Die Erfindung betrifft einen Resonator mit mindestens einem Kristall, zwei diesen
Kristall anregenden Elektroden und einem in Sandwich-Bauweise aufgebauten Gehäuse
mit einem im wesentlichen scheibenförmigen Boden, mindestens einem rahmenförmi
gen Mittelteil, das den Kristall umgibt und in schwingfähiger Weise trägt, und einem im
wesentlichen scheibenförmigen Deckel, wobei diese Gehäuseteile unter Einschluß von
leitenden Schichten durch Dichtflächen miteinander verbunden sind und die Elektroden
jeweils mit einer leitenden Schicht elektrisch in Verbindung stehen. Die Erfindung
betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Resonators.
Bei den heute üblichen Resonatoren handelt es sich um piezoelektrische Kristall
elemente, die in hermetisch dichte Gehäuse, vorwiegend aus Glas, Metall oder Keramik,
montiert sind. Das Kristallelement wird in solche Gehäuse mit einem Leitkleber mon
tiert, der die elektrische Verbindung von den meist aufgedampften Elektroden mit den
elektrischen Durchführungen oder Durchkontaktierungen des Gehäuses verbindet und
gleichzeitig die mechanische Verbindung des Kristallelements mit dem Gehäuse dar
stellt. Resonatoren mit derartigen Gehäusen sind relativ große Bauelemente, die auf
wendig herzustellen sind, da Vertiefungen oder Freiräume benötigt werden, die wegen
der mechanischen Toleranzen und der Verwendung von Leitklebern genügend groß sein
müssen.
Aus diesem Grund schlägt die US 4,293,986 vor, einen Resonator in der eingangs
genannten Art auszubilden. Dabei wird eine rahmenförmige Quarzscheibe, die die
aktive Kristallfläche umgibt, mit einem Boden und einem Deckel zu einem sandwich
förmigen Gehäuse zusammengefügt. Diese Bauteile schließen leitende Flächen ein,
wobei sich die aktive Kristallfläche in einem Freiraum befindet, der durch wannenför
mige Ausnehmungen von Boden und Deckel gebildet wird. Auf diese Weise wird zwar
eine Verkleinerung des Bauelements erreicht, dieses Bauelement läßt sich jedoch nur in
aufivendiger Weise auf eine Leiterplatte montieren. Ein direktes Auflöten unter Her
stellung der erforderlichen Anschlüsse ist nicht möglich, es sei denn, man würde das
Bauelement mit der Schmalseite auflöten, was aus Stabilitätsgründen, insbesondere
wegen der schlechten Schockeigenschaften, nicht in Frage kommt. Aus diesem Grund
sind Hilfskonstruktionen für die Herstellung der Anschlüsse, wie zum Beispiel Drähte,
erforderlich. Ein derartiges Bauteil läßt sich nicht in SMD-Technik (Surface Mounted
Devices) auf eine Leiterplatte bringen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Resonator der eingangs genann
ten Art derart weiterzubilden, daß er in SMD-Technik weiterverarbeitet werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich an mindestens einer Seite
des Gehäuses insgesamt mindestens zwei leitende Flächen derart zum Fuß des Bodens
erstrecken, daß dieser damit auf eine Leiterplatte auflötbar ist, wobei die leitenden
Schichten jeweils außerhalb der Dichtflächen zur Potentialtrennung unterbrochen sind.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren gelöst, mit dem ein Resonator mit
mindestens einem Mittelteil aus einer Kristallscheibe mit zwei Elektroden sowie einem
Boden und einem Deckel durch folgende Verfahrensschritte herstellbar ist:
- a) Mindestens eine Kristallscheibe wird beidseitig mit leitenden Schichten versehen,
wobei die aktive Kristallfläche und mindestens eine Unterbrechung außerhalb von
Dichtflächen, die der Erzielung eines abgedichteten Gehäusebereichs dienen,
ausgespart bleiben.
- b) Zumindest der Boden wird mit mindestens zwei leitenden Flächen versehen, die
sich derart zum Fuß des Bodens erstrecken, daß dieser damit auf eine Leiterplatte
auflötbar ist und elektrische Verbindungen zu den leitenden Flächen der
mindestens einen Kristallscheibe herstellbar sind.
- c) Die aktive Kristallfläche wird derart freigestellt, daß mindestens ein
Verbindungssteg zum dadurch entstehenden rahmenförmigen Mittelteil erhalten
bleibt.
- d) Die aktive Kristallfläche wird derart bearbeitet, daß die gewünschte mechanische
Abmessung erzielt ist.
- d) Die Elektroden werden aufgebracht und gegebenenfalls zum Abgleich bearbeitet
sowie mit den leitenden Schichten verbunden.
- f) Das mindestens eine Mittelteil der Boden und der Deckel werden
zusammengefügt.
Durch die Erfindung wird ein hermetisch dichtes, preiswertes SMD-Bauelement mit
geringem Volumen verfügbar gemacht. Dieses Bauelement ist mit dem Auflöten auf die
Leiterplatte fertig angeschlossen - es sind keine Verdrahtungen, Bohrungen oder Durch
kontaktierungen erforderlich. Die leitenden Schichten dienen als Durchkontaktierungen
und vorzugsweise gleichzeitig als Dichtflächen, wobei die Potentialtrennungen außer
halb der Dichtflächen dazu dienen, mehrere Anschlüsse an den Rand des sandwicharti
gen Gehäuses zu führen, um sie von dort mit auf eine Leiterplatte auflötbaren Anschlüs
sen des Bodens zu verbinden. Auf diese Weise entsteht ein SMD-Bauelement, das mit
einer Vielzahl verschiedener Potentiale verbindbar ist. Das Prinzip besteht also darin,
daß jeder leitenden Schicht, die zwischen den Gehäuseteilen liegt, ein Potential zuge
ordnet ist. Da diese Schichten elektrisch voneinander getrennt sind, können sie der
Verbindung der Elektroden mit jeweils einer Leiterbahn der Leiterplatte dienen. Das
Bauelement ist einfach herstellbar und bietet, wie die verschiedenen Ausführungsfor
men und Weiterbildungen zeigen, eine große Zahl von Ausgestaltungsmöglichkeiten.
Der Resonator läßt sich beispielsweise derart ausbilden, daß sich die leitenden Schich
ten auf dem mindestens einen rahmenförmigen Mittelteil befinden, wobei diese mit
Boden und Deckel zur Herstellung der Dichtflächen verbunden werden. Diese Dicht
flächen, wie auch die der folgenden Ausführungsformen, sind durch verschiedene Ver
fahren herstellbar. Sie können aufgedampft werden oder durch Siebdruck, chemische
Verfahren oder auch Kombinationen verschiedener Verfahren aufgebracht werden.
Boden und Deckel können auf das rahmenförmige Mittelteil aufgeklebt oder in anderer
Weise mit diesem verbunden werden.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn auch der Boden oben eine leitende Schicht auf
weist, die mit der entsprechenden leitenden Schicht des Mittelteils verbunden ist, wobei
diese mindestens im Bereich der Dichtfläche korrespondieren. Genauso ist es zweck
mäßig, wenn der Deckel unten eine leitende Schicht aufweist, die mit der entsprechen
den Schicht des Mittelteils verbunden ist, wobei auch diese mindestens im Bereich der
Dichtfläche korrespondieren. Da das Aufbringen von Metallschichten, beispielsweise
auf Quarz, Glas oder Keramik, eine sehr stabile Verbindung ergibt, hat diese Ausfüh
rungsform den Vorteil, daß die Gehäuseelemente verlötet oder verschweißt werden
können. Zweckmäßigerweise wird für die leitenden Schichten ein Metall mit einer
Schmelztemperatur zwischen 240 und 600°C vorgesehen. Dadurch ist eine einfache
Verschweißung durch Reibschweißen oder Laserschweißen möglich, ohne daß die ein
zelnen Bestandteile in Mitleidenschaft gezogen werden. Es ist auch möglich, daß das
Gehäuse unter Vakuum durch Unterdruck verschlossen wird, oder es sind Kombinatio
nen denkbar, wie beispielsweise, daß der Deckel und der Boden zusammen mit dem
Quarz unter Vakuum zusammengefügt und anschließend die Metallflächen verlötet oder
verschweißt werden. Es ist auch möglich, daß die Metallschichten im Durchlaufofen
miteinander verschmolzen werden, oder es kann eine Lötung derart erfolgen, daß ein
Stempel, der von oben und unten während des Lötvorgangs die Teile zusammenhält,
gleichzeitig zur Wärmeabfuhr und Abdichtung nach innen dient. Weitere Arten der
Zusammenfügung und Verbindung der Gehäuseteile oder Kombinationen davon sind
vorstellbar.
Eine zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, daß die leitenden Schichten außerhalb
der Dichtflächen weitere Unterbrechungen aufweisen. Diese Unterbrechungen können
dazu dienen, daß nur so viele leitende Schichten aufeinanderliegen, wie für die Kontakt
gabe und Abdichtung erforderlich sind. Der Grund besteht darin, daß die Metallschich
ten wie Spulen oder Kondensatoren wirken, die sich in Anbetracht oft erforderlicher
niedriger Werte störend auswirken können. Solche weiteren Unterbrechungen können
jedoch auch dazu dienen, weitere Bauelemente einzufügen, wie beispielsweise Leiter
bahnen, Kondensatoren, Spulen usw. Solche Bauelemente können z. B. mittels Sputter
technik aufgedampft werden. Auf diese Weise kann der Resonator zu einem integrierten
Bauteil erweitert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kristall und das rahmenförmige Mittelteil als ein
stückiges Bauteil ausgebildet sind, wobei die aktive Resonatorfläche des Kristalls unter
Verbleib von mindestens einem Verbindungssteg freigestellt ist. Es kann sich ein Ver
bindungssteg, oder es können sich zwei Verbindungsstege an einer Seite der aktiven
Resonatorfläche befinden, so daß sich eine Freistellung von ca. 350 Grad ergibt. Es ist
jedoch auch möglich, zwei Verbindungsstege an gegenüberliegenden Seiten der aktiven
Resonatorfläche anzubinden, womit sich eine Freistellung von ca. 2 mal 175 Grad
ergibt. Die einzelnen Ausgestaltungen richten sich nach den Endeigenschaften des
gewünschten Resonators. Die Freistellung kann entweder mechanisch, beispielsweise
durch Bohren, oder durch einen Ätzprozeß erfolgen, bei dem vorher die nicht freizu
ätzenden Flächen mit Lack abgedeckt werden. Die Ausführungsform als einstückiges
Bauteil hat den Vorteil, daß keine Verbindung des rahmenförmigen Mittelteils mit dem
Kristall durch einen fremden Werkstoffe beispielsweise Klebstoff, erforderlich ist. Dies
ist von Vorteil, da solche Werkstoffe, insbesondere Klebstoffe, die Alterungsbeständig
keit negativ beeinflussen. Durch zwei Verbindungsstege, welche je eine Elektrodenzu
leitung tragen, können nachteilige Scherschwingungen vermieden werden.
Die aktive Kristallfläche kann zur Erzielung einer Dickenänderung bearbeitet sein.
Gerade dadurch, daß der Schwingkörper an einem dicken Rand fest angebunden ist,
kann er dünner gemacht werden. Dies ist eine der Möglichkeiten, um einen Freiraum für
die Schwingungsfähigkeit der aktiven Resonatorfläche zu schaffen. Es ist auch eine
besonders wirtschaftliche Möglichkeit, da die Bearbeitung des Kristalls ohnehin erfor
derlich ist, um die gewünschte Endfrequenz zu erhalten. Diese Dickenänderung der
aktiven Fläche kann durch Ätzen, durch Läppen oder durch eine Laserbearbeitung, bei
spielsweise Excimerlaser, vorgenommen werden. Danach können die Elektroden und
ihre elektrische Verbindung zu den leitenden Flächen aufgedampft werden. Selbstver
ständlich ist es auch möglich, die aktive Kristallfläche zur Erzielung einer Form zu
bearbeiten. So sind beispielsweise konvexe Formen für niederfrequente Quarze mit
Excimerlaser oder durch Stufenätzen herstellbar. Jede dieser Bearbeitungen der aktiven
Kristallfläche kann dazu dienen, die gewünschten Endabmessungen und damit End
eigenschaften zu erreichen, wie Frequenz, Widerstand, C₀/C₁-Verhältnis usw.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die leitende Schicht des Deckels ein Fen
ster im Bereich des Kristalls aufweist. Auch die leitende Schicht des Bodens kann ein
Fenster im Bereich der Kristalls aufweisen. Dadurch läßt sich auf einfache Weise ein
Freiraum für die Schwingungsfähigkeit des Kristalls herstellen, entweder, um zusätzlich
zu der Dickenänderung des Kristalls weiteren Raum zu schaffen oder anstelle einer sol
chen Dickenänderung. Der zusätzliche Vorteil solcher Fenster besteht darin, daß uner
wünschte Kapazitäten vermieden werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß mindestens eines der Gehäuseteile, näm
lich Boden oder Deckel, aus einem durchsichtigen Material bestehen. Auf diese Weise
wird es möglich, eine oder beide der Elektroden nach Zusammenfügung des Gehäuses
zur Erzielung eines genauen Frequenzabgleichs mittels Laser oder mittels einer Glimm
entladung nachzubearbeiten. Beispielsweise können Boden und/oder Deckel aus Glas
bestehen. Zur Bearbeitung der Elektroden kann beispielsweise ein YAK-Laser einge
setzt werden. Der große Vorteil besteht darin, daß der Abgleich nach dem Verschluß des
Gehäuses stattfinden kann. Auf diese Weise lassen sich Kristalle mit einer Ausgangsge
nauigkeit < 5 ppm noch abgleichen, um eine Genauigkeit von weniger als 1 ppm zu
erzielen.
Die Elektroden können auf dem Kristall angeordnet sein, wobei sie in der Regel jedoch
nicht die gesamte aktive Kristallfläche bedecken. Eine weitere Möglichkeit besteht
darin, daß die Elektroden auf der Unterseite des Deckels und auf der Oberseite des
Bodens angebracht sind. Sind mehrere Kristalle vorgesehen, kann selbstverständlich
auch ein Zwischenboden Träger von Elektroden sein. Durch eine solche Ausführungs
form können besonders alterungsstabile Resonatoren hergestellt werden, die eine hohe
Frequenzstabilität aufweisen. Auch in einem solchen Fall lassen sich die Elektroden bei
durchsichtigem Gehäuse mittels Laser nacharbeiten.
Die erfindungsgemäße Sandwich-Bauweise mit der Möglichkeit, leitende Schichten für
mehrere Potentiale mit der Leiterplatte zu verbinden, eröffnet auch die Möglichkeit, daß
in das Gehäuse mehrere Kristalle eingefügt sind. Diese können derart angeordnet wer
den, daß mehrere rahmenförmige Mittelteile zwischen Boden und Deckel eingefügt
sind, daß also sozusagen mehrere Resonatoren übereinandergestapelt werden. Dabei ist
es auch möglich, daß sich zwischen den rahmenförmigen Mittelteilen Zwischenböden
befinden, die zumindest zur Herstellung der elektrischen Verbindung des mindestens
einen darüberliegenden Kristalls zur Leiterplatte leitende Flächen aufweisen. Zweck
mäßigerweise ist vorgesehen, daß das Zwischenteil oben und unten jeweils eine leitende
Schicht zur Bildung der jeweiligen Dichtfläche aufweist, die außerhalb der Dichtfläche
zur Potentialtrennung unterbrochen ist. Dadurch können in bereits beschriebener Weise
Metallschichten miteinander verbunden werden, um die Bauteile zusammenzufügen Es
läßt sich somit ein kompaktes Bauelement mit beliebig vielen Resonatoren und gegebe
nenfalls weiteren Bauelementen ausbilden. Es kann vorgesehen sein, daß die Kristalle
durch separate Anschlüsse mit der Leiterplatte verbunden sind. Der Aufbau der leiten
den Schichten und der Unterbrechungen derselben kann jedoch auch derart ausgestaltet
sein, daß die einzelnen Resonatoren in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Selbstverständlich ist jedoch auch bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Resona
tors ein Freiraum für das Schwingen des Kristalls durch wannenförmige Ausnehmungen
von Boden und Deckel, wie beim genannten Stand der Technik, möglich und dann
zweckmäßig, wenn ein besonders großer Freiraum hergestellt werden soll.
Der Boden des Resonators kann beliebig viele Anschlußflächen zum Verlöten mit den
Leiterbahnen der Leiterplatte aufweisen. Die einzige Begrenzung liegt darin, wie viele
leitende Flächen der Umfang des Gehäuses aufnehmen kann.
Es ist möglich, daß alle Bauteile des Gehäuses, nämlich der Boden, eines oder mehrere
der rahmenförmigen Mittelteile und gegebenenfalls auch die Zwischenböden und der
Deckel aus demselben Material, z. B. aus demselben Quarz, bestehen wie der Kristall.
Auf diese Weise besteht das gesamte Bauteil aus homogenem Material mit gleicher
Ausdehnung, was zu besonders streßfreien Eigenschaften, insbesondere bei unter
schiedlichen Betriebstemperaturen führt. Streßfreiheit bedeutet, daß keine Schubkräfte
und damit kein Verbiegen des Bauelements und keine negative Beeinflussung der
Schwingungen auftritt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Resonators der
oben beschriebenen Art. Dieses Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
Eine Kristallscheibe wird zum Beispiel mittels Lack oder Schablonen dort abgedeckt,
wo sich die aktive Kristallfläche und die Unterbrechung zur Polaritätstrennung befinden
sollen. Danach werden die nicht abgedeckten Flächen metallisiert. Ein ähnlicher
Arbeitsvorgang wird auch am Boden vorgenommen, wobei durch die Metallisierungen
mindestens zwei leitende Flächen hergestellt werden, die sich derart zum Fuß des
Bodens erstrecken, daß dieser damit auf eine Leiterplatte auflötbar ist. Außerdem kön
nen solche Schichten im Dichtungsbereich vorgesehen werden, wobei sie mit den lei
tenden Schichten der Kristallscheibe korrespondieren. Auch der Deckel kann mit einer
solchen Metallschicht versehen werden, die sich zumindest im Bereich der Dichtfläche
des abgedichteten Gehäusebereichs befindet.
Danach wird die aktive Kristallfläche der Kristallscheibe derart frei gestellt, daß minde
stens ein Verbindungssteg zum dadurch entstehenden rahmenförmigen Mittelteil erhal
ten bleibt. Dies kann durch Bohren oder Ätzen erfolgen, wobei im letzteren Fall eben
falls eine Abdeckung mit einem Lack vorgenommen werden kann. Nach der Freistel
lung der aktiven Kristallfläche werden alle Flächen bis auf die aktive Kristallfläche
durch einen Lack abgedeckt, damit dieser Bereich auf die gewünschte Frequenz geätzt
werden kann. Es können dabei auch konvexe Formen für niederfrequente Quarze durch
Stufenätzen hergestellt werden. Selbstverständlich sind auch andere Bearbeitungsfor
men wie mittels Laser möglich. Wesentlich ist, daß durch die so bearbeitete Kristallflä
che die gewünschten Dimensionen erzielt werden. Danach werden die Elektroden so
aufgebracht, daß sie mit den leitenden Dichtflächen verbunden sind.
Zum Schluß werden die Gehäuseteile zusammengefügt, wobei dies durch Kleben, Löten
oder Schweißen, beispielsweise Reibschweißen oder Laserschweißen, stattfinden kann.
Dabei werden die vertikalen leitenden Flächen und gegebenenfalls auch horizontalen
leitenden Schichten von Boden und Kristallscheibe, welche denselben Potentialen zuge
ordnet sind, miteinander verbunden. Es kann auch eine Verbindung dadurch hergestellt
werden, daß die Teile unter Vakuum durch Unterdruck verschlossen werden. Besonders
zweckmäßig ist eine Kombination von Verfahren, beispielsweise dahingehend, daß der
Deckel und der Boden zusammen mit der Kristallscheibe unter Vakuum zusammenge
fügt und anschließend die Metallflächen verlötet oder verschweißt werden. Durch den
zuvor erfolgten Vakuumverschluß ist der Quarz geschützt und das höhere Risiko, daß
der Vakuumverschluß nicht dauerhaft ist, besteht nicht. Das Lot läßt sich beispielsweise
durch einen Laser erwärmen oder es wird ein Stempel vorgesehen, der von oben und
unten während des Lötvorgangs die Teile zusammenhält und gleichzeitig zur Wärmeab
fuhr und zur Abdichtung nach innen dient.
Ist das Gehäuse durchsichtig, beispielsweise als Allglasgehäuse ausgebildet, so kann
nach dem Zusammenfügen des Gehäuses mittels eines Lasers oder einer Glimmentla
dung mindestens eine der Elektroden durch den durchsichtigen Gehäuseteil hindurch
nachbearbeitet werden, womit in oben dargestellter Weise eine besonders hohe Genau
igkeit erzielt werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es sind Ausführungs
beispiele mit zweckmäßigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen dargestellt, auf wei
tere Vorteile wird verwiesen. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Resonators der erfindungsgemäßen Art im Bereich eines
rahmenförmigen Mittelteils mit aktiver Kristallfläche,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch dieses Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 u. 3a einen Deckel,
Fig. 4, 4a u. 4b ein rahmenförmiges Mittelteil sowie
Fig. 5, 5a u. 5b einen Boden eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 6 die Gehäuseteile eines dritten Ausführungsbeispiels zur Darstellung
des Zusammenbaus,
Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einigen alternativen
Merkmalen,
Fig. 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel mit zwei Resonatoren
übereinandergestapelt,
Fig. 9 einen Schnitt durch das obere Mittelteil der Fig. 8,
Fig. 10 einen Schnitt durch den Zwischenboden der Fig. 8,
Fig. 11 einen Schnitt durch das untere Mittelteil der Fig. 8 sowie
Fig. 12 eine Seitenansicht des fünften Ausführungsbeispiels und
Fig. 13 ein sechstes Ausführungsbeispiel.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel, an dem die Prinzipien der
Erfindung erläutert werden. Das Gehäuse 5 des Resonators 1 ist aus einem Boden 6,
einem rahmenförmigen Mittelteil 7 und einem Deckel 8 aufgebaut. Fig. 1 zeigt einen
Schnitt I-I, der in Fig. 2 eingezeichnet ist. Er führt durch das rahmenförmige Mittelteil 7
im Bereich der leitenden Schicht 9, die der Weitervermittlung des ersten Potentials
dient. Das rahmenförmige Mittelteil 7 bildet einen Rahmen und umfaßt dabei einen Kri
stall 2, der durch einen Verbindungssteg 28 mit dem rahmenförmigen Mittelteil 7 in
Verbindung steht. Zweckmäßigerweise sind rahmenförmiges Mittelteil 7 und Kristall 2
aus einem Teil, beispielsweise einem Quarzkristall, hergestellt, wobei eine Freistellung
44 in bereits beschriebener Weise entfernt wurde. Die in Fig. 1 dargestellte Schnittflä
che geht durch die leitende Schicht 9 des rahmenförmigen Mittelteils 7 hindurch, wobei
zu sehen ist, daß eine Unterbrechung 26 diese leitende Schicht 9 derart aufteilt, daß ein
abgedichteter Gehäusebereich 25 entsteht. Der größte Teil der leitenden Schicht 9 ist
mit dem ersten Potential der senkrechten leitenden Fläche 18 verbunden. Dieser Bereich
steht durch die Elektrodenzuleitung 31 mit der Elektrode 3 an der Oberseite des Kri
stalls 2 in Verbindung. An der Unterseite des rahmenförmigen Mittelteils 7 befindet sich
die leitende Schicht 10, die der Beaufschlagung der unteren Elektrode 4 mit dem zwei
ten Potential dient. Bei dieser leitenden Schicht 10 verläuft die Unterbrechung 26′ der
art, daß die senkrechte leitende Fläche 18 des ersten Potentials abgetrennt ist. Diese
Unterbrechung 26′ ist in Fig. 1 mit unterbrochener Linie gezeichnet, da sie sich auf der
Rückseite befindet.
Durch die Dichtflächen 13 und 14 wird ein abgedichteter Gehäusebereich 25 gebildet, in
dem sich der Kristall 2 befindet. Dieser abgedichtete Gehäusebereich 25 entsteht durch
den Aufbau des sandwichartigen Gehäuses 5 aus Boden 6, rahmenförmigen Mittelteil 7
und Deckel 8. Dabei sind die leitenden Schichten 9 und 10 mit leitenden Schichten 9′
und 10′ des Deckels 8 und des Bodens 6 in korrespondierender Weise derart zusam
mengefügt, daß um den Kristall 2 der hermetisch abgeschlossene Gehäusebereich 25
entsteht.
Um ein solches Bauteil SMD-fähig zu machen, war es erforderlich, es derart auszuge
stalten, daß die beiden Potentiale der Elektroden 3 und 4 voneinander getrennt mit Lei
terbahnen 23 und 23′ der Leiterplatte 22 verbunden werden können. Dazu dienen die
genannte Unterbrechung 26 der leitenden Schichten 9 und 9′ sowie die Unterbrechung
26′ der leitenden Schichten 10 und 10′ mit den separaten Anschlüssen zu den Leiter
bahnen 23, 23′ der Leiterplatte 22. Von der Leiterbahn 23 an der rechten Seite des Bau
teils ist eine elektrische Verbindung durch die senkrechte leitende Fläche 18 des Bodens
6 zur leitenden Schicht 9 des rahmenförmigen Mittelteils 7 hergestellt. Die leitende
Fläche 18 ist am Fuß 21 des Bodens 6 durch eine Lötung 24 mit der Leiterbahn 23 der
Leiterplatte 22 verbunden. Dadurch gelangt das erste Potential zur Elektrode 3. Davon
abgetrennt befindet sich auf der linken Seite des Bauteils das zweite Potential, welches
in entsprechender Weise mit der Leiterbahn diesem 23′ durch eine weitere Lötung 24
verbunden ist. Durch die Unterbrechungen 26 und 26′ liegen auch die Dichtflächen 13
und 14 auf verschiedenen Potentialen. Es wäre jedoch auch eine andere als die gezeich
nete Anordnung der Unterbrechungen denkbar, wesentlich ist nur, daß die Potentiale
getrennt sind, ohne daß dadurch ein Lücke in den Dichtflächen 13 und 14 erzeugt wird.
Auf diese Weise ist es gelungen, mittels einer Sandwich-Bauweise einen Resonator 1
herzustellen, bei dem keinerlei Drähte oder Durchkontaktierungen erforderlich sind.
Allein durch die metallisierten Flächen 9, 9′, 10, 10′ der aufeinandergeschichteten
Gehäuseteile 5, 6, 7 ist sowohl die Abdichtung eines Gehäusebereichs 25 als auch die
Trennung der beiden Potentiale erzielt.
Zur schwingungsfähigen Aufhängung des Kristalls 2 sind Fenster 32 und 33 in den lei
tenden Schichten 9′ und 10′ des Bodens 6 und des Deckels 8 vorgesehen. Diese
schwingungsfähige Aufhängung mit einem entsprechenden Freiraum 39 kann jedoch
auch durch eine Dickenbearbeitung der aktiven Kristallfläche 2 geschaffen werden, wie
es an diesem Ausführungsbeispiel ersichtlich ist. Nach dieser Dickenbearbeitung wur
den die Elektroden 3 und 4 aufgebracht und mit den leitenden Schichten 9 und 10 zum
Anschluß an das erste und zweite Potential verbunden.
Die Schnittdarstellung der Fig. 2 führt entlang der Linie II-II der Fig. 1, wobei Kristall 2
und Elektroden 3 und 4 geschnitten sind, jedoch nicht der Verbindungssteg 28 und die
Elektrodenzuleitung 31. Nach dem dargestellten Prinzip sind auch die folgenden Aus
führungsbeispiele aufgebaut, wobei durch entsprechende Ausgestaltungen weitere Vor
teile erzielt werden.
Die Fig. 3-5b zeigen die Einzelteile eines zweiten Ausführungsbeispiels, das sich vom
ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß der Kristall 2 durch zwei Ver
bindungsstege 29 und 30 an das rahmenförmige Mittelteil 7 angebunden ist und daß der
Kristall nicht oder nur unwesentlich in seiner Dicke bearbeitet wurde. Der Freiraum 39
wird dann bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Fenster 32 und 33 geschaffen.
Zusätzlich wurden Weiterbildungen in das zweite Ausführungsbeispiel eingefügt. Die
Fig. 3 und 3a zeigen den Deckel 8 des zweiten Ausführungsbeispiels. Dabei stellt die
Fig. 3a den Schnitt III-III der Fig. 3 dar. Der Deckel 8 trägt an seiner Unterseite eine
leitende Schicht 9′, die der oben beschriebenen entspricht und die ein Fenster 32 auf
weist. Zur Verdeutlichung ist die in der Ansicht der Fig. 3 sichtbare leitende Schicht 9′
mit Wellenlinien markiert. Dabei ist die Unterbrechung 26 sichtbar, die der Trennung
der Potentiale in beschriebener Weise dient. Weitere Unterbrechungen 43 und 43′,
letztere als Verbreiterung der Unterbrechung 26 ausgeführt, korrespondieren mit ent
sprechenden Unterbrechungen 43, 43′ der leitenden Schicht 9 des rahmenförmigen Mit
telteils 7. Ihre Funktion wird unten beschrieben. Das Bezugszeichen 13 zeigt die Dicht
fläche, die mit dem Mittelteil 7 zusammenwirkend die Abdichtung zwischen Deckel 8
und rahmenförmigen Mittelteil 7 bewirkt.
Die Fig. 4a und 4b zeigen das rahmenförmige Mittelteil 7, wobei die Fig. 4 die noch
nicht mit leitenden Schichten versehene Quarzscheibe darstellt, bei der jedoch bereits
durch die Freistellung 44 die aktive Kristallfläche 2 herausgearbeitet wurde. Sie ist
durch die Verbindungsstege 29 und 30 an das rahmenförmige Teil 7 angefügt. Die
Fig. 4b zeigt das rahmenförmige Mittelteil 7 nach der Aufbringung der leitenden
Schicht 9, welche gleichzeitig die Dichtfläche 13 mit dem bereits beschriebenen Deckel
8 ergibt. Unterhalb des dargestellten rahmenförmigen Mittelteils 7 befindet sich die lei
tende Schicht 10, die gleichzeitig die Dichtfläche 14 mit dem noch zu beschreibenden
Boden 6 ergibt. Im Gegensatz zum oben beschriebenen befindet sich bei diesem Aus
führungsbeispiel die Elektrodenzuleitung 31 für die obere Elektrode 3 auf einem Ver
bindungssteg 30 und die Elektrodenzuleitung 31 für die Elektrode 4 auf dem anderen
Verbindungssteg 29. Durch diese Ausgestaltung werden unerwünschte Resonanzen bei
den Zuführungen vermieden. Selbstverständlich sind auch andere Anbindungen der
aktiven Kristallfläche 2 möglich, dies hängt von den jeweiligen gewünschten Schwin
gungsformen und davon ab, unter welchem Winkel der Kristall zur Herstellung des
Blanks geschnitten wurde.
Als weitere Besonderheit weist die zweite Ausführungsform eine Unterbrechung 43 der
beiden leitenden Schichten 9 und 9′ auf. In dieser Unterbrechung 43 können Bau
elemente 27′ angeordnet sein, die in Reihe zum Kristall 2 geschaltet sind. Zusätzlich ist
noch eine weitere Unterbrechung 43′ vorgesehen, die die Unterbrechung 26′ derart ver
größert, daß eines oder mehrere weitere Bauelemente 27 eingefügt werden können, wel
che parallel zum Kristall 2 angeordnet sind. Auf diese Weise können Leiterbahnen,
Spulen oder Kondensatoren zusätzlich in den Resonator integriert werden, und es ist auf
diese Weise möglich, einen Quarzfilter ganz oder teilweise in das Gehäuse 5 des Reso
nators 1 zu integrieren.
Die Fig. 5, 5a und 5b zeigen den Boden 6 des zweiten Ausführungsbeispiels. Fig. 5
zeigt die Oberseite des Bodens 6, wobei die leitende Schicht 10′ derart ausgestaltet
wurde, daß sie mit der leitenden Schicht 10 des rahmenförmigen Mittelteils 7 korre
spondiert. Diese Übereinstimmung muß im Bereich der Dichtfläche 14 und in einem
Kontaktbereich realisiert sein. Ansonsten sind auch hier weitere Unterbrechungen 43
und 43′ möglich. Solche sind jedoch nicht dargestellt. Die Fig. 5a zeigt einen Schnitt
V-V durch den Boden 6. An der Unterseite des Bodens befinden sich Anschlußflächen
42 wobei es sich bei diesem Ausführungsbeispiel um zwei separate Anschlüsse 35 und
36 handelt. Selbstverständlich können mehrere solche Anschlußflächen 42 in einem
anderen Ausführungsbeispiel wie dem der Fig. 8 dazu dienen, daß vier Potentiale ange
schlossen werden können. Die hier dargestellten zwei separaten Anschlüsse 35 und 36
sind durch senkrechte leitende Flächen 17 und 18 zur Oberseite des Bodens 6 gezogen,
an der sich die leitende Schicht 10′ für das zweite Potential befindet. Durch die Unter
brechung 26′ ist jedoch die leitende Fläche 18 abgetrennt, sie dient der Verbindung der
leitenden Schicht 9 des rahmenförmigen Mittelteils 7 zum Anschluß der oberen Elek
trode 3. Dagegen führt die leitende Fläche 17 über die leitende Schicht 10 und 10′ zur
unteren Elektrode 4.
Fig. 6 zeigt Gehäuseteile eines dritten Ausführungsbeispiels zur Darstellung des
Zusammenbaus. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kristall 2 rund ausgebildet und
weist zwei sich gegenüberliegende Verbindungsstege 29 und 30 auf, so daß sich die
Freistellung 44 über ca. 2 mal 175 Grad erstrecken. Der Boden 6 hat an seiner Oberseite
die leitende Schicht 10′, die ein Fenster 33 aufweist, das in diesem Fall rund ausgestal
tet ist. Die leitende Schicht 10′ ist weiterhin mit der Unterbrechung 26′ versehen, die
mit der entsprechenden Unterbrechung 26′ der Schicht 10 des rahmenförmigen Mittel
teils 7 korrespondiert. Dieses Mittelteil 7 weist an seiner Oberseite die leitende Schicht
9 mit der Unterbrechung 26 auf, die wiederum mit der Unterbrechung 26 der Schicht 9′
des Deckels 8 korrespondiert. Diese Schicht 9′ weist wiederum ein Fenster 32 auf, das
genauso wie das Fenster 33 die Größe der Freistellung 44 hat. Beim Aufeinandersetzen
von Boden 6, rahmenförmigem Mittelteil 7 und Deckel 8 ergibt sich somit eine Verbin
dung von der Elektrode 3 über die Elektrodenzuleitung 31 und die leitende Fläche 18 zu
den Anschlüssen 36. Die unterhalb des Kristalls 2 liegende Elektrode 4 ist über deren
Elektrodenzuleitung 31, die Schicht 10 und 10′ und die leitende Fläche 17 mit den
Anschlüssen 35 verbunden. Die beiden Potentiale sind durch die Unterbrechungen 26
und 26′ voneinander getrennt. Durch die Anordnung dieser Unterbrechungen 26 und 26′
wird der abgedichtete Gehäusebereich, der die Freistellung 44 umschließt, nicht berührt.
Die übrigen Bezugszeichen entsprechen den Teilen, die bereits bei den vorigen Ausfüh
rungsbeispielen erwähnt wurden.
Fig. 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel mit einigen alternativen Merkmalen. Dieses
Ausführungsbeispiel weist ein rahmenförmiges Mittelteil 7 auf, in das ein linsenförmi
ger Quarzkristall 46 mittels einer Klebverbindung 45 befestigt ist. Ein linsenförmiger
Quarzkristall 46 eignet sich speziell für Quarze < 12 MHz. Das rahmenförmige Mittel
teil 7 weist an einem Außenrand eine leitende Fläche 18 und am anderen Außenrand
eine leitende Fläche 17 auf. Der Boden 6 hat Anschlüsse 35 und 36, wobei der Anschluß
35 über die leitende Fläche 17 und die leitende Schicht 10 zur unteren Elektrode 4′
führt. Der Anschluß 36 führt über die leitende Fläche 18 und die leitende Schicht 9 zur
oberen Elektrode 3′. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 3′ und 4′
nicht am Kristall 2 angebracht, sondern sie befinden sich am Boden 6 und am Deckel 8.
Eine derartige Anordnung führt zu einer hohen Frequenz- und Langzeitstabilität. Es sind
Unterbrechungen 26 und 26′ vorgesehen, um die beiden Potentiale voneinander zu tren
nen. Statt der Unterbrechung 26 könnte jedoch auch die leitende Fläche 17 an dem rah
menförmigen Mittelteil 7 weggelassen werden, so daß diese fehlende leitende Fläche 17
sozusagen die Unterbrechung 26 darstellen würde. Selbstverständlich könnte dieses
Bauteil auch als Bauteil mit mehreren Resonatoren aufeinandergestapelt aufgebaut wer
den, für diesen Fall wären auch an Zwischenböden zwischen den einzelnen Resonatoren
Elektroden in entsprechender Weise anzuordnen. Bei diesem dritten Ausführungsbei
spiel wurden viele abweichende Merkmale zusammengefaßt, was selbstverständlich
nicht bedeutet, daß diese nur in der dargestellten Kombination möglich sind. Verschie
dene Merkmale aller dargestellten Ausführungsbeispiele lassen sich in unterschiedlicher
Weise miteinander kombinieren.
Die Fig. 8 bis 12 zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel mit zwei übereinandergesta
pelten Resonatoren 1, 1′, die sich in einem Gehäuse 5, befinden. Die Fig. 8 bis 11 sind
Schnittdarstellungen, wobei die Schnitte der Fig. 9, 10 und 11 in der Fig. 8 eingetragen
sind. Der Verlauf des Schnitts der Fig. 8 ist wiederum in den Fig. 9 bis 11 vermerkt. Die
römischen Ziffern der Schnitte entsprechen den arabischen Zahlen der Figuren. Bei der
Fig. 12 handelt es sich um eine Seitenansicht, die ebenfalls in römischer Ziffer mit Pfeil
in der Fig. 8 angezeigt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist jeder Resonator 1 und 1′ separate Anschlüsse 35
und 36 sowie 37 und 38 zur Leiterplatte 22 auf. So führt von der Leiterbahn 23 der
Anschluß 35 über die leitende Fläche 17 und die leitende Schicht 9 zur oberen Elektrode
3 des Kristalls 2. Von der Leiterbahn 23′′ führt der Anschluß 36 über die leitende Flä
che 18 und die leitende Schicht 10 zur unteren Elektrode 4 des Kristalls 2. Weiterhin
führt von der Leiterbahn 23′ der Anschluß 37 über die leitende Fläche 19 und die lei
tende Schicht 11 zur oberen Elektrode 3 des Kristalls 2′, und schließlich führt von der
Leiterbahn 23′′′ der Anschluß 38 über die leitende Fläche 20 und die leitende Schicht
12 zur unteren Elektrode 4 des Kristalls 2′. Um diese vier separaten Anschlüsse 35 bis
38 zu erzielen, müssen zu den Unterbrechungen 26 und 26′ weitere Unterbrechungen 47
vorgesehen sein, die sich an die Unterbrechungen 26 und 26′ derart anfügen, daß die
leitenden Seitenflächen des Bauteils in vier leitende Flächen 17 bis 20 aufgeteilt wer
den, wobei jede dieser Flächen 17 bis 20 mit je einer leitenden Schicht 9 bis 12 in oben
genannter Weise verbunden ist. So zeigt der in Fig. 9 dargestellte Schnitt IX, daß die
leitende Fläche 20 zur leitenden Schicht 12 durchverbunden ist. In entsprechender
Weise ist an der oberen Seite des Resonators 1′ die leitende Fläche 19 mit der leitenden
Schicht 11 verbunden. Die Fig. 11 zeigt, wie die leitende Fläche 17 mit der leitenden
Schicht 9 verbunden ist, und entsprechend ist auch die leitende Fläche 18 mit der leiten
den Schicht 10 verbunden. Zwischen den Resonatoren 1 und 1′ befindet sich ein Zwi
schenboden, der leitende Schichten 15 und 15, aufweist, welche beide derart ausgestal
tet sind, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist. Die Dichtflächen 16 des Zwischenbodens 34
sind durch die Unterbrechungen 26 und 26′ von den Potentialen getrennt. Die zwei
Potentiale jeder Seite sind wiederum durch die weiteren Unterbrechungen 47 getrennt.
Auf diese Weise werden die Potentiale lediglich weitergeführt, ohne daß eine Kontaktie
rung mit der größeren Dichtfläche 16 stattfindet. Selbstverständlich könnten die leiten
den Flächen 17 und 18 mit den entsprechenden Teilen der leitenden Schicht auch weg
gelassen werden, da eine Verbindung nach oben nicht erforderlich ist. Es wäre auch
möglich, die Unterbrechungen 26, 26′, 47 bei dem Zwischenboden 34 dort wegzulassen,
wo die korrespondierenden Flächen 9, 10, 11, 12 der angrenzenden rahmenförmigen
Mittelteile 7, 7′ keine solchen aufweisen. Die dargestellte Ausführung wurde gewählt,
um aufgrund der allseitigen Symmetrie eine bessere Handhabung und universelle Ein
setzbarkeit des Zwischenbodens 34 zu erzielen und die Lötungen 24 ebenfalls in sym
metrischer Weise an dem Bauteil hochführend anbringen zu können.
Selbstverständlich läßt sich auch ein Stapel mit mehr als zwei Resonatoren herstellen,
wobei jedoch noch zusätzliche Unterbrechungen 47 erforderlich wären. Es ist auch vor
stellbar, daß die noch nicht mit leitenden Flächen 17 bis 20 versehenen Seiten entspre
chend herangezogen werden, um noch mehr Kontaktierungen zu ermöglichen. Weiter
hin ist vorstellbar, daß die rahmenförmigen Mittelteile 7 und 7′ ohne Zwischenboden 34
aufeinandergestapelt werden. In diesem Fall würden sich alle Kristalle in einem abge
dichteten Gehäusebereich befinden.
Bei dem dargestellten fünften Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse der beiden
Resonatoren 1 und 1′ separat zur Leiterplatte geführt. Mit entsprechenden Verbindun
gen zwischen den leitenden Flächen 17 bis 20 und den leitenden Schichten 9 bis 13 sind
jedoch auch Gehäuse mit parallelgeschalteten oder hintereinandergeschalteten Resona
toren möglich und Schaltungen mit weiteren Bauelementen 27 realisierbar.
Fig. 13 zeigt noch ein sechstes Ausführungsbeispiel, das sich gegenüber der Fig. 2 darin
unterscheidet, daß die Elektrode 2 die Dicke des rahmenförmigen Mittelteils 7 aufweist
und zur Erzielung des Freiraums 39 wannenförmige Ausnehmungen 40 und 41 des
Deckels 8 und des Bodens 6 vorgesehen sind.
Die in den Figuren gezeigten sechs Ausführungsbeispiele stellen lediglich beispielhafte
Zusammenfügungen von Merkmalen dar. Selbstverständlich sind beliebige Merkmals
kombinationen möglich.
Bezugszeichenliste
1, 1′ Resonator
2, 2′ Kristall (bzw. aktive Kristallfläche)
3, 3′ Elektrode (oben)
4, 4, Elektrode (unten)
5, 5′ Gehäuse
6 Boden
7, 7′ rahmenförmiges Mittelteil (z. B. Kristallscheibe)
8 Deckel
9, 9, leitende Schicht, erstes Potential
10, 10′ leitende Schicht, zweites Potential
11 leitende Schicht, drittes Potential
12 leitende Schicht, viertes Potential
13 Dichtfläche, Oberseite des Mittelteils
14 Dichtfläche, Unterseite des Mittelteils
15, 15′ leitende Schichten des Zwischenbodens
16 Dichtflächen des Zwischenbodens
17, 18, 19, 20 leitende Flächen
21 Fuß des Bodens
22 Leiterplatte
23, 23′, 23′′, 23′′′ Leiterbahnen der Leiterplatte
24 Lötung
25 durch Dichtflächen abgedichteter Gehäusebereich
26, 26′ Unterbrechungen einer leitenden Schicht
27, 27′ weitere Bauelemente
28 Verbindungssteg (einer)
29, 30 Verbindungsstege (zwei)
31 Elektrodenzuleitung
32 Fenster (Deckel)
33 Fenster (Boden)
34 Zwischenboden
35, 36, 37, 38 separate Anschlüsse
39 Freiraum
40, 41 wannenförmige Ausnehmungen
42 Anschlußflächen
43, 43′ weitere Unterbrechung einer leitenden Schicht
44 Freistellung
45 Klebverbindung
46 linsenförmiger Quarzkristall
47 weitere Unterbrechungen leitender Schichten zur Trennung von
4 Potentialen