NL7906675A

NL7906675A - Pieezo-elektrische resonator.

Info

Publication number: NL7906675A
Application number: NL7906675A
Authority: NL
Original assignee: Centre Electron Horloger
Priority date: 1978-09-08
Filing date: 1979-09-06
Publication date: 1980-03-11
Also published as: FR2435855A1; FR2435855B1; GB2032685B; GB2032685A; CH623690A5; CA1141445A; NL190593B; DE2936225C2; NL190593C; DE2936225A1; US4313071A; JPH0232807B2; HK23088A; JPS5538799A

Description

* Λ * 49 295/Bs/MV - 1 ~ CENTRE ELECTRONIQUE HORLOGER S.A., NEÜCHATEL,

Zwitserland.

Piëzo-elektrische resonator.

De uitvinding heeft betrekking op een piëzo-elektrische resonator omvattende ten minste één kwartskristal in de vorm van een rechthoekig dun plaatje, waarvan de lengte 1 is gericht volgens een X'-as, de breedte w volgens een 5 Y'-as, en de dikte t volgens een Z'-as, en dat trilt in een contourmodus.

Een contourmodusresonator wordt gerealiseerd in de vorm van een dunne plaat met een verplaatsing in het vlak van de plaat. De dikte moet voldoende klein zijn, 10 opdat de traagheidskrachten, veroorzaakt door de verplaatsing buiten het vlak van de plaat als gevolg van gekruiste elastische constanten een te verwaarlozen invloed hébben op de vervormingsenergie. De vorm die gewoonlijk wordt gekozen, is de rechthoek, hetgeen de aanwezigheid 15 van vier meetkundige parameters impliceert: - twee snijhoeken voor het definiëren van de richting van de normaal op de plaat, - één snijhoek voor het definiëren van oriëntatie van de zijden van de rechthoek in het vlak van de plaat, en 20 - een dimensionele verhouding tussen de zijden van de rechthoek.

Voor een resonator van praktisch belang is het nodig, dat de temperatuurcoëfficient van de eerste orde dichtbij 0 gelegen is (bijvoorbeeld + 1.10 /°C] bij de gemiddelde 25. gebruikstemperatuur.

In de handel zijn kwartskristallen verkrijgbaar van verschillende sneden, waaronder de GT-snede de meest gunstige thermische eigenschappen geeft. Daarbij gaat het om een rechthoekig plaatje, waarvan de dimensionele 30 verhouding gelijk is aan 0,86, en dat wordt verkregen door ..........

i

fr X

,___~~ 2 ~_____ ! een rotatie over de elektrische X-as van het kristal, I gevolgd door een rotatie van + 45° over de normaal. De GT-gesneden resonator oscilleert volgens een contourmodus en meer in het bijzonder in een in de breedte uitgestrekte modus.

5 De frequentietemperatuurcoëfficiënt van de eerste orde en de tweede orde zijn nul, en de coëfficiënt van de derde orde is zeer klein. Het ongemak voortvloeiende uit deze snede is toe te schrijven,aan het feit, dat de thermische eigenschappen van de resonator op kritische wijze afhanke-10 lijk zijn van de dimensionele verhouding van de plaat.

Bij een GT-gesneden kwartskristal is bijv. een temperatuurcoëfficiënt van de eerste orde α gelijk aan + 0.1.10 *V°C, de coëfficiënt van de tweede orde β gelijk *6 o 2 aan +1.10 / C , en de coëfficiënt van de derde orde γ 15 kleiner dan 30.10 12/°C3.

Voor een relatieve variatie Δ(γ] / γ van de dimensionele verhouding gelijk aan 1 % is evenwel de variatie van de temperatuurcoëfficiënt van de eerste orde gelijk aan 2,5.10 /°C, hetgeen impliceert, dat de temperatuurcoëfficiënt 20 van een GT-gesneden kwartskristal noodzakelijkerwijs moet worden geadjusteerd na het inpassen van de resonator.

Een andere bekende sectie of snede is de DT-snede, welke bestaat uit een algemeen vierkante plaat, verkregen door een rotatie over de elektrische X-as, en trillende 25 in een oppervlakschuifmodus. De DT-gesneden resonatoren bezitten het voordeel ten opzichte van de GT-gesneden, dat zij een zeer kleine gevoeligheid vertonen voor variaties van de dimensionele verhouding. De thermische eigenschappen zijn evenwel minder bevredigend. Zo is bijv. de temperatuur-30 coëfficiënt van de eerste orde α nul, de temperatuurcoëfficiënt van de tweede orde β gelijk aan - (15 - 201.10 ^/°C2 en de temperatuurcoëfficiënt van de derde orde γ ongeveer gelijk aan 45.10"12/°C3.

Er zijn verder AT-gesneden kwartskristallen bekend, 35 die de vorm hebben van een plaat, verkregen door rotatie -over de elektrische X-as van het kristal. De gegevens 790 5 6 75 4 -3 - * * over deze kwartskristallen worden meer in het bijzonder aangetroffen in de publikatie "Quartz vibrators and their applications" door Pierre Vigoureux, uitgegeven door "His Majesty's Stationery Office", Londen, 1950. Twee 5 typen AT-gesneden kwartskristallen, die oscilleren op een frequentie van 4 MHz, zijn momenteel in de handel. Deze twee types zijn het AT-gesneden kwartskristal van Nihon Dempa Cie, waarvan de thermische eigenschappen bij 25°C als volgt zijn: 10 - temperatuurcoëfficiënt van de eerste orde:

α = + 0,1.10"6/°C

- temperatuurcoëfficiënt van de tweede orde: β=-4+ 1.10“9/°C2 - temperatuurcoëfficiënt van de derde orde: 15 γ = 95.10”12/°C3, en het AT-gesneden kwartskristal van Sociétë Suisse pour 1'Industrie Horlogère (SSIH), waarvan de thermische eigenschapoen bij 25°C als volgt zijn: - temperatuurcoëfficiënt van de eerste orde:

20 a = + 0,1.10“16/°C

- temperatuurcoëfficiënt van de tweede orde: 3 = -11 + 1.10_9/°C2 - temperatuurcoëfficiënt van de derde orde: γ = 90.10~12/°C3.

25 Hoewel de thermische eigenschappen minder zijn dan die van de GT-gesneden kwartskristallen, bezitten de AT- gesneden kwartskristallen een viermaal hogere frequentie bij een vergelijkbare grootte. Aan de andere kant is de temperatuurcoëfficiënt van de eerste orde meer gevoelig 30 voor de verschillen in groottes van de snijdingshoek, bijv. voor een variatie Δφ van de hoek φ gelijk aan 1°, is de corresponderende variatie Δα van de temperatuur- —6 o coëfficiënt van de eerste orde gelijk aan 4,7.10 / C.

Verder heeft het AT-gesneden kwartskristal van Nihon Dempa 35 Cie. een gecompliceerde vorm, die een afschuining heeft aan elke einde van de staaf en een inclinatie van de laterale 790 6 6 75 ς * - 4- j vlakken. Dit houdt de noodzakelijkheid in van een afzonder-j lijke metallisatie na de complete afwerking. Het AT-kwarts-! kristal van SSIH heeft een aanzienlijke lengte, bijv. ongeveer 11 mm.

5 Het is nu een doel van de uitvinding om de hierboven • genoemde nadelen van kwartskristallen van bekende sneden i op te heffen en een resonator te verschaffen van het in de • aanhef omschreven type, dat voldoet aan alle volgende ' condities: 10 a) temperatuurcoëfficiënt van de eerste orde α is nul, wordt bepaald door een snijhoek, en is niet in enige kritische mate afhankelijk van de dimensionele verhouding van de kristalplaat.

b) de temperatuurcoëfficiënten van hogere orde zijn 15 zo klein mogelijk met in het bijzonder de mogelijkheid om de temperatuurcoëfficiënt van de tweede orde β op te heffen.

c) er is voldoende piëzo-elektrische koppeling en een redelijke hoog-elektromotorische capacitantie teneinde een acceptabel impedantieniveau te verzekeren.

20 d) de piëzo-elektrische koppeling van alle andere modi is voldoende klein om te voldoen aan de voorwaarde:

0 C Q C

__1 geoptimaliseerde ^ __i andere ω modus ** ω modi waarbij Q de kwaliteitsfaktor is. Deze voorwaarde garandeert, 25 ; dat alleen de geoptimaliseerde modus wordt geëxciteerd door de oscillator.

e) het gebruik van een substraat, verkregen door een i enkele kristallografische rotatie, waarvan de invloed op È · .

I de temperatuurcoëfficiënt van de eerste orde α niet groot 30 is, bijv. minder dan 5.10”^/°C per hoekgraad.

f] een tweede rotatie, gemaakt over de normaal op de ; plaat behoeft niet kritisch te zijn en toleranties van de orde van + 5' moeten acceptabel zijn.

De resonator volgens de uitvinding heeft het kenmerk, 7906675 * -m - 5 - dat de Z*-as nomaal op^i~höofdvïakï^n~van^ë_pl¥at'”is' gelegen in het vlak van de elektrische X-as en de optische Z-as van het kristal en met de Z-as een hoek φ vormt zodanig, dat geldt: 5 16° < φ < 36° en dat de Y’-as met de mechanische Y-as van het kristal een hoek Θ vormt zodanig, dat geldt: 10° < Θ < 3Q°

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan 10 de hand van enige uitvoeringsvoorbeelden onder verwijzing naar de tekening. In de tekening toont: fig. 1 een aanzicht in perspectief, waarin de oriëntatie te zien is van een resonator volgens de uitvinding in het X-, Y-, Z-assenstelsel, 15 fig. 2 een grafiek, waarin de meetkundige locatie is gegeven van de waarden Θ en φ, voor welke temperatuur-coëfficiënt van de eerste orde van de resonator nul is, fig. 3, 4, 5, 6 en 7 elk een vlak aanzicht van een verschillende vorm van een piëzo-elektrische plaat voor 20 de resonator, en fig. 8 een aanzicht in perspectief van de resonator in de vorm van een rechthoekige plaat, waarin de locatie van de elektrodes is getoond.

In fig. 1 wordt de plaat, die in het verdere zal 25 worden aangeduld als een ZT-gesneden plaat, bij voorkeur verkregen uit een substraat van de Z-sectie, dat wil zeggen een plaat waarvan de normaal de optische Z-as van het kwartskristal is. Een eerste rotatie van een hoek φ over de Y-as, welke de mechanische as van het kristal repre-30 senteert, brengt de optische Z-as in Z1 en de elektrische X-as in X^. Een tweede rotatie van een hoek Θ over de Z-as brengt de Xj-as in X' en de Y-as in Y'. De hoofdrichtingen X1, Y' en Z' corresponderen resp. met de lengte 1, de breedte w, en de dikte t van de plaat van 35 ZT-snede. Volgens de ISE-standaard wordt een dergelijke snede genoteerd als (z x w t} φ, Θ, hetgeen op de volgende 7 9 0 8 6 75 ........... ..................." -6 - . ·ι j wijze wordt geïntepreteerdl I z: geeft de richting aan van de dikte van de initiële | plaat (substraat van Z-snedeJ, x: geeft de richting aan tfan de grootte-dimensie 5 ’ van de initiële plaat, ‘ w: geeft aan, dat de eerste rotatie van hoek φ wordt 1 uitgevoerd over de as, die de breedte van de initiële plaat | draagt, en t: geeft aan dat de tweede rotatie van Θ wordt uitge-10 voerd over de richting van de dikte van de eindplaat (normaal ten opzichte van het oppervlak van de hoofdvlakken1.

Teneinde aan de hiervoor gegeven condities te voldoen, is het doelmatig de hoeken φ en Θ zodanig te kiezen, dat geldt: 15 16° < φ < 36° 10° < Θ < 26° en de dimensionele verhouding w/1 zodanig dat w/1 is gelegen tussen 0,5 en 0,8.

De beste resultaten worden verkregen voor φ ongeveer 20 gelijk aan 26°, Θ ongeveer gelijk aan 20° en w/1 ongeveer gelijk aan 2/3. In verband met de symmetrie ten opzichte van kristal zij vastgesteld, dat voor de hoekwaarden: φ = -26° en Θ = -20° de verkregen plaat identiek is aan de hiervoor genoemde.

25 De dikte is een vrije parameter, zoals in alle contour- modi. Deze dient zodanig te worden gekozen, dat er enige ; hinderlijke koppeling met de modi, die bewegingen hebben ; buiten het vlak wordt vermeden. Het is gebleken, dat nabij deze combinatie van hoeken de frequentie/temperatuurbetrek-30 ; king een kubische kromme is, waarvan het inflectiepunt j kan worden gevarieerd door de geschikte keuze van de dimensionele verhouding. De temperatuurcoëfficiënt van de eerste orde aan het inflectiepunt hangt af van de hoek en kan worden opgeheven. De temperatuurcoëfficiënt van de 35 tweede orde hangt af van de dimensionele verhouding en kan ^worden opgeheven voor w/1 is ongeveer gelijk 2/3. De tempe- 790 6 6 75 - 7- s ratuurcoëfficiënt van d"e'derde orde kan slechts tot ongeveer 55.10~12/°C3 bedragen, dat wil zeggen aanzienlijk minder dan die van een kwartskristal volgens AT-snede.

De frequentieconstante met betrekking tot de breedte is 5 2823 KHz.mm. De kromme van fig. 2, die de meetkundige positie geeft van de punten, waarvoor de temperatuurcoëffi- ciënt van de eerste orde nul is, illustreert zeer duidelijk het feit, dat deze coëfficiënt in sterke mate varieert met de hoek φ, maar weinig gevoeligheid toont voor kleine 10 variaties van de hoek Θ.

Een gedetailleerde analyse van de eigenschappen van dit ZT-gesneden kwartskristal maakt het mogelijk om aan te tonen, dat de vervorming vrijwel een zuivere elongatie is over de breedte, hetgeen impliceert, dat 15 een naast elkaar plaatsen langs de Y'-as van n-resonatoren, die afwisselend in tegenfase trillen, de thermische eigenschappen niet modificeert. De aldus gevormde resonator cl.6 trilt in feite volgens de n harmonische van elongatie langs Y". De meest eenvoudige constructionele vorm van 20 een ZT-gesneden resonator bestaat uit het gebruiken van een rechthoekige kwartsplaat, zoals die, gedefinieerd in fig. 1, opgehangen door middel van êén of twee draden, bij voorkeur geplaatst aan het midden. Er zijn echter ook andere mogelijkheden, waarbij het gebruik van ophangdraden of 25 schroefdraden kan worden vermeden.

Zo kan bijv. een piëzo-elektrische resonator van een ZT-gesneden kwartskristal volgens de uitvinding bestaan uit een rechthoekige kwartsplaat met de volgende afmetingen: breedte w: 2,7 mm 30 lengte 1: 4,0 mm dikte t: 0,2 mm , terwijl de snijhoeken φ en Θ de volgende waarden bezitten: φ = 26° Θ = 20° 35 In dit geval is de waarde van de resonantiefrequentie 20 .van de resonator gelijk aan 2 Hz, dat wil zeggen ongeveer 790 6 6 75 'v "8 “____ , 1049 KHz.

i I Het ZT-gesneden kwartskristal, getoond in fig. 3, i omvat een inwendig actief deel 10 met een lengte 1 en een breedte w, omsloten door een frame 11 en bevestigd op dit 5 frame door twee voeten 12 en 13. Het frame 11 en de voeten 12 en 13 vormen het passieve deel van het kristal. Het : actieve deel trilt in de richting van de breedte, zoals aangegeven door de pijlen 15.

Fig. 4 toont een andere uitvoering van een ZT-gesneden 10 plaat, die bestaat uit een rechthoekig actief deel 20 : met een lengte 1 en een breedte w, uitgebreid vanaf elke zijde van zijn lengtedimensie door een uitbreiding 21, 22, die een driehoekige vorm heeft. De plaat trilt in de richting van de pijlen 23 en kan als gevolg daarvan gemakke-15 lijk worden bevestigd op twee vastgezette dragers 24 en 25 door de punten van de respectievelijke driehoeken 21 en 22.

Fig. 5 toont een rechthoekige plaat volgens ZT-snede, waarvan het actieve deel 30 voor wat betreft zijn dimensies equivalent is aan drie platen 31, 32, 33, die elk een 20 lengte 1 en een breedte w hebben zodanig, dat w/1 = 0,5 tot 0,8.. De centrale plaat 32, geplaatst tussen de platen 31 en 33, en trillende in tegenfase daarmee, bevat bijv. twee uitbreidingen 34 en 35, die zijn aangèbracht teneinde het samenstel te bevestigen op een (niet getoonde! drager.

25 Fig. 6 toont een ZT-gesneden plaat in de vorm van een stemvork. Deze bestaat uit een actief deel, dat is gevormd uit twee platen 41 en 42 met een lengte 1 en een breedte w zodanig, dat w/1 = 0,5 tot 0,8 en in parallelle betrekking bevestigd op een voet 43, die in dit geval 30 het passieve deel vormt, en welke bedoeld is om te worden j bevestigd op een drager.

Fig. 7 toont een andere uitvoering van een ZT-gesneden plaat, welke een actief deel 50 bevat, verbonden met een passief deel 51. Het actieve deel wordt gevormd door 35 een rechthoekige plaat met de afmetingen 1 en w, die —zodanig zijn, dat de verhouding w/1 gelijk is aan 0,5 tot 0,8, 790 6 6 75 __9_____________ evenals in de voorafgaande voorbeelden. Het actieve deel oscilleert volgens de pijlen 52.

Fig. 8 toont één vorm van metallisering van de ZT-gesneden plaat volgens de uitvinding. De laagverbruikende 5 geïntegreerde oscillatoren bezitten een negatieve weerstand, die omgekeerd evenredig is aan de frequentie. Indien een bedrijf onder lineaire werkcondities wordt aangenomen, is het noodzakelijk, dat de kwartsresonator voldoet aan de volgende conditie: 10 QC1 gewenste >. QC1 ongewenste — modus > — modl

De ZT-resonator heeft in het bijzonder een schuifmodus bij lagere frequentie, waarvoor deze conditie niet schijnt te kunnen worden verkregen, indien de plaat geheel is 15 gemetalliseerd. Het is daarom noodzakelijk om terug te vallen op een gedeeltelijke metallisatie, zodanig gekozen, dat de verhouding: ZT-modus I schuifmodus 20 wordt vergroot. *

Deze metallisatie wordt gevormd door longitudinale stroken 61 en 62, die de hoofdvlakken van de plaat 60 gedeeltelijk bedekken. Eén van de kanten of randen van deze stroken zijn verzonken in de rand van de plaat. De stroken 25 61 en 62 zijn noodzakelijk verschoven ten opzichte van het centrale vlak loodrecht op de hoofdvlakken van de plaat op een zodanige wijze, dat indien één van de metallisaties, bijv. de laag 61 positief is gepolariseerd en de andere 62 negatief gepolariseerd, het resulterende elektrische veld 30 één component geeft volgens Y', die tegengesteld is aan zijn component volgens Z'.

De resonator, die Is getoond in fig, 8, is gemonteerd door middel van korte ophangdraden 63 en 64, welke elektrische 790 6 6 75

^ --W

-10- geleiders zijn, gesoldeerd loodrecht op het midden van j de twee hoofdvlakken van de kwartsplaat. Deze suspensie-j draden waarborgen tevens de elektrische verbinding tussen ; de excitatieketens (niet getoond) en de respectievelijke 5 gemetalliseerde lagen 61 en 62 van de kwartsplaat 60.

In toevoeging aan de reeds eerder vermelde voordelen is de ZT-plaat eenvoudig te vervaardigen en vereist deze 1 geen enkele adjustering van zijn thermische eigenschappen ; na montage. Een mogelijke adjustering van de frequentie 10 kan eventueel eenvoudig worden verkregen door een uniforme afzetting van materiaal, hetzij over het gehele oppervlak, of bij voorkeur over een strook dichtbij de randen, die parallel zijn aan de lengte van de plaat, zonder dat daardoor de thermische eigenschappen worden gemodificeerd.

15 ; - conclusies - i 780 6 6 75

Claims

1. Piëzo-elektrische resonator, omvattende ten minste ëen kwartskristal in de vorm van een rechthoekige dunne nlaat, waarvan de lengte 1 is georiënteerd volgens een X'-as, de breedte w volgens een Y'-as en de dikte t volgens 5 een Z'-as, en welke trilt in een contourmodus, met het kenmerk, dat de Z'-as normaal ten opzichte van de hoofdvlakken van de plaat is gelegen in het vlak van de elektrische X-as en de optische Z-as van het kristal, en met de Z-as een hoek φ vormt, die zodanig is, dat geldt: 10 16° < φ < 36° , en dat de Y'-as met de mechanische Y-as van het kristal een hoek vormt zodanig, dat geldt: 10° < Θ < 30°.

2. Resonator volgens conclusie 1, m e t het ken- 15 merk, dat de verhouding tussen de breedte w en de lengte 1 van de plaat is gekozen tussen 0,5 n en 0,8 n, waarbij n de orde van de harmonische van de grondtrillings-modus is, die wordt gebruikt.

3. Resonator volgens conclusie l,met het ken- 20 merk, dat de hoek φ ongeveer gelijk is aan 26° en de hoek Θ ongeveer gelijk is aan 20°.

4. Resonator volgens conclusie 2,met het ken merk, dat de verhouding w/1 ongeveer gelijk is aan waarbij n de orde is van de harmonische van de grond-25 trillingsmodus, die wordt gebruikt.

5. Resonator volgens conclusie 1 en 2,met het kenmerk, dat deze een kwartskristal omvat met de vorm van een stemvork, waarvan de armen worden gevormd door twee rechthoekige platen met een verhouding w/1 van 30 0,5 tot _0,_8. _ 790 6 6 75 - 12- psT Resonator volgens "conclusie 1 en 2, m e t h~ë~t ~~ 'kenmerk, dat deze een kwartskristal omvat met een i ! actief deel, dat de vorm heeft van een rechthoekige plaat, ; voor wat zijn dimensies betreft equivalent aan een plaat, 5 die bestaat uit ten minste éên rechthoekige plaat met een verhouding w/1 van 0,5 tot 0,8 en een passief deel, dat : ten minste ëën uitbreiding heeft, waabbij het passieve deel is geplaatst aangrenzend aan het actieve deel.

7. Resonator volgens conclusie 6,met het ken-10 merk, dat het actieve deel een rechthoekige plaat omvat met een verhouding w/1 van 0,5 tot 0,8, en het passieve deel twee driehoeken omvat, die het actieve deel in de lengterichting prolongeren.

8. Resonator volgens conclusie 3, met het ken-15 merk, dat het actieve deel een rechthoekige plaat omvat met een verhouding w/1 van 0,5 tot 0,8, en het passieve deel een rechthoekig frame omvat, dat het actieve deel volledig omringt, waarbij de twee delen met elkaar zijn verbonden door middel van uitbreidingen verbonden met elk van de 20 korte zijden van het actieve deel.

9. Resonator volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de plaat gedeeltelijk is gemetalliseerd op elk van zijn hoofdvlakken, waarbij deze metallisatie de ' vorm heeft van een strook evenwijdig met de lengte van de 25 plaat, en deze stroken zijn verschoven ten opzichte van elkaar met betrekking tot het centrale vlak van de plaat, . waarbij de inrichting zodanig is, dat indien ëën van de . metallisaties positief wordt gepolariseerd en de andere negatief gepolariseerd, het elektrische veld ëën component 30 heeft langs de Y'-as in een richting tegenovergesteld aan zijn component volgens Z'. — lp» w — w.· 79 0 6 6 7 5 .........