DE2713672C2

DE2713672C2 - Frequenzselektive Anordnung

Info

Publication number: DE2713672C2
Application number: DE2713672A
Authority: DE
Inventors: Alphonse E. Solothurn Zumsteg
Original assignee: Dryan-Fordahl Technologies S.A., Bienne
Current assignee: Meggitt SA
Priority date: 1976-12-10
Filing date: 1977-03-28
Publication date: 1985-06-05
Also published as: US4076987A; FR2373918B1; CH620801A5; FR2373918A1; NL7705248A; GB1553343A; JPS5372436A; DE2713672A1

Description

gekennzeichnet durch

e) die Ausbildung als Filter mit zwei oder mehr Resonatoren.

2. Frequenzselektive Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rechteckige Block aus einem Quarzkristall in einer gedrehten V-Orientierung von ungefähr 35° besteht und seine größte Ausdehnung längs der Z'-Achse hat und daß das Breite (X/Dicken (Y')-Verhältnis in den folgenden Wertebereichen liegt:

1.1 bis 1.9 für die Kopplung mit der 2. Harmoni

schen des Biegeschwingungstyps,

2.2 bis 3,6 für die Kopplung mit der 4. Harmoni

schen des Biegeschwingungstyps.

3,6 bis 5,3 für die Kopplung mit der 6. Harmonischen des Biegeschwingungstyps,

5,1 bis 6,8 für die Kopplung mit der 8. Harmonischen des Biegeschwingungstyps,

6.5 bis 8,4 für die Kopplung mit der 10. Harmonischen des Biegeschwingungstyps und

8 bis 10.4 für die Kopplung mit der 12. Harmonischendes Biegeschwingungstyps.

3. Frequenzselektive Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Elektroden (1,2) Metall auf dem Block abgelagert ist.

4. Frequenzselektive Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß definierte Bereiche des Blocks durch Chemikalien, lonenfräsen, Plasmaätzen oder ähnliche Verfahren behandelt und mit Metallelektroden versehen sind.

5. Frequenzselektiv; Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine kurzgeschlossene Elektrode vorgesehen ist, die sich vollständig um den Block erstreckt.

b. Frequenzselektive Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzgeschlossene Elektrode einen vorgegebenen elektrischen Widerstund IkH und iliimil den Kur/schliiUsinim bestimmt.

Die Erfindung betrifft eine frequenzsclektivc Anordnung in Form eines rechteckigen Blocks aus piezoelektrischem Werkstoff der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der US-PS 36 76 805 isl ein monolithisches Kristallfilter mit drei oder mehr Resonatoren bekannt, bei welchem dem Resonator bzw. den Resonatoren zwischen den Endresonatoren Hüfs-Resonatoren zugeordnet sind. Diese Hilfs-Resonatoren führen Dicken-Tor- sionsschwingungen aus, während die Resonatoren des Hauptfilters für Dickenscherschwingungen bemessen sind. Dadurch soll der Wirkungsgrad solcher monolither Kristallfilter verbessert werden. Die Kopplung mit den Dicken-Torsionsschwingungen ist jedoch ungünstig.

Eine frequenzselektive Anordnung in Form eines rechteckigen Blocks aus piezoelektrischem Werkstoff der angegebenen Gattrng geht aus dem älteren deutschen Patent Nr. 27 01 416 hervor. Diese, als piezoelektrischer Schwinger ausgebildete frcquenzselektive An- Ordnung enthält eine Elektrodenkonfiguration, die auf die Anwendung des Energie-Einfangprinzips abgestellt ist; durch die Abmessungen des rechteckigen Blocks tritt eine Schwingung mit einer Schwingungsform auf, die auf der starken Kopplung von Dickenscherschwin gungen mit einer geradzahligen Harmonischen des Bie geschwingungstyps beruht; die Ordnungszahl der Harmonischen des Biegeschwingungstyps bemißt sich nach dem Breiten/Dicken-Verhältnis des rechteckigen Blocks; die Elektroden erstrecken sich über die ganze

Breite des Blocks.

Durch diese Ausgestaltung wird ein piezoelektrischer Schwinger geschaffen, der erheblich verkleinerte Abmessungen aufweist, wobei durch die geeignete Wahl der Dimensionierung gleichzeitig das Temperaturver-

J5 halten verbessert und ein hoher Gütefaktor erreicht wird.

Es ist bekannt, einen Block aus einem Quarzkristall oder einem anderen piezoelektrischen Material, der mit Elektroden versehen ist, als Filter zu benutzen. Den theoretischen Hintergrund dieser Anwendung sowie praktische Realisierungen solcher Filter gehen aus den folgenden Druckschriften hervor:

1. M.Onoeund H. Jumonji

Analysis of piezoelectric resonators vibrating in trapped energy modes., Electr. & Comm. Eng., Japan, Vol. 43, Seite 84 (1965)

2. R. A. Sykes, W. L Smith und W. J. Spencer Monolithic crystal filters

IEEE Intern. Convention Record, Teil III, Seite 78 (1967)

3. H. Mailer und D. R. Beuerle

Incorporation of multi-resonator crystal into filters for quantity production

Proc. 20th annual Symposium on frequency control,

Diese Veröffentlichungen befassen sich mit dem Fall, bei dem Dickenscherschwingungen auftreten und die

bo Elektroden nur einen kleinen Bereich der Oberfläche des piezoelektrischen Blocks oder der piezoelektrischen Platte einnehmen. Diese Einschränkung ist aus folgendem Grunde erforderlich:

1) Bei einer dünnen Platte mit endlicher Ausdehnung

h5 ist die Dickcnscherschwiiigung immer mit einer Biegesi/liwingungsmocle gekoppelt, die sich in Richtung der Verschiebung von Teilchen lies Materials aufgrund der Dicke iischcrschwingungeM fortpflanzt. Beispielsweise

ist in einem rechteckigen Quarzkristall mit AT-Schnitt die Dickenscherschwingungsmode TS₁ immer mit einer Biegeschwingungsmode F\ gekoppelt Die Mode TS\ tritt in einer Ebene XY'mit Verschiebung der Materialteilchen in X-Richtung des Quarzkristalls (elektrische Achse) auf. Die Mode Fi tritt in der gleichen Ebene XY' auf und pflanzt sich längs der X-Achse des Quarzkristalls fort

Eine solche Kopplung gewinnt bei einer Verkleinerung des Verhältnisses a/b größere Bedeutung, wobei a die seitliche Ausdehnung des Quarzkristallblocks in X-Richtung und b die Dicke des rechteckigen Blocks, beispielsweise einer Platte, bezeichnet.

Der Einfluß dieser Kopplung zeigt sich besonders beim Frequenzspiktrum, wenn bei kleinem Verhältnis a/b die Frequenz nicht nur von der Dicke b der Platte, sondern stark von der seitlichen Ausdehnung a abhängt.

Wenn man also wünscht, eine reine Dickenscherschwingungsmode zu benutzen, um die theoretische Analyse und eine eventuelle Herstellung zu vereinfachen, muß das Verhältnis a/b einen großen Wert haben, damit die Resonanzfrequenz nur von der Dicke der Platte abhängt. In der Praxis wird ein Verhältnis a/b benutzt, das gleich oder größer als 30 ist. Auch in der Ausführungsform für die Massenherstellung (siehe die oben angegebene Schrift No. 3, Seite 322, Fig. 3) wird ein Filter für eine Frequenz von 5,3 MHz beschrieben, der einer Dicke von 0,31 mm entspricht; die Ausdehnung längs der X-Achse beträgt 11,7 mm, was ein Verhältnis a/b von 38 ergibt.

2) Eine nahezu reine Dickenscherschwingung hat eine Amplitudendämpfung außerhalb der Elektroden zur Folge. So ist ein großer Abstand zwischen dem Rand der Elektrode und dem Rand des Blocks nötig, um Absorptionen oder Reflexionen zu vermeiden, die die Qualität des Filters herabsetzen können.

In der Praxis wird diese Art Filter für Frequenzen über 3 bis 4 MHz benutzt. Unterhalb dieser Grenze werden die Platten zu groß.

Für Frequenzen unter 1 MHz werden andere Schwingungsmoden statt der Dickenscherschwingungen benutzt. Im britischen Patent Nr. 13 61 622 wird eine Breitcnausdehnungsmode beschrieben, wobei sich die Elektroden über die gesamte Breite der Kristallplatte erstrecken.

Mit dieser letzteren Mode können Filter erhalten werden, die vernünftige Ausdehnungen für Frequenzen bis hinunter zu ca. 262 kHz haben. Solch eine Mode kann jedoch nicht mehr für Frequenzen oberhalb 1 MHz benutzt werden, wenn man nicht Harmonische benutzt, die möglicherweise eine ungewöhnlich große Impedanz zur Folge haben. Ein anderer Nachteil einer longitudinalen Mode im Quarz ist hier ein im Vergleich zu Dickenscherschwingungen im AT-Schnitt ungünstiges thermisches Verhalten.

Obwohl die Erörterung bisher unter Berücksichtigung der speziellen Eigenschaften von Quarz bei Resonatoren erfolgte, können diese Grundsätze auch auf andere Materialien übertragen werden, insbesondere beim Entwurf von Filtern. Wo andere Materialien verwendet werden, weichen die verschiedenen verwendeten Kristallstrukturen wahrscheinlich erheblich vom Quarz ab; folglich ergibt sich ein anderes Schneidverfahren sowie andere elastische Konstanten. Trotzdem sind die hier gezeigten Grundsätze gleichermaßen gültig, welches piezoelektrische Material auch immer für einen speziellen Filter angewendet werden mag.

13er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine frequenzselektive Anordnung der angegebenen Gattung zu schaffen, die auch als Filter eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgeniäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß ein Block, beispielsweise ein ίο Quarzkristall, mit extrem kleinen Abmessungen verwendet werden kann. Es ist beispielsweise möglich, im Vergleich mit herkömmlichen, realisierten Filtern die Abmessungen eines solchen Filters, der aus einer Quarzplatte geschnitten wird, in der A"-Richtung um den Faktor 10 zu verringern. Die freie Auswahl der Ausdehnungen und der Ausrichtung ermöglicht eine sehr genaue Kontrolle über die Kopplung der verschiedenen Elektroden sowie über die thermischen und elektrischen Kennlinien, und zwar für verschiedene piezoelektrische Materialien.

Das Breiten/Dicken-Verhältnis sollte einen Wert von 10,4 nicht überschreiten, wobei je nach ausgewähltem Verhältnis die Kopplungen mit den zugehörigen Harmonischen der Biegeschwingungen erfolgen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichrungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und la einen ebenen bzw. senkrechten Querrchnitt längs der Linie A-A eines herkömmlichen Filters, F i g. 2 und 2a einen ebenen bzw. senkrechten Querschnitt längs der Linie B-B einer anderen Ausführungsform eines herkömmlichen Filters mit mehreren Resonatoren,

Fig.3a die Teilchenverschiebung in einer Platte aus einem Material mit Dickenscherschwingungen,

F i g. 3b die gleiche Platte aus einem Material mit Biegeschwingungen,

Fig. 4 die Ausrichtung einer AT-geschnittenen Quarzplatte.

Fig. 5 das Frequenzspektrum einer Quarzplatte als Funktion des Abmessungsverhältnisses a/b,

Fig. 6 den Einfluß des Abmessungsverhältnisses a/b auf die thermischen Eigenschaften eines Quarz-Resonators,

Fig. 7 den Einfluß des Abmessungsverhältnisses a/b auf die dynamische Kapazität O.

F i g. 8 das Spektrum eines erfindungsgemäßen Filters für eine Grundfrequenz von 4.19 MHz.

Fig.9 und 9a eine Drauf- bzw. Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Filters,

Fig. 10 und 10a eine Drauf- bzw. Seitenansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines Filters,

Fig. 11 und 11 a eine Drauf- bzw. Seitenansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Filters,
Fig. 12 und 12a eine perspektivische bzw. Querschnittsansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Filters und

Fig. 13 die Ausrichtung eines Filters mit mehreren Resonatoren, die aus einer Platte aus AT-geschnittenem bo Quarz hergestellt wurde.

In F i g. 1 ist ein monolithisches Filter dargestellt, das zwei gekoppelte Resonatoren aufweist und nach herkömmlichen Verfahren hergestellt ist. Die Elektroden 1 und .? werden durch eine Metallablagerung gebildet und können mit Hilfe von Zuführungen 3 und 4. die eine geringere Dicke der Metallisation als die Elektroden 1 und 2 haben, an Stromquellen angekoppelt werden. Die Elektroden nehmen nur einen sehr kleinen Bereich der

ganzen Oberfläche der Platte ein. Bemerkenswert ist der beträchtliche Abstand zwischen dem Rand der Elektroden und dem Rand der piezoelektrischen Platte in X-Richtung. Das Verhältnis der seitlichen Ausdehnung der Platte in der X-Richtung zur Dicke liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 30 oder mehr.

In Fig. 2 ist eine andere Form eines herkömmlichen Filters dargestellt, das drei Elektroden aufweist. Der zentrale Bereich muß nicht notwendig mit einer Elektrode versehen sein. Auch hier sind die seitlichen Ausmaße der Platte im Verhältnis zur Dicke groß (30mal so groß oder mehr).

Fig.3a erläutert die reine Dickenschwingung in einem Block aus einem Material mit Verschiebung der Teilchen in der Richtung X; diese Dickenschwingungen treten in einem Quarzblock oder einer Platte mit AT-Schnitt auf und schwingen in einer Mode, die als TS\ bezeichnet wird. Die Dickenschwingungen breiten sich in der Richtung V" unter Reflexion an den freien Flächen aus und bilden eine stehende Welle. Fi g. 3b zeigt in einer ähnlichen Platte eine Biegeschwingung, die sich auch in der X-Richtung fortpflanzt, obwohl in diesem Fall die Verschiebung der Teilchen in der V"-Richtung auftritt.

Bei einer Platte mit endlichen Abmessungen können die reinen Dickenscherschwingungen nicht existieren, da das Drehmoment sonst nicht erhalten würde. Zu einer solchen Schwingung müssen die transversalen Bewegungen (senkrecht zur Platte) hinzugefügt werden, um den Ausgleich des Drehmomentes sicherzustellen; diese Bewegungen treten in der Form von Biegeschwingungen auf. Für einen AT-Schnitt, bei dem die Mode TS\ in der Ebene XY' auftritt, treten die Biegeschwingungen Fi, die mit der Mode TS\ gekoppelt sind, in derselben Ebene XY' auf und pflanzen sich in der X-Richtungfort.

F i g. 4 zeigt einen AT-geschnittenen Quarz, für den der Drehwinkel Φ um die X-Achse ungefähr 35° beträgt. Bei einem solchen Schnitt wird bei höheren Verhältnissen a/b die Kopplung der Moden TS₁ und Fi vermindert: das ist der Grund, warum bis heute die Tendenz bestand, größere Platten zu benutzen, bei denen a/b gleich oder größer als 30 war, um den Einfluß einer solchen Kopplung zu vermindern. So bleiben die Eigenschaften des Filters in solchen Fällen im wesentlichen unabhängig von der Größe a. Die Biegeschwingungsmoden. die sich in X-Richiung fortpflanzen, werden jedoch außerhalb der Elektroden nicht gedämpft und können so Verluste verursachen, wenn die Platte an ihren X-Fläehen gehalten wird, und/oder durch parasitäre Reflexionen, wenn die X-Flächen frei sind.

Für ein sehr kleines Abmessungsverhältnis a/b, z. B. a/b = 3. besteht eine sehr starke Kopplung zwischen den Moden TS\ und Fi. Eine solche Kopplung ändert die bekannten Eigenschaften der üblichen Art von AT-Resonatoren. Zum Beispiel hängt die Frequenz ebenso wie das elektrische und thermische Verhalten von der Größe a ab. was Probleme verursachen kann. Für eine gegebene Frequenz müssen die Breite a und die Dicke b genau kontrolliert werden, siehe z. B. Fi g. 5. Andererseits können auch Vorteile erzielt werden, da das thermische Verhalten durch den Schnittwinkel und die Größe von ;) beeinflußt werden kann: das erlaubt es, einen Wendepunkt bei 60" zu erhalten. Die Neigung bei 25° der Frequenz-Temperatur-Kurven und die dynamische Kapazität des Resonators mit einem sehr kleinen Verhältnis i\/b hängen in parabolischer und zyklischer Weise von diesem Verhältnis ab. siehe insbesondere Fig. 6 und 7.

In Fig. 5 stellt die Ordinate die normalisierte Frequenz /72o dar, wobei /Ό die Resonanzfrequenz einer unendlich ausgedehnten Platte und durch fo² = C'tn/4b²p gegeben ist. C₆6 ist die gedrehte elastische Konstante und ρ die Dichte des Quarzes. Ein ähnlicher Aspekt besteht für alle dünnen Platten, bei denen Dickenscherschwingungen auftreten. Zu beachten ist der Bereich großer Abmessungsverhältnisse a/b = 30, wo Stufen

ίο oder Absätze bestehen, d. h., wo die Frequenz praktisch nicht von der Größe a abhängt. Dieser Bereich, wo der Einfluß der Kopplung mit der Biegeschwingungsmode vernachlässigbar ist. wird bei Mehrfachresonaloren oder Filtern benutzt, die nach herkömmlichen Vcrfahren hergestellt werden. Hier wird im Gegensatz da/u der Bereich kleiner Abmessungsverhältnisse ii/b, /.. B. 10,4 oder weniger, benutzt, wo die Frequenz stark von der Größe a abhängt, was erlaubt, die seitlichen Abmessungen bis um den Faktor 10 zu reduzieren.

Das Diagramm nach Fig. 5 und die dazu führenden, theoretischen Überlegungen werden in einem Artikel des »Journal of Applied Physics«, Band 22, Nr. 3, März 1951, S. 316 ff., beschrieben.

Die Ordinate in F i g. 6 gibt die Steigung der Frequenz-Temperatur-Kurven bei 25° an. Die Kurven 4, 8 und 12 sind für einen Winkel von 35° 15' und Sa für 34° 36' berechnet. Die Kurven 4', 8' und 12' sind für einen Winkel von 35° 15' gemessen und 4" für einen Winkel von 34°48'. So ist es ersichtlich, daß für diese kleinen Abmessungsverhältnisse nicht länger versucht wird, eine Dämpfung der Schwingungsmoden in der Richtung X außerhalb der Elektroden zu erhalten. Statt dessen wird eine konstante Schwingungsamplitude entlang der X-Achse angestrebt, indem den Elektroden entlang X die gleiche Größe wie die Abmessung a der Platte gegeben wird. Anders ausgedrückt: Die Elektrode erstreckt sich über die ganze Breite a der Platte, wie aus den F i g. 9 bis 13 ersichtlich.
Wie durch Messungen gezeigt wurde, besitzt diese gekoppelte Mode in Richtung Z' eine Dämpfung, die stärker ist als die durch die folgende wohlbekannte Formel, die für reine Dickenscherschwingungen gilt, gegebene:

e-2,94 ^-^

Hierbei sind Δ die relative Verringerung der Frequenz des Resonators mit und ohne Elektroden und d der Abstand vom Rand der Elektrode. Diese starke Dämpfung erlaubt es, die Größe c entlang der Achse Z' zu begrenzen, während ein sehr hoher Gütefaktor erreicht wird. Der durch die Elektrode erreichte Energieeinschluß, der vollkommen ist, da sich keine Biegeschwingungsmode in der Richtung Z' fortpflanzt, erlaubt auch eine sehr starre Befestigung der Platte, wodurch parasitäre Moden, die nicht dem Energieeinschluß unterworfen sind, sehr gering oder gänzlich beseitigt werden.

Fig. 8 zeigt das Spektrum eines Resonators mit einem einzigen Paar von Elektroden. Die Reinheit dieses Spektrums beruht auf folgendem:

a) Der perfekte Energieeinschluß erlaubt eine starre b5 Befestigung, die alle parasitären Moden begrenzt oder beseitigt;

b) die gekoppelten Moden TS\ und Fi unmittelbar oberhalb und unterhalb der Grundmode sind einer-

seits in ihrer Frequenz getrennt (siehe Fig. 5) und haben andererseits eine sehr kleine dynamische Kapazität (siehe F i g. 7);

c) da a sehr klein ist, haben die wenigen Resonanzen der Moden, die von dieser Größe abhängen, eine sehr hohe Frequenz.

Beim Gebrauch einer solchen Platte mit verschiedenen Energieeinschlußzonen, also Elektroden, die voneinander durch einen gegebenen Abstand getrennt sind, erhält man Filter mit äußerst kleinen Abmessungen und äußerst hoher Spektraleinheit.

In den Fig. 9 und 9a ist ein Filter gezeigt, das zwei Elektroden hat und dessen seitliche Abmessungen äußerst begrenzt sind. -5

Die Fig. 10 und lOa zeigen ein bevorzugtes Filter, bei dem die zwei Energieeinschlußzonen durch eine gemeinsame Elektrode verbunden sind, siehe insbesondere Fi g. 10a.

Die Fig. 11 und 11a stellen eine bevorzugte Ausführungsform eines Filters dar, bei dem drei Zonen für den Energieeinschluß vorgesehen sind.

F i g. 12 zeigt ein Filter in einer bevorzugten Ausführungsform, bei dem der Energieeinschluß im Zentralbereich von piezoelektrischer Natur ist und durch Kurzschließen der oberen und unteren Elektroden durch eine Metallschicht an den Seiten erhalten wird. Eine solche Schicht kann verschiedene Abmessungen haben oder aus verschiedenen Metallen bestehen, um den Widerstand und damit den Kurzschlußstrom zu variieren.

F i g. 13 stellt schließlich die Ausrichtung an einer bevorzugten Ausführungsform eines Filters dar, wobei der Resonator mit einem AT-Schnitt aus dem Quarz geschnitten wurde.

Die Bandpaß-Kennzeichnungsgrößen, wie Bandbreite, Bandbreitendämpfung, Impedanzcharakteristiken usw., die für diese Resonatoren, die als Filter benutzt werden, gewünscht werden, können durch die Auswahl der Zahl der Energieeinschlußzonen bzw. Elektroden, der Trennung bzw. Abstände zwischen den Elektroden, der Länge jeder Zone und der Dicke der Metallisation oder der zusätzlichen Dicke des Resonatormaterials bei jeder Zone erhalten werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

bO

Claims

Patentansprüche:

1. Frequenzselektive Anordnung in Form eines rechteckigen Blocks aus piezoelektrischem Werkstoff.

a) bei welcher die Elektrodenkonfiguration auf die Anwendung des Energie-Einfang-Prinzips abgestellt ist.

b) bei welcher durch die Abmessungen des rechteckigen Blocks eine Schwingung mit einer Schwingungsform auftritt, die auf der starken Kopplung von Dickenscherschwingungen mit einer geradzahligen Harmonischen des Biegeschwingungstyps beruht,

c) bei welcher sich die Ordnungszahl der Harmonischen des Biegeschwingungstyps nach dem Breiten/Dicken-Verhältnis des rechteckigen Blocks bemißt und

d) bei welcher sich die Elektroden über die ganze Breite des Blocks erstrecken,