NO321564B1 - Piezoelektrisk resonator og kretskomponent med samme - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder en piezoelektrisk resonator som kan inngå i en elektronisk komponent som her er kalt en kretskomponent, og resonatoren baserer sin virkning på mekanisk resonans i et svingeelement som danner en kjerne med langstrakt form, ofte benevnt stav, en aktiv del med piezoelektriske skiver og utgjørende i det minste en del av kjernen, og et par ytre elektroder som tilhører den aktive del.

Oppfinnelsen gjelder også en elektronisk kretskomponent som har en slik resonator, og komponenten kan brukes som oscillator, diskriminator og filter.

Den beskrivelse som nå følger støtter seg til de tilhørende tegninger, og først skal den kjente teknikk belyses, idet fig. 34 i tegningene i perspektiv viser et konvensjonelt piezoelektrisk svingeelement. Elementet, angitt med henvisningstallet 1, omfatter et piezoelektrisk substrat 2 med f.eks. rektangulær plate- eller stavform, sett fra toppen. Substratet 2 er polarisert i den viste retning. På begge sider av substratet ligger en plateelektrode 3. Når et signal påtrykkes disse elektroder, dannes et elektrisk signalfelt som er angitt ved E-feltretningen mellom dem, og substratets 2 piezoelektriske virkning arter seg som en tilhørende vibrasjon i lengderetningen. Fig. 35 viser et svingeelement 1 av tilsvarende type, men med kvadratisk fasong. Polarisasjonsretningen er den samme som ovenfor, men vibrasjonen foregår her ikke hovedsakelig bare i lengderetningen, men i både lengde- og tverretningen slik det er angitt med flere dobbeltpiler (vibrasjon i kvadratmodus i et vibrasjons- eller svingeplan).

De viste konvensjonelle svingeelementer er av uavstivet type og hvor vibrasjons-retningene er forskjellige fra polarisasjonsretningen og retningen av det elektriske felt. Den elektromekaniske koplingskoeffisient K for et slikt uavstivet piezoelektrisk svingeelement er mindre enn den tilsvarende koeffisient for et avstivet element hvor vibrasjonsretningen sammenfaller med polarisasjons- og E-feltretningen. Den første type svingeelement har relativt liten frekvensforskjell AF mellom dets parallell- og serieresonans, og dette fører til ulempen av liten båndbredde i bruk som oscillator eller filter. Ved konstruksjon får man således mindre frihet, både når det gjelder svingeelementet selv og kretskomponenter man kan lage av det.

Svingeelementet vist på fig. 34 har såkalt førsteordens resonans i lengde-svingemodus. Konstruksjonen fremviser ganske store parasittresonanser i harmoniske modi av odde orden, så som den tredjeordens og femteordens modus, og i svingning i bredderetningen (breddesvingemodusen). For å undertrykke disse uønskede resonanser utføres forskjellige arbeidsoperasjoner, så som polering, masseøkning og endring av elektrodenes form. Slike tiltak koster imidlertid noe i fremstillingsprosessen.

Svingeelementet med langstrakt form kan ikke gjøres særlig tynnere uten å svekkes for mye, og den elektriske kapasitet mellom elektrodene kan derfor ikke økes nevneverdig. Dette er uheldig når det gjelder impedanstilpasning til kretser utenfor elementet. Bl.a. for å lage stige- eller kaskadefiltere ved å kople flere piezoelektriske svingeelementer i serie og parallell, vekselvis, må kapasitetsforholdet mellom serie- og parallellelementene holdes stort for å gi god dempning og tilpasning. Langstrakte svingeelementer er derfor ikke særlig egnet for slike filtere.

Svingeelementet vist på fig. 34 fremviser vanligvis også mange parasittresonanser, både i svingemodus i elementets tykkelsesretning og trippelbølgemodi i hovedplanet, både i lengde- og bredderetningen. Siden imidlertid denne type svingeelement har relativt stor utstrekning ved sin kvadratiske fasong, sammenliknet med en stavformet svinger med samme resonansfrekvens vil det være vanskelig å redusere totalstørrelsen, og skal man bygge sammen et kaskadefilter med flere slike kvadratiske svingeelementer må man for å fa det ønskede store kondensatorforhold lage serieelementene tykke og la elektrodene bare utgjøre en del av substratoverflaten for å få liten nok kapasitet. I dette tilfelle vil frekvensforskjellen AF mellom parallell- og serieresonansen også reduseres sammen med reduksjonen av kapasiteten ved at elektrodene ikke dekker hele platearealet, og følgelig får filteret også relativt smal båndbredde, og hele det piezoelektriske substrat blir ikke effektivt utnyttet.

Oppfinnerne har funnet ut at en piezoelektrisk resonator med liten dendens til parasittsvingninger og stor frekvensforskjell AF mellom parallell- og serieresonansfrekvensen kan bygges opp med flere piezoelektriske lag eller seksjoner og tilsvarende flere tverrliggende indre elektroder som danner en laminert struktur over kjernens lengderetning, og hvor de enkelte piezoelektriske seksjoner polariseres i denne lengderetning. Resonatoren er av avstivet type og har de piezoelektriske seksjoner med sin vibrasjonsretning, polarisasjonsretning og retning for det påtrykte elektriske felt, den samme. I sammenligning med en uavstivet piezoelektrisk resonator hvor vibrasjonsretningen avviker fra de øvrige to retninger, får man større elektromekanisk koplingskoeffisient K og større frekvensforskjell AF. I tillegg vil vibrasjoner i modi så som bredde- og tykkelsesmodusene, avvikende fra grunnvibrasjonen, ikke så lett finne sted i en avstivet piezoelektrisk resonator.

Siden hver piezoelektrisk seksjon i resonatoren som er bygget opp på denne laminatmåte, har samme lengde i kjernens lengderetning, og hvor hver elektrode har samme areal, vil kapasiteten mellom hvert par tilstøtende indre elektroder være den samme, og den piezoelektriske drivkraft som frembringes i hvert lag eller i hver seksjon, vil også være den samme. I den longitudinale grunnvibrasjon vil det trenges større drivkraft i en del nærmere midten av kjernen, regnet i lengderetningen, siden den relativt store masse i denne del må regnes frem til endene av kjernen. Derfor vil resonatoren fa en utilstrekkelig stor elektromagnetisk koplingskoeffisient, og følgelig vil AF ikke være tilstrekkelig stor. I den piezoelektriske resonator vil imidlertid høyere ordens svingemodi ikke så lett oppstå. Ladninger som frembringes i hver piezoelektrisk seksjon og som skyldes oddetalls høyere ordens vibrasjoner, så som den tredje og femte ordens vibrasjoner, vil imidlertid ikke være tilstrekkelig undertrykt, og de vil kunne frembringe høyere ordens uønskede vibrasjoner på grunn av at kapasiteten mellom hvert par indre tverrelektroder er konstant.

Hovedmålet med denne oppfinnelse er å frembringe en piezoelektrisk resonator som har liten tendens til parasittsvingninger, en stor frekvensforskjell AF mellom parallell- og serieresonansfrekvensen, og en innstillbar frekvensforskjell AF, slik at det kan tilveiebringes en elektronisk komponent som anvender resonatoren.

I ett bestemt aspekt av oppfinnelsen er det således skaffet tilveie en resonator av den allerede omtalte type, og resonatoren er kjennetegnet ved at flere indre tverrelektroder er koplet til de ytre elektroder og anordnet i/på den aktive del med bestemt innbyrdes avstand mellom to og to tverrelektroder, regnet i kjernens lengderetning, at den aktive del er polarisert i kjernens lengderetning, og at kapasiteten mellom minst ett par tverrelektroder inne i kjernen avviker fra kapasiteten mellom de øvrige par tverrelektroder.

Resonatoren ifølge oppfinnelsen er av avstivet type, og som nevnt er da vibrasjons-, polarisasjons- og feltretningen den samme. Sammenlignet med en uavstivet resonator blir derved koplingskoeffisienten og frekvensforskjellen større, og avvikende svingningsmodi blir undertrykt.

Siden også minst én kapasitet mellom to motstående indre tverrelektroder avviker fra den tilsvarende kapasitet mellom to andre tverrelektroder i et annet par, kan AF innreguleres.

Særlig når det er slik at minst ett intervall mellom et par indre elektroder avviker fra andre intervall mellom de to andre interne elektroder i et annet par, med en annen kapasitet, kan frekvensforskjellen AF innreguleres lett ved å endre intervallene.

Det er foretrukket åt intervallene avsmalnes når de er plassert nærmere midten av kjernen, regnet i dennes lengderetning. En større kapasitet mellom elektrodene og en kraftigere drivkraft forårsaket av hvert piezoelektrisk lag frembringes, i forhold til en piezoelektrisk resonator med laminert struktur, og hvor de enkelte lag har samme lengdeutstrekning, og hvor hver elektrode i hvert lag dekker hele tverrsnittarealet normalt på kjernens lengderetning. Siden det trengs en stor drivkraft for den langsgående vibrasjon ved midten av kjernen, blir den elektromagnetiske koplingskoeffisient K ytterligere større, og likeledes blir frekvensforskjellen AF ytterligere større. Ladninger som frembringes i hvert piezoelektriske lag og er tilordnet odde høyere ordens vibrasjoner, så som den tredje og femte ordens vibrasjon, blir fullstendig kansellert, og høyere ordens uønskede svingninger blir undertrykt.

Det foretrekkes videre at integraler av en kosinuskurve, med lengden tilsvarende kjernens lengde som 1/2 bølgelengde og med en x-akse parallell med kjernens lengderetning og en y-akse normalt på x-aksen, i hver periode som tilsvarer intervallene mellom de indre elektroder, ialt vesentlig er de samme. En drivkraft som er forskjellig i styrke og som er tilpasset longitudinal grunnvibrasjon oppnås i hele arealet i kjernens lengderetning. Derfor blir den elektromagnetiske koplingskoeffisient og AF ytterligere øket. Ladninger som frembringes i hvert piezoelektrisk lag og er tilordnet odde høyere ordens vibrasjoner, så som den tredje og den fjerde ordens vibrasjoner blir ytterligere kansellert, og høyere ordens ønskede vibrasjoner blir ytterligere undertrykt.

En piezoelektrisk resonator ifølge denne oppfinnelsen kan videre omfatte et støtteelement som holder kjernen på plass via et monteringselement, idet monteringselementet er anordnet i et midtparti ved kjernen, i lengderetningen.

Det foregående mål er nådd i et annet aspekt ved oppfinnelsen ved at det er skaffet til veie en elektronisk komponent for bruk med den ovenfor beskrevne piezoelektriske resonator, kjennetegnet ved at støtteelementet er et isolerende substrat, og at det er anordnet en mønsterelektrode på dette isolerende substrat og forbundet med de ytre elektroder på resonatoren via monteringselementet. Når en elektronisk komponent, så som en oscillator, en diskriminator eller et filter, er fremstilt ved hjelp av en piezoelektrisk resonator ifølge oppfinnelsen, monteres resonatoren på et isolerende substrat som mønsterelektrodene er anordnet på.

Den elektroniske komponent kan være et kaskadefllter med flere mønster-elektroder på substratet og koplet til de ytre elektroder på flere resonatorer, slik at de enkelte resonatorer blir sammenkoplet i serie/parallell for å danne flere kaskadekoplete L-ledd.

I en slik elektronisk komponent kan et lokk være lagt på det isolerende substrat for å dekke kjernen, og derved dannes en komponent av brikketypen beregnet for overflatemontering.

Den piezoelektriske resonator kan være festet i en kapsel ved hjelp av støtteelementet.

I og med oppfinnelsen er det skaffet til veie en resonator som har liten tendens til parasittsvingninger, en stor frekvensforskjell AF mellom parallell- og serieresonansfrekvensen for svingeelementet i form av kjernen, og en regulerbar AF. Ytterligere økning av AF kan finne sted, i forhold til en resonator hvor hvert lag har samme dimensjon i kjernens lengderetning, og derved kan en resonator med et stort frekvensbånd fremstilles. I tillegg vil uønskede vibrasjoner i andre modi enn grunnvibrasjonsmodusen ikke forekomme i særlig grad, slik at resonatoren far gode egenskaper. Siden en brikkekomponent kan fremstilles av resonatoren, vil komponenten lett kunne monteres på et kretskort.

Den beskrivelse som nå følger støtter seg på tegningene, hvor fig. 1 i perspektiv viser en piezoelektrisk resonator ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser den nærmere oppbygging av resonatoren, fig. 3 viser en oversikt over dimensjonene i lengderetningen for en kjerne i resonatorens piezoelektriske lag, dvs. intervallene mellom dens tverrelektroder, fig. 4 viser i perspektiv en uavstivet resonator som vibrerer i lengderetningen, vist for sammenligning, fig. 5 viser en avstivet piezoelektrisk resonator som også vibrerer i lengderetningen, fig. 6 viser i perspektiv en uavstivet resonator med kvadratisk form og som vibrerer i planretningen (kvadratisk vibrasjonsmodus), fig. 7 viser en oversikt over den ideelle drivkraft som trengs for kjernen under longitudinal grunnvibrasjon, fig. 8 viser en laminert oppbygget resonator, hvor hvert piezoelektrisk lag har konstant dimensjon i kjernens lengderetning, fig. 9 viser de ladninger som frembringes ved tredje ordens uønsket vibrasjon i kjernen på resonatoren vist på fit. 8, fig. 10 viser ladningene som frembringes ved tredje ordens uønsket vibrsjon i kjernen på resonatoren vist på fig. 1 og 2, fig. 11 viser ladningene som frembringes ved femte ordens uønsket vibrasjon i kjernen på den resonator som er vist på fig. 8, fig. 12 viser ladningene som frembringes ved femte ordens uønsket vibrasjon i kjernen på resonatoren vist på fig. 1 og 2, fig. 13 viser et modifisert eksempel på resonatoren vist på fig. 1 og 2, fig. 14 viser en annen modifikasjon av samme, fig. 15 viser nok en resonator ifølge oppfinnelsen, fig. 16 viser modifiserte elektroder som brukes i resonatoren på fig. 15, fig. 17 viser en resonator med elektrodene fra fig. 16, fig. 18 viser resonatorens passive del, fig. 19 viser en hoveddel som innbefatter en annen passiv del, fig. 20 viser en hoveddel som innbefatter nok en annen passiv del, fig. 21 viser i perspektiv en elektronisk komponent som bruker en resonator ifølge oppfinnelsen, fig. 22 viser et perspektiv over et isolerende substrat i komponenten, fig. 23 viser komponenten med resonatoren innmontert og lokket oppløftet, fig. 24 viser en annen måte å montere resonatoren på substratet, fig. 25 viser samme fra siden, fig. 26 viser nok en måte å montere resonatoren på, fig. 27 viser samme fra siden, fig. 28 viser i perspektiv et kaskadefilter med fire resonatorer og lokket oppløftet, fig. 29 viser samme med resonatorene oppløftet, fig. 30 viser filterets ekvivalentskjema, fig. 31 viser et planriss av substratet for et annet stigefilter med resonatorer ifølge oppfinnelsen, fig. 32 viser oppbyggingen av dette filter med resonatorene oppløftet, fig. 33 viser en toports komponent med en resonator ifølge oppfinnelsen, med de enkelte elementer skilt fra hverandre, og fig. 34 og 35 viser som nevnt den kjente teknikk i form av to forskjellige konvensjonelle resonatorer.

Fig. 1 viser i perspektiv en piezoelektrisk resonator ifølge en første utførelse av oppfinnelsen. Fig. 2 viser den indre oppbygging av denne resonator. Resonatoren 10 vist på fig. 1 og 2 omfatter et rektangulært prismeformet svingeelement 12 som her vil bli kalt kjerne eller stavkjerne på grunn av fasongen, og denne kjernes dimensjoner kan f.eks. være 2,822 mm lengde, 1 mm bredde og 1 mm høyde (tykkelse). Kjernen 12 innbefatter 10 laminerte piezoelektriske seksjoner eller lag 12a av f.eks. piezoelektrisk kjeramikk. Fem lag 12a anordnet mellom midten og den ene ende av kjernen 12 er utformet slik at dimensjonen i lengderetningen av kjernen er henholdsvis: 0,243 mm, 0255 mm, 0281 mm, 0,342 mm og 0,779 mm. På tilsvarende måte er fem lag 12a mellom midten og den andre ende av kjernen 12 utformet med henholdsvis lengdene 0,243 mm, 0,255 mm, 0,281 mm, 0,342 mm og 0,779 mm. Med andre ord er de ti lag 12a utformet slik at hovedsakelig samme verdier (lik arealene Sl, S2, S3, S4 og S5 på fig. 3) frembringes når en kosinuskurve y = kos(irx/3,8) har lengden av kjernen 12 som halve bølgelengden og en amplitude på 1 som vist på fig. 3 integrert i perioder tilsvarende intervallene mellom de ti piezoelektriske lag 12a i kjernens 12 lengderetning, med x-aksen i kjernens lengderetning og y-aksen normalt på denne (og normalt på midtplanet i kjernen 12). De ti piezoelektriske lag 12a er polarisert slik at alternative lag far motsatt polarisasjonsretning, som vist med pilene på fig. 2.

Over hele arealene på begge overflater på hver av de ti piezoelektriske seksjoner 12a i kjernen 12, hvilke står normalt på kjernens lengderetning, har elleve elektroder 14, f.eks. en tykkelse på 0,002 mm. Dette betyr at disse elektroder 14 er anordnet normalt på kjernens 12 lengderetning og med bestemte innbyrdes avstander. Avstandene er den samme som dimensjonene for seksjonene 12a i kjernens 12 lengderetning.

På motsatt side av kjernen 12 er det anordnet flere isolasjonslag 16 henholdsvis 18. På den ene sideflate av kjernen 12 dekker laget 16 den blottlagte endeseksjon på annenhver elektrode 14, og på motsatt side dekker det andre isolasjonslag 18 de blottlagte endeseksjoner på annenhver alternativ elektrode 14, nemlig de elektroder som ikke er dekket av det første isolasjonslag 16 på den førstnevnte side. De to sideflater på kjernen 12 hvor lagene 16 og 18 er utformet, tjener som forbindelsesseksjoner overfor eksterne elektroder, idet dette skal beskrives nedenfor.

I disse forbindelsesseksjoner er kjernens 12 sideflater, der isolasjonslagene 16 og 18 er dannet, utformet med ytre plateelektroder 20 og 22. Elektroden 20 er forbundet med de elektroder 14 som ikke er dekket av det første isolasjonslag 16, mens elektroden 22 er forbundet med de elektroder 14 som ikke er dekket av de andre isolasjonslag 18. Med andre ord er to tilstøtende tverreelektroder 14 koplet til henholdsvis den ene og den andre av elektrodene 20, 22.

Når et signal påtrykkes elektrodene 20 og 22 i svingeelementet 10 kommer de piezoelektriske sjikt til å ekspandere og trekke seg sammen i samme retning i hele kjernen, siden spenningene påtrykkes motsatte retninger i forhold til polarisasjonen av de piezoelektriske sjikt i den aktive del 24, og derfor vil hele svingeelementet 10 komme i svingning i lengderetningen i grunnsvingemodusen, hvor kjernens 12 midtområde tjener som knutepunkt.

I svingeelementet 10 er polarisasjonsretningen i den aktive del 24, retningen av det påtrykte elektriske felt (E-feltretningen) som følge av et påtrykt signal, og vibrasjonsretningen i den aktive del 24 alle den samme. M.a.o. er det piezoelektriske svingeelement 10 av avstivet type. Det avstivede piezoelektriske svingeelement 10 har en større elektromagnetisk koplingskoeffisient enn et uavstivet piezoelektrisk svingeelement hvor vibrasjonsretningen fraviker polarisasjonsretningen for det elektriske felt. Derfor vil svingeelementet 10 få større frekvensforskjell AF mellom parallellresonansfrekvensen og serieresonansfrekvensen (antiresonansfrekvensen) enn en konvensjonell piezoelektrisk resonator, og dette betyr at oppfinnelsens svingeelement 10 vil kunne fa bredbåndskarakteristikk.

For å måle forskjellene mellom avstivede og uavstivede piezoelektriske svingeelementer har man som forsøk laget de svingeelementer som er vist på fig. 8, 9 og 10. Den første av disse ble laget ved å tilvirke elektroder på begge flater i tykkelsesretningen på et piezoelektrisk substrat med dimensjoner 4 □ 1 □ 0,38 rnm. Dette svingeelement ble polarisert i tykkelsesretningen og vibrerte i lengderetningen når et signal ble påtrykt elektrodene. Svingeelementet vist på fig. 9 hadde samme dimensjoner, men elektroder ble anordnet på begge overflater i lengderetningen på substratet. Svingeelementet ble polarisert i lengderetningen og svingte i samme retning når et signal ble påtrykt elektrodene. Svingeelementet vist på fig. 10 ble utformet ved å legge elektroder på begge overflater i tykkelsesretningen på et substrat med dimensjoner 4,7 □ 4,7 □ 0,38 mm. Dette svingeelement ble polarisert i tykkelsesretningen og svingte i planretningen når et signal ble påtrykt elektrodene. De svingeelementer som er vist på fig. 8 og 10 var av uavstivet type, mens svingeelementet vist på fig. 9 var av avstivet type.

Resonansfrekvensen Fr og den elektromagnetiske koplingskoeffisient K for hvert av disse piezoelektriske svingeelementer ble målt, og resultatene er vist i Tabell 1, 2 og 3 nedenfor. Tabell 1 indikerer de målte resultater for svingeelementet vist på fig. 8, Tabell 2 viser de tilsvarende resultater for svingeelementet vist på fig. 9, og Tabell 3 viser de tilsvarende resultater for svingeelementet vist på fig. 10.

Det fremgår av målingene at et avstivet piezoelektrisk svingeelement har større elektromagnetisk koplingskoeffisient K enn et tilsvarende uavstivet svingeelement, og derfor far det første svingeelement større frekvensforskjell AF mellom parallellresonansfrekvensen og serieresonansfrekvensen. Den største parasittvibrasjon i et avstivet svingeelement er av den longitudinale trippelbølgetype, og koplingskoeffisienten K er under vibrasjonen 12,2 %. Under breddemodusvibrasjonen, som er forskjellig fra grunnmodusvibrasjonen er koplingskoeffisienten K lik 4,0 %. I kontrast til dette er koeffisienten K under breddemodusvibrasjonen 25,2 % i et uavstivet longitudinal-vibrerende svingeelement. I et svingeelement av uavstivet og kvadratisk type er koeffisienten K så stor som 23,3 % under tykkelsesmodusvibrasjonen. Derfor er det klart at et avstivet piezoelektrisk svingeelement har mindre parasittvibrasjoner enn et uavstivet tilsvarende element.

Siden en piezoelektriske resonator 10 (også her kalt svingeelementet) har forskjellige avstander mellom flere av elektrodene 14, kan frekvensforskjellen AF reguleres ved å endre intervallene. I resonatoren 10 er det slik at siden et intervall mellom elektrodene blir mindre når de nærmer seg midten av kjernen 12, regnet i lengderetningen, vil man få en større kapasitet mellom to og to tverrelektroder 14 og en kraftigere driveffekt bevirket av de piezoelektriske seksjoner 12a, i sammenligning med en laminatstrukturert resonator hvor hvert piezoelektrisk lag eller hver seksjon med piezoelektrisk virkning har samme lengde i lengdretningen av kjernen. Siden en stor drivkraft trengs for longitudinal grunn vibrasjon ved midten av kjernen 12 regnet i lengderetningen, blir den elektromagnetiske koplingskoeffisient K større og det samme gjelder frekvensforskjellen AF, sammenliknet med en laminert resonator hvor de piezoelektriske seksjoner har samme tilsvarende lengde regnet i kjernens lengderetning.

I denne longitudinale grunnsvingning trengs en kraftigere drivenergi over en del nærmest midten av kjernen, siden det må beveges en større masse fra enden. Ideelt er det på fig. 7 vist en drivkraft som varierer langs en kosinuskurve hvis halvbølgelengde strekker seg over hele kjernens lengde og hvis maksimalamplitude derved blir liggende på midten av denne. I kontrast, i den piezoelektriske resonator 10, siden flere tverrelektroder 14 er utformet slik at hovedsakelig samme verdi oppnås når en kosinuskurve hvis halvbølge strekker seg over lengden av kjernen 12 er integrert i hver periode som tilsvarer hvert intervall mellom antallet elektroder 14, med x-aksen anordnet i kjernens 12 lengderetning og i-aksen normalt på x-aksen (normalt på midtplanet av kjernen), trengs en forskjellig drivkraft tilpasset den longitudinale grunnvibrasjon over hele sonen i kjernens 12 lengderetning. Derfor blir den elektromagnetiske koplingskoeffisient og verdien AF større.

For å måle forskjeller i AF og andre faktorer som er bevirket ved forskjeller i intervallene mellom tverrelektrodene ble det bygget opp en laminert piezoelektrisk resonator av den type som er vist på fig. 8. Resonatoren avviker fra resonatoren 10 vist på fig. 1 og 2 ved at de ti seksjoner 12a som utgjør kjernen 12 der hadde samme lengde 0,38 mm. Resonatoren vist på fig. 8 hadde forøvrig omtrent samme dimensjoner som resonatoren 10.

Resonansfrekvensen Fr og serieresonansfrekvensen Fa ble målt for resonatoren 10 vist på fig. 1 og 2, og for resonatoren vist på fig. 8. Tabell 4 indikerer hver parallellresonansfrekvens Fr, hver serieresonansfrekvens Fa, frekvensforskjellen AF og forholdet AF/Fa.

Fra de resultater som Tabell 4 gir fremgår at resonatoren 10 har større AF og større AF/Fa enn resonatoren vist på fig. 8.

Siden resonatoren 10 ihh til fig. 1 og 2 har større kapasitet mellom tverrelektrodene enn resonatoren vist på fig. 8, siden elektrodene er anordnet nærmere midten av kjernen 12, blir de ladninger som frembringes i hver seksjon 12a ved odde høyere ordens vibrasjoner, så som en tredjeordens og femteordens vibrasjonsmodus, kansellert, og høyere ordens uønskede vibrasjoner blir undertrykt.

I resonatoren 10 vist på fig. 1 og 2, siden flere tverrelektroder 14 er anordnet slik at hovedsakelig samme verdi oppnås når en kosinuskurve hvis halvbølge strekker seg over hele lengden av kjernen 12 integreres i hver periode tilsvarende hvert intervall mellom to og to tverrelektroder 14, og med x- og y-aksen slik som definert ovenfor, vil ladninger som frembringes i hver seksjon 12a ved disse odde vibrasjonsmodi således kanselleres, mens høyere ordens uønskede vibrasjonsmodi undertrykkes ytterligere.

Den tredje ordens vibrasjon kan f.eks. betraktes: Som vist på fig. 9 vil ladninger hvis sykliske amplitude og samme maksimalamplitude frembringes fra den ene ende og til den andre ende i lengderetningen av kjernen i den piezoelektriske resonator vist på fig. 8 og ladningene ikke er tilstrekkelig kansellert og således vil foreligge med en viss størrelse. I kontrast frembringes ladninger i resonatoren 10 vist på fig. 1 og 2 slik at de får større amplitude nærmere midten av kjernen, og flesteparten av disse ladninger vil derfor kanselleres. Tilsvarende kan den femte ordens modus for vibrasjonen betraktes. På samme måte som ovenfor vil ladninger hvis sykliske amplitude og samme maksimalamplitude frembringes som vist på fig. 11 fra den ene ende og til den andre ende i kjernens lengderetning i den piezoelektriske resonator som er vist på fig. 8, men disse ladninger blir ikke tilstrekkelig kansellert og vil derfor foreligge. Derimot frembringes i resonatoren 10 vist på fig. 1 og 2 ladninger slik at de får større amplitude nærmere midten av kjernen, slik det fremgår av fig. 12, og flesteparten av disse ladninger vil derfor kanselleres. I modus (3 + 4n), idet n angir et heltall større enn 1, vil uønskede vibrasjoner så som av syvende og ellevte orden fa relativt god kansellering, tilsvarende vibrasjonene av tredjeorden. I modus (5 + 4n) vil imidlertid de fleste uønskede vibrasjoner kanselleres, tilsvarende som i den femteordens modus. Derfor vil resonatoren 10 undertrykke de høyere ordens modi bedre enn i resonatoren vist på fig. 8.

I resonatoren 10 vist på fig. 1 og 2 kan kapasiteten mellom resonatorens ytre elektroder reguleres ved å endre antallet piezoelektriske seksjoner 12a mellom hver enkelt tverrelektrode 14, arealet av disse elektroder eller dimensjonene av seksjonene 12a i deres respektive lengderetning, sammenfallende med kjernens 12 lengderetning. M.a.o. kan kapasiteten økes ved å øke antallet seksjoner 12a eller antallet elektroder 14, eller ved å redusere tykkelsen (i lengderetningen) av de enkelte seksjoner. Motsatt kan kapasiteten reduseres ved å utføre det omvendte. Dette betyr at man får en stor grad av frihet ved kapasitetsbestemmelsen. Det er derfor lett å oppnå god impedanstilpasning overfor ytre kretser når en slik piezoelektrisk resonator 10 blir montert på et kretskort og anvendt hensiktsmessig.

I den hensikt å forbinde tverrelektrodene 14 med de ytre elektroder 20, 22 er det anordnet isolasjonslag 16 og 18 med åpninger slik at annenhver elektrode 14 blir blottlagt slik som vist på fig. 14. Ytterelektrodene 20 og 22 er utformet på lagene 16 og 18, og tverrelektrodene 14 er alternativt koplet til den ene og andre ytterelektrode. To ytre elektroder 20 og 22 kan være utformet på den ene sideflate av kjernen 12 slik som vist på fig. 14. Lagene 16 og 18 er utformet på den ene sideflate av kjernen 12 i to rekker, slik at det dannes to forbindelsesrekker. Disse to rekker av lag 16 og 18 dekker hhv den ene og den andre elektrode i et par. I de to lagrekker dannes således to rekker ytre elektroder 20 og 22. Resonatorene vist på fig. 13 og 14 kan ha samme fordeler som den resonator som er vist på fig. 1 og 2.

Indre tverrelektroder 14 kan føres frem til motsatte sideflater på kjernen 12, alternativt slik som vist på fig. 15. På motsatte sideflater av kjernen 12 er det nødvendig å danne de ytre elektroder 20 og 22.1 resonatoren 10 vist på fig. 15, siden elektrodene 14 anordnet innenfor blir alternativt blottlagt på den ene og andre side, blir annenhver elektrode 14 koplet til sin respektive elektrode eller 22 ved at disse ytre elektroder. 20 og 22 er dannet på sideflatene på kjernen 12. Det er derfor ikke noe behov for å danne isolasjonslag på kjernens 12 sideflater.

En elektrode 14 er ikke utformet over hele arealet på tverrsnittet av kjernen 12 i denne resonator 10 vist på fig. 15, og derfor vil det motstående areal mellom to og to elektroder 14 være mindre enn det som tilsvarer hele tverrsnittet. Kapasiteten og AF kan derfor reguleres. Elektrodene 14 kan utformes slik at de når forskjellige endeflater på samme side av seksjonene, slik det er vist på fig. 16 i en resonator 10 som er en modifisert utgave av resonatoren 10 vist på fig. 15. Ved å bruke to elektrodetyper kan to rekker elektroder 14 eksponeres på den ene sideflate på kjernen 12 slik som vist på fig. 17. Ved derfor å utforme de ytre elektroder 20 og 22 på områder hvor tverrelektrodene 14 er eksponert eller blottlagt vil disse alternativt kunne koples til sin respektive ytre elektrode 20 og 22.

I den ovenfor beskrevne piezoelektriske resonator 10 er kjernen 12 piezoelektrisk aktiv fra den ene og til den andre ende i lengderetningen og vibrerer.

En passiv del 26 kan være utformet slik at et elektrisk felt ikke påtrykkes bestemte steder ved at det ikke er dannet indre tverrelektroder 14 i en av endene av kjernen 12, slik det er vist på fig. 23. Enden av kjernen 12 kan være polarisert eller ikke polarisert. Som vist på fig. 24 kan det være slik at det bare er den ene ende av kjernen 12 som ikke er polarisert. I dette tilfellet og selv om et elektrisk felt påtrykkes mellom tverrelektrodene 14, vil den del som ikke er polarisert være piezoelektrisk passiv. Med andre ord er det slik at bare når et piezoelektrisk lag er polarisert og et elektrisk felt påtrykkes, vil dette lag bli piezoelektrisk aktivt, ellers vil det være inaktivt. I denne konfigurasjon dannes en kondensator i den passive del, og dennes kapasitet kan økes. En liten elektrode 52 kan være utformet på en endeflate av kjernen 12 som vist på fig. 25 for å regulere frekvensen eller sørge for tilkopling til en ekstern krets.

Ved å bruke et slikt piezoelektrisk svingeelement 10 kan man lage elektroniske kretskomponenter så som oscillatorer og diskriminatorer. Fig. 26 viser i perspektiv en slik komponent 60. Den har et isolerende substrat 62, og i motsatte ender av dette er det anordnet en utsparing 64. På den ene av substratets 62 hovedflater er lagt to elektroder 66 og 68 som vist på fig. 27, og disse elektroder kan kalles mønsterelektroder. Den ene er dannet mellom de motstående utsparinger og strekker seg L-formet fra et punkt nær den ene ende og mot midten av substratet 62, mens den andre mønsterelektrode 62 er dannet mellom motsatte utsparinger 64 og strekker seg rett fra et punkt nær den andre ende og mot substratets midte. Mønsterelektrodene 66 og 68 er utformet slik at de rutes mer eller mindre langs omkretsen fra endene fra substratet 62 og til sin motsatte elektrodeende.

I den ene ende av den første mønsterelektrode 66, nemlig nær midten av substratet 62 er det anordnet en støtteplate 70 i form av en forhøyning, montert med elektrisk ledende adhesiv. Som vist på fig. 28 er svingeelementet 10 for å danne komponentens hovedbestanddel montert oppå støtteplaten 70 slik at midten av svingeelementets kjerne 12 hviler på denne. En ytre plateelektrode 22 på svingeelementet 10 er f.eks. koplet til støtteplaten, mens den andre ytre elektrode 20 er koplet til den andre mønsterelektrode 62 ved hjelp av en elektrisk ledende forbindelsesledning 72. Ledningen

72 er koplet til midten av denne ytre plateelektrode 20 på svingeelementet 10.

Et metallokk 74 er lagt på substratet 62 for å lukke komponenten 60. For å hindre at lokket kortslutter mønsterelektrodene 66 og 68 er isolasjonsharpiks påført substratet 62 og mønsterelektrodene 66 og 68 på forhånd. Komponenten 60 bruker elektrodene 66 og 68, som er formet slik at de rutes nærmere overflaten fra endene av substratet 62, som inngangs- og utgangsterminaler for forbindelse med eksterne kretser.

Siden midten av svingeelementet 10 er koplet til støtteplaten 70 i denne komponent 60 blir endene av svingeelementet holdt i en avstand fra substratet 62 slik at ikke svingeelementets vibrasjoner hindres. Den eksiterte longitudinale svingning vil altså ikke svekkes siden midten av svingeelementet, som tjener som et knutepunkt, er holdt på plass på støtteplaten 70 og er koplet til ledningen 72.

Komponenten 60 er montert på et kretskort sammen med kretsbrikker og andre komponenter slik at man tilsammen for en oscillator og en diskriminator. Siden komponenten 60 er forseglet og beskyttet av metallokket 74, kan det brukes som en overflatemonterbar kretsbrikke i seg selv, for lodding i loddemaskin.

Når den elektroniske komponent 60 er brukt i en oscillator vil parasittvibrasjoner undertrykkes til et lavt nivå, og uvanlige vibrasjoner som forårsakes av slike ekstraordinære svingetendenser vil hindres ved at man bruker oppfinnelsens piezoelektriske svingeelement 10 i komponenten. Det er også lett å oppnå impedanstilpasning mot utvendige kretser, siden svingeelementets kapasitet kan velges innenfor et stort omfang. Særlig når komponenten brukes som en oscillator for spenningsstyrt signalfrembringelse kan man oppnå et stort frekvensområde ved at svingeelementets AF er stort, hvilket er en forbedring i forhold til konvensjonelle komponenter.

Når komponenten 60 brukes som en diskriminator vil man kunne håndtere store maksimale frekvenssving av samme årsak, nemlig den økede AF, og siden svingeelementet dessuten gir et stort kapasitetsomfang får man også her lett impedanstilpasning til utvendige kretser.

Svingeelementet 10 kan monteres på det isolerte substrat 62 ved at det på dette er anordnet to støtteplater 70 av elektrisk ledende materiale, så som ledende lim, nemlig en støtteplate på hver mønsterelektrode 66, 68, og svingeelementets ytre elektroder 20 og 22 er koplet til disse støtteplater 70 som vist på fig. 29 og 30. Svingeelementet 10 kan også være montert på substratet 62 på den måte som er vist på fig. 31 og 32, hvor to støtteplater av isolasjonsmateriale så som isolerende adhesiv er utformet på substratet 62, og de ytre elektroder 20 og 22 er der koplet til mønsterelektrodene 66 og 68 med en ledning 72.

Et kaskade- eller stigefilter kan lages ved å bruke flere av oppfinnelsens piezoelektriske svingeelementer 10, særlig slik det er vist på fig. 33 og 34. Tre mønsterelektroder 76, 78 og 80 er der anordnet på et isolerende substrat 62 i den komponent 60 som filteret utgjør. Forhøyninger 82 og 86 som tilsvarer støtteplatene 70 er utført med elektrisk ledende klebemiddel på de to mønsterelektroder 76 og 80 som ligger ytterst, og på den midtre mønsterelektrode 78 er to forhøyninger 84 og 88 utført med elektrisk ledende klebemiddel. En ytre elektrode 22 for hvert av fire svingeelementer 10a, 10b, 10c og 10d er montert på sin respektive forhøyning. De to ytre elektroder 20 for de tre første av svingeelementene er koplet til hverandre med en ledning 72, mens den andre ytre elektrode 20 for svingeelementet 10d er koplet til mønsterelektroden 80 med en ledning 72. Et metallokk 74 er lagt på substratet 62.

Komponenten 60 brukes som et stigefilter hvis kretsskjema er illustrert på fig. 35. To svingeelementer 10a og 10c tjener som serieresonatorer, mens de to øvrige elementer 10c og 10d tjener som parallellresonatorer. I et slikt filter har parallellresonatorene betydelig høyere kapasitet enn serieresonatorene. Dempningen i filteret bestemmes av kapasitetsforholdet, og i denne komponent 60 kan kapasiteten endres ved å endre antallet laminerte sjikt i svingeelementene 10a-10d. Et filter med større dempning og samtidig færre resonatorer kan derved oppnås, og siden svingeelementene også har større AF enn det som er vanlig, kan filteret få større frekvensområde. Fig. 21 viser et grunnriss av en hoveddel av et stige- eller kaskadefilter som er bygget opp med oppfinnelsens resonatorer og følgelig danner en typisk kretskomponent. Fig. 32 viser hoveddelen med resonatorene oppløftet. I en komponent 60 slik som den viste er fire mønsterelektroder 90, 92, 94 og 96 utformet på et isolerende substrat 62 som tjener som et støtteelement. Fem land anordnet på rekke og med en bestemt innbyrdes avstand er utformet på mønsterelektrodene 90, 92, 94 og 96, slik det fremgår av figuren. Således er det første land, nærmest den ene kant på substratet 62 utformet på mønsterelektroden 90, det andre og femte land er utformet på elektroden 92, det tredje land er utformet på elektroden 94, og det fjerde land er utformet på elektroden 96. Montasje- eller støtteelementer er utformet i rekke og med en viss innbyrdes avstand, ved hjelp av elektrisk ledende lim på de fem viste land, nemlig et element 98 på det første land, to elementer 100 og 102 på det andre land, to elementer 104 og 106 på det tredje land, to elementer 108 og 110 på det fjerde land og ett element 112 på det femte land.

De ytre elektroder 20 og 22 på resonatorene 10a - 10d er anordnet på disse elementer 98 .... 112 for å danne et kaskadeformet kretsløp slik som vist på fig. 13. Elementene danner fremspring som kan være utført på forhånd på resonatorene. Til slutt under fremstillingen monteres et metallokk (ikke vist) på substratet 62.

Den komponent som er vist på fig. 31 og 32 avviker noe fra komponenten vist på fig. 28 og 29, særlig ved at to tilstøtende elektroder på resonatorene er montert på to fremspring eller elementer på ett og samme land, og derfor behøver elektrodene ikke isoleres, og resonatorene kan anordnes tett inntil hverandre ved direkte kontaktforbindelse.

En elektronisk topolet komponent 60 så som en keramisk resonator og en keramisk diskriminator kan fremstilles med et piezoelektrisk svingeelement 10 slik det er vist på fig. 37. To tilkoplingsbroer 90 av ledende materiale er brukt og utformet slik at de strekker seg fra skinner 92.1 praksis kan flere tilkoplingsbroer 90 være anordnet fra hver sine 92 og i flukt med hverandre. En tilkoplingsbro .90 har et bøyd parti 94 omtrent midt på og en H-formet støttedel 96 i enden. Støttedelen er bøyd og har en fremstikkende monteringsknast 98 på midten. De to tilkoplingsbroer 90 er anordnet slik at monteringsknastene 98 vender mot hverandre.

Svingeelementet 10 er holdt på plass mellom disse monteringsknaster 98 ved at de ligger an mot de ytre plateelektroder 20 og 22 ved midten av svingeelementet, regnet i lengderetningen. Siden tilkoplingsbroene 90 har et bøyd parti 94 som tjener som fjærelement vil svingeelementet 10 være fjæroppspent av broene. Et hus 100 med åpning i den ene ende er anordnet på svingeelementet 10, og åpningen i huset 100 er lukket med papir og deretter harpiksforseglet. Tilkoplingsbroene 90 er skåret ut fra skinnene 92 for å komplettere komponenten 60 som har en form annerledes enn det en vanlig kretsbrikke kan ha.

I hver av de ovenfor beskrevne piezoelektriske resonatorer er det anordnet ett piezoelektrisk lag som her er kalt en seksjon, mellom to og to tilstøtende tverrelektroder, og det er særlig anordnet et større antall slike seksjoner. En blindelektrode som ikke er koplet til noen ytre elektrode kan også være anordnet for kjernen 12.

De enkelte avstander mellom to og to av tverrelektrodene blir i dette tilfelle mindre jo nærmere elektrodene ligger midten av kjernen, regnet i dennes lengderetning. Det er nødvendig å ha minst ett avvikende intervall blant intervallene mellom antallet tverrelektroder. Som beskrevet ovenfor kan frekvensforskjellen AF reguleres i resonatoren 10 ifølge oppfinnelsen, og likeledes kan frekvensforskjellen AF mellom parallellresonansfrekvensen og serieresonansfrekvensen økes ytterligere i forhold til en normal piezoelektrisk resonator hvor hver seksjon mellom to og to tverrelektroder har konstant dimensjon, slik at man får ytterligere bredere frekvensbånd. I tillegg kan man fremstille resonatorer som ikke har særlig stor tendens til uønskede (spuriøse) svingninger. Totalkapasiteten mellom de to ytre elektroder på resonatoren 10 ifølge oppfinnelsen kan . velges ved konstruksjonen ved å endre antallet piezoelektriske seksjoner eller elektroder, eller deres dimensjon (tykkelsen av seksjonene), hvorved det blir lettere å få til en god impedanstilpasning mot ytre kretser. En elektronisk komponent som har de ovenfor nevnte trekk tilhørende den piezoelektriske resdnator 10 kan derved fremstilles.

Claims (8)

1. Piezoelektrisk resonator (10), med en kjerne (12) med langstrakt form, en aktiv del som består av polariserte piezoelektriske seksjoner og utgjør i det minste en del av kjernen, og et par ytre elektroder (20,22) i forbindelse med den aktive del, karakterisert ved at flere indre tverrelektroder (14) er koplet til de ytre elektroder (20,22) og anordnet i/på den aktive del med bestemt innbyrdes avstand mellom to og to tverrelektroder, regnet i kjernens (12) lengderetning, at den aktive del er polarisert i kjernens lengderetning, og at kapasiteten mellom minst ett par tverrelektroder (14) inne i kjernen (12) avviker fra kapasiteten mellom de øvrige par tverrelektroder.

2. Resonator ifølge krav 1, karakterisert ved at tykkelsen av den piezoelektriske seksjon mellom minst ett par tverrelektroder (14) avviker fra den tilsvarende tykkelse av seksjonene mellom de øvrige par tverrelektroder (14).

3. Resonator ifølge krav 2, karakterisert ved at tykkelsen av seksjonene avtar inn mot midten av kjernen (12), regnet i dennes lengderetning.

4. Resonator ifølge krav 3, karakterisert ved at integraler av en kosinuskurve, med lengden av kjernen (12) som halve kosinuskurvens bølgelengde med en x-akse parallell med kjernens lengderetning og en y-akse normalt på x-aksen, i hver av periodene som tilsvarer seksjonene mellom tverrelektrodene (14), hovedsakelig er den samme fra elektrodepar til elektrodepar.

5. Resonator ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved et støtteelement (62) for å holde kjernen (12) på plass ved hjelp av et monteringselement (70), og at monteringselementet (70) er anordnet på midten av kjernen(12), regnet i dennes lengderetning.

6. Elektronisk komponent for anvendelse med den piezoelektriske resonator (10) ifølge krav 5, karakterisert ved at støtteelementet (62) er et elektrisk isolerende substrat, og at det er anordnet en mønsterelektrode (66, 68) på substratet og forbundet med de ytre elektroder (20, 22) på resonatoren.

7. Komponent ifølge krav 6, karakterisert ved å være utformet som et kaskadefilter med flere mønsterelektroder (90, 92, 94, 96) på substratet (62) og koplet til de ytre elektroder (20,22) på flere av resonatorene (10a, 10b, 10c, 10d) slik at disse blir koplet til hverandre som kaskadekoplede L-formede ledd.

8. Komponent for anvendelse med resonatoren (10) ifølge krav 5, karakterisert ved at resonatoren er festet i et hus (130) ved hjelp av støtteelementet (126).