DE2814592A1

DE2814592A1 - Quarzresonator

Info

Publication number: DE2814592A1
Application number: DE19782814592
Authority: DE
Inventors: Arturo Bellucci; Guiseppe Stacchiotti
Original assignee: Telettra Laboratori di Telefonia Elettronica e Radio SpA
Current assignee: Telettra Laboratori di Telefonia Elettronica e Radio SpA
Priority date: 1977-04-08
Filing date: 1978-04-05
Publication date: 1978-10-19
Also published as: GB1602155A; FR2386937A1; FR2386937B1; US4184095A; IT1078411B; NL7803734A; JPS53136991A; ES468500A1

Description

Anm.: Telettra - Laboratori di. Telefonia Elettronica e Radio S.p.A. Mailand - Corso Buenos Aires, 77/A Italien

Quarzresonator

Die Erfindung betrifft Quarz-Resonatoren, bestehend aus einer AT-Schnitt-Quarzscheibe, die im wesentlichen durch zwei relativ große, übereinander liegende Scheibenflächen begrenzt ist und eine Dicke besitzt, die wesentlich kleiner ist als die Abmessungen der gegenüberliegenden Flächen, sowie mit zwei, jeweils an einer der Scheibenflächen angebrachten Elektroden.

Quarzresonatoren bzw. -schwinger haben bekanntlich in der Elektronik, insbesondere bei Filtern und Oszillatoren, verbreitete Anwendung gefunden. Bekannte Resonatoren bestehen im wesentlichen aus einem Quarzscheibchen und zwei Elektroden, die jeweils an einer Fläche des Scheibchens angebracht sind. Die der Anmeldung beigefügten Figuren 1 bis 3 zeigen in schematischer Darstellung Ausführungsformen des Standes der Technik. Die Figuren sollen den Erfindungsgedanken verdeutlichen und die Aspekte der Technik hervorheben.

In Figur 1 ist ein Quarzkristall dargestellt, der durch drei orthogonale Achsen X₁, X„, X.. definiert ist. Eine Quarzscheibe mit AT-Orientierung, erhalten durch einen AT-Schnitt an die-

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sem Kristall, enthält eine digonale Achse (X₁), die einen Winkel von 35 15' mit der trigonalen Achse (Xo) bildet.

Zur besseren Veranschaulichung des Quarzscheibchens sei ein Scheibchen L betrachtet, das entgegen dem Uhrzeigersinn um die Achse X₁ gedreht ist und durch die Achsen X₂ ¹ und X^¹ anstelle von X₁ definiert ist. Figur 2 ist eine schematische Teildarstellung eines Abschnitts des Scheibchens L, das in einer durch die Achsen X₂! und X.,¹ bestimmten Ebene liegt. Dabei ist die Dicke des Scheibchens L mit T bezeichnet.

Wie bekannt, wird dann, wenn an das Scheibchen L in Richtung X₂ ¹ ein geeignetes elektrisches Feld E in Richtung X₂' angelegt wird (beispielsweise mit Hilfe der Elektroden El₁ und El₂), infolge eines piezoelektrischen Effekts eine Deformation D gegenüber der Mittelebene M (Figur 2) hervorgerufen. Diese Deformation erzeugt eine akustische Welle, die sich vom Erregungspunkt ausgehend - mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die eine Funktion der Masse und der Elastizität des Quarzes, sowie der Geometrie der Scheibe und der Elektroden (z. B. El₁ und El₂) ist. Im allgemeinen werden diese Elektroden durch Aufdampfen von Leiterschichten auf die Oberfläche der Scheibe L hergestellt. In Figur 3 ist in perspektivischer Darstellung eine parallelepipedförmige Scheibe L veranschaulicht, die insbesondere eine Oberseitenfläche F₁ und eine über die Stärke T des Quarzmaterials von dieser

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getrennte UnterSeitenfläche F„ aufweist. Die Elektrode El₁ besteht aus einer aufgelagerten, insbesondere aufgedampften, Leiterschicht mit ebenfalls zwei rechteckigen Flächen 1 und 2 und einer im Vergleich zur Stärke T der Scheibe sehr geringen Dicke 3.

Die rechteckigen Flächen 1 und 2 der Elektrode El₁ sind mittels eines Zuleitungssteges G-, zwecks Herstellung eines Anschlusses mit dem Rand 4 der Scheibe L verbunden. Die Elektrode El₂ ist in Figur 3 nicht sichtbar, weil sie durch die Elektrode El₁ verdeckt ist. Die Elektrode EI2 muß man sich in der selben Lage wie die Elektrode El-, jedoch auf der Unterseite F₂ der Scheibe L vorstellen. In Figur 3 ist in gestrichelten Linien lediglich der Zuleitungssteg G₂ der Elektrode El₂ angedeutet, die unter Bildung eines zweiten Anschlusses am Scheibenrand 5 endet.

Die bekannten Resonatoren gemäß Figur 3 werfen Schwierigkeiten dahingehend auf, daß sie neben der Grundresonanzfrequenz eine ganze Reihe unerwünschter Frequenzen anregen, deren Eigenschaften im wesentlichen von der Geometrie des Systems der Scheibe L und von den Elektroden (z. B. El₁ und El₃) abhängen. Konsequenterweise ist es durch geeignete Beeinflussung dieser Geometrie möglich, die Lage und den Q-Faktor der Grundfrequenz sowie der Stör- oder Nebenfrequenzen zu

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bestimmen. Da es jedoch bei der industriellen Massenfertigung in großen Serien außerordentlich schwierig ist, die Geometrie der Scheiben und/oder der Elektroden vollkommen gleichmäßig zu halten, erweist es sich auch als schwierig, Resonatoren mit genau übereinstimmenden Eigenschaften (bzw. Kennlinien) herzustellen. Hieraus ergeben sich viele Nachteile bei den Vorrichtungen und Schaltungen, in welche diese Resonatoren eingebaut werden, die trotz im wesentlichen identischer Geometrie, innerhalb der Grenzen der industriellen Reproduzierbarkeit, sehr unterschiedliche Eigenschaften zeigen.

Demnach besteht also eine Notwendigkeit für die Verbesserung der Kontrolle und Reproduzierbarkeit der Eigenschaften von Quarzresonatoren.

Der Erfindung liegt damit im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, eine grundlegende Lösung der anstehenden Probleme zu bieten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Quarzresonatoren mit einem zusätzlichen Kontrollparameter, womit es möglich sein soll, auch bei größeren geometrischen Toleranzen verbesserte Eigenschaften bzw. Kennlinien zu gewährleisten ·

Diese und andere Aufgaben werden bei einem Quarzresonator der vorstehend beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dieser wenigstens eine Zusatzelektrode besitzt, die

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wenigstens eine der erstgenannten Elektroden El., El„ wenigstens teilweise umfaßt. Vorzugsweise besitzen die zusätzlichen Elektroden ein Aussehen ähnlich der Hauptelektrode. Sie sind in einem vorgegebenen Abstand von letzteren angeordnet.

Die verschiedenen Aspekte und Vorteile der Erfindung sind im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figuren 4 und 5 schematische perspektivische Darstellungen zweier Ausfuhrungsformen eines Quarzresonators mit den Merkmalen der Erfindung, und

Figuren 6 bis 9 graphische Darstellungen der Frequenzgänge bzw. Kennlinien der erfindungsgemäßen Quarzresonatoren .

Die Figuren 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.

Ein in Figur 4 in perspektivischer Darstellung veranschaulichter Resonator bzw. Schwinger gemäß der Erfindung umfaßt eine Quarzscheibe L mit einer Oberseite F₁, einer Unterseite F2 und einer Dicke T. Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung und ihres allgemeinen Grundgedankens ist die

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Scheibe L wiederum als Parallelepiped mit quadratischen oder rechteckigen Oberflächen dargestellt. Selbstverständlich kann jedoch die Form der Scheibe von der dargestellten Form abweichen.

Die Elektroden El₁ und El₃, letztere durch erstere verdeckt, sind als praktisch kreisförmige Flächen C. dargestellt, die mit dem Zuleitungssteg G₁ verbunden ist, welcher seinerseits an seinem erweiterten Ende N₁ an der Kante 4 der Scheibe L eine Klemme bzw. einen Anschluß zur Verbindung mit einer in Figur 4 nicht gezeigten Stromversorgung, im allgemeinen einer Gleichspannungsquelle, bildet.

Die nicht sichtbare Elektrode El₂ besteht ersichtlicherweise ebenfalls aus einem größeren Abschnitt C₂ mit einer praktisch kreisförmigen Fläche, die an eine Zuleitung G₂ angeschlossen ist, welche sich ihrerseits mit einer Erweiterung N₂ bis zum Rand 5 der Scheibe L erstreckt.

Die Kreisflächen C₁ und C₂ der beiden Elektroden sind im allgemeinen auf den betreffenden Flächen F₁ bzw. F₂ genau deckungsgleich aufeinander ausgerichtet. Das nicht dargestellte, durch die Elektroden EL₁ und El₂ erzeugte elektrische Feld E entsteht nahezu ausschließlich in den größeren Bereichen C₁ und C₂, während die Zuleitungsstege G₁ und G₂ nur sehr wenig oder überhaupt nicht zur Erzeugung dieses elektrischen Feldes bei-

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tragen. Diese Zuleitungsstege G^ und G₂ sind nicht übereinander angeordnet. Wie aus Figur 4 hervorgeht, verläuft zwar die Zuleitung G₂ in einer Achse mit der Zuleitung G-, jedoch erstreckt sie sich zur entgegengesetzten Seite der Scheibe L. Selbstverständlich kann der Zuleitungssteg G₂ auch eine andere als die dargestellte Position einnehmen, beispielsv/eise rechtwinklig zum Zuleitungssteg G₁ verlaufen oder eine andere Stellung haben, in welcher er den Zuleitungssteg G- nicht überdeckt.

Die vom elektrischen Feld herrührenden mechanischen Kräfte beeinflussen somit nur die größeren Flächen C₁ und C₂ der Elektroden.

Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung sind nun zwei weitere Elektroden El₃ und El₄ um die beiden Elektrodenflächen C₁, C₂ herum angeordnet, wobei die Elektrode El₄ nicht sichtbar ist, da sie von der Elektrode El₃ genau überdeckt wird. Diese Elektroden sind wiederum mit Zuleitungsstegen G^, G₄ versehen, die zwei weitere Klemmen oder Anschlüsse des Kristallresonators bilden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß vorzugsweise eine Konfiguration gewählt wird, wie sie in Figur 4 dargestellt ist. Es ist jedoch auch möglich, die Elektroden El., und El₄ zu unterteilen oder in unterschiedlicher Konfiguration

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auf der Ober- und Unterseite anzubringen.

Erfindungsgemäß sind die zusätzlichen Steuerelektroden El₃, El₄ vorzugsweise so ausgebildet, daß sie die Peripherie der aktiven Flächenbereiche C₁, C₂ der Elektroden El₁ bzw. El praktisch vollständig umschließen.

Da die aktiven Bereiche (Flächen) C₁, C₂ der Elektroden El₁, El₂ bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 kreisförmig sind, sind ihnen die zusätzlichen Elektroden El₃, El. in Form von Kreisringen angepaßt, welche die Flächen C₁ bzw. C₂ nahezu vollständig (mit Abstand) umschließen. Die Ringflächen A₁, A₂ der Elektroden El₃ bzw. El₄ besitzen eine Ringbreite la, einen Abstand d zwischen dem Außenumfang der Fläche C₁ (C₂) und dem Innenumfang der Ringfläche A₁ (A₂) sowie eine Dicke 6 des die betreffende Ringfläche A₁, A₂ bildenden, aufgebrachten Metalls. Die Zuleitungsstege G₃.G₄ der Elektroden El₃ bzw. El₄ können gemäß Figur 4 übereinander liegen, doch ist diese Anordnung nicht wesentlich, überraschend hat es sich erwiesen, daß es durch die zusätzlichen Elektroden EL₃, El₄, insbesondere durch ihre Anordnung in Form eines um die aktiven Flächen C₁, C₂ jeder Elektrode El bzw. El herumliegenden Kreisringes, möglich ist, das Spektrum der unerwünschten Neben- oder Störfrequenzen zu beeinflussen. Als noch überraschender hat es sich zudem gezeigt, daß durch Änderung des Abstandes des Kreisringes A₁ bzw. A₂ von der Fläche

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C₁ bzw. C₂ und/oder seiner wesentlichen geometrischen Parameter, d. h. der Ringbreite la und Dicke 6 der Schicht, die Nebenoder Störfrequenzen mit größter Flexibilität gesteuert bzw. beeinflußt werden können.

Um diesen Aspekt der Erfindung zu erläutern (vgl. Figur 5) ist ganz allgemein eine Scheibe dargestellt, die mit üblichen, genau übereinander liegenden Elektroden El^ und El₂ sowie mit ebenfalls genau übereinander liegenden zusätzlichen Steuerelektrodenringen El₃ und El₄ versehen ist. In Figur 5 ist aus Gründen der Veranschaulichung eine Quarzscheibe L mit unendlicher Länge in Richtung der Achse X-, dargestellt; die Elektroden El₁, El₂ sind als zwei übereinander liegende Schichten ausgebildet, die ebenfalls in X₃~Richtung eine unendliche Ausdehnung besitzen. Analog dazu sind die zusätzlichen Elektroden El₃, El₄ jeweils als zwei Schichten El₃, El₃ ¹ (El₄, El₄ ¹) mit unendlicher Länge dargestellt, die auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrode (n) El., El₂ so angeordnet sind, daß sie effektiv einen Kreisring um die zentrale Elektrode El₁, El₃ herum bilden. In Figur 5 sind die Dicke der Scheibe L mit 2h, die Dicke der Elektroden El-, El₂ mit 2h¹ und die Dicke der Hilfselektroden El₃, El₄ mit 2h¹' bezeichnet. Die Breiten sind wie folgt definiert: 2a = Breite der Scheibe L

2e = Breite der Elektroden El und El₂ 11 = Breite der kreisringförmigen Elektroden El₃ und El.,

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Der ringförmige Spalt zwischen den Elektroden El₁, El„ und den Zusatzelektroden El_ und El₄ ist mit d.. bezeichnet. Mit V₁, V_? sind in Figur 5 die an den Elektroden El₁ und El„ bzw. El₃ und El. angelegten Spannungen bezeichnet. Die Frequenz und der Q-Faktor der Storfrequenzen lassen sich rechnerisch als Funktion der vorstehend beschriebenen Eigenschaft der Elektroden und der Quarzscheibe bestimmen.

Anhand von Figur 5 sei die Verformung aufgrund der Drehung um die Achse X₃ der anfangs senkrecht zur Achse X₁ stehenden Ebene betrachtet. Wenn die Größe dieser Drehung mitU-h bezeichnet wird, lassen sich die die Schallausbreitung angebenden Gleichungen mit guter Annäherung (vergl. "Linear Piezoelectric Plate Vibration", 1969, Plenum Press N. Y.) wie folgt ausdrücken:

Im nichtmetallisierten Bereich (ohne Deckungsgleichheit der Elektroden):

Im metallisierten Bereich (wo sich überdeckende Bereiche vorhanden sind)

(i = 1, 2 für die Elektroden El₁, El₀ bzw. i = 3, 4 für El₀, El )

ι δ ^J

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U,

■ (ι-ι·* Rl) κ*

IU

Darin bedeuten:

O = Quarzdichte

O = Dichte des aufgedampften Materials

2 . lui

. = S i = Verhältnis der Gesamtmasse pro Flächeneinheit

¹ ο .h

aufgedampfter Masse der Elektroden zur Quarzmasse der Scheibe pro Flächeneinheit

	= 85	,93	N/m	-1 2	F/m _i
^C66	= 29	,01	N/m²
^e26	= 0,	095	C/m²
£22	= 39	,82

mechanische und elektrische Kostanten des Materials

Folgende Korrekturkoeffizienten sind zu berücksichtigen:

(2a) K, = -^

Durch Lösung der Gleichungen (1) und (2) für jede Fläche der Scheibe unter Zugrundelegung folgender Randbedingungen kann (1) an jedem Punkt bestimmt werden:

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(a) gleichmäßige Verformung ψ., am Übergang zwischen dem metallisierten und nicht-metallisierten Bereich

(b) Kontinuität (Stetigkeit) von J Ψΐ

(c) Vernachlässigung der Funktion U* (VJ -i =0) am Außenrand der Scheibe.

Wenn die Verformung ψ., bekannt ist, kann der über die Scheibe L fließende Strom I berechnet werden:

^₁ (0)
I = I 1 dx

J-a 0 t

wobei D~ = Mittelwert der elektrischen Verschiebung in der Dicke (1) ist.

Es existieren Frequenzen, bei denen der Strom I unendlich ist (Resonanzfrequenz f *„ des elektromechanischen Systems), aber umgekehrt auch solche, bei denen der Strom I gleich Null ist

(f , . , Antiresonanzfrequenz). Ein für die Darstellung des an*cxr

Q-Wertes der Resonanz geeigneter Parameter ist folgender:

(3) F = ^(fr<s ^fantir^}

^fres

Wie erwähnt, hängt die Größe von F von der Geometrie des Systems und den angelegten Spannungen V₁ und V₂ an den

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Elektroden El-, El₂ und El₃, El. ab. Analog gilt dies auch für eine Scheibe mit unendlichen Abmessungen in Richtung der Achse X₁ und mit Abmessungen 2b in Richtung der Achse X-,; dabei reicht es aus, die Werte einer dieser Größen zu substituieren. Die Diagramme gemäß Figuren 6 bis 9 veranschaulichen die Bedeutung verschiedener Bedingungen für die Kreisringe A₁ bzw. A₂ um die Elektroden El₁ bzw. El₂ in Bezug auf die verschiedenen Neben- oder Störfrequenzen, die bei der Grundresonanzfrequenz eines Resonators mit folgenden Abmessungen auftreten:

Dicke der Scheibe L 2h = 380,6 nm Länge der Scheibe L 2a = 14 mm (X-Achse) Länge der Scheibe L 2b = 15 mm (Χ-,-Achse) Breite der Elektroden 2e^ = 6,28 mm (X -Achse) Länge der Elektroden 2e₃ = 5,022 mm (X-Achse) Grundfrequenz = 4287 kHz
R₁ = 0,0216
R₂ = 0,0198

Die graphische Darstellung von Figur 6 veranschaulicht die Änderung der Stromstärke (I) bezogen auf die Stärke der Resonanz (F) entsprechend der Gleichung (3) der ersten Nebenoder Störfrequenzen von η = 1 bis η = 10 bei sich änderndem Abstand d₁ (Figur 5), d. h. des Spaltes zwischen den Elektroden El₁ , El₂ und den Kreisringen A₁, A₂ in Ringform unter folgenden

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Bedingungen:

V₁ = ι ν

V„ = O V

I.. = 0,6 mm

Das Diagramm von Figur 7 zeigt den Verlauf der Stärke der Resonanz P bei Änderung der Ringbreite I₁ (Figur 5)

¹I entsprechend la in Figur ^ mit d- = 2,2 - -~- .

Das Diagramm von Figur 8 zeigt den Verlauf der Resonanz F als Funktion der Spannung V₂ am Kreisring A mit V^ =1 V, cL = 2,2 mm und 1.. = 0,6 mm.

Die graphische Darstellung nach Figur 9 veranschaulicht die .änderung der Frequenz, als Verhältnis zwischen fa/fo ausgedrückt, bei Änderung des Abstandes des Streifens (El₃, El.) von der Hauptelektrode El₁, El₇ und bei einer Breite der Elektroden El,, El^, von 0,6 mm.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

'-. 1 ./ Quarzresonator, bestehend aus einer AT-Schnitt-Quarzscheibe, die im wesentlichen durch zwei relativ große, übereinander liegenden Scheibenflächen begrenzt ist und eine Dicke besitzt, die wesentlich kleiner ist als die Abmessungen der gegenüberliegenden Flächen, sowie mit zwei, jeweils an einer der Scheibenflächen angebrachten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Zusatzelektrode (El₃; El₄) wenigstens eine der erstgenannten Elektroden (El., ; El₃) wenigstens teilweise umfaßt.
2. Quarzresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzelektroden (El₃; El.) eine zu den Hauptelektroden (El..; El») kompatible Gestalt besitzen und in einem bestimmten Abstand (d) zu letzteren angeordnet sind.
3. Quarzresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzelektroden (El₃; El-) im wesentlichen annulare Form haben und eine Krümmung besitzen, welche derjenigen der Hauptelektroden-Peripherie entspricht.

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4. Quarzresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzelektroden durch Ablagerung von Metall auf die Oberflächen der Quarzscheibe hergestellt sind.
5. Quarzresonator nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz und der ubertragungsfaktor der Neben- oder Störresonanzfrequenzen durch Festlegung der Breite, der Dicke, des Abstands und/oder der Spannung der Zusatzelektroden einstellbar sind.
6. Quarzresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektroden eine Ellipsenform besitzen und von ringförmigen Zusatzelektroden umschlossen sind, die eine elliptische Krümmung entsprechend derjenigen der Hauptelektroden besitzen.

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