-
Elektromechanischer Resonator Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf einen elektromechanischen Resonator.
-
Die GB-PS 1 277 614, entsprechend der DT-OS 2 010 196 beschreibt Resonatoren,
deren Schwinger die Form eines einseitig eingespannten Stabes aufweisen und selbst
metallisch leitend ist.-Der Schwingerfläche stehen feste leitende Flächen gegenüber,
die als kapazitive Ein- und Ausgangsschwingungswandler dienen. Dieses Prinzip ist
auch von H.C.Nathanson, W.E.Newell und R.A.Wickstrom in dem Artikel "Tuning forks'
sound a hopeful note" erschienen in der amerikanischen Zeitschrift "Electronics-"
am 20.September1965 auf Seite 84...87, beschrieben worden. Die kapazitiven Schwingungswandler
müssen elektrisch vorgespannt werden. Ein Resonator kann dabei einen oder mehrere
mechanisch oder elektrisch miteinander verkoppelte Schwinger aufweisen.
-
Den zum Stand der Technik bekannten Resonatoren ist gemeinsam, daß
bei ihnen die Schwinger jeweils nur in einer einzigen Resonanzfrequenz erregt werden
können. Wenn mehrere verschiedene Frequenzen übertragen werden sollten, so müßte
für jede separate
Resonanz frequenz ein spezieller Schwinger mit
Schwingungswandlern eingesetzt werden.
-
Die Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe eine Resonatorausführung
anzugeben, deren Schwinger bei mehreren verschiedenen Frequenzen zur Resonanz errregt
werden und somit auch diese mit geringer Durchgangsdämpfung übertragen kann. Ferner
sollten bei einem solchen Resonator die Koppelfaktoren der Ein- und Ausgangsschwingungswandler
sowie die Lage der Resonanz frequenz unabhängig von einander eingestellt werden
können. Die Lösung dieser Aufgabe ist dabei den Ansprüchen zu entnehmen.
-
Die Erfindung soll nun an Hand der Figuren eingehend beschrieben werden.
Es zeigen dabei: Fig.la...c elektromechanische Resonatoren, bei denen durch eine
Eingangs frequenz mehrere Ausgangsfrequenzen bzw. durch mehrere Eingangsfrequenzen
eine einzige Ausgangsfrequenz angeregt wird.
-
Fig.2 4 verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für Resonatoren nach
Fig.la.. .c Fig.4. .15 verschiedene Abwandlungen für Reson9Dren mit mehr als einer
mechanischen Resonanzfrequenz Fig.16 und 17 Möglichkeiten zum Abgleich der Resonanzfrequenz
Fig.18...20 Resonatoren mit unterschiedlichen Ausbildungen der Schwingungswandler.
-
Das in Fig. la und lb dargestellte elektromechanische Filter besteht
aus einem metallischen mechanischen Schwinger 1, der an einem Ende bei 2 fest eingespannt
ist und sich oberhalb von festen Elektroden 3.0.5 erstreckt. Wie in der Br.-PS 1
277 614 beschrieben muß zwischen Schwinger 1 und Elektroden 3...5 eine Vorspannung
angelegt werden. Wenn dann zwischen Schwinger 1 und einer der Elektroden 3...5 oder
zwischen zwei Elektroden eine Wechselspannung angelegt wird, wirkt diese auf den
Schwinger ein und versucht ihn in seiner Eigenresonanz anzuregen. Ein Schwingen
des Schwingers 1 verursacht Kapazitätsänderungen zwischen ihm und den Elektroden,
sodaß wiederum zwischen zwei der Elektroden 3...5 oder Schwinger 1 und einer der
Elektroden 3...5 ein Ausgangssignal abgenommen werden kann (Fig.1a und lb).
-
Wenn der mechanische Schwinger bei einer eInzigen Frequenz schwingt
so tritt diese auch nur am Ausgang des Filters auf. Wenn mit zwei (4,5) der drei
festen Elektroden je ein Kondensator (Cm bzw.
-
Cn) unterschiedlichen Kapazitätswertes in Reihe geschaltet wird, aie
Kondensatoren können dabei von AuXea zugeschaltet werden oder auch gleich in die
Gesamtkonstruktion einbezogen sein, so werden unterschiedliche Ausgangsfrequenzen
erhalten.
-
wig, lc zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Filteranordnung
nach Fig.la in Form eines Brücken-Vielresonanz-Netzwerkes. Die.
-
abgestimmten Brückenarme haben zwar die gleiche mechanische Resonanzfrequenz,
jedoch ist die wirksame Frequenz jeden Brückenarmes infolge der Kondensatoren Cm
und Cn voneinander verschieden.
-
Es können also mit einem mechanischen Schwinger n-Resonanzfrequenzen
erzielt werden mit n festen Elektroden und n-l zusätz-Eichen Kondensatoren.
-
Fig. la und lc zeigt dabei eine Anordnung, die drei verschiedene Ausgangsfrequenzen
abgibt wenn eine einzelne Eingangs frequenz angelegt wird. Dagegen zeigt Fig.lb
eine solche, die bei drei
verschiedenen Eingangsfrequenzen nur eine
davon als Ausgangssignal abgibt.
-
Anordnungen nach dem vorher beschriebenen Prinzip eignen sich in monolfflischer
Bauweise für Vermittlungseinrichtungen, verzweigende Ein- und Auskoppelanordnungen
oder Filter. Eine einfache verzweigende Auskoppeleinrichtung ist in Fig.2a, 2b und
2c dargestellt und besteht aus einem mechanischen Schwinger und zwei festen Elektroden
23 und 24. Die beiden Zweige haben dabei ihre Resonanz bei unterschiedlichen Frequenzen
f1 und f2. Wenn dabei der Punkt B auf Erde gelegt wird, ergibt sich, wie aus Fig.3a
und 3b zu- ersehen ist, ein Bandpaßfilter.
-
In Fig.4 ist die Kombination einer elektromechanischen Anordnung nach
Fig.2a mit einem Operationsverstärker 40 mit Gegentaktausgängen. Hierdurch wird
ein hochselektives Brückenfilter als aktives Filter gewonnen, das in Form eines
integrierten Kreises hergestellt werden kann.
-
Es erscheint selbstverständlich, daß das vorher beschriebene Prinzip,
mit dem mit einem Schwinger mit nur einer mechanischen Resonanzfrequenz durch zusätzliche
Kondensatoren ein Ansprechen auf mehrere unterschiedliche Eingangs- bzw Ausgangsfrequenzen
erzielt werden kann, auch auf komplexer ausgebildete mechanische Schwingeranordnungen
angewendet werden kann2 zOBo auf solche, bei denen gegenUber beiden Seiten des Schwingers
reste Elektroden angeordnet sind, oder Anordnungen mit mehreren Schwingern2 die
mechanisch oder elektrisch untereinander verkoppelt snd, Der bisher beschriebene
Schwinger hat nur eine einzige mechanische Resonanz und weist dabei einen rechteckigen
Querschnitt auf, dessen Breite erheblich größer ist als seine Dicke.
-
Wenn nun aber ein Schwinger mit quadratischem oder angenähert quadratischem
Querschnitt verwendet wird, dann ist es möglich mit entsprechend angeordneten Elektroden
den Schwinger auf zwei verschiedenen mechanischen Resonanzfrequenzen schwingen zu
lassen.
-
Eine Grundform eines solchen Schwingers zeigt Fig.5.
-
Bei einem metallischen Schwinger 50 mit rechteckförmigem Querschnitt
sind zwei diagonal gegenüberliegende Kanten abgeflacht, so daß der Abstand t2 deswegen
kleiner ist als der Abstand t2 zwischen den nicht abgeflachten Kanten. Zwei Elektrodenpaare
(51a, 51b und 52a, 52b) stehen mit ihren Achsen senkrecht aufeinander, wie in der
Figur gezeigt, und jede Elektrode verläuft parallel zu der gegenüberstehenden Schwingerfläche.
Wenn ein Eingangssignal gleichzeitig an beide Elektrodenpaare angelegt wird und
diese gegenüber dem Schwinger entsprechend vorgespannt werden (nicht dargestellt),
will der Schwinger um beide Achsen schwingen. Die hieraus resultierende Bewegung
erfolgt in Richtung der Pfeile 53 und 54. Da nun aber t2 s t1 ist, - der Abstand
t bestimmt die Lage der mechanischen Resonanz bei einem gegebenen Material und einer
gegebenen Schwingerlänge - werden zwei unterschiedliche mechanische Resonanzfrequenzen
beim gleichen Schwinger auftreten.
-
Bei einer alternativen, in Fig.6 gezeigten Anordnung hat ein Schwinger
55 recheckförmigen Querschnitt und wird durch zwei Elektroden 56 und 57 in zwei
senkrecht zueinander stehenden Schwingungsrichtungen durch ein gleichzeitig an beide
Elektroden anliegendes Signal angeregt. Die beiden Elektroden 56 und 57 verlaufen
dabei parallel zur benachbarten Schwingerfläche, ihre Achsen stehen dabei senkrecht
aufeinander.
-
Wenn nun die Schwingerabmaße t3 und t4 unterschiedlich sind, ergeben
sich zwei verschiedene mechanische Resonanzen. Die beiden Schwingungsrichtungen
stehen dabei senkrecht aufeinander und sind
durch die Pfeile 58
und 59 angedeutet. Wenn nun die Elektr-oden 56 und 57, wie in Fig.7 angedeutet,
entlang der Längsachse des Scwingers gegeneinander versetzt angeordnet sind, so
hängt die Amplitude jeder Schwingung und die Verkopplung zwischen-beiden von der
Lage der Elektroden gegeneinander in Bezug auf die Schwingerlängsachse ab.
-
Es gibt zwei Möglichkeiten an die Schwinger nach Fig.5 und 6 das Eingangssignal
anzulegen und die Elektroden dabei entsprechend vorzuspannen. Für einen Schwinger
nach Fig.5 sind in Fig.8 und 9 die beiden Möglichkeiten dargestellt, die aber ebenso
bei einem Schwinger nach Fig.6 anwendbar sind.
-
Wie aus Fig.8 zu ersehen ist, sind die einzelnen Elektroden jeden
Elektrodenpaares (51a, 51b bzw. 52a, 52b) jeweils gegenpolig vorgespannt, was durch
Trennkondensatoren ermöglicht wird. Das Eingangssignal wird dabei gleichphasig gemeinsam
an die beiden Elektroden jeden Paares angelegt. Infolge der gegenpoligen Vorspannung
der einzelnen Elektroden jeden Paares ist die resultierende antreibende Kraft auf
der positiven Vorspannungsseite größer als auf der negativen.
-
Bei der in Fig.9 gezeigten Aternativlösung sind alle Elektroden gleichsinnig
vorgespannt. Das Eingangssignal wird dabei ai die eine Elektrode eines Paares direkt
und an die andere nach 180° angelet Phasendrehung in einer Stufe 60, sodaß das Eingangssignal
an den Elektroden jeden Elektrodenpaares gegenphasig anliegt.
-
Bei beiden in Fig.5 und 6 dargestellten Anordnungen magdem zwei mechanische
Resonanzen aufweisenden Schwinger nur zwei senkrecht zueinander angeordnete Elektroden
zugeordnet sein, von denen jede einzelne dazu dient2 eine Resonanz des Schwingers
anzuregen.
-
Die Elektroden 51 und 52 der Fig.5 oder die Elektroden 56 und 57 der
Fig.6 und 7 mögen also als Ausgangselektroden dienen, es können aber auch zusätzliche
Elektroden für einen elektrostatischen Ausgangswandler vorgesehen sein. Ebenso mag
auch der Doppelresonanzschwinger mit weiteren Schwingern gekoppelt sein.
-
Wie in den Fig.10, 11 und 12 dargestellt, möge die zwei mechanische
Resonanzen aufweisende Anordnung aus einem feststehenden Stab 80 aus Isoliermaterial
z.B. aus Glas bestehen, auf dessen Oberfläche die beiden zueinander senkrecht stehenden
Elektrodenpaare 81 und 82 aufgebracht sind. Diese mögen dabei2 wie in Fig.lO dargestellt,
unversetzt oder, wie in Figo 11 gezeigt, versetzt angebracht sein. Um diesen Stab
80 herum befindet sich zu ihm konzentrisch sn rohrförmiger metallischer Schwinger
83, der an seinem einen Ende mit einer Grundfläche 84 fest verbunden ist.
-
Der Querschnitt des Rohres ist entlang einer Linie durch einen segmentförmigen
Abtrag verrringert gegenüber seinem ursprung lichen, sodaß das Rohr in zwei verschiedenen
Resonanzen errregt werden kann.
-
Eine Alternativlösung hierzu ist in den Fig.13000l5 dargestellt, bei
der die Elektroden 90 und 91 sich auf der Innenseite eines feststehenden Isolierrohres
z.B. eines Glasrohres befinden. Im Innern des Rohres befindet sich der stabförmige
metallische Schwinger 93, der mit einem Ende fest mit der Grundfläche 94 verbunden
ist. Die Elektrodenpaare mögen dabei nicht gegeneinander versetzt (Fig.l3) oder
seitlich gegeneinander versetzt sein.(Fig.ls Der Schwingerstab ist entlang einer
Linie segmentförmig abgeflacht, sodaß der Schwinger 93 auf zwei verschiedenen Resonanzen
erregt werden kann.
-
Bei Verwendung von Stab und Rohr als Konstruktionsteile entsprechend
Fig.10...15 kann, wenn beim Schwinger (Stab oder Rohr) mehr als eine Fläche abgeflacht
und der Elektrodenträger (Rohr oder Stab) mit den entsprechenden Elektrodenpaaren
versehen wird,
der Schwinger bei einer entsprechenden Anzahl von
verschiedenen Resonanzfrequenzen zum Schwingen angeregt werden.
-
Bei allen beschriebenen Schwingerformen hing die mechanische Resonanzfrequenz
bzw. Frequenzen vom Material und den Abmessungen des Schwingers sowie von den Verhältnissen
zwischen Element und Umgebung ab. infolge des negativ kapazitiven Verhaltens des
elektrischen Ersatzschaltkrelses ist einer der aktoren, die die Lage der effektiven
mechanischen Resonanz bestismenf die Stärke des durch die Vorspannung gegebenen
elektrischen Feldes Beim Einsatz von Schwingern als Filter ist es wichtig sowohl
bestimmte Werte für den elektromechanischen Koppelfaktor des Ein-und Ausgangswandlers
und eine bestimmte effektive mechanische Resonanzfrequenz erzielen zu können. Alle
diese Parameter sind aber abhängig von der Feldstärke zwischen Schwinger und troden.
Wenn der Vorspannungswert zwischen Schwinger und einer der Elektroden verändert
wird, so ändert sich der elektromechanische Koppelfaktor dadurch direkt, aber mittelbar
auch die Lage der Resonanzfrequenz.
-
Dieses kann durch den Einsatz von Abgleichelektroden vermieden werden.
Fig.16a zeigt dieses für einen Schwinger mit einer kombinierten Ein- und Ausgangselektrode,
Fig.16b für einen Schwinger, bei dem das Eingangssignal auf den Schwingerkörper
engQkoppelt und das Ausgangssignal über eine Ausgangslektrode entnommen wird, und
Fig.17 für einen Schwinger mit getrennten Ein- und Ausgangselektroden. Eine zusätzliche
Abgleichelektrode 150 ist hochohmig mit einer Spannungsquelle l5n verbunden » die
eine solche Spannung liefert, daß das Feld zwischen dieser Elektrode und dem Schwinger
so verändert wird daß die gewünschte Lage der mechanischen Resonanz erzielt wird
, dabei aber die Koppelfaktoren des Ein- und Ausgangswandler$ die je durch die Felder
zwischen ihren Elektroden und dem Schwinger bestimmt werden, dabei nicht verändert
werden.
-
Die bei den bisher beschriebenen Anordnungen verwendeten mechanischen
Schwinger bestehen aus Metalls sind also selbst elektrisch leitend. Der Schwinger
ist dabeI auch gleichzeitig Bestandteil eines elektrostatischen Ein- und Ausgangsschwingungswandiers.
-
Zur Realisierung dieser Schwingungswandler ist es jedoch nur notwendig,
daß der Schwinger an den Bin und Ausgangs elektroden gegenüberliegenden Flächen
elektrisch leitende Flächen oder Teile aufweist.
-
So kann z.B. als Material für den Schwinger ein Halbleiter eingesetzt
werden, auf dessen Oberfläche als leitende Gegenelektroden leitende Beläge oder
dergleichen angebracht sind. Der Einsatz eines solchen mit leitenden Flächen versehenen
Schwingers z.B.
-
aus Silizium erlaubt eine Abwandlung der Anordnung in der Weise, daß
als Ausgangsschwingungswandler jetzt eine Halbleiteranordnung anstelle des elektrostatischen
Wandlers eingesetzt werden kann.
-
Wie Fig.18 zeigt, ist ein Schwinger 160 aus Silizium an einer Grundfläche
161 befestigt. Der Eingangswandler besteht aus einer feststehenden Elektrode 162und
aus einem leitenden Belag 163 auf dem Schwinger gegenüber der feststehenden Elektrode
162.
-
Der Ausgangswandler wird durch einen Piezowiderstand 164 gebildet,
der in den Siliziumschwinger 160 vorzugsweise an der Stelle größter Schwingungsbiegung
integriert ist. Hier liefert also der Piezowiderstand 164 die Ausgangsspannung.
Wenn mehrere Piezowiderstände richtig orientiert auf dem Schwinger angebracht werden,
so können Anordnungen mit maximaler Biegungsempfindlichkeit bei unterschiedlichem
Vorzeichen erzielt werden, die, in einer Brückenschaltung angeordnet, bei Nichtabgleich
ein Signal abgibt.
-
Ein solcher Ausgangswandler weist einen niedrigen Ausgangswiderstand
auf und ist verträglich mit der Technik der integr2 rten Schaltkreise. Eine solche
Anordnung erspart den Einsatz eines Feldeffekttransistors, dessen hoher Eingangswiderstand
sonst zur Impedanzanpassung an einen elektrostatischen Ausgangswandler
benötigt
wird. Diese Anordnung vermindert auch den Einfluß von Streukapazitäten und kann
die Empfindlichkeit verbessern Ein anderer, in Fig.19 dargestellter Halbleiter-Ausgangswandler
beruht auf der Druckempfindlichkeit von PN-Übergängen. Eine Planar-Flächendiode
170 ist in die Oberflche des Silisiumschwingers 160 im Bereich größter Schwingungsbiegung
integriert. Ihr gegenüber befindet sich auf der anderen Schwingerseite eine Kerbe.
Der Diodensperrstrom wächst ans wenn der Schwinger in die eine Richtung abgebogen
wirdg und fällt ab bei Biegen in der anderen Richtung. Eine lineare Abhängigkeit
zwischen Biegungs-und Stromänderung ist dabei erzielbar Eine andere Abwandlung der
Grundkonfiguration besteht darin, daß bei dem elektromechanischen Schwinger entweder
der elektrostatischeEin- oder Ausgangswandler durch einen magnetostriktiven ersetzt
wird. Solch ein Schwinger mit einem elektrostatischen und einem magnetostriktiven
Wandler bildet eine 2Tor-Einheit, die bei Resonanz wie ein elektrischer Gyrator
sich verhält, wenn sich die beiden Wandler elektromechanisch analog zueinander verhalten
Dieser abgestimmte Gyrator ist alleinig mit passiven Baue-lementen realisierbar
7 während die bekannten elektrischen Gyratoren zu ihrer Realisierung eine Anzahl
von aufwendigen aktiven Bauelementen benötigen.
-
Eine solche Anordnung ist in Fig.20 dargestellt Auf einem isolierendem
Substrat 180 befindet sich eine Elektrode 181 mit ihrem Anschluß 182. Ein metallischer
Schwinger 181> der die Elektrode 181 überspannt, ist mittels eines Befestigungsstückes
184 auf dem Substrat 180 befestigt und weist den Anschluß 185 auf. Der elektrostatische
Schwingungswandler wird nun aus der Elektrode 181 und dem ihr gegenüberstehenden
Teil des Schwingers 183 gebildet, wobei die benötigte und nicht eingezeichnete Vorspannung
zwischen den Anschlüssen 182 und 185 angelegt wird.
-
Auf der Oberseite des Schwingers 183 ist eine Isolierschicht 186
und
darauf eine Schicht magnetostriktiven Materials aufgebracht von dem dünne Querstege
so entfernt wurden daß eine mäanderförmig verlaufende Strombahn entsteht, die als
gestrichelte Linie zwischen en Anschlüssen 189 und 590 eingezeichnet ist.
-
Zwischen den Anschlüssen 189 und 90 wird eine Vorspannung angelegt.
-
die 'Der auch durch permanenten Magnetismus ersetzt werden kann.
-
Wenn der magnetostriktive Wandler als Eingangswandler eingesetzt wird
wird das der Vorspannung überlagerte Eingangssignal über die Anschlüsse 189 und
190 zugeführt und regt den Vibrator durch Magnetostriktion senkrecht zur Strompfadebene
zum Schwingen an.
-
Das Schwingen des Schwingers verursacht dann Kapazitätsänderungen
beim elektrostatischen Wandler, der als Ausgangswandler dient.
-
Umgekehrt wird der Schwinger 183 aber auch durch ein Signal an denAnschlüsse
182 und 185 des elektrostatischen Wandlers zum Schwingen angeregt. Diese Schwingungem
verm@@achen wiederum Änderungen des durch das Magnetostriktive Mot@@@ fl@@@@rden
Stromes und liefern 6 Patentansprüche 5 Bl.Zeichnungen