DE2351665B2 - Rechtwinklige AT-geschnittene Quarzkristallplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine rechtwinklige AT-geschnittene Quarzkristallplatte mit einer Orientierung (y, x. 1) von etwa 35° 2070°/0°.

AT-geschnittene Quarzresonatoren zeichnen sich durch ein verhältnismäßig geringes Kapazitätsverhältnis und eine geringere Temperaturabhängigkeit der Frequenz aus, wie es bei vielen anderen Schnitten wie z. B. dem BT-Schnitt der Fall ist Die zuvor genannten AT-Schnittdaten sind innerhalb eines Frequenzbereiches von 1 bis 6 MHz und in einem typischen Betriebstemperaturbereich von beispielsweise 0 bis 6O⁰C besonders günstig.

Die derzeit in diesem Frequenzbereich verwendeten AT-Schnitte sind gewöhnlich kreisförmige Scheiben mit einer sphärischen Kontur auf wenigstens einer Oberfläche, wodurch eine teurere Einzelplattenherstellung nötig wird. Wenn derartige kreisförmige Platten alternativ dazu mit ebenen und parallelen Oberflächen hergestellt werden, ist ein großes Quarzstück nötig, um eine Platte mit ausreichend großem Durchmesser zu erhalten, deren aktiver Kernbereich unter den Elektroden genügend von den Rändern isoliert ist, wodurch die Herstellungskosten zusätzlich ansteigen. Außerdem sind diese großen kreisförmigen Platten schwieriger einzubauen oder zu montieren als rechtwinklige Kristallplatten.

Aus der US-PS 2 306 909 ist eine rechtwinklige AT-geschnittene Quarzkristallplatte bekannt, die eine Orientierung von 35° 2070°/0° und eine Dickenscherresonanz in dem obengenannten Frequenzbereich aufweist. Die Längsseite der bekannten Quarzkristallplatte liegt in der ^-Achse während die Breitenausdehnung entlang der elektrischen x-Achse verläuft Wie sich aus einem Vergleich der Abmessungsverhältnisse in den Fig. 10 bis 12 der vorgenannten Patentschrift ergibt, weisen die Platten praktisch eine quadratische Konfiguration auf. Eine Platte mit quadratischen Abmessungen erfordert ein größeres Quarzstück als eine nahezu rechtwinklige Konfiguration. In der Literaturstelle werden spezifische Abmessungsverhältnisse angegeben, um eine Kopplung mit den Dicken-Breitenbiegemoden zu vermeiden, wie aus den k-Kennlinien der Fig. 10 und 11 ersichtlich ist. Die Längen-Breitenschermoden, d. h. die Flächen-Schermoden, sind jedoch wesentlich stärker als die Biegemoden und wirken sich deshalb bei einer Kopplung mit den gewünschten Dicken-Schermoden ungünstiger aus. Zum Beispiel können die Flächenschermoden nur 5 bis 1OdB kleiner als der gewünschte Dicken-Schermode sein, wohingegen die Dikke-Biegemoden 30 bis40 dB kleiner als der gewünschte DJcken-Schermode sein könnea

Die vorstehenden Probleme werden gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß die Platte ein Breiten-Dikkenverhältnis innerhalb der Bereiche 2,5 bis 34, 54 bis 7, 84 bis 10, 114 bis 134 hat und das Längen-Dickenverhältnis von 30 bis 150 reicht

Pin Vorteil der Erfindung ist die Verbesserung eines rechtwinklig AT-geschnittenen Quarzkristalls durch Eliminierung unerwünschter Schwingungsmoden, wobei ein weiterer Vorteil darin besteht, den Einfluß der Flächenschermoden auf den gewünschten Mode auf ein Minimum zu reduzieren. Schließlich läßt sich die Platte gemäß der Erfindung leichter und wirtschaftlicher herstellen und einbauen.

In der Zeichnung zeigt

F i g. t eine perspektivische Ansicht einer rechtwinkligen AT-geschnittenen Kristallplatte in erfindungsgemäßer Orientierung,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten der Frequenz vom Breite-Dickeverhältnis des rechtwinkligen AT-geschnittenen Resonators,

F i g. 3 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Orientierungswinkels vom Breiten-Dickenverhältnis für einen Temperaturkoeffizienten Null der Frequenz des Resonators gemäß F i g. 2, und

F i g. 4a bzw. 4b grafische Darstellungen des Frequenzganges eines planconvexen AT-geschnittenen Resonators und eines rechtwinkligen AT-geschnittenen Resonators.

Die F i g. 1 zeigt eine rechtwinklige Quarzkristallplatte 10. die aus einem einzelnen Quarzkristall mit den dargestellten (x, y. z>Achsen herausgeschnitten wurde. Die Fläche der Platte 10 mit der Länge / liegt parallel zur x-Achse, was auch für die Oberflächen 12 und 14 der Platte 10 gilt. Die Platte 10 wird unter einem auf die z-Achse bezogenen positiven Winkel Φ oder Winkel Φ im Gegenuhrzeigersinn um ihre Länge /, d. h. die x-Achse, gedreht, so daß die Breite w parallel zur z-Achse und die Dicke t parallel zur y-Achse gestellt ist. Der Winkel Φ beträgt für eine AT-geschnittene Kristallplatte ungefähr 35° 20' und ändert sich in Abhängigkeit von den speziellen Abmessungsverhältnissen und der F¹ ^frodendicke geringfügig um diesen Wert. Diese O^eri ..erung wird standardisiert als (yxl) von 35° 20V 3" usgedrückt. Orientierungswinkel innerhalb <!■ ·?■ .'· -es von 35° 1070°/0° bis 35° 3070°/0° sind ak/ ;■· ■· "ar.

Wie zuvor erwähnt wurde, wird ein AT-geschnittener Resonator mit einer rechtwinkligen Form gewünscht, damit Herstellung und Einbau leichter und wirtschaftlicher sind und keine störenden oder unerwünschten Resonanzen nahe den Dicke-Scherschwingungshauptresonanzen auftreten. In dem erläuterten Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke-Scherhauptresonanz 1,6MHz. Diese gewünschten Merkmale liefert ein Kristall, der ein Längen-Dickenverhältnis von mehr als 30 und ein Breiten-Dickenverhältnis aufweist, die innerhalb mehrerer schmaler Bereiche eines größeren Bereiches von 2,5 bis 13,5 liegen. Im allgemeinen werden die größeren Längen-Dickenverhältnisse mit der Verhältniszahl 150 bevorzugt, die für die meisten Anwendungsfälle als praktische Obergrenze erscheint. Die bevorzugten und optimalen Abmessungsverhältnisse innerhalb dieser verhältnismäßig breiten Bereiche werden weiter unten detaillierter erörtert.

Die in der F i g. 2 dargestellten Kennlinien 20, 22, 24 und 26 illustrieren die Frequenzänderung pro Grad Celsius in Abhängigkeit vom Breiten-Dickenverhältnis, d.h. den Temperaturkoeffizienuin der Frequenz, für eine Platte mit einem Längen-Dickenverhältnis 60 und einer Orientierung (yxl)von 35° 21.570°/0°.

Die Discontinuitäten zwischen den Kennlinien 20 bis 26 betreffen Breiten-Dickenverhältnisse, bei denen sich die Flächenschermoden, d. h. die Längen-Breitenschermoden mit dem erwünschten Dickenschermode koppein und ihn nachteilig beeinflussen. Die Pfeile 21, 23, 25 bzw. 27 stellen Bereiche unerwünschter Kopplung der Hauptresonanz mit der Grundschwingung, dem dritten, fünften und siebten Oberton des Flächenschermode dar. Folglich werden Breiten-Dickenverhältnisse längs einer der Kennlinien 20,22,24 und 26 den durch die Pfeile 21, 23, 25 und 27 angegebenen Bereichen eindeutig vorgezogen. Die durch die ersten drei Kennlinien 20,22 und 24 dargestellten Abmessungsverhältnisse weiden wegen einer geringeren Abmessung in Riehtung der z-Achse und der deshalb genauer rechtwinkligen Form am meisten bevorzugt Die Zahlenwerte der durch die Kennlinien 20, 22, 24 und 26 dargestellten Bereiche liegen jeweils bei ungefähr 2,5 bis 3,5, 5.5 bis 7, 8,5 bis 10 und 11,5 bis 13,5. Das innerhalb dieser Berei ehe gewählte genaue Abmessungsverhältnis hängt davon ab, wie der Kristall exakt verwendet werden soll. Es bestimmt sich aus Überlegungen, die etwa Jie durch den Gebrauch breiterer Elektroden auf breiteren Kristallplatten erreichbare niedrigere Induktanz betreffen.

Wenn ein von 60 abweichendes Längen-Dicken verhältnis verwendet wird, wurden die sich ergebenden Kennlinien gegenüber den in der F i g. 2 dargestellten um einen sehr kleinen Betrag längs der Abszisse verschoben wc.den, aber ihre Steigung im wesentlichen dieselbe bleiben. Folglich sind dieselben Grundbereiche wie für das Breiten-Dickenverhältnis auch für jedes Längen-Dicken verhältnis innerhalb des spezifizierten Bereiches von 30 bis 150 gültig. Das Längen-Breitenverhältnis kann leicht aus dem bekannten Längen-Dikken- und Breiten-Dicken verhältnis bestimmt werden.

Wenn die Kristallplatte 10 mit einem Längen-Dikkenverhältnis, das kleiner als 60 ist, hergestellt wird, d. h. auf eine quadratische Plattenfonn hin tendiert, wird die in der bereits zuvor erwähnten Patentschrift von Sykes diskutierte Biegeschwingungsresonanz signifikanter. Obwohl diese Moden tatsächlich schwächer als Fiächenschermoden sind, können sie manche unerwünschte Kopplung verursachen, wenn sie dicht bei der Dicken-Scherschwingungshauptresonanz liegen. Das Breiten-Dickenverhältnis der Platte wird in diesem Bereich zunächst aus den in der F i g. 2 dargestellten Kennlinien ausgewählt, um die Flächenschermoden zu vermeiden. Dann wird der ursprünglich gewählte Längen- oder Breitenwert der Platte etwas abgewandelt, bis jeder unerwünschte Biegemode aus der Nähe der Hauptresonanz beseitigt ist Diese neue Länge oder Breite sollte nur 1 % vom ursprünglich gewählten Wert abweichen.

Die in der F i g. 3 dargestellten Kennlinien 30. 32, 34 und 36 werden günstigerweise dazu verwendet, rechtwinklige AG-geschnittene Kristallplatten mit Temperaturkoeffizienten Null der Frequenz bei Längen-Dickenverhältnissen von 60 zu erhalten. Die Discontinuitäten zwischen diesen Kennlinien geben die Gebiete wieder, in denen sich die unerwünschten Flächenschermoden mit der erwünschten Hauptresonanz koppeln (F i g. 2). Der Orientierungswinkel, der verlangt wird, um den Temperaturkoeffizienten Null der Frequenz zu erhalten, kann leicht bestimmt werden, wenn das Breiten-Dickenverhältnis vorgeschrieben wird.

Die F i g. 4a bzw. 4b (Ordinate: Dämpfung in db, Abszisse: Frequenz) zeigen den Frequenzgang einer gegenwärtig verwendeten planconvexen AT-geschnittenen Kristallplatte mit einem Durchmesser-Dickeverhältnis von 15 und einer erfindungsgemäßen rechtwinkligen AT-geschnittenen Platte mit einem Längen-Dikkenverhältnis von 30 und einem innerhalb der früher spezifizierten Bereiche gewählten Breiten-Dickenverhältnis. Der Frequenzfang der rechtwinkligen AT-geschnittenen Platte ist viel einfacher und schließt Anharmonische der Dicken-Scherschwingungshauptresonanz wie die einzig starken Ansprechreaktionen in der Nachbarschaft der bei 1,6 MHz auftretenden Hauptresonanz ein. Diese Anharmonischen können durch eine geeignete Wahl der Elektrodenabmessungen und Elektrodenmenge unterdrückt werden. Die starke Flächenscherschwingungsresonanz bei 734 kHz liegt mehr als eine Oktave unter der Hauptresonanz und kann leicht ausgefiltert werden. Jedoch weist die plankonvexe AT-geschnittene Platte eine Anzahl von starken Resonanzen auf, die viel näher bei der bei 1,6 MHz auftretenden Hauptresonanz liegen.

In der vorausgegangenen Erörterung wird dargelegt, daß erfindungsgemäße rechtwinklige AT-geschnittene Kristallplatten die gewünschten Vorteile bieten und leicht und wirtschaftlich herzustellen bzw. einzubauen sind. Die rechtwinkligen AT-Schnitte können durch Schleifen und Polieren auf ihre schließlichen Abmessungen hin massengefertigt werden. Die rechtwinklige Plattenform kann, wenn die für die rechtwinkligen DT-Schnitte benutzten Verfahren verwendet werden, leichter eingebaut oder montiert werden. Die aufgeführten AT-geschnittenen Kristallplatten können für Frequenzsteuer-, Selektrionsnetzwerke u.dgl. im Frequenzbereich von 1 bis 6 MHz verwendet werden. Innerhalb dieses Frequenzbereiches kann das Breiten-Dickenverhältnis für jede gewünschte Frequenz unter Bezug auf die in F i g. 2 und 3 dargestellten Kennlinien in Verbindung mit der wohlbekannten Frequenzkonstanten für einen AT-geschnittenen Resonator bestimmt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Rechtwinklige AT-geschnittene Quarzkristallplatte mit einer Orientierung {y, x, 1) von etwa 35° 2070VO°, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte ein Breiten-Dickenverhältnis innerhalb der Bereiche 24 bis 34, 54 bis 7, 84 bis 10, 11.5 bis 134 hat und das Längen-Dickenverhältnis von 30 bis 150 reicht

2. Quarzkristallplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längen-Dickenverhältnis im wesentlichen 30 beträgt

3. Quarzkristallplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Längen-Dickenverhältnis im wesentlichen 60 beträgt