DE2520547A1

DE2520547A1 - Piezoelektrischer resonator

Info

Publication number: DE2520547A1
Application number: DE19752520547
Authority: DE
Inventors: Jean Engdahl
Original assignee: SSIH Management Services SA
Current assignee: SSIH Management Services SA
Priority date: 1974-05-06
Filing date: 1975-05-06
Publication date: 1975-11-20
Also published as: US4012648A; FR2270718A1; GB1449797A; FR2270718B1; CH581906A5

Description

DIPL.-INQ. DIETER JANDER

8 MaNCHENeO(BOGENHAUSEN)
KOLBERGER STRASSE 21
Telefon: 089/98 27 04

PATENTANWÄLTE

DR.-INQ. MANFRED BÖNINQ

Zustelladresse: reply to:

1 BERLIN 15

KURFDRSTENDAMM 66 Telefon: 030/883 50 71 Telegramme: Consideration Berlin

540 DE 6. Mai 1975

Patentanmeldung der Firma

sociSte suisse pour l¹industrie horlogere

MANAGEMENT SERVICES S.A.

96 Rue Stämpfli 2500 Biel/Schweiz

"Piezoelektrischer Resonator"

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Resonator mit einem mit diesem ein Stück bildenden Tragarm.

Piezoelektrische Resonatoren, die mit einer Frequenz

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Postscheckkonto Berlin West Konto 174384-100 Berliner Bank AG., Konto 0110921900

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größer als ein MHZ schwingen, fü^hren im allgemeinen Scherschwingungen aus und sind meistens kreisförmig, wobei der Durchmesser zwischen 8 und 14- mm liegt. Es ist bekannt, daß die Elektrode im Zentrum des Resonators aufgrund ihrer Masse eine Energiekonzentration in diesem Zentrum mit sich bringt, wobei die Energie zum Rand exponentiell abfällt. Diese Resonatoren werden am Rand gehalten. Man kann den kleinsten Durchmesser bestimmen, bei dem eine geeignete Halterung ohne Verringerung des Gütefaktors gegeben ist. Dabei muß die Dicke des Resonators, die Dicke, die Dichte und der Druchmesser der Elektrode berücksichtigt werden. Für einen planaren Resonator, der bei niedrigsten Frequenzen schwingt, muß ein relativ großer Durchmesser vorgesehen werden, Für Kreise in Miniaturbauweise sind diese Durchmesser zu groß Andererseits könnte man einen entsprechend kleinen Elektrodendurchmesser vorsehen; das hätte jedoch den Nachteil, daß die dynamische Kapazität entsprechend klein wäre, so daß der Resonator als Oszillator nicht in Frage käme.

Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, hat man bereits die Deckflächen des Resonators sphärisch oder konisch , gestaltet. Auf diese Weise erhält man plankonvexe, bikonvexe oder kegelförmige Resonatoren, jedoch ist in diesem Fällen die Herstellung der Resonatoren schwierig, und die Resonatoren sind entsprechend teuer.

Man hat ferner vorgeschlagen (siehe britisches Patent 44-7 665), den Resonator mittels Kupplungselemente zu halten, die aus einem Stück mit dem Resonator sind, Arme auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Resonators bilden und eine Dicke haben, die geringer ist, als die des Resonators. Auch in diesem Falle ist die

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Herstellung schwierig, und die Winkel im Übergangsbereich geben Anlaß zu unerwünschten Reflektionen der Welle, was nachteilig ist.

Der Erfindung liegt, ausgehend von den eingangs erwähnten Resonatoren, die Aufgabe zugrunde, möglichst kleine Resonatoren zu schaffen, bei denen der Gütefaktor durch den Träger nicht reduziert ist und die billig in der Herstellung sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein weiterer Tragarm fehlt und Arm und Resonator ohne Stufe auf den Elektrodenflächen ineinander übergehen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1a einen Resonator gemäß der Erfindung und einen solchen gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 1b einen anderen Resonator;

Fig. 2a + 2b Platten mit ausgeschnittenen Resonatoren;

Fig. 3 Einzelheiten eines Resonators;

Fig. 4· einen Resonator mit einem Halteelement in Perspektive;

Fig. 5a - c weitere Ausführungsformen für Resonatoren und

Fig. 6 einen Schaltkreis und eine praktische Ausführung desselben.

Die Wirkung eines Trägers eines Scherschwingungsresonators

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auf dessen Gütefaktor hängt von dem Abstand zwischen dem Haltebereich und der Kante der Elektrode und davon ab, wie die Energie abfällt, wobei dieser Energieabfall eine Punktion der Elektrodengeometrie ist. Der Abstand zwischen der Kante der Elektrode und der Kante des Resonators ist unwichtig insoweit, als die Resonatorkante einen hohen Gütefaktor besitzt, was bedeutet, daß die Struktur des piezoelektrischen Materials nicht von der des Resonators abweicht.

Diese Aspekte sind bei der Herstellung des Resonators 1 der Figur 1a berücksichtigt worden. Dieser Resonator ist zusammen mit seinem Arm 5 aus einer rechteckigen Platte 3 (dargestellt mit strickpunktierten Linien) ausgeschnitten worden. Mit 1' ist ein bekannter Resonator, dargestellt im gleichen Maßstab, bezeichnet, der die gleichen Leistungen hat. Dieser ist aus einer Platte 2' ausgeschnitten. Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß der Raum und die Menge an Material für den erfindungsgemäßen Resonator erheblich reduziert ist. Der Durchmesser der Elektrode 3 (schraffiert angelegt wie der Leiter 4) relativ zu dem des Resonators ist willkürlich gewählt, siehe demgegenüber auch Figur 1b.

Der erfindungsgemäße Resonator wird zweckmäßigerweise in spezieller Weise hergestellt. Man kann sich dazu eines photochemischen Verfahrens oder eines Ultraschallverfahrens bedienen. Vorzugsweise stellt man sich zunächst eine dünne Platte her, die aus dem piezoelektrischen Material ausgeschnitten ist. Die Dicke ist durch die Frequenz bestimmt, wobei die Behandlungen, wie Schneiden mittels Säure und Ablagerung des Elektrodenmaterials zu berücksichtigen sind. Figur 2a zeigt, wie man mehrere Resonatoren aus einer Platte 2 ausschneiden kann. Figur 2b zeigt dazu

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eine Abwandlung, bei der das Material besser ausgenutzt wird.

Die Elektrode 3 und der Leiter 4- werden in üblicher Weise, z.B. im Wege der Vakuumverdampfung und/oder der Kathodenzerstäubung, aufgetragen, wobei Masken benutzt werden oder zunächst der gesamte Resonator bedeckt wird und anschließend durch chemische Behandlung gewisse Teile freigelegt werden.

Figur 3 zeigt Einzelheiten. Der Resonator 1 bleibt mit der Platte 2 über einen Arm 5 und einen Verbindungsbereich 6 mit der Platte 2 verbunden. Nachdem der Bereich 7 entfernt worden ist, kann der Resonator 1 mit samt seinem Arm 5 durch Zerstörung des Bereiches 6 aus der Platte 2 herausgebrochen werden. Die Elektrode 3 ist mit der Anschlußstelle 8 über einen Leiter 4 verbunden. Dieser läuft längs einer Kante des Armes 5. Auf der anderen Seite des Teils 1, 5 befindet sich der Leiter 4-¹ auf der gegenüberliegenden Seite, um piezoelektrische Erregungen im Arm 5 zu vermeiden. Auf der Platte 2 befindet sich eine Metallzone 9 und auf der anderen Seite eine Metallzone 9% die der Metallzone 9 ebenfalls nicht gegenüberliegt. Beide Zonen haben Verbindung mit m Anschlußstellen 8. Über diese Zone kann der Resonator während des Herstellens desselben erregt werden, so daß seine Charakteristiken bestimmt und eventuelle Korrekturen vor seiner Trennung vorgenommen werden können.

Die Herstellung erfolgt zweckmäßigerweise folgendermaßen:

a) Aus einem piezoelektrischen Material gleichmäßiger Dicke und quadratischer oder rechteckiger Form wird eine dünne Platte 2 ausgeschnitten. Für eine Frequenz

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von 10 MHZ kommt eine Dicke von 0,166 mm für einen AT-Schnitt in Frage.

b) Die Positionierungsmarken, z.B. ZentrierungslÖcher, werden vorgesehen.

c) Die Platte 2 wird auf beiden Seiten mit einem photoempfindlichen Material bedeckt.

d) Zum Festlegen der Schnittbereiche 7 erfolgt eine entsprechende Belichtung mittels einer Maske.

e) Das photoempfindliche Material wird entwickelt, wobei der Film im Bereich der Zone 7 entfernt wird.

f) Die Zone 7 wird mittels einer Säure od. dgl. entfernt.

g) Das photoempfindliche Material wird gänzlich entfernt, h) Reinigen.

i) Die Elektrode 3» der Leiter 4· und die Zonen 8 und 9 werden im Wege der Vakuumverdampfung unter Zuhilfenahme von Masken abgelagert.

ö) Der Resonator wird in einen Kreis eingeschaltet₍während er sich noch in der Verdampfungsapparatur befindet, wobei die Frequenz durch Ablagerung von weiterem Material im Bereich der Elektrode 3 mittels entfernbarer Masken einjustiert wird.

k) Der Resonator 1 mit seinem Arm 5 wird von der Platte 2 durch Hochbiegen getrennt.

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Der Resonator kann mit dem elektrischen Kreis durch einfaches Festklemmen verbunden werden. Möglicherweise ist es aber zweckmäßiger, ihn über eine Anschlußstelle 8 durch Löten oder Verschweißen mit einem Träger 10 zu verbinden (siehe Figur 4-), der seinerseits mit einem Draht 11 verbunden ist. Der andere Anschlußbereich 8 ist dann an einen Draht 12 angelötet oder mit diesem verschweißt.

Die Größe der dynamischen Kapazität kann, wie bereits erwähnt, mittels Variation des Durchmessers der Elektrode 3 eingestellt werden, welche die gesamte Oberfläche des Resonators oder ein Teil desselben überdecken kann. Durch Veränderung des Durchmessers₍der Dicke und der Dichte der Elektroden können Oberschwingungen beeinflußt und damit unterdrückt werden. Der Arm 5 kann verschiedene Formen aufweisen (siehe Figuren 5a, b und c), die auf Schwingerscheinungen des Armes Einfluß haben.

Eine besonders interessante Lösung ergibt sich insofern, als es möglich ist, eine Platte kleiner Dimension mit mehreren Resonatoren,z.B. Filtern, mit ihren diversen Anschlüssen und gegebenenfalls sonstigen Elementen in einfacher Weise zu erzeugen. Zu diesem Zweck sorgt man dafür, daß die Arme 5 fest mit der Platte 2 verbunden sind (siehe Figur 6, unten). Die Kerben diesseits und jenseits des Bereiches 6 (siehe Figur 3) entfallen. Verglichen mit monolytischen Filtern besteht der Vorteil dieser Ausbildung darin, daß die Kupplungselemente extern sind und zwischen den Resonatoren keine zusätzlichen mechanischen Verbindungen bestehen, ^igur 6,oben, ist das Schaltschema einer entsprechenden Schaltung, nämlich einer Jaumann-Schaltung, mit vier Resonatoren veranschaulicht.

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Claims

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Patentansprüche :

Piezoelektrischer Resonator mit einem mit diesem ein "tndk bildenden Tragarm, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Tragarm fehlt und Arm (5) und Resonator (1) ohne Stufe auf den Elektrodenflächen ineinander übergehen.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Arm (5) und Resonator (1) die gleiche Stärke haben.
3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (5) mit den elektrischen Zuleitungen (4·) für die Elektroden (3) versehen ist.
4·. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennz eichnet , daß der Arm (5) an seinem dem Resonator (1) abgewandten Ende einen metallischen Bereich (8) aufweist.
5. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet , daß der Arm (5) und/oder der Übergang zwischen Arm (5) und Resonator (1) so gestaltet ist (sind), daß unerwünschte Schwingungen unterdrückt sind (Figuren 1 und 5).
6. Resonator nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Armes (5) längs der Längsachse des Arms (5) schwankt, insbesondere zum Resonator (1) hin größer wird.
7. Resonator nach Anspruch 5» dadurch g e k e η η -

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zeichnet , daß die Breite des Armes (5) längs der Längsachse des Armes (5) gleich bleibt.
8. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Zuleitungen (4, 4') auf diagonal einander gegenüberliegenden Randbereichen des Armes (5) angeordnet sind.
9. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Größe der Elektroden (3) so ist, daß der Gütefaktor groß ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Resonators mit Tragarm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das aus Resonator (1) und Arm (5) bestehende Gebilde aus einer Platte (2) aus piezoelektrischem Material ausgeschnitten wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 ο, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Gebilde (1, 5) oder Sätze solcher Gebilde aus einer Platte (2) ausgeschnitten werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 ο oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß das dem Resonator (1) abgewandte Ende mit der Platte (2) verbunden bleibt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Übergangsbereich (6) zwischen dem Ende und der Platte (2) so ausgebildet ist, daß der Arm und der Resonator von der Platte abgebrochen werden können.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch g e k e η η -

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zeichnet , daß neben dem Ende eine Kerbe oder zwei einander gegenüberliegende Kerben vorgesehen ist (sind).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1o bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (3) und die Zuleitungen (4, 4') zu diesen unter gleichzeitiger Erfassung der Schwingungen des Resonators (1) aufgetragen werden, während das G-ebilde (1, 5) noch mit der Platte (2) verbunden ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß dabei eine Zone (9) der Platte (2) zusätzlich metallisiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1o bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Metallauftragung in einem Arbeitsgang erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Gebilde (1, 5) aus einer Platte (2) ausgeschnitten werden, aber mit dieser verbunden bleiben.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Resonatoren (1) auf unterschiedliche, insbesondere benachbarte Frequenzen abgestimmt sind.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Resonatoren (1) während der Metallisierung auch miteinander verbunden werden.

DJ: DG

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