9是说明另一个常用压电振荡器的剖视图。

(5)具体实施方式

下面，参照附图对本发明的较佳实施例进行说明。

实施例1

图1是根据本发明第一个较佳实施例中压电振荡器的剖视图。图2是本发明第一个较佳实施例中压电振荡器的分解图。

如图1和图2所示，在实施例1的压电振荡器1中，压电谐振器3安装在称为电容器衬底2第一主表面的上表面2a上，最好呈矩形-平面的形状。

实施例1中的压电谐振器3最好是一个采用厚度-剪切(thickness-shear)模式的能隙(energy-trap)型压电谐振器。如图2所示，压电谐振器3包括一个最好实际上是矩形-平面形状的压电衬底4。压电衬底4最好采用压电陶瓷制造，如铅钛或铅锆钛，或压电单晶。压电衬底4实际上是沿平行于它的纵向方向极化的。

在压电衬底4的上表面上有一个第一振荡电极。在衬底4的下表面有一个第二振荡电极6。振荡电极5和6在压电的纵向方向的大致中心的位置相对放置在压电衬底4上。振荡电极5和6相对放置在压电衬底4上的部分被定义为能隙型压电振荡部分。

振荡电极5通过衬底4的端面从压电衬底4的上表面大致中心延伸到下表面。另外，而振荡电极6从压电衬底4的下表面大致中心延伸到另一个端面。

电容器衬底2最好采用一种集成烧结多层膜的现有技术来制作。

特别是，电容器衬底2要采用合适的介电陶瓷来制备。衬底2包括通过两个侧面2b和2c从上表面延伸到下表面的第一和第二个外电极7和8。另外，第三电极9从电容器衬底2的两个侧表面2b和2c延伸到下表面2d。外电极7和8最好置于接近电容器衬底2的端面2x和2y的位置，并且在端表面2x和2y之间接近中心的位置上有外电极9。在电容器衬底2内的上部分，有多个内电极10和11并且定义成并联电容部分。内电极10和11利用一个介电层2e相互交叠。内电极10延伸到电容器衬底2的侧面2b和2c。内电极10延伸到侧面2b和2c的部分与第一个外电极7电连接。同样地，内电极11也包括延伸到侧面2b和2c的部分，它也是与第二个外电极8电连接。因此，在第一和第二个外电极7和8之间插入了一个基于内电极10和11之间的介电层2e的电容。根据本发明的较佳实施例1，该电容定义了并联电容部分。

在内电极10和11的下面，还有多个内电极12至17。内电极12和13的顶端以相同高度位置间隔一个预定的距离相对放置在电容器衬底2的里面。内电极12和13有部分延伸到侧面2b和2c，并且内电极12和13的延伸部分与外电极7和8电连接。内电极16利用介电层2f与内电极12和13交叠。内电极16延伸到侧面2b和2c的部分与第三个外电极9电连接。

在内电极16下面在相同高度位置处有内电极14和15。内电极14和15的顶端部分间隔一个预定的距离相对放置。内电极14延伸到侧面2b和2c的部分与第一个外电极7电连接。内电极15延伸到侧面2b和2c的部分与第二个外电极8电连接。

内电极17被设置在内电极14和15位置下面的地方。内电极17采用与内电极16相同的方式来排列。

特别是，在第一外电极7和第三外电极9之间，在内电极12和14与内电极16和17交叠位置插入了一个基于介电层2f和2h的电容。根据本发明的实施例1，该电容可定义了负载电容部分的其中之一。同样，在内电极16和17和内电极13和15之间，有一个基于介电层2f和2h的电容。根据本发明的实施例1，该电容被定义为另一个负载电容部分。

因此，在外电极7和9之间和外电极8和9之间都有负载电容部分。

图3所示的是本发明实施例1的压电振荡器的电路结构。

如图3所示，基于并联电容部分的电容C_p以并联的形式与压电振荡器1相连接。另外，基于第一和第二负载电容部分的负载电容C₁和C₂连接在压电振荡器的输入/输出端和一个地电位之间。

在实施例1中，压电谐振器3利用导电粘结膜18和19与外电极7和8相连接。导电粘结膜19将延伸到压电衬底4下表面的振荡电极5的一部分5a与外电极8相连接。

此外，为了能封装压电谐振器3，金属盖20是用绝缘粘结21固定在电容衬底2。

在压电振荡器1中，在电容器衬底2的上表面2a上有第一和第二外电极7和8，但没有第三外电极9。于是，当振荡器小型化并且振荡器的高度被减小时，即使压电谐振器3和电容器衬底2上表面2a之间的间隔减小，振荡电极6也不会接触到连接到地电位的外电极9。因此，振荡器可以小型化，实际上，振荡器的高度可以大大减小。

进而，如图3所示，在电容器衬底2的内部可形成并联电容C_p、负载电容C1和C2。有了并联电容部分的并联电容Cp，可减小非谐振的频率。因而，带宽ΔF也减小。带宽ΔF的表示式为：

ΔF＝Fa-Fr

式中Fa表示非谐振频率，Fr表示谐振频率。因此，就可得到变窄了的带宽。

在输入/输出段之间的电容Cf的表示式为

Cf＝C0+Cp(C0＝C1＝C2)。

即使由于振荡器小型化而使得压电谐振器3终端之间的电容减小，在输入/输出端之间的有效电容还是明显增加。因此，由于诸如浮置电容等外部电容产生的影响被抑制，所以振荡器1的频率精度大大提高。

进而，当采用压电谐振器3的基本模式时，在高频段产生谐波如三次谐波和五次谐波的频率位置上，C1/C0初始值就会小于基波时的值，并且由于在并联电容Cp中的电阻和感应系数而出现损耗。这样，在高次模式中可有效地消除非谐振。因此就大大地抑制了由谐波产生的非正常振荡。

图4显示了当并联电容Cp是10PF时压电振荡器1的阻抗-频率特性曲线(虚线)和当并联电容Cp是18PF时的阻抗-频率特性(实线)。

如图4所示，使用4MHz带宽基本模式的压电谐振器作为压电谐振器3，在该模式中，输入/输出端的电容Cf为12.8PF而带宽ΔF为300KHz。当并联电容Cp为10PF时，则带宽ΔF为160KHz，而当并联电容Cp为18PF时，则带宽ΔF为118KHz。这样就通过增加并联电容Cp使带宽变窄。另外，正如上面所提到的，当并联电容Cp从10PF增加到18PF时，表示三次谐波寄生响应幅值的相位角θ3就从70°减小到20°。这样就大大抑制了由高次模式而引起的寄生响应。

此外最好是，并联电容部分的介电层的相对介电常数与负载电容部分的每个介电层的相对介电常数都是不同的。采用这样地结构就可以优化并联电容部分的并联电容Cp值和负载电容部分的电容C1和C2的值。因而就能得到优异的频率特性和更有效的抑制了由高次模式而引起的寄生响应。

例如，当并联电容介电层的相对介电常数大于负载电容部分介电层的相对介电常数时，即使有少量的介电层排列在内电极之间，也会使在并联电容部分中的产生大量的电容。相反，当并联电容部分介电层的相对介电常数小于负载电容部分介电层相对介电常数并且在并联电容部分的内电极表面积较大时，由于内电极表面积变化而引起的电容变化就会被大大抑制。另外，并联电容Cp的精度也可以大大提高。因此，压电振荡器1的带宽变化就减小。也就是说，振荡频率的精度得到了大大的改善。

如图5所示，当并联电容Cp的频率特性被设置在如tanδ是较高的高频一端时，在高频区域所发生的寄生响应就会减小。也就是说，当压电谐振器3的阻抗-频率特性如图5所示的实线B时，通过将并联电容部分的频率特性设定为虚线C所示，那么就消除了用箭头Y和Z表示的三次和五次模式的振荡条件。这样，更有效地抑制了高次寄生响应。

对介电材料来说，它具有当它的指向方向从低频端到高频端时tanδ的值就增加的特性，列出的材料有，BaTiO₃-CaTiO₃-Nb-Co-Nd，BaTiO₃-CaTiO₃-Bi-Sn以及其他一些合适的材料。

在这种情况下，即使在并联电容小于压电谐振器3输入/输出端之间的电容但很难使带宽变窄时，并联电容的频率特性仍能有效地抑制高次模式的寄生响应。

实施例2

图6是说明用于根据本发明第二个较佳实施例的压电振荡器中的电容衬底的透视图。

在电容器衬底22的上表面22a有一层实际上是矩形框形状的绝缘层23。除了绝缘层23以外，按照实施例1中电容器衬底2的方法来配置电容器衬底22。

压电振荡器安装在实际上为矩形框形状的绝缘层23上。压电谐振器3所包括的振荡电极5和6采用导电粘合剂与外电极7和8相连接。粘合剂的厚度大于绝缘层23。这样，压电谐振器3的底面与电容器衬底22的上表面分隔开，即，有一个由厚度和绝缘层23一样的绝缘层23所环绕的区域。与第一个较佳实施例相比，提高了防止不希望的短路的可靠性。

封装罩采用导电粘合剂粘合在接近绝缘层23外围的绝缘层23上。

在前上述实施例1和2中，压电谐振器3最好是采用厚度-剪切模式的能隙型压电谐振器。然而，本发明也能采用其他振荡模式的压电谐振器。此外，在本发明中采用的压电谐振器不一定必须是能隙型压电谐振器。

此外，在实施例1中，第一到第三外电极7到9最好是利用电容器衬底2的两个侧面延伸到它的底面。然而，第一到第三外电极7到9不是必须延伸到电容器衬底的下表面。

正如以上所描述的，在电容器衬底的第一主表面上有第一和第二外电极，但第三外电极并不在其上。压电谐振器与第一和第二外电极电连接。在这种排列中，即使当压电谐振器和电容器衬底的第一主表面之间的间隙减小时，也可以在不受损害情况下避免不希望的短路。因此，压电谐振器的体积，特别时它的高度，大大减小。

另外，当并联电容部分跨接在第一和第二外电极之间时，并联电容以并联的方式加载到压电谐振器，因此可以防止由外部电容而引起的带宽变窄以及频率精度的变化。此外，能有效地防止高次模式的寄生响应也可以防止由高次模式引起的非正常的振荡。

实际上，当并联电容部分的电容频率特性是以较高频率一段的较大tanδ的值来设置时，在高频段的高次寄生响应也被有效抑制。

当并联电容部分和负载电容部分确定用多个内电极通过在电容器衬底上的介电层上沿厚度方向相互交叠的方式来形成时，采用片状陶瓷层集成烧结技术来制作具有高精度的并联电容部分和负载电容部分。另外，通过调节交叠的内电极栈的厚度，就可以没有损害的情况下得到所需的电容。

当并联电容部分的介电层的相对介电常数与负载电容部分的每个介电层的相对介电常数不同时，例如，当并联电容部分的介电层的相对介电常数大于负载电容部分的介电层介电常数时，即使只使用较少的介电层，也可以得到较大的并联电容。相反，当并联电容部分中的介电层的相对介电常数小于在负载电容部分的介电层相对介电常数时，并联电容的电容精度提高并且振荡频率的精度也提高。

由于封装罩是与电容器衬底的第一主表面相接触来封装压电谐振器，因此压电谐振器位于结构的内部。所以，本发明的振荡器具有突出的抗环境影响特性。

利用框形绝缘层将压电谐振器安装在电容器衬底的第一个主表面上，可有效地保持压电谐振器与电容器衬底的第一主表面之间的间隔。这样，可以在没有损坏的情下避免不希望的短路。

当第一和第二外电极从电容器衬底的第一主表面延伸到两个侧面并且第三外电极形成在两个侧面时，通过利用电容衬底的两个侧面，本发明的压电振荡器非常容易地安装在印刷电路板或其他合适的衬底上。实际上，当第一到第三外电极也延伸到电容器衬底的第二个主表面上时，振荡器的表面安装就更加容易。

在上述讨论本发明的实施例时，应该理解到只要不超出本发明的范围和精神可以进行各种各样的修改和变化。

Claims

1.一种压电振荡器，包括：

具有第一主表面和第二主表面的电容器衬底，一对侧面和一对端面，

包括延伸到电容衬底的第一主表面部分的第一和第二外电极，

没有延伸到第一主表面的第三外电极，

安装在第一主表面上并与第一和第二外电极电连接的压电谐振器，

连接在第一和第二外电极之间并将电容并联加载到压电谐振器上的并联电容部分，

分别插入在第一和第三外电极之间和在第二和第三外电极之间的一对负载电容部分，

其特征在于，

并联电容部分和一对负载电容部分都位于电容器衬底的内部。

2.如权利要求1所述的压电振荡器，其特征在于，

随着在频率位置上并联电容部分的电容-频率特性增加，tanδ的值增加。

3.如权利要求1所述的压电振荡器，其特征在于，

电容器衬底包括多个介电层，并且并联电容部分和一对负载电容部分是由多个内电极在电容器衬底的介电层上沿电容器衬底的厚度方向相互交叠而成。

4.权利要求3所述的压电振荡器，其特征在于，

并联电容部分的介电层的相对介电常数不同于负载电容部分的介电层的相对介电常数。

5.如权利要求3所述的压电振荡器，其特征在于，

并联电容部分中的介电层的相对介电常数大于负载电容部分中的介电层的相对介电常数。

6.如权利要求3所述的压电振荡器，其特征在于，

并联电容部分中的介电层的相对介电常数小于负载电容部分中的介电层的相对介电常数。

7.如权利要求1所述的压电振荡器，其特征在于，还包括

附加在电容器衬底第一主表面上的护罩，用于对安装在第一主表面上的压电谐振器进行封装。

8.如权利要求7所述的压电振荡器，其特征在于，还包括

用于在电容器衬底第一主表面上安装压电谐振器的框形绝缘层。

9.如权利要求1所提及的压电振荡器，其特征在于，

第一和第二外电极从电容器衬底第一主表面延伸到它的一对侧面，第三外电极位于一对侧面上。

10.如权利要求9所述的压电振荡器，其特征在于，

第一，第二和第三外电极延伸到电容器衬底的第二主表面。

11.如权利要求1中所提及的压电振荡器，其特征在于，

所述压电谐振器采用厚度-剪切模式的能隙型压电谐振器来构成。

12.一种压电振荡器，包括：

包括部分延伸到电容器衬底第一主表面的第一和第二外电极，

没有延伸到第一主表面的第三外电极，

安装在第一主表面上的并与第一和第二外电极电连接的压电谐振器。

13.如权利要求12所述的压电振荡器，还包括：

连接在第一和第二外电极之间并将电容并联加载到压电谐振器上的并联电容部分，和，

一对负载电容部分，分别是插入在第一和第三外电极之间的负载电容和在第二和第三外电极之间的负载电容，

其特征在于，

并联电容部分和一对负载电容部分都位于电容衬底的内部。

14.如权利要求13所述的压电振荡器，其特征在于，

15.如权利要求14所述的压电振荡器，其特征在于，

16.如权利要求12所述的压电振荡器，其特征在于，还包括附加在电容器衬底第一主表面上的护罩，用于对安装在第一主表面上的压电谐振器进行封装。

17.如权利要求16所述的压电振荡器，其特征在于，还包括

18.如权利要求12所述的压电振荡器，其特征在于，

第一和第二外电极从电容器衬底第一主表面延伸到它的一对侧面，第三外电极位于一对侧面。

19.如权利要求18所述的压电振荡器，其特征在于，

第一，第二和第三外电极延伸到电容器衬底的第二主表面。

20.如权利要求12所述的压电振荡器，其特征在于，

所述压电谐振器是采用厚度-剪切模式的能隙型压电谐振器来构成。