DE102006018685A1

DE102006018685A1 - Verfahren zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Frequenzgangs von Schwingquarzen mittels Abstimmung des Schnittes und einer adaptierten Beschichtung

Info

Publication number: DE102006018685A1
Application number: DE200610018685
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. Noetzel
Original assignee: AppliedSensor GmbH
Current assignee: AppliedSensor GmbH
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-10-25

Abstract

Verfahren, mit dem sich die Temperaturabhängigkeit des Frequenzgangs von Schwingquarzen und Quarzfiltern durch die Wahl des entsprechenden Schnittes und Schnittwinkels sowie eine spezielle ausgewählte Beschichtung des Quarzsubstrates und/oder der Elektroden kompensieren lässt. Die Beschichtung muss die entgegengesetzte differenzielle Änderung des Temperaturganges vom Schwingquarzsubstrat haben. Unter Umständen kann auch noch der Temperaturgang der Oszillatorschaltung oder Filterelektronik mit kompensiert werden. Das Verfahren lässt sich unter Umständen auch auf Oberflächenbauelemente, so genannte SAW-Bauelemente, anwenden. In vielen Fällen kann daher in Zukunft eine aufwendige Temperaturkompensation durch zusätzliche Elektronik, wie entsprechende analoge oder digitale Kompenstionsschaltungen, oder Thermostate mit den dazugehörigen Heizungsregelungen entfallen.

Description

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren, das die Temperturabhängigkeit von Schwingquarzen mittels einer Beschichtung des Quarzes bzw. dessen Elektroden kompensiert. In der Elektronik werden Oszillatoren hoher Frequenzkonstanz benötigt, das heißt, die Eigenresonanz dieser Schwingkreise sollte möglichst unabhängig von der Temperatur und anderen Umwelteinflüssen sein und über eine lange Zeit konstant bleiben. Mit der Auswahl von speziellen Quarzschnitten und Schnittwinkeln ist es möglich über einen Bereich von ca. 20–30°C die Temperaturabhänigigkeit des Frequenzgangs von Schwingquarzen klein zu halten. Dies ist bisher auch die einzige Möglichkeit die Temperaturkompensation direkt am Bauteil Schwingquarz anzusetzen. Allerdings sind der Effektivität dieses derzeit angewendeten Verfahrens Grenzen gesetzt. Alle anderen bekannten Methoden versuchen durch Beeinflussung der Qszillatorschaltung mit zusätzlichen Bauteilen die Temperaturabhänigkeit zu minimieren. Es handelt sich dabei einerseits um so genannte temperaturkompensierte Quarzoszillatoren vom Typ temperature compensated crystal ozillator (TCXO), die Temperaturkompensation erfolgt hier entweder über ein analoges Netzwerk oder digital über eine Tabelle bzw. einen entsprechenden Algorithmus. Andererseits um so genannte temperaturstabilisierte Quarzoszillatoren vom Typ ovenized crystal oszillator (OCXO), hier wird die Oszillatorschaltung in einem Thermostaten betrieben und die Thermostat-Temperatur auf die Temperatur des Umkehrpunktes der TK-Kurve des jeweiligen Quarzes eingestellt (vgl. P 291343 DE).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es den Bereich der Temperaturunabhängigkeit des Frequenzgangs von Schwingquarzen zu erweitern ohne große Kosten durch weitere energieverbrauchende Bauteile zu verursachen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Quarzschnitt bzw. Schnittwinkel und eine Beschichtung so gewählt werden, dass der Temperaturgang des beschichteten Systems ganz oder teilweise kompensiert ist. Verursacht die Beschichtung einen negativen Temperaturgang wird ein Schnitt gewählt der einen positiven Temperaturgang des unbeschichteten Schwingquarzes zur Folge hat. Dies gilt natürlich auch umgekehrt, bei einer Beschichtung mit positivem Temperaturgang ist ein Quarzschnitt mit negativem Temperaturgang des unbeschichteten Schwingquarzes zu wählen. Durch die Vielfalt der Beschichtungsmaterialien, die Änderung der Beschichtungsdicke und durch die Anbringung mehrerer Schichten übereinander ergibt sich ein Parameterraum der prinzipiell eine ideale Temperaturkompensation ermöglicht.
1 u. 2 zeigen die Vorteile und Merkmale des Verfahrens anhand realer Messergebnisse für einen 16 MHz Schwingquarz.
In 1 ist die Temperaturabhänigigkeit eines herkömmlichen unbeschichteten 16 MHz Schwingquarzes mit einem AT-Schnitt und einem Schnittwinkel Δθ und ausgeprägten positiven Temperaturkoeffizient dargestellt. Für eine Temperaturänderung im Bereich 20–50°C, ergibt sich Frequenzänderung von 260 Hz.
Wird der Schwingquarz aus 1 nun mit einer Beschichtung versehen, die dem System Quarz/Beschichtung einen negativen Temperaturkoeffizient verleiht, wird in diesem speziellen Fall die Temperaturabhängigkeit des beschichteten Quarzes nahezu kompensiert wie in 2 zu sehen ist. im Für eine Temperaturänderung im Bereich 20–50°C ergibt hier Frequenzänderung von lediglich 26 Hz.
Die Temperaturabhängigkeit des Frequenzgangs konnte damit erfindungsgemäß um den Faktor 10 gesenkt werden. Auf eine individuelle Bestimmung des Temperaturverlaufs der Basislinie des massensensitiven Sensors oder zusätzliche Bauteile kann damit verzichten werden, da für die meisten praxisrelevanten Anwendungen diese Verbesserung ausreichend ist.

Claims

Verfahren zur Kompensation der Temperturabhängigkeit von Schwingquarzen mittels einer Beschichtung des Quarzes bzw. dessen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzschnitt bzw. der Schnittwinkel so gewählt wird, dass der Temperaturgang des unbeschichteten Quarzes von dem Temperaturgang der Beschichtung ganz oder teilweise kompensiert wird. Im Idealfall und somit für die Anwendung in einem großen Temperaturbereich ist eine betragsmäßig gleiche aber entgegengesetze differenzielle Änderung des Temperaturganges von Schwingquarz und Beschichtung erforderlich.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch unterschiedliche Beschichtungsmaterialien, die Änderung der Beschichtungsdicke und die Option zur Anbringung mehrerer Schichten übereinander eine möglichst optimale Temperaturkompensation des beschichteten Schwingquarzes erzielt wird. Die 1 und 2 zeigen die Messergebnisse für einen unbeschichteten und einen beschichteten 16 MHz Schwingquarz mit AT-Schnitt
Verfahren nach Anspruch 1 u. 2 dadurch gekennzeichnet, dass es auf mindestens eine Seite des Schwingquarzes eine Beschichtung aufgebracht wird.
Modifikation von Elektroden bei Sensoren, so dass einer der vorhergehenden Ansprüche erfüllt wird.
Schwingquarze und Filter, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Zwecke der Temperaturkompensation des Frequenzgangs nach einem der vorhergehenden Ansprüche beschichtet wurden.
Oberflächenwellen Bauelemente, so genannte SAW-Bauelemente (SAW = Surface Acoustic Wave), die in Oszillatoranwendungen und Filtern der nach einem der vorhergehenden Ansprüche modifiziert wurden.
Bei Dünnschicht SAW-Bauelementen kann herstellungsbedingt kein Schnittwinkel angepasst werden, so dass sich Anspruch 1 nur auf eine Temperaturkompensation mittels Art der Beschichtung und Variation der Beschichtungsdicke bezieht.
Oszillatoren und Filter, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdrift von frequenzbestimmenden piezoelektrischem Substrat und Oszillator bzw. von Filter und zusätzlicher Elektronik mit der Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche kompensiert wurde.