WO2005041403A1 - Oszillator mit akustischen oberflächenwellenresonatoren - Google Patents

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WO2005041403A1
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frequency
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coupling
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Günter Martin
Manfred Weihnacht
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    • H03H9/6456—Coupled resonator filters having two acoustic tracks being electrically coupled
    • H03H9/6469—Coupled resonator filters having two acoustic tracks being electrically coupled via two connecting electrodes

Definitions

  • the invention relates to the field of electrical engineering / electronics.
  • Objects for which the application is possible and expedient are components based on surface acoustic waves such as oscillators and sensors, in particular sensors in which the temperature response of the oscillator frequency can be set.
  • Oscillators which comprise a combination of two frequency-determining elements, each element comprising at least one interdigital transducer for surface acoustic waves and an amplifier-containing feedback from the output to the input of the combination, the frequency-determining elements differing from one another through the temperature dependence of the synchronous frequency differ.
  • the composite of two frequency-determining elements contains two delay lines, the substrates of which belong to the same crystal section but use different directions of propagation (TI Browning and MF Lewis, "A novel technique for improving the temperature stability of SAW / SSBW devices" in Proc 1978 IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 474 - 477 [1]).
  • the ST cut of quartz serves as the crystal cut. In the ST cut, the cutting normal is 42.75 ° compared to the crystallographic Y-axis inclined by quartz.
  • the substrate of the main delay line has the X-axis of quartz as the direction of propagation, while the direction of propagation of the auxiliary delay line is inclined by 41 ° thereto.
  • the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency disappears in the main delay line.
  • the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency of the auxiliary delay line is not equal to zero.
  • the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency of the auxiliary delay line required to compensate for the temperature coefficient of the second-order synchronous frequency of the main delay line is specified as a function of the second-order temperature coefficient to be compensated for, the amplitude of the auxiliary delay line and the propagation distance which is the same for both delay lines.
  • the invention has for its object to change temperature-stable oscillators with surface acoustic wave devices as frequency-determining elements of the known type so that the phase steepness of the frequency-determining elements with a given substrate length and consequently the stability of the oscillators is increased, the size IS 21 I at the oscillator frequency, the occurs at the respective temperature, is only weakly temperature-dependent and - the frequency-determining elements are narrow-band and to provide a teaching for the design of temperature-stable oscillators which is not based on an approximation as in the publication [1] and which can also be applied to those frequency-determining elements in which reflections play an essential role.
  • the frequency-determining elements are acoustic surface wave resonators
  • the temperature coefficients of the nth order of the synchronous frequency of the two surface wave resonators have different signs if they are different from zero and the temperature coefficients (n + l) of the third order the synchronous frequency of the two surface wave resonators have the same sign and the temperature coefficients of the first to (nl) -th order of the synchronous frequency of the two surface wave resonators are n greater than 1 equal to zero, where n is greater than or equal to 1, c) the ratio of the apertures of the transducers and the ratio of the lengths in the direction perpendicular to the tine edges of the transducers and the strips of the reflectors of those objects of different frequency-determining elements which are connected to one another as a result of the composite, are chosen such that the variation of the oscillator frequency in the given temp area is minimal.
  • Each of the frequency-determining elements can expediently contain two interdigital transducers for surface acoustic waves, interdigital transducers being the objects which, as a result of the combination, are connected to one another in parallel.
  • the frequency-determining elements can be acoustic two-port surface wave resonators, in each of which two interdigital transducers are arranged between two reflectors and the two-port surface wave resonators differ in the aperture and the space between the interdigital transducers, the apertures, the spaces between the interdigital ones Converters and the synchronous wavelengths in the two-port surface wave resonators are selected so that the oscillator frequency corresponds to a predetermined frequency at a predetermined temperature.
  • the frequency-determining elements can be acoustic surface wave resonators in which the interdigital transducer is arranged between two reflectors each.
  • the surface wave resonators contain coupling elements, with the aid of which a mutual coupling of the wave fields of the surface wave resonators is produced.
  • the ratio of the apertures of the transducers and the ratio of the lengths of the coupling elements in the direction perpendicular to the tine edges of the transducers and the strips of the reflectors are chosen so that the variation of the oscillator frequency in the given temperature range is minimal.
  • both surface wave resonators can be constructed with substrates of the same type of crystal or the substrates of the surface wave resonators belong to different types of crystals.
  • the surface wave resonators use different directions of propagation for surface acoustic waves on one and the same crystal section.
  • the surface wave resonators are arranged on separate substrates.
  • the electrode structures of both surface wave resonators can advantageously also be arranged on a common substrate.
  • An intermediate reflector can be arranged between the interdigital transducers of at least one two-port surface wave resonator.
  • One of the interdigital converters can expediently differ from the others by its polarity.
  • the temperature coefficient of the synchronous frequency of the same order should dominate in the two-port surface wave resonators, specifically the temperature coefficient of the synchronous frequency of the first or second order.
  • the two-port surface wave resonators should have similar temperature dependencies of the synchronous frequency, the similarity being that the temperature dependency of the synchronous frequency of the one two-port surface wave resonator can be approximated by multiplication by a constant factor of the temperature dependency of the synchronous frequency of the other two-port surface wave resonator the difference between the temperature dependencies of the synchronous frequency in the entire temperature range under consideration is substantially smaller than this temperature dependency of each of the two two-port surface wave resonators.
  • the synchronous wavelengths in the two-port surface wave resonators are selected such that the two-port surface wave resonators have the same resonance frequency despite different phase velocities.
  • the temperature coefficient of the first order of the synchronous frequency of each of the two surface wave resonators can be non-zero and can differ in sign from this temperature coefficient of the other surface wave resonator.
  • the second order temperature coefficient of the synchronous frequency of each of the two surface wave resonators can also be non-zero and differ in sign from this temperature coefficient of the other surface wave resonator, the first order temperature coefficients, based on a predetermined temperature, being zero.
  • the surface wave resonators can contain a coupling transducer as a coupling element, the coupling transducer of the first surface wave resonator being connected to the coupling transducer of the second surface wave resonator via two electrical connections.
  • the apertures of the coupling converters can differ from one another and the tine numbers of the coupling converters are the same.
  • the tine numbers of the coupling transducers can also differ from one another if the apertures of the coupling transducers are the same.
  • the coupling transducers can contain more tines than the transducer of the surface acoustic wave resonator to which the respective coupling transducer belongs.
  • An inductance referred to as a coupling inductor, can be connected between the electrical connections that connect the coupling transducers of different surface wave resonators.
  • a capacitance referred to as coupling capacitance, can also be connected between the electrical connections that connect the coupling transducers of different surface wave resonators.
  • At least one of the coupling transducers can contain at least one group of successive tines, which consists of an even number of tines with the same polarity.
  • the crystal cut is an ST cut of quartz, the direction perpendicular to the prongs of the transducers and to the reflector strips for one surface wave resonator at an angle between "0 and 45" and for the other surface wave resonator at an angle £ 5 crystallographic X-axis inclined by quartz.
  • the coupling elements of both surface wave resonators can form a multi-strip coupler according to the invention.
  • the tine period of the transducers, the stripe period of the reflector strips, the distances of the transducers from the coupling elements and the reflectors, and the thickness of the electrode layer of the surface wave resonators are selected so that their resonances have a predetermined frequency spacing at a predetermined temperature.
  • the specified frequency spacing can be zero.
  • FIG. 1 shows an oscillator, consisting of a composite of two frequency-determining elements
  • FIG. 2 shows another oscillator with two frequency-determining elements and a coupling inductor
  • FIG. 3 shows another oscillator with two frequency-determining elements, which are arranged on separate substrates.
  • the oscillator shown in Fig. 1 consists of a resonator network as a frequency-determining element and a feedback, not shown in the drawing, from the output to the input of the network, which contains an amplifier.
  • the phase of this feedback is assumed to be zero.
  • the properties of the resonator system are described below.
  • two two-port surface wave resonators 2/3 composed of reflectors 21; 22 and interdigital transducers 23; 24 or reflectors 31; 32 and interdigital transducers 33; 34, are arranged .
  • the two-port surface wave resonators 2; 3 form a resonator network.
  • the direction of propagation of the two-port resonator 2, ie the direction perpendicular to the tines of the transducers 23; 24 and the stripes of the reflectors 21; 22 is aligned parallel to the crystallographic x-axis of quartz. Therefore, the temperature dependency of the synchronous frequency of the two-port surface wave resonator 2 has a profile in which the parabolic component dominates.
  • the direction of propagation of the two-port surface acoustic wave resonator 3, that is, the direction perpendicular to the tines of the transducers 33; 34 and the strip of reflectors 31; 32, is inclined by the angle ⁇ with respect to the crystallographic x-axis of quartz.
  • the parabolic portion also dominates.
  • the converter 23 of the two-port surface wave resonator 2 and the converter 33 of the two-port surface wave resonator 3 are connected via the electrical connections 6; 7 connected in parallel, while the transducer 24 of the two-port surface acoustic wave resonator 2 and the transducer 34 of the two-port surface acoustic wave resonator 3 via the electrical connections 4; 5 are connected in parallel.
  • the distance between the centers of adjacent tines and the distance between the centers of adjacent reflector strips, corresponding to half the synchronous wavelength, in the two-port Surface wave resonators 2; 3 are selected such that a resonance frequency of both two-port surface wave resonators 2; 3 is at the same frequency.
  • the parallel connection of the converter 24; 34 and 23; 33 forms the input 8 and output 9 of the resonator assembly.
  • the space 35 between the transducers 33 and 34 of the two-port surface wave resonator 3 is larger than the space 25 between the transducers 23 and 24 of the two-port surface wave resonator 2 and the aperture 36 of the transducers 33 and 34 of the two-port surface wave resonator 3 is smaller than the aperture 26 of the transducers 23 and 24 of the two-port surface wave resonator 2.
  • the intermediate space 25, the aperture 26 and the synchronous frequency of the two-port surface wave resonator 2 and the intermediate space 35 and the synchronous frequency of the two-port surface wave resonator 3 are first set. From the requirement that the phase of the resonator network should be zero, the aperture 36 is determined with the aid of a zero search program. Using all of these variables, the ratio V of the temperature derivatives of the synchronous frequency of the two-port surface-wave resonators 2; is obtained from the requirement that the derivative of the oscillator frequency should disappear from the temperature at a predetermined temperature.
  • V 0 is the ratio of the derivatives of the temperature dependency of the synchronous frequency available as experimental or calculated data for the directions of propagation of the two-port surface wave resonators 2; 3. This process is repeated until agreement of the ratio V with the ratio V 0 is reached within a predetermined error range.
  • This example relates to the oscillator shown in FIG. 2.
  • This consists of a resonator network as a frequency-determining element and a feedback, not shown in the drawing, which contains an amplifier and contains feedback from the output to the input of the network. The phase of this feedback is assumed to be zero.
  • the properties of this resonator network are described below.
  • the surface wave resonators 2; 3 composed of the reflectors 21; 22 and the interdigital converter 24 or from the reflectors 31; 32 and the interdigital converter 34.
  • a coupling transducer 23 is located in the surface wave resonator 2 or 3 between the transducer 24 or 34 and the reflector 21 or 31 or 33 arranged.
  • the surface wave resonators 2; 3 form a resonator network.
  • the electrodes consist of an aluminum layer with a thickness of 300 nm.
  • the direction of propagation of the surface acoustic wave resonator 3, that is, the direction perpendicular to the prongs of the coupling transducer 33 and the transducer 34 and the strips of the reflectors 31; 32, is inclined by the angle ⁇ 3 47.5 ° with respect to the crystallographic x-axis of quartz. Therefore, the first order temperature coefficient of the synchronous frequency of the surface acoustic wave resonator 3 is negative.
  • the spaces 25 and 35 between the transducer 24 and the coupling transducer 23 of the surface acoustic wave resonator 2 or the transducer 34 and the coupling transducer 33 of the surface acoustic wave resonator 3 are of the same width.
  • each of the transducer 24 and the transducer 34 are in electrical contact with one another via the connection 4 which is at ground potential.
  • Each comb electrode of the coupling converter 23 is electrically connected to a comb electrode of the coupling converter 33 via the connections 5 and 6, the connection 5 being connected to the ground potential.
  • a coupling inductor 7 is connected between connections 5 and 6. Together with the capacitances of the coupling converters 23 and 33, this forms an oscillating circuit.
  • the transducer 34 of the surface acoustic wave resonator 3 serves as input 8 and the transducer 24 of the surface acoustic wave resonator 2 serves as output 9 of the resonator assembly.
  • the apertures 26 and 36 of the coupling transducer 23 and the transducer 24 or of the coupling transducer 33 and the transducer 34 as well as the coupling inductance 7 are selected such that the variation of the oscillator frequency in given temperature range is minimal.
  • the distance between the centers of adjacent tines, the distance between the centers of adjacent reflector strips, the spaces 25 and 35 between the coupling transducer 23 and the transducer 24 or the coupling transducer 33 and the transducer 34 and the spaces between the coupling transducer 23 and the reflector 21, the transducer 24 and the reflector 22, the coupling transducer 33 and the reflector 31 and the transducer 34 and the reflector 32 in the surface wave resonators 2; 3 are selected such that a resonance of both surface wave resonators 2; 3 is at the same frequency at room temperature.
  • the oscillator oscillates at a resonance of the resonance pair which results from the coupling of the resonances of the surface wave resonators 2 and 3 belonging to the respective symmetrical cavity mode.
  • This coupling is created by connections 5 and 6.
  • the resonance of the mentioned resonance pair is selected as that which belongs to the symmetrical coupling mode.
  • This coupling mode is characterized by in-phase electrical signals from the coupling converters 23 and 33.
  • This example relates to the oscillator shown in FIG. 3 with two separate substrates.
  • a surface wave resonator 2 composed of the reflectors 21; 22 and the interdigital converter 24.
  • a coupling transducer 23 is arranged in the surface wave resonator 2 between the transducer 24 and the reflector 21.
  • a surface acoustic wave resonator 3, composed of the reflectors 31; 32 and the interdigital converter 34 are arranged.
  • a coupling transducer 33 is arranged in the surface acoustic wave resonator 3 between the transducer 34 and the reflector 31.
  • the surface wave resonators 2; 3 form one Resonator composite.
  • Both the substrate 1 and the substrate 10 are an ST section of quartz.
  • the substrates 1 and 10 can also be cuts of different types of crystals.
  • the spaces 25 and 35 between the transducer 24 and the coupling transducer 23 of the surface acoustic wave resonator 2 or the transducer 34 and the coupling transducer 33 of the surface acoustic wave resonator 3 are of the same width.
  • One comb electrode each of the transducer 24 and the transducer 34 are in electrical contact with one another via the connection 4 which is at ground potential.
  • Each comb electrode of the coupling converter 23 is electrically connected to a comb electrode of the coupling converter 33 via the connections 5 and 6, the connection 5 being connected to the ground potential.
  • a coupling inductance 7 is connected between the connections 5 and 6. Together with the capacitances of the coupling converters 23 and 33, this forms an oscillating circuit.
  • the transducer 34 of the surface acoustic wave resonator 3 serves as input 8 and the transducer 24 of the surface acoustic wave resonator 2 serves as output 9 of the resonator assembly.
  • the apertures 26 and 36 of the Coupling converter 23 and converter 24 or coupling converter 33 and converter 34 as well as coupling inductance 7 are selected such that the variation of the oscillator frequency in the given temperature range is minimal.
  • the distance between the centers of adjacent tines, the distance between the centers of adjacent reflector strips, the spaces 25 and 35 between the coupling transducer 23 and the transducer 24 or the coupling transducer 33 and the transducer 34 and the spaces between the coupling transducer 23 and the reflector 21, the transducer 24 and the reflector 22, the coupling transducer 33 and the reflector 31 and the transducer 34 and the reflector 32 in the surface wave resonators 2; 3 are chosen such that a resonance of both surface wave resonators 2; 3 is at the same frequency at room temperature.

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Abstract

Oszillator oder Sensor, enthaltend einen Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen, wobei jedes Element mindestens einen interdigitalen Wandler (24; 34) für akutische Oberfächenwellen enthält, die einen Verstärker enthält, und wobei die frequenzbestimmenden Elemente (2; 3) sich durch die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz voneinander unterscheiden, dadurc gekennzeichnet, dass a) die frequenzbestimmenden Elemente akustische Oberflächenwellenresonatoren sind, b) die Temperaturkoeffizienten n-ter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Oberflächenwellenresonatoren unterschiedliche Vorzeichen haben, falls diese von null verschieden sind und die Temperaturkoeffizienten (n+1)-ter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Oberflächenwellenresonatoren gleiches Vorzeichen haben und die Temperaturkoeffizienten erster bis (n-1)-ter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Oberflächenwellenresonatoren im Fall n grösser als 1 gleich null sind, wobei n grösser oder gleich 1 ist, c) das Verhältnis der Aperturen der Wandler und das Verhältnis der Längen in Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten der Wandler und den Streifen der Reflektoren derjenigen Objekte verschiedener frequenzbestimmender Elemente, die infolge des Verbundes miteinander verbunden sind, so gewählt sind, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist.

Description

Oszillator mit akustischenOberflächenwellenresonatoren
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/ Elektronik. Objekte, bei denen die Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind Bauelemente auf der Basis akustischer Oberflächenwellen wie Oszillatoren und Sensoren, insbesondere solche Sensoren, bei denen sich der Temperaturgang der Oszillatorfrequenz einstellen lässt.
Es sind Oszillatoren bekannt, die einen Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen, von denen jedes Element mindestens einen interdigitalen Wandler für akustische Oberflächenwellen enthält und eine einen Verstärker enthaltende Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang des Verbundes umfasst, wobei die frequenzbestimmenden Elemente sich durch die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz voneinander unterscheiden.
Bei einer speziellen Ausführung enthält der Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen zwei Verzögerungsleitungen, deren Substrate ein und demselben Kristallschnitt angehören, aber verschiedene Ausbreitungsrichtungen benutzen (T. I. Browning and M. F. Lewis, „A novel technique for improving the temperature stability of SAW/SSBW devices" in Proc. 1978 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 474 - 477 [1]). Als Kristallschnitt dient der ST-Schnitt von Quarz. Beim ST- Schnitt ist die Schnittnormale um 42,75° gegenüber der kristallografischen Y-Achse von Quarz geneigt. Das Substrat der Hauptverzögerungsleitung hat die X-Achse von Quarz als Ausbreitungsrichtung, während die Ausbreitungsrichtung der Hilfsverzögerungsleitung um 41° dazu geneigt ist. Demzufolge verschwindet bei der Hauptverzögerungsleitung der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung. Dagegen ist der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung der Hilfsverzögerungsleitung ungleich null. Trotz der unterschiedlichen Ordnungen der Temperaturkoeffizienten gelingt es, den Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung der Hauptverzögerungsleitung zu kompensieren. Der zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung der Hauptverzögerungsleitung erforderliche Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung der Hilfsverzögerungsleitung wird als Funktion des zu kompensierenden Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung, der Amplitude der Hilfsverzögerungsleitung und der für beide Verzögerungsleitungen gleichen Ausbreitungsstrecke angegeben.
Im Zusammenhang mit fernabfragbaren Sensoren, die im speziellen Fall Eintorresonatoren auf der Basis akustischer Oberflächenwellen enthalten, ist es bekannt, zur Temperaturkompensation zwei Eintorresonatoren zu kombinieren, deren Substrate verschiedene Ausbreitungsrichtungen ein und desselben Kristallschnitts repräsentieren (A differential measurement SAW device for passive remote sensoring,W. Buff, M. Rusko, T. Vandahl, M. Goroll und F. Möller, Proc. 1996 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 343 - 346 [2]). Voraussetzung für die Temperaturkompensation ist dabei, dass diese Ausbreitungsrichtungen unterschiedliche Phasen- gesσhwindigkeiten und nahezu gleiche Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz haben.
Die in der Druckschrift [1] beschriebene Lösung hat folgende Nachteile: (1) Verzögerungsleitungen mit vorgegebener Substratlänge können eine zu kleine Phasensteilheit haben, was eine ungenügende Stabilität der Oszillatoren zur Folge hat.
(2) Die Größe | S2ι I bei der Oszillatorfrequenz, die sich temperaturabhängig einstellt, ist zu stark temperaturabhängig, so dass der Verstärker in der Rückkopplung infolge eines zu großen Verstärkungsbereichs unerwünschte nichtlineare Effekte oder als geregelter Verstärker zu hohe Kosten verursacht. (3) Die Methode der Temperaturkompensation aus [1] ist nur für breitbandige frequenzbestimmende Elemente anwendbar.
(4) Das in [1] verwendete Modell zur Beschreibung des Verbundes zweier Verzögerungsleitungen ist eine Näherung für den Fall, dass die Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanzdes Verbundes der Verzögerungsleitungen sehr groß im Vergleich mit dem Quell- bzw. Lastwiderstand ist und alle Wandler reflexionsfrei sind. Die mit Hilfe dieses Modells gewonnene Lehre, beispielsweise die oben erwähnte Funktion für den Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz erster Ordnung der Hilfsverzögerungsleitung ist deshalb in vielen Fällen nicht anwendbar und nicht auf solche frequenzbestimmende Elemente übertragbar, bei denen Reflexionen eine wesentliche Rolle spielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, temperaturstabile Oszillatoren mit akustischen Oberflächenwellenbauelementen als frequenzbestimmende Elemente der bekannten Art so zu verändern, dass die Phasensteilheit der frequenzbestimmenden Elemente bei vorgegebener Substratlänge und demzufolge die Stabilität der Oszillatoren erhöht wird, die Größe IS21I an der Oszillatorfrequenz, die sich bei der jeweiligen Temperatur einstellt, nur schwach temperaturabhängig ist und - die frequenzbestimmenden Elemente schmalbandig sind sowie eine Lehre für die Gestaltung temperaturstabiler Oszillatoren anzugeben, die nicht auf einer Näherung wie in der Druckschrift [1] basiert und die auch auf solche frequenzbestimmende Elemente übertragbar ist, bei denen Reflexionen eine wesentliche Rolle spielen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass a) die frequenzbestimmenden Elemente akustische Oberflachenwellenresonatoren sind, b) die Temperaturkoeffizienten n-ter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Oberflachenwellenresonatoren unterschiedliche Vorzeichen haben, falls diese von null verschieden sind und die Temperaturkoeffizienten (n+l)-ter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Oberflachenwellenresonatoren gleiches Vorzeichen haben und die Temperaturkoeffizienten erster bis (n-l)-ter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Oberflachenwellenresonatoren im Fall n größer als 1 gleich null sind, wobei n größer oder gleich 1 ist, c) das Verhältnis der Aperturen der Wandler und das Verhältnis der Längen in Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten der Wandler und den Streifen der Reflektoren derjenigen Objekte verschiedener frequenzbestimmender Elemente, die infolge des Verbundes miteinander verbunden sind, so gewählt sind, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist.
Zweckmäßigerweise kann jedes der frequenzbestimmenden Elemente zwei interdigitale Wandler für akustische Oberflächenwellen enthalten, wobei interdigitale Wandler diejenigen Objekte sind, die infolge des Verbundes miteinander in Parallelschaltung verbunden sind. Dabei können die frequenzbestimmenden Elemente akustische Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren sein, bei denen jeweils zwei interdigitale Wandler zwischen zwei Reflektoren angeordnet sind und die Zweitor-Oberfläc enwellenresonatoren sich durch die Apertur und den Zwischenraum zwischen den interdigitalen Wandlern unterscheiden, wobei die Aperturen, die Zwischenräume zwischen den interdigitalen Wandlern und die Synchronwellenlängen in den Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren so gewählt sind, dass die Oszillatorfrequenz bei einer vorgegebenen Temperatur einer vorgegebenen Frequenz entspricht.
Vorteilhafterweise können die frequenzbestimmenden Elemente akustische Oberflachenwellenresonatoren sein, bei denen der interdigitale Wandler zwischen je zwei Reflektoren angeordnet ist. Hierbei enthalten die Oberflachenwellenresonatoren Koppelelemente, mit deren Hilfe eine gegenseitige Kopplung der Wellenfelder der Oberflachenwellenresonatoren hergestellt ist. Das Verhältnis der Aperturen der Wandler und das Verhältnis der Längen der Koppelelemente in Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten der Wandler und den Streifen der Reflektoren sind dabei so gewählt, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist.
Erfindungsgemäß können beide Oberflachenwellenresonatoren mit Substraten der gleichen Kristallart aufgebaut sein oder die Substrate der Oberflachenwellenresonatoren gehören verschiedenen Kristallarten an. Im Falle von Substraten der gleichen Kristallart benutzen die Oberflachenwellenresonatoren unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen für akustische Oberflächenwellen auf ein und demselben Kristallschnitt. Im Falle verschiedener Kristallarten sind die Oberflachenwellenresonatoren auf separaten Substraten angeordnet . Die Elektrodenstrukturen beider Oberflächenwellen-resonatoren können vorteilhaft auch auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein. Die Kristallarten, die Kristallschnitte sowie die Ausbreitungsrichtungen der Zweitor-Ober lächenwellen- resonatoren für akustische Oberflächenwellen sind vorteilhaft so gewählt, dass die Temperaturabhängigkeiten fι(T) und f2{T) der Synchronfrequenz fx bzw. f2 des ersten beziehungsweise zweiten Zweitor-Oberflächenwellenresonators die Gleichung V(f1(τ), f2(τ)) = -(öφ / öf2) /{dφ / dfλ ) erfüllen, mit V = (dfτ_ / dT) /(df2 / dτ)(τ=τ oder mit V = [(fι,maχ - fi,min)/ ΔT /[(f2,max - f2,min)/ ΔT2J und mit ΔT1,2 ~ Tl,2,max ~ Tl,2, min ' wobei φ die Phase des Verbundes der Zweitor- Oberflächenwellenresonatoresonatoren, fι,2,max die im betrachteten Temperaturbereich maximale Synchronfrequenz des ersten beziehungsweise zweiten Zweitor-Oberflächenwellen- resonators, fι,2,min die im betrachteten Temperaturbereich minimale Synchronfrequenz des ersten bzw. zweiten Zweitor- Oberflächenwellenresonators und Tι,2,maκ und Tι,2,mj.n diejenigen Temperaturen sind, bei denen die entsprechenden Extremwerte der Synchronfrequenzen auftreten und Ti eine Temperatur im betrachteten Temperaturbereich ist.
Zwischen den interdigitalen Wandlern wenigstens eines Zweitor-Oberflächenwellenresonators kann ein Zwischenreflektor angeordnet sein.
Einer der interdigitalen Wandler kann sich zweckmäßigerweise durch seine Polarität von den übrigen unterscheiden. Vorteilhafterweise sollte in den Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz gleicher Ordnung dominieren, und zwar der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster oder zweiter Ordnung.
Die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren sollten ähnliche Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenz haben, wobei die Ähnlichkeit darin besteht, dass die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des einen Zweitor-Oberflächenwellenresonators durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor der Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des jeweils anderen Zweitor- Oberfläc enwellenresonators so angenähert werden kann, dass die Differenz der Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenz im gesamten betrachteten Temperaturbereich wesentlich kleiner ist als diese Temperaturabhängigkeit jeder der beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren.
Die Synchronwellenlängen in den Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren sind so gewählt, dass die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren trotz unterschiedlicher Phasengeschwindigkeiten die gleiche Resonanzfrequenz haben.
Der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflachenwellenresonatoren kann ungleich null sein und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheiden .
Auch der Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflachenwellenresonatoren kann ungleich null sein und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheiden, wobei die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind.
Die Oberflachenwellenresonatoren können als Koppelelement einen Koppelwandler enthalten, wobei der Koppelwandler des ersten Oberflächenwellenresonators mit dem Koppelwandler des jeweils zweiten Oberflächenwellenresonators über zwei elektrische Verbindungen miteinander verbunden ist.
Dabei können sich die Aperturen der Koppelwandler oneinander unterscheiden und die Zinkenzahlen der Koppelwandler sind gleich. Es können sich auch die Zinkenzahlen der Koppelwandler voneinander unterscheiden, wenn die Aperturen der Koppelwandler gleich sind. Darüber hinaus können die Koppelwandler mehr Zinken enthalten als der Wandler desjenigen Oberflächenwellenresonators, zu dem der jeweilige Koppelwandler gehört .
Zwischen den elektrischen Verbindungen, welche die Koppelwandler verschiedener Oberflachenwellenresonatoren verbinden, kann eine Induktivität, bezeichnet als Koppelinduktivität, geschaltet sein.
Zwischen die elektrischen Verbindungen, welche die Koppelwandler verschiedener Oberflachenwellenresonatoren verbinden, kann auch eine Kapazität, bezeichnet als Koppelkapazität, geschaltet sein.
Zweckmäßigerweise kann mindestens einer der Koppelwandler mindestens eine Gruppe aufeinanderfolgender Zinken enthalten, welche aus einer geraden Anzahl Zinken mit gleicher Polarität besteht. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kristallschnitt ein ST-Schnitt von Quarz, wobei die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler und zu den Reflektorstreifen für den einen Oberflächenwellenresonator um einen Winkel zwischen" Ound 45" und für den anderen Oberflächenwellenresonator um einen Winkel zä£5 kristallografischen X-Achse von Quarz geneigt ist.
Die Koppelelemente beider Oberflachenwellenresonatoren können erfindungsgemäß einen Multistreifenkoppler bilden.
Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Zinkenperiode der Wandler, die Streifenperiode der Reflektorstreifen, die Abstände der Wandler zu den Koppelelementen und zu den Reflektoren sowie die Dicke der Elektrodenschicht der Oberflachenwellenresonatoren so gewählt, dass deren Resonanzen an einer vorgegebenen Temperatur einen vorgegebenen Frequenzabstand haben . Dabei kann der vorgegebene Frequenzabstand gleich null sein.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen naher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Oszillator, bestehend aus einem Verbund von zwei frequenzbestimmenden Elementen, Fig. 2 ein weiterer Oszillator mit zwei frequenzbestimmenden Elementen und einer Koppelinduktivität, Fig. 3 ein weiterer Oszillator mit zwei frequenzbestimmenden Elementen, die hi'er auf separaten Substraten angeordnet sind.
Beispiel 1 Der in Fig. 1 dargestellte Oszillator besteht aus einem Resonatorverbund als frequenzbestimmendes Element und einer in der Zeichnung nicht dargestellten Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang des Verbundes, die einen Verstärker enthält. Die Phase dieser Rückkopplung wird als gleich Null vorausgesetzt. Im folgenden werden die Eigenschaften des Resonatorverbundes beschrieben.
Auf einem Substrat 1, das ein ST-Schnitt von Quarz ist, sind zwei Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2/3, zusammengesetzt aus Reflektoren 21;22 und interdigitalen Wandlern 23;24 bzw. aus Reflektoren 31;32 und interdigitalen Wandlern 33;34, angeordnet. Die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 bilden einen Resonatorverbund. Die Ausbreitungsrichtung des Zweitorresonators 2, d. h. die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler 23; 24 und den Streifen der Reflektoren 21;22, ist parallel zur kristallografischen x-Achse von Quarz ausgerichtet. Deshalb hat die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 einen Verlauf, bei dem der parabolische Anteil dominiert. Die Ausbreitungsrichtung des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3, das heißt, die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler 33; 34 und den Streifen der Reflektoren 31; 32, ist um den Winkel α gegenüber der kristallografischen x-Achse von Quarz geneigt. Beim Verlauf der Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 dominiert ebenfalls der parabolische Anteil. Der Wandler 23 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 und der Wandler 33 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 sind über die elektrischen Verbindungen 6; 7 parallel geschaltet, während der Wandler 24 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 und der Wandler 34 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 über die elektrischen Verbindungen 4; 5 parallel geschaltet sind. Der Abstand der Mitten benachbarter Zinken und der Abstand der Mitten benachbarter Reflektorstreifen, entsprechend der Hälfte der Synchronwellenlänge, in den Zweitor- Oberflachenwellenresonatoren 2; 3 sind so gewählt, dass jeweils eine Resonanzfrequenz beider Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 bei der gleichen Frequenz liegt. Die Parallelschaltung der Wandler 24; 34 bzw. 23; 33 bildet den Eingang 8 bzw. Ausgang 9 des Resonatorverbundes Der Zwischenraum 35 zwischen den Wandlern 33 und 34 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 ist größer als der Zwischenraum 25 zwischen den Wandlern 23 und 24 des Zweitor- Oberflächenwellenresonators 2 und die Apertur 36 der Wandler 33 und 34 des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 ist kleiner als die Apertur 26 der Wandler 23 und 24 des Zweitor- Oberflächenwellenresonators 2.
Bei der Bestimmung der Parameter der Zweitor- Oberflachenwellenresonatoren 2; 3 werden zunächst der Zwischenraum 25, die Apertur 26 und die Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 2 sowie der Zwischenraum 35 und die Synchronfrequenz des Zweitor- Oberflächenwellenresonators 3 gesetzt. Aus der Forderung, dass die Phase des Resonatorverbundes gleich null sein soll, wird mit Hilfe eines Nullstellensuchprogramms die Apertur 36 bestimmt. Unter Benutzung aller dieser Größen wird über die Forderung, dass die Ableitung der Oszillatorfrequenz nach der Temperatur bei einer vorgegebenen Temperatur verschwinden soll, das Verhältnis V der Temperaturableitungen der Synchronfrequenz der Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 aus dem Verhältnis der Ableitungen der Phase des Resonatorverbundes nach der Synchronfrequenz des Zweitor- Oberflächenwellenresonators 2 bzw. 3 nach der Gleichung V = (dfι/dT)/(df2/dTjτ=τ =-(öφ/öf2)/(öφ/δf,) berechnet, wobei fi, f2 die Synchronfrequenz des Zweitor- Oberflächenwellenresonators 2 bzw. 3 und Ti eine vorgegebene Temperatur ist. Wenn das Verhältnis V nicht mit dem Verhältnis V0 übereinstimmt, so wird mindestens eine der Größen Zwischenraum 25, Apertur 26, Synchronfrequenz des Zweitor- Oberflächenwellenresonators 2, Zwischenraum 35 und Synchronfrequenz des Zweitor-Oberflächenwellenresonators 3 variiert und anschließend die Apertur 36 neu bestimmt . Dabei ist V0 das Verhältnis der Ableitungen der als experimentelle oder berechnete Daten vorliegenden Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz für die Ausbreitungsrichtungen der Zweitor- Oberflachenwellenresonatoren 2; 3. Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis Übereinstimmung des Verhältnisses V mit dem Verhältnis V0 innerhalb eines vorgegebenen Fehlerbereichs erreicht ist. Als Ergebnis dieses Verfahrens sind alle Parameter bekannt, damit die Oszillatorfrequenz weniger temperaturabhängig ist, wenn der Resonatorverbund an Stelle eines Zweitorresonators auf der Basis akustischer Oberflächenwellen als frequenzbestimmendes Element eines Oszillators verwendet wird.
Beispiel 2
Dieses Beispiel betrifft den in Fig. 2 dargestellten Oszillator. Dieser besteht aus einem Resonatorverbund als frequenzbestimmendes Element und einer in der Zeichnung nicht dargestellten, einen Verstärker enthaltenden Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang des Verbundes. Die Phase dieser Rückkopplung wird als gleich null vorausgesetzt. Im folgenden werden die Eigenschaften dieses Resonatorverbundes beschrieben.
Auf einem Substrat 1, das ein ST-Schnitt von Quarz ist, sind die Oberflachenwellenresonatoren 2; 3, zusammengesetzt aus den Reflektoren 21; 22 und dem interdigitalen Wandler 24 beziehungsweise aus den Reflektoren 31; 32 und dem interdigitalen Wandler 34, angeordnet. Außerdem ist im Oberflächenwellenresonator 2 bzw. 3 zwischen dem Wandler 24 bzw. 34 und dem Reflektor 21 bzw. 31 ein Koppelwandler 23 beziehungsweise 33 angeordnet. Die Oberflachenwellenresonatoren 2; 3 bilden einen Resonatorverbund. Die Elektroden bestehen aus einer Aluminiumschicht einer Dicke von 300 nm. Die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenwellenresonators 2, d. h. die Richtung senkrecht zu den Zinken des Koppelwandlers 23 und des Wandlers 24 und den Streifen der Reflektoren 21; 22, ist um den Winkel α2 = 30° zur kristallografischen x- Achse v.on Quarz geneigt. Deshalb ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz des Oberflächenwellenresonators 2 positiv. Die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenwellenresonators 3, das heißt, die Richtung senkrecht zu den Zinken des Koppelwandlers 33 und des Wandlers 34 und den Streifen der Reflektoren 31; 32, ist um den Winkel α3 = 47,5° gegenüber der kristallografischen x- Achse von Quarz geneigt. Deshalb ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronf equenz des Oberflächenwellenresonators 3 negativ. Die Zwischenräume 25 und 35 zwischen dem Wandler 24 und dem Koppelwandler 23 des Oberflächenwellenresonators 2 bzw. dem Wandler 34 und dem Koppelwandler 33 des Oberflächenwellenresonators 3 sind gleich breit. Jeweils eine Kammelektrode des Wandlers 24 und des Wandlers 34 stehen über die am Massepotential liegende Verbindung 4 miteinander in elektrischem Kontakt. Jede Kammelektrode des Koppelwandlers 23 steht mit einer Kammelektrode des Koppelwandlers 33 über die Verbindungen 5 und 6 elektrisch in Verbindung, wobei die Verbindung 5 an das Massepotential angeschlossen ist. Zwischen die Verbindungen 5 und 6 ist eine Koppelinduktivität 7 geschaltet. Diese bildet zusammen mit den Kapazitäten der Koppelwandler 23 und 33 einen Schwingkreis. Der Wandler 34 des Oberflächenwellenresonators 3 dient als Eingang 8 und der Wandler 24 des Oberflächenwellenresonators 2 dient als Ausgang 9 des Resonatorverbundes. Die Aperturen 26 und 36 des Koppelwandlers 23 und des Wandlers 24 bzw. des Koppelwandlers 33 und des Wandlers 34 sowie die Koppelinduktivität 7 sind so gewählt, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist. Der Abstand der Mitten benachbarter Zinken, der Abstand der Mitten benachbarter Reflektorstreifen, die Zwischenräume 25 und 35 zwischen dem Koppelwandler 23 und dem Wandler 24 bzw. dem Koppelwandler 33 und dem Wandler 34 und die Zwischenräume zwischen dem Koppelwandler 23 und dem Reflektor 21, dem Wandler 24 und dem Reflektor 22, dem Koppelwandler 33 und dem Reflektor 31 sowie dem Wandler 34 und dem Reflektor 32 in den Oberflachenwellenresonatoren 2; 3 sind so gewählt, dass jeweils eine Resonanz beider Oberflachenwellenresonatoren 2; 3 bei Raumtemperatur an der gleichen Frequenz liegt.
Der Oszillator schwingt an einer Resonanz desjenigen Resonanzpaares, das aus der Kopplung der zur jeweiligen symmetrischen Hohlraummode gehörenden Resonanzen der Oberflachenwellenresonatoren 2 und 3 resultiert. Diese Kopplung wird durch die Verbindungen 5 und 6 erzeugt. Als Resonanz des erwähnten Resonanzpaares ist diejenige ausgewählt, die zur symmetrischen Koppelmode gehört. Diese Koppelmode ist durch gleichphasige elektrische Signale der Koppelwandler 23 und 33 gekennzeichnet.
Beispiel 3
Dieses Beispiel betrifft den in Fig. 3 dargestellten Oszillator mit zwei separaten Substraten. Hierbei ist auf einem ersten Substrat 10 ein Oberflächenwellenresonator 2, zusammengesetzt aus den Reflektoren 21; 22 und dem interdigitalen Wandler 24, angeordnet. Außerdem ist im Oberflächenwellenresonator 2 zwischen dem Wandler 24 und dem Reflektor 21 ein Koppelwandler 23 angeordnet. Auf einem zweiten Substrat 1 ist ein Oberflächenwellenresonator 3, zusammengesetzt aus den Reflektoren 31; 32 und dem interdigitalen Wandler 34 angeordnet. Außerdem ist im Oberflächenwellenresonator 3 zwischen dem Wandler 34 und dem Reflektor 31 ein Koppelwandler 33 angeordnet. Die Oberflachenwellenresonatoren 2; 3 bilden einen Resonatorverbund. Sowohl das Substrat 1 als auch das Substrat 10 ist ein ST-Schnitt von Quarz. In diesem Fall ist die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenwellenresonators 2, das heißt die Richtung senkrecht zu den Zinken des Koppelwandlers 23 und des Wandlers 24 und den Streifen der Reflektoren 21; 22, um den Winkel α2 = 30° zur kristallografischen x-Achse von Quarz geneigt. Deshalb ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz des Oberflächenwellenresonators 2 positiv. Die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenwellenresonators 3, das heißt, die Richtung senkrecht zu den Zinken des Koppelwandlers 33 und des Wandlers 34 und den Streifen der Reflektoren 31; 32, ist um den Winkel α3 = 47,5° gegenüber der kristallografischen x- Achse des Substrats 10 geneigt. Deshalb ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz des Oberflächenwellenresonators 3 negativ.
Die Substrate 1 und 10 können aber auch Schnitte unterschiedlicher Kristallarten sein.
Die Zwischenräume 25 und 35 zwischen dem Wandler 24 und dem Koppelwandler 23 des Oberflächenwellenresonators 2 bzw. dem Wandler 34 und dem Koppelwandler 33 des Oberflächenwellenresonators 3 sind gleich breit. Jeweils eine Kammelektrode des Wandlers 24 und des Wandlers 34 stehen über die am Massepotential liegende Verbindung 4 miteinander in elektrischem Kontakt. Jede Kammelektrode des Koppelwandlers 23 steht mit einer Kammelektrode des Koppelwandlers 33 über die Verbindungen 5 und 6 elektrisch in Verbindung, wobei die Verbindung 5 an das Massepotential angeschlossen ist. Zwischen die Verbindungen 5 -und 6 ist eine Koppelinduktivität 7 geschaltet. Diese bildet zusammen mit den Kapazitäten der Koppelwandler 23 und 33 einen Schwingkreis. Der Wandler 34 des Oberflächenwellenresonators 3 dient als Eingang 8 und der Wandler 24 des Oberflächenwellenresonators 2 dient als Ausgang 9 des Resonatorverbundes. Die Aperturen 26 und 36 des Koppelwandlers 23 und des Wandlers 24 bzw. des Koppelwandlers 33 und des Wandlers 34 sowie die Koppelinduktivität 7 sind so gewählt, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist. Der Abstand der Mitten benachbarter Zinken, der Abstand der Mitten benachbarter Reflektorstreifen, die Zwischenräume 25 und 35 zwischen dem Koppelwandler 23 und dem Wandler 24 bzw. dem Koppelwandler 33 und dem Wandler 34 und die Zwischenräume zwischen dem Koppelwandler 23 und dem Reflektor 21, dem Wandler 24 und dem Reflektor 22, dem Koppelwandler 33 und dem Reflektor 31 sowie dem Wandler 34 und dem Reflektor 32 in den Oberflachenwellenresonatoren 2; 3 sind so gewählt, dass jeweils eine Resonanz beider Oberflachenwellenresonatoren 2;3 bei Raumtemperatur an der gleichen Frequenz liegt.

Claims

Patentansprüche
1. Oszillator, enthaltend einen Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen, wobei jedes Element mindestens einen interdigitalen Wandler (24; 34) für akustische Oberflächenwellen enthält, und wobei eine Rückkopplung vom Ausgang (9) zum Eingang (8) des Verbundes vorhanden ist,
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und wobei die frequenzbestimmenden Elemente (2; 3) sich durch die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz voneinander unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass a) die frequenzbestimmenden Elemente akustische Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) sind, b) die Temperaturkoeffizienten n-ter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) unterschiedliche Vorzeichen haben, falls diese von null verschieden sind und die Temperaturkoeffizienten (n+l)-ter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) gleiches Vorzeichen haben und die Temperaturkoeffizienten erster bis (n-1)- ter Ordnung der Synchronfrequenz der beiden Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) im Fall n größer als 1 gleich null sind, wobei n größer oder gleich 1 ist, c) das Verhältnis der Aperturen der Wandler (24; 34) und das Verhältnis der Längen in Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten der Wandler (24; 34) und den Streifen der Reflektoren (21;22; 31; 33) derjenigen Objekte (23;33) verschiedener frequenzbestimmender Elemente, die infolge des Verbundes miteinander verbunden sind, so gewählt sind, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der frequenzbestimmenden Elemente zwei interdigitale Wandler (23; 24; 33; 34) für akustische Oberflächenwellen enthält, wobei interdigitale Wandler diejenigen Objekte sind, die infolge des Verbundes miteinander in Parallelschaltung verbunden sind.
3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzbestimmenden Elemente akustische Zweitor- Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) sind, bei denen jeweils zwei interdigitale Wandler (23; 24; 33; 34) zwischen zwei Reflektoren (21; 22; 31; 32) angeordnet sind und die Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) sich durch die Apertur (26; 36) und den Zwischenraum (25; 35) zwischen den interdigitalen Wandlern (23; 24 bzw. 33; 34) unterscheiden, wobei die Aperturen, (26; 36), die Zwischenräume (25; 35) zwischen den interdigitalen Wandlern (23; 24; 33,-34) und die Synchronwellenlängen in den Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) so gewählt sind, dass die Oszillatorfrequenz bei einer vorgegebenen Temperatur einer vorgegebenen Frequenz entspricht .
4. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzbestimmenden Elemente akustische Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) sind, bei denen der interdigitale Wandler (24 bzw. 34) zwischen je zwei Reflektoren (21;22;31;32) angeordnet ist und dass die Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) Koppelelemente (23; 33) enthalten, mit deren Hilfe eine gegenseitige Kopplung der Wellenfelder der Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) hergestellt ist und das Verhältnis der Aperturen der Wandler (24; 34) und das Verhältnis der Längen der Koppelelemente (23; 33) in Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten der Wandler (24;34) und den Streifen der Reflektoren (21;22; 31; 33) so gewählt sind, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist.
5. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) mit Substraten der gleichen Kristallart aufgebaut sind.
6. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate der Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) verschiedenen Kristallarten angehören.
7. Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen für akustische Oberflächenwellen auf ein und demselben Kristallschnitt benutzen.
8. Oszillator nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) auf separaten Substraten angeordnet sind.
9. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstrukturen beider Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) auf einem gemeinsamen Substrat (1) angeordnet sind.
10. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallarten, die Kristallschnitte sowie die Ausbreitungsrichtungen der Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren <2;3) für akustische Oberflächenwellen so gewählt sind, dass die Temperaturabhängigkeiten fχ(T) und f2(T) der Synchronfrequenz fi bzw. f2 des ersten beziehungsweise zweiten Zweitor- Oberflächenwellenresonators (2; 3) die Gleichung v(fι(τ), f2(τ)) = -(aφ / öf2) /(θφ / dfλ) erfüllen, mit V = (df! / dT) /(df2 / dτ)|T ::: T oder mit = [(fi . max - ^ min J / ΔT /Kfz , ^ - f2, min ) / ΔT2J und mi t ΔT1,2 = Tl,2, max ~ Tl,2, min ' wobei φ die Phase des Verbundes der Zweitor- Oberflächenwellenresonatoresonatoren (2;3), fι,2,max die im betrachteten Temperaturbereich maximale Synchronfrequenz des ersten beziehungsweise zweiten Zweitor- Oberflächenwellenresonators (2; 3), fι,2,min die im betrachteten Temperaturbereich minimale Synchronfrequenz des ersten bzw. zweiten Zweitor-Oberflächenwellenresonators (2; 3) und Tι,2/max und Tι/2,min diejenigen Temperaturen sind, bei denen die entsprechenden Extremwerte der Synchronfrequenzen auftreten und Ti eine Temperatur im betrachteten Temperaturbereich ist.
11. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den interdigitalen Wandlern (23;2 ; 33; 3 ) wenigstens eines Zweitor-Oberflächenwellenresonators (2; 3) ein Zwischenreflektor angeordnet ist.
12. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich einer der interdigitalen Wandler (23;2 ; 33; 34 ) durch seine Polarität von den übrigen unterscheidet.
13. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz gleicher Ordnung dominiert.
14. Oszillator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung dominiert .
15. Oszillator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz zweiter Ordnung dominiert .
16. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) ähnliche Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenz haben, wobei die Ähnlichkeit darin besteht, dass die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des einen Zweitor-Oberflächenwellenresonators (2; 3) durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor der Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz des jeweils anderen Zweitor-Oberflächenwellenresonators (2; 3) so angenähert werden kann, dass die Differenz der Temperaturabhängigkeiten der Synchronfrequenz im gesamten betrachteten Temperaturbereich wesentlich kleiner ist als diese Temperaturabhängigkeit jeder der beiden Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) .
17. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronwellenlängen in den Zweitor- Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) so gewählt sind, dass die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) trotz unterschiedlicher Phasengeschwindigkeiten die gleiche Resonanzfrequenz haben.
18. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet.
19. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur oeffizient zweiter Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet, wobei die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind.
20. Oszillator nach einem der Ansprüche 4, 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) als Koppelelement einen Koppelwandler (23; 33) enthalten und der Koppelwandler (23) des ersten Oberflächenwellenresonators (2) mit dem Koppelwandler (33) des jeweils zweiten Oberflächenwellenresonators (3) über zwei elektrische Verbindungen (5; 6) miteinander verbunden sind.
21. Oszillator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aperturen der Koppelwandler (23; 33) voneinander unterscheiden und die Zinkenzahlen der Koppelwandler (23; 33) gleich sind.
22. Oszillator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zinkenzahlen der Koppelwandler (23; 33) voneinander unterscheiden und die Aperturen der Koppelwandler (23; 33) gleich sind.
23. Oszillator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelwandler (23; 33) mehr Zinken enthalten als der Wandler (24; 34) desjenigen Oberflächenwellenresonators (2;3), zu dem der jeweilige Koppelwandler (23;33) gehört.
24. Oszillator nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die elektrischen Verbindungen (5; 6), die die Koppelwandler (23; 33) verschiedener Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) verbinden, eine Induktivität (7), bezeichnet als Koppelinduktivität, geschaltet ist.
25. Oszillator nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die elektrischen Verbindungen (5; 6), die die Koppelwandler (23; 33) verschiedener Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) verbinden, eine Kapazität, bezeichnet als Koppelkapazität, geschaltet ist.
26. Oszillator nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Koppelwandler (23; 33) mindestens eine Gruppe aufeinanderfolgender Zinken enthält, welche aus einer geraden Anzahl Zinken mit gleicher Polarität besteht.
27. Oszillator nach Anspruch 7 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallschnitt ein ST-Schnitt von Quarz ist und dass die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler und zu den Reflektorstreifen für den einen Oberflächenwellenresonator (2) um einen Winkel zwischen0 0 und 45° und für den anderen Oberflächenwellenresonator (3) um einen Winkel >45 zur kristallografischen X-Achse von Quarz geneigt ist.
28. Oszillator nach einem der Ansprüche 4, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente (23; 33) beider Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) einen Multistreifen- koppler bilden .
29. Oszillator nach einem der Ansprüche 4 bis 9 und 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkenperiode der Wandler (24;34), die Streifenperϊode der Reflektorstreifen, die Abstände der Wandler (24;34) zu den Koppelelementen (23;33) und zu den Reflektoren (21;22;31;32) sowie die Dicke der Elektrodenschicht der Oberflachenwellenresonatoren (2; 3) so gewählt sind, dass deren Resonanzen an einer vorgegebenen Temperatur einen vorgegebenen Frequenzabstand haben.
30. Oszillator nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Frequenzabstand gleich null ist.
PCT/EP2004/051890 2003-08-25 2004-08-24 Oszillator mit akustischen oberflächenwellenresonatoren WO2005041403A1 (de)

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