DE3217721A1 - Verfahren zur einstellung der resonanzfrequenz eines kopplungsresonators - Google Patents

Verfahren zur einstellung der resonanzfrequenz eines kopplungsresonators

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Description

Dl P L.-PH Y S. F/ENfÜLlÖri" ^ „ρρμρρ,κ,« 11· Mai 19 82 E/m
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DIPL.-PHY8. F. ENDLICH. POSTFACH. D-8034 QERMERINQ TELEX: 521730 pate d
Meine Akte: D-4988
Anmelderin; Kabushiki Kaisha Daini Seikosha, Tokyo, Japan
Verfahren zur Einstellung der Resonanzfrequenz eines Kopplungsresonators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Resonanzfrequenz eines Kopplungsresonators/ insbesondere eines Schwingquarzes mit einem AT-Schnitt.
Derartige Schwingquarze, die mit einer Mehrzahl von Schwingungsformen gekoppelt werden können, sollen eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit aufweisen. Eine Schwierigkeit bei einer Miniaturisierung derartiger Schwingquarze besteht darin, daß durch eine Nebenkopplung eine verhältnismäßig große Anzahl von wilden Schwingungen verursacht werden können.
Miniaturisierte Schwingquarze mit einem AT-Schnitt sind von besonderem Interesse für die Herstellung von Armbanduhren, während mit Schwingquarzen in Form einer Stimmgabel im allgemeinen bessere Charakteristiken erzielt werden können.
Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung eines Resonators mit Hilfe eines fotolithografischen IC-Prozesses bekannt, mit dem es möglich ist, extrem miniaturisierte Resonatoren herzustellen, beispielsweise für Schwingquarze mit einem GT-Schnitt, der eine sehr gute Frequenz-Temperaturcharakteristik besitzt und sehr dünn ausgebildet werden kann. Mit derartigen Verfahren können Schwingquarze für Biegeschwingungen hergestellt werden, welche eine Miniaturisierung ermöglichen, und wobei eine Torsionsschwingung mit einer Biegeschwingung gekoppelt wird. Bei derartigen Biegetorsions-
Schwingungen durchführenden Schwingquarzen, die inufolgenden als Schwingquarze mit einem FT-Schnitt bezeichnet werden, sowie bei Schwingquarzen mit einem GT-Schnitt finden zur Erzielung einer guten Frequenz-Temperaturcharakteristik zwei Schwingingsformen Verwendung, nämlich eine Kopplung einer Grundschwingung mit einer Teilschwingung. Deshalb werden die Temperaturcharakteristiken durch die Frequenzdifferenz der Grundschwingung und der Teilschwingung und durch die Intensität jeder Schwingung bestimmt. Da das Verhältnis der Intensität der betreffenden Grundschwingungen und Teilschwingungen unterschiedlich ist, sind auch die Resonanzfrequenz-Differenzen unterschiedlich, bei denen eine gute Frequenz-rTemperaturcharakteristik erzielbar ist, so daß eine Einstellung der Resonanzfrequenz-Differenz für jeden Resonator erforderlich ist, welcheEinstellung eine verhältnismäßig großen Zeitverbrauch und entsprechende Kosten verursacht, so daß derartige Verfahren für eine Massenproduktion nicht ohne weiteres geeignet sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Nachteile und Schwierigkeiten dieser Art möglichst weitgehend zu vermeiden. Durch die Erfindung soll ein Verfahren zur Einstellung der Temperaturcharakteristik und der Resonanzfrequenz geschaffen werden, bei dem zu einem Ausgangspunkt des Kopplungsresonators zurückgekehrt werden kann. Insbesondere wird angestrebt, daß ein derartiger Kopplungsresonator eine sehr gute Frequenz-Temperaturcharakterisjtik aufweist.
Zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung kann eine Laser- oder Verdampfungseinrichtung Verwendung finden, um die Resonanzfrequenzen und die Temperaturkoeffizienten einzustellen. Sowohl bei der Verwendung eines Lasers als auch bei der Verwendung einer Aufdampfung wird in erster Linie ein Kopplungsresonator derart ausgebildet, daß er eine optimale Temperaturcharakteristik und eine optimale Resonanzfrequenz aufweist, bevor die Resonanzfrequenz eingestellt wird, indem die Resonanzfrequenzen f 1, f 2 der Grundschwingung bei ausgewählten Temperaturen t..,t2 gemessen werden. Entsprechend diesen Werten wird der Temperaturkoeffizient OV der ersten Ordnung berechnet, wonach durch Verwendung des Lasers oder einer Aufdampfung der Temperaturkoeffizient Q^ der ersten Ordnung etwa auf 0 eingestellt wird. Ferner wird dann die Resonanzfrequenz der Grundschwingung ebenfalls auf die
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Nennfrequenz fQ eingestellt, so daß als Folge davon möglich ist, einen Schwingquarz mit einem GT-Schnitt herzustellen, der eine sehr gute Temperaturcharakteristik aufweist. Mit einem derartigen Schwingquarz mit einem GT-Schnitt können deshalb Armbanduhren sehr hoher Ganggenauigkeit hergestellt werden. Da der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung nach Messung der Temperaturcharakteristik jeden Resonators eingestellt wird, kann der Anteil an Resonatoren mit nicht zufriedenstellender Temperaturcharakteristik erheblich verringert werden, wodurch auch eine entsprechende Verringerung der Herstellungskosten möglich ist.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher, erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1A und 1B eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Quarzresonators mit GT-Schnitt, der zur Erläuterung des Verfahrens gemäß der Erfindung dient;
Fig. 2A und 2B eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Quarzresonators mit GT-Schnitt, der auf einem Sockel angeordnet ist;
Fig. 3 die Freguenz-Temperaturcharakteristik eines Schwingquarzes mit GT-Schnitt, der nach dem fotolithografischen Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist;
Fig. 4 eine Ansicht eines derartigen Schwingquarzes mit einem GT-Schnitt, an dem Massen angeordnet sind;
Fig. 5 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten ^ der ersten Ordnung in Abhängigkeit von der Entfernung von Massen in Fig. 4 mit Hilfe eines Lasers;
Fig, 6 ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Schwingquatzes mit einem GT-Schnitt mit einer Anordnung von Massen an dessen vier Ecken;
Fig. 7 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten ö< von der Menge beseitigter Massen bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 6;
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines detartigen Schwingquarzes mit einem GT-Schnitt;
Fig. 9 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten ö( von der Entfernung von Massen bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 8;
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Pig. 10 eine grafische Darstellung der .Abhängigkeit der Frequenzabweichung der Grundschwingung von der Entfernung von Massen bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 8 mit Hilfe eines Lasers;
Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Quarzresonators mit einem GT-Schnitt, der nach einem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist;
Fig. 12 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Frequenzabweichung von der Temperatur vor der Einstellung der Resonanzfrequenz;
Fig. 13 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Resonanzfrequenz der Grundschwingung von der Temperatur zur Erläuterung des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Einstellung der Temperaturcharakteristik bei einem Schwingquarz mit einem GT-Schnitt; und
Fig. 14 eine grafische Darstellung eines Schwingquarzes mit einem GT-Schnitt, der nach einem Verfahren gemäß der Erfindung unter Verwendung eines Lasers hergestellt wurde.
Das in Fig. 1A und 1B dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Kopp lungs res on a tor in Form eines Schwingquarzes mit einem GT-Schnitt. An dem Schwingquarz 1 sind auf gegenüberliegenden Seiten Elektroden 2 und 3 angeordnet, so daß der Schwingquarz durch Zufuhr einer Wechselspannung an die Elektroden in einfacher Weise erregbar ist. Die Resonanzfrequenz der beiden Schwingungsf-ormen wird durch die Breite W und die Länge L bestimmt. Die von der Breite W abhängige Resonanzfrequenz der Grundschwingung wird mit f bezeichnet und die von der Länge L abhängige Resonanzfrequenz der Teilschwingung wird mit f bezeichnet. Die Temperaturcharakteristik wird durch die Differenz der beiden Resonanzfrequenzen (fw~fT) und die Intensität der Grundschwingung und der Teilschwingung bestimmt.
Fig. 2A und 2B zeigen die Anordnung eines Schwingquarzes 5 mit einem GT-Schnitt auf einem Sockel 4 mit Hilfe von Klebstoff oder Lot 8,9. Die Elektroden 6,7 zum Erregen des Resonators sind auf gegenüberliegenden Seiten des Schwingquarzes angeordnet.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Temperaturcharakteristik eines Schwingquarzes mit GT-Schnitt, der mit Hilfe eines fotolithografischen Verfahrens hergestellt wurde, bei dem keine
Masse zur Einstellung der Resonanzfrequenz vorgesehen ist. Die Temperaturcharakteristik unterscheidet sich durch das Ausmaß der Kopplung, wenn die Kopplung zwischen der Grundschwingung und der Teilschwingung schwach ist. Dann ist die Temperaturcharakteristik durch die Gerade a gegeben. Wenn die Kopplung stark ist, verläuft die Charakteristik entsprechend der Geraden b. Der absolute Wert des Temperaturkoeffizienten ^ der ersten Ordnung beträgt etwa 2,5 χ 10 /C, so daß er zu groß ist und die Geraden keine besondere Temperaturcharakteristik ergeben. Im allgemeinen hat ein durch ein fotolithografisches Verfahren hergestellter Resonator eine derartige Temperaturcharakteristik. Wenn die Resonanzfrequenz der Grundschwingung durch Verwendung einer Lasereinrichtung eingestellt wird, bevor als Last dienende Massen auf dem Resonator angeordnet werden, ergibt sich eine etwas unterschiedlicher Wert des Temperaturkoeffizienten H der ersten Ordnung, welcher Wert jedoch nahezu gleich ist und dieselbe Tendenz aufweist.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schwingquarzes gemäß der Erfindung mit einem GT-Schnitt, an dem Massen 1O,11 in einem zentralen Bereich entlang dessen Längskanten symmetrisch zu einem zentralen Teil eines Schwingungsteils angeordnet sind. Die Dicke der Masse beträgt zwischen etwa 1 und 2 Mikrometer.
Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten öl der ersten Ordnung, wenn von den Massen 10,11 in Fig. 4 mit Hilfe einer Lasereinrichtung Masse entfernt wird. Daraus ist ersichtlich, daß der Temperaturkoeffizient mit der Entfernung von Masse linear ansteigt.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schwingquarzes mit einem GT-Schnitt, an dessen vier Ecken vier Massen 12,13,14 und 15 angeordnet sind. Fig. 7 zeigt die Änderung des Temperaturkoeffizienten 0<. bei Verringerung der Massen mit Hilfe einer Lasereinrichtung. Aus der grafischen Darstellung ist ersichtlich, daß der Temperaturkoeffizient mit der Entfernung von Masse linear abnimmt.
Deshalb steigt der Temperaturkoeffizient bei der Entfernung von Masse bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4, während der Temperaturkoeffizient bei Entfernung von Masse bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 6 verringert wird. Wenn in der Mitte angeordnete Massen von den Massen 10,11 in Fig. 4 und den Massen 12,13,14, und 15
in Fig. 6 entfernt werden, ist eine Vorhersage möglich, daß der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung sich nicht ändert.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schwingquarzes mit einem GT-Schnitt, bei dem Massen 16, 19 in Lagen zwischen der Masse 10 in Fig. 4 und den Massen 12 und 15 in Fig. 6, sowie Massen 17, 18 zwischen der Masse 11 in Fig. 4 und den Massen 13, 14 in Fig. 6 angeordnet sind.
Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten bei der Entfernung von Massen 16,17,18, 19 in Fig. 8 mit Hilfe einer Lasereinrichtung. Aus der grafischen Darstellung ist ersichtlich, daß sich dann der Temperaturkoeffizient nicht ändert. Fig. 10 zeigt die Änderung der Resonanzfrequenz der Grundschwingung in Abhängigkeit von der Entfernung von Massen 16,17,18, 19 in Fig. 8 mit Hilfe einer Lasereinrichtung. Aus der grafischen Darstellung ist ersichtlich, daß die Resonanzfrequenz der Grundschwingung mit der Entfernung von Massen ansteigt.
Fig-. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schwingquarzes mit einem GT-Schnitt, bei dem durch Einstellung der Resonanzfrequenz eine sehr gute Temperaturcharakteristik erzielt werden kann. Massen 24, 25 dienen zur Einstellung der Temperaturcharakteristik und Massen 20, 21, 22 und 23 zur Einstellung der Resonanzfrequenz der Grundschwingung. Im folgenden soll das Verfahren zur Einstellung der Frequenz näher erläutert werden. Wenn der Schwingquarz in Fig. 11 mit Hilfe des fotolithografischen Verfahrens hergestellt wird, wird in folgender Weise vorgegangen; 1 . Der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung hat einen negativen Wert, so daß die Resonanzfrequenz sich mit ansteigender Temperatur erniedrigt. 2. Die Resonanzfrequenz der Grundschwingung ist niedriger als die einzustellende Nennfrequenz. Ein derartiger Resonator kann in einfacher Weise durch Auswahl der Form, der Größe der Massen und der Ätzzeit hergestellt werden.
Fig. 12 zeigt die Temperaturcharakteristik eines Resonators nach dem Ätzen. Ein Pfeil C zeigt die Abweichung von der Nennfrequenz, so daß die Resonanzfrequenz des Resonators niedriger als die Nennfrequenz ist. Der Resonator wird auf eine ausgewählte Temperatur gebracht, welche Temperatur t. gemessen wird. Bei dieser Temperatur t. wird die Resonansfrequenz f.. der Grundschwing.ung gemessen. Danach wird der Resonator auf eine andere Temperatur
t„ gebracht, die gemessen wird und bei der die Resonanzfrequenz ±2 der Grundschwingung ebenfalls gemessen wird.
Mit Hilfe der Temperaturen t1 ,t2 und der Resonanzfrequenzen f^/fo kann der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung in folgender Weise berechnet werden:
f7 - fi
C* = — I (Hz/°C) . . (1)
t2 - ti
Mit Hilfe der einzustellenden Nennfrequenz f ergibt sich daraus folgende Beziehung:
f2 " f
1 „ Vt2 - t3 (1/°C) (2).
f0
Fig. 13 dient zur Erläuterung des Verfahrens zur Einstellung der Temperaturcharakteristik eines derartigen Schwingquarzes mit einem GT-Schnitt. Nach Messung der Resonanzfrequenz f.*,t~ bei den Temperaturen t1,t2 wird der Temperaturkoeffizient mit Hilfe der Gleich (2) berechnet.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung mit Hilfe der Temperaturen t1,t~ und der Resonanzfrequenzen f.,,f9 berechnet. Wenn eine hohe Meßgenauigkeit für den Temperaturkoeffizient erwünscht ist, wird die Anzahl der Messungen der Resonanzfrequenzen bei unterschiedlichen Temperaturen erhöht, eo daß eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit des Temperaturkoeffizienten mit Hilfe entsprechender Berechnungen erzielt werden kann.
Um eine Annäherung des Temperaturkoeffizienten der ersten Ordnung an den Weit 0 zu erzielen, werden entsprechend den Ausführungen zu Fig. 4 und 5 die Gewichte 10,11 und die Gewichte 24,25 in Fig. 11 entfernt, so daß die Gerade e in Fig. 13 zu der gestrichelten Linie f wird. Durch Fortsetzung der Einstellung ergibt sich eine Gerade g, dferen Temperaturkoeffizient nahezu 0 ist. Dadurch kann eine fortschreitende Annäherung der Frequenz der Grundschwingung auf die Nennfrequenz fQ erzielt werden.
Ferner, ist es möglich, die Resonanzfrequenz der Grundschwingung auf die Nennfrequenz fo bei Raumtemperatur einzustellen, indem die Massen 20, 21, 22, 23 ohne Änderung der Temperaturcharakteristik entfernt werden. Deshalb ist es möglich, einen Resonator
-*. Λι Λ M * ■? Ol · · W 9
herzustellen, der sehr gute Temperatureigenschaften aufweist, dessen Resonanzfrequenz der Grundschwingung auf die gewünschte Nennfrequenz eingestellt werden kann.
Die bisherigen Ausführungen betreffen die Verwendung einer Laseireinrichtung, es können jedoch auch Aufdampfungsverfahren verwendet werden. Wenn der Resonator durch Ätzen hergestellt wird, wird keine Masse auf dem Resonator angeordnet, wobei in folgender Weise vorgegangen wird. 1. Der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung hat einen positiven Wert, so daß die Resonanzfrequenz mit ansteigender Temperatur ansteigt. 2. Die Resonanzfrequenz der Grundschwingung ist höher als die einzustellende Nennfrequenz-
Ein derartiger Resonator kann in einfacher Weise durch Auswahl der Form und der Ätzzeit hergestellt werden. Die Resonanzfrequenzen f. , f„ der Grundschwingung werden bei willkürlichen unterschiedlichen Temperaturen t.. ,t„ gemessen. Der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung wird mit Hilfe der Gleichungen (1) odsr (2) berechnet. Danach werden die Massen auf die Abschnitte entspre*- chend den Bezugszeichen 24,25 in Fig. 11 aufgebracht. Da sich der Temperaturkoeffizient bei der Auftragurig der Massen verringert, kann dessen Einstellung auf den Wert 0 erfolgen. Durch die Auftragung von Maasen auf die Abschnitte entsprechend den Bezugszeichen 20, 22, 22, 23 ist es möglich, die Resonanzfrequenz der Grundschwingung auf die Nennfrequenz f_ ohne Änderung der Temperaturcharakteristik einausteilen. Wie bei der Verwendung der Lasereinrichtung ist es deshalb möglich, einen Kopplungsresonator mit e'iner sehr guten Temperaturcharakteristik herzustellen, dessen Resonanzfrequenz der Grundschwingung auf die Nennfrequenz fQ eingestellt werden kann.
Fig. 14 zeigt ein Beispiel einer Temperaturcharakteristik, wobei die Linie h die Temperaturcharakteristik von der Einstellung der Resonanzsfrequenz durch die Lasereinrichtung zeigt. Die Linie I zeigt die Temperaturcharakteristik, die nach der Einstellung der Resonanzfrequenz mit der Lasereinrichtung gemessen wird. Daraus ist ersichtlich, daß eine sehr gute Temperaturcharakteristik erzielt werden kann.
Es wird deshalb sowohl bei der Verwendung einer Lasereinrichtung als auch bei der Verwendung einer Einrichtung zum Aufdampfen in erster Linie eine Konstruktion des Kopplungsresonators mit
einer optimalen Temperaturcharakterxstik und einer optimalen Resonanzfrequenz hergestellt, bevor die Resonanzfrequenz eingestellt wird, indem die Resonanzfrequenzen f.., f2 der Grundschwingung bei an sich willkürlichen Temperaturen t1, t_ gemessen werden. Mit diesen Werten wird der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung berechnet. Dann wird mit Hilfe der Lasereinrichtung oder der Aufdampfungseinrichtung der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung angenähert auf Null eingestellt. Ferner wird die Resonanzfrequenz der Grundschwingung auf die Nennfrequenz fo eingestellt, so daß ein Schwingquarz mit einem GT-Schnitt derart ausgebildet werden kann, daß er eine sehr gute Temperaturcharakteristik besitzt. Mit einem derartigen Schwingquarz mit einem GT-Schnitt können deshalb Armbanduhren mit sehr hoher Ganggenauigkeit hergestellt werden. Da der Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung nach der Messung der Temperaturcharakteristik jedes Resonators bei diesem Verfahren eingestellt wird, kann der Prozentsatz ungeeigneter Temperaturcharakteristiken erheblich verringert werden, und damit auch die Herstellungskosten. Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele die Herstellung. von Schwinquarzen mit einem GT-Schnitt betreffen, ist die Erfindung auch auf andere Kopplungsresonatoren anwendbar, wie beispielsweise auf FT-Quarzresonatoren.

Claims (1)

1982 E/m
MÖNCHEN M 38 38
SSr MÖNCHEN
DIPL.-PHYS. F. ENDLICH, POSTFACH, D-8034 QERMERINQ
TELEX: B21730 paled
Meine Akte: D-4988
Anmelderin: Kabushiki Kaisha "Daini Seikosha, Tokyo, Japan
Patentansprüche
Verfahren zur Einstellung der Resonanzfrequenz eines Kopplungsresonators , der mit einer Mehrzahl von Schwingungsformen gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz einer Grundschwingung bei mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturen gemessen wird, daß aus diesen Temperaturen/den gemessenen Resonanzfrequenzen ein Frequenz-Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung berechnet wird, daß dann Massen auf den Resonator aufgetragen oder von diesem entfernt werden, um den Temperaturkoeffizienten der ersten Ordnung zumindest angenähert auf den Wert 0 einzustellen, und daß danach die Resonanzfrequenz der Grundschwingung auf eine Nennfrequenz (fn) eingestellt wird.
Verfahren zur Einstellung der Resonanzfrequenz eines Kopplungsresonators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator auf eine erste Temperatur Ct1) gebracht wird, daß die Resonanzfrequenz (f-i) einer Grundschwingung bei dieser Temperatur (t^) gemessen wird, daß dann der Resonator auf eine andere Temperatur (t2) gebracht wird, daß dann die Resonanzfrequenz (f„) der Grundschwingung bei dieser Temperatur (t2) gemessen wird, daß ein Frequenz-Temperaturkoeffizient der ersten Ordnung mit Hilfe dieser Temperaturen (t-,t„) und dieser Resonanzfrequenzen (f.,f„) gemessen wird,
:·Χ\: 321772
daß Massen auf den Resonator aufgebracht oder davon entfernt werden, um eine Annäherung des Temperaturkoeffizienten der ersten Ordnung auf den Wert 0 zu erzielen, und daß dann die Resonanzfrequenz der Grundschwingung auf die Nennfrequenz (fn) eingestellt wird.
DE19823217721 1981-05-15 1982-05-11 Verfahren zur einstellung der resonanzfrequenz eines kopplungsresonators Ceased DE3217721A1 (de)

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