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DE8701634U1 - Temperature-sensitive quartz oscillator - Google Patents

Temperature-sensitive quartz oscillator

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Publication number
DE8701634U1
DE8701634U1 DE8701634U DE8701634U DE8701634U1 DE 8701634 U1 DE8701634 U1 DE 8701634U1 DE 8701634 U DE8701634 U DE 8701634U DE 8701634 U DE8701634 U DE 8701634U DE 8701634 U1 DE8701634 U1 DE 8701634U1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
angle
quartz
temperature
quartz oscillator
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
DE8701634U
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German (de)
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WC Heraus GmbH and Co KG
Original Assignee
WC Heraus GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by WC Heraus GmbH and Co KG filed Critical WC Heraus GmbH and Co KG
Priority to DE8701634U priority Critical patent/DE8701634U1/en
Publication of DE8701634U1 publication Critical patent/DE8701634U1/en
Expired legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/02007Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02015Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles
    • H03H9/02023Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles consisting of quartz
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/32Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using change of resonant frequency of a crystal
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/19Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator consisting of quartz

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

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HeraeUs GmbHHeraeus GmbH

GebrauchsmusteranmeldungUtility model application

"Tempefaturempfindlicher Schwingquarz""Temperature-sensitive quartz oscillator"

Die Neuerung betrifft einen temperaturempfindiicher Schwingquarz mit wenigstens zwei zueinander parallelen oberflächen von annähernd gleicher Größe* die mit einem durch je eine elektrische, mechanische und optische Achse gebildeten x-y-z-Koordinatensystem des Quarz-Kristalls einen vorgegebenen Schnittwinkel bilden, wobei der von einer der beiden oberflächen Und der elektrischen (x-)Achse eingeschlossene Winkel^ innerhalb eines den Winkel 0° einschließenden Toleranzbereiches liegt.The innovation concerns a temperature-sensitive quartz oscillator with at least two parallel surfaces of approximately the same size* which form a predetermined intersection angle with an x-y-z coordinate system of the quartz crystal formed by an electrical, mechanical and optical axis, whereby the angle enclosed by one of the two surfaces and the electrical (x) axis lies within a tolerance range including the angle 0°.

AUs der US-PS 3,486,023 ist ein temperatursensitiver Quarz bekannt, der aufgrund des sogenannten y-Schnittes einen hohen Temperaturkoeffizienten aufweist. Y-Schnitt bedeutet hierin, daß der Schnitt durch die sogenannte y-Ebene verläuft, welche von der x- und z-Achse aufgespannt wird; dies bedeutet, daß der von der Schnittfläche und der elektrischen x-Achse eingeschlossene Winkel0O° beträgt, dies gilt auch für den von der Schnittfläche und der optischen z-Achse eingeschlossene Winkel© * Da im Bereich 0=0 der aus Temperaturkoeffizientänderung pro Winkeländerung gebildete Differenzenquotient verhältnismäßig groß ist, muß zwecks eindeutiger Zuordnung der erzeugten Frequenz zur Temperatur ein möglichst präziser Schnitt innerhalb eines sehr engen Toleranzbereiches erfolgen; anderenfalls müßte die Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur bei jedem einzelnen Quarz vor seinem Einsatz ermittelt werden.A temperature-sensitive quartz is known from US-PS 3,486,023 which has a high temperature coefficient due to the so-called y-cut. Y-cut means here that the cut runs through the so-called y-plane, which is spanned by the x and z axes; this means that the angle enclosed by the cut surface and the electrical x-axis is 00°, this also applies to the angle enclosed by the cut surface and the optical z-axis. * Since in the range 0=0 the difference quotient formed from the temperature coefficient change per angle change is relatively large, in order to clearly assign the generated frequency to the temperature, the cut must be as precise as possible within a very narrow tolerance range; otherwise the dependence of the frequency on the temperature would have to be determined for each individual quartz before it is used.

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Die Wettening stallt sich die Aufgäbe/ Schwingquarze, insbesondere Vom Typ des Dickenschwingers, mit eineit, möglichst großen Temperatürkoeffizienten zu schaffen, wobei in einer Serienfertigung möglichst geringe Exemplarstreuungen auftreten sollendWettening has set itself the task of creating quartz oscillators, in particular of the thickness oscillator type, with the largest possible temperature coefficient, whereby the smallest possible variation between specimens should occur in series production.

Die Aufgabe wird neuerungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The problem is solved according to the invention by the characterizing features of claim 1.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zueinander parallelen Oberflächen kreisförmig ausgebildet, wobei jeweils die Mittelpunkte der beiden Kreisflächen auf einer gemeinsamen, sie senkrecht durchsetzenden Achse liegen und die zwischen beiden oberflächen befindliche Ummantelung eine nach außen gerichtete, sich über ihren gesamten Umfang erstreckende Ausbuchtung aufweist.In a preferred embodiment, the surfaces parallel to one another are circular, with the centers of the two circular surfaces lying on a common axis that passes through them perpendicularly, and the casing located between the two surfaces having an outward-facing bulge that extends over its entire circumference.

Als vorteilhaft erweist sich nach der Neuerung, daß insbesondere in der Großserienfertigung hergestellte Schwingquarze innerhalb eines, technisch gut zu handhabenden Toleranzbereiches mit praktisch konstantem Temperaturkoeffizienten hergestellt werden können, so daß mit solchen Quarzen ausgestattete Temperatursensoren nach einer Einpunkt-Kalibration bzw. Nullpuhkt-Kälibration an vorgegebene Auswerteeinheiten angeschlossen werden können; dabei erweist sich irisbesondere die einfache Austauschbarkeit von Temperatursensoren als vorteilhaft.The innovation has proven to be advantageous in that quartz oscillators, particularly those produced in mass production, can be manufactured within a technically easy-to-manage tolerance range with a practically constant temperature coefficient, so that temperature sensors equipped with such quartz can be connected to specified evaluation units after a single-point calibration or zero-point calibration; the easy exchangeability of temperature sensors is particularly advantageous.

Im folgenden ist der Gegenstand der Neuerung anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.The subject of the innovation is explained in more detail below using Figures 1 to 3.

Figur 1 zeigt die schnittebene der Oberfläche in der durch Koordinaten angedeuteten kristallinen Struktur des Quarzes; Figur 2a zeigt einen mit kreisförmigen Oberflächen versehenen Schwingquarz, während Figur 2b einen Querschnitt durch den Quarz dargestellt. Figur 3a zeigt einen Schwingquarz mit segmentierten Kreisflächen, wobei die geometrischen Verhältnisse anhand der Figur 3b erläutert sind.Figure 1 shows the cutting plane of the surface in the crystalline structure of the quartz indicated by coordinates; Figure 2a shows a quartz oscillator with circular surfaces, while Figure 2b shows a cross section through the quartz. Figure 3a shows a quartz oscillator with segmented circular surfaces, the geometric relationships being explained using Figure 3b.

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Gemäß Figur 1 entspricht die x-Achse des Koordinatensystems der elektrischen* die Y'-Achse der mechanischen und die z^Achse der optischen Achse der Kristallstruktur des Quarzes. Der von der Ebene der oberfläche 2 des Quarzes und der x-Achse eingeschlossene Schnittwinkel fliegt zwischen 1 und *-l°, während der von der Ebene der oberfläche 2 und der z-Achse eingeschlossene Winkel 0 im Bereich von 3 bis 6° öder im Bereich von 68 bis 72° liegt; vorzugsweise liegt der Sennit twinkeiö im Befeien zwischen 15* Und -15*, während der Winkel© im Bereich von 4° 8* ~3· bzw. im Bereich von 70° ~3' liegt. Im Bereich von0 «*4° weist der Temperaturkoeffizient ein Maximum auf, wobei auch geringfügig über oder unter dem Wert 4° liegende Schnittwinkel nur eine äußerst geringe Änderung des Temperaturkoeffizienten erkennen lassen; weiterhin weist der Temperaturkoeffizient im Bereich von0*7O° ein ausgeprägtes Minimum auf, so daß auch in diesem Bereich eine Toleranzzone mit äußerst geringer Änderung des Temperaturkoeffizienten vorliegt; zwischen diesen beiden Winkeln befindet sich bei© ^30° ein Nulldurchgang der Funktion des Temperaturkoeffizienten, d.h. in diesem Punkt haben Temperaturänderungen keinen Einfluß auf das Schwingverhalten des Quarzes.According to Figure 1, the x-axis of the coordinate system corresponds to the electrical axis, the Y'-axis to the mechanical axis and the z^-axis to the optical axis of the crystal structure of the quartz. The intersection angle enclosed by the plane of the surface 2 of the quartz and the x-axis is between 1 and *-1°, while the angle 0 enclosed by the plane of the surface 2 and the z-axis is in the range from 3 to 6° or in the range from 68 to 72°; preferably the sennite angle is between 15* and -15*, while the angle © is in the range from 4° 8* ~3· or in the range from 70° ~3'. The temperature coefficient is at a maximum in the range from 0 to 4°, whereby even intersection angles slightly above or below the value of 4° only show an extremely slight change in the temperature coefficient; Furthermore, the temperature coefficient has a pronounced minimum in the range of 0*70°, so that in this range there is also a tolerance zone with extremely small changes in the temperature coefficient; between these two angles there is a zero crossing of the function of the temperature coefficient at © ^30°, i.e. at this point temperature changes have no influence on the oscillation behavior of the quartz.

Gemäß Figur 2a weist der Quarz zwei kreisrunde, ebene Oberflächen 2 auf, die zueinander axial angeordnet sind. Zwischen beiden oberflächen ist eine sich über den gesamten Umfang erstreckende, facettierte Mantelfläche 3 angeordnet, durch die eine hohe Güte des Schwingquarzes erzielt werden soll. Die Facettierung besteht aus einer umlaufenden, trapezförmigen Ausbuchtung, wodurch sich der Querschnitt gemäß Figur 2b als breitgezogenes Achteck darstellt. Der Quarz 1 weist einen Durchmesser von ca. 4,5 mm auf und eine Stärke von etwa 0,1 mm; die Frequenz beträgt 16,75 niHz ~50 kHz bei einer Temperatur von 25 °c, wobei eine Güte von wenistens 5000 erzielt wird.According to Figure 2a, the quartz has two circular, flat surfaces 2, which are arranged axially to one another. Between the two surfaces there is a faceted surface 3 extending over the entire circumference, which is intended to achieve a high quality of the quartz oscillator. The faceting consists of a circumferential, trapezoidal bulge, whereby the cross section according to Figure 2b is represented as a broad octagon. The quartz 1 has a diameter of approx. 4.5 mm and a thickness of approx. 0.1 mm; the frequency is 16.75 niHz ~50 kHz at a temperature of 25 °C, whereby a quality of at least 5000 is achieved.

Zum Einsatz als Temperatursensor werden die Oberflächen 2 durch Massenbedampfung mit Silberelektroden 5 versehen. Die Elektroden 5 überlappen sich im Inneren der Scheibe kreisförmig und haben seitliche Auswüchse 6 nach mehreren Seiten, um eine seitliche Kontaktierung durch die hier nicht dargestellten im Temperatursensorgehäuse befindlichen Klemmfedern zu gewährleisten. Die Elektroden 5 sind zwecks besserer Übersicht in Figur 2b überproportional dargestellt. Der Quarz wird durch hochteraperaturfeste Leitfähigkeitskleber in den Klemmfedern gehalten; der Quarz ist von einerFor use as a temperature sensor, the surfaces 2 are provided with silver electrodes 5 by mass vapor deposition. The electrodes 5 overlap in a circular manner inside the disk and have lateral projections 6 on several sides to ensure lateral contact by the clamping springs (not shown here) located in the temperature sensor housing. The electrodes 5 are shown disproportionately in Figure 2b for the sake of a better overview. The quartz is held in the clamping springs by high-temperature conductive adhesives; the quartz is surrounded by a

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Afgori-SGhUtzgasatmosphäre im hermetisch dichten EdeistahlgehäUse umgeben.- Die Außenseite des EdeistahigehaUses ist glalt Und damit tür die industrielle TempefatUrmeßtechnik geeignet} GehaUseboäen Und anschließende Rohre sind lasergeschweißti wobei der Gehäuseboden !zwei Drückgiäsdurchführungen tür AnsthlüßstiEte enthält. Die Klemmfedern im Inneren des Gehäuses sind mit den Anschlußstiften durch Punktschweißung verbünden.The stainless steel housing is surrounded by an air-tight protective gas atmosphere. The outside of the stainless steel housing is smooth and therefore suitable for industrial temperature measurement technology. The housing base and the connecting pipes are laser welded, with the housing base containing two die -cast leadthroughs for connection pins. The clamping springs inside the housing are connected to the connection pins by spot welding.

Der Aro^'icsoere'icn aes systems liege Dex Temperaturen zwiscnen -hu una &tgr;&ogr;&ugr;&ugr; -cThe aro^'icsoer'icn of the system lies Dex temperatures between -hu and &tgr;&ogr;&ugr;&ugr; -c

Eine weitere Form des Quarzes 1 ist in Figur 3a dargestellt; die Oberflächen 2 weisen die Form von segnientierten Kreisen gemäß Figur 3b auf, wobei jeweils zwei Sekanten 2' sich gegenüberliegen und parallel verlaufen. Durch die Segmentierung weist dieser Quarz eine ähnlich hohe Güte auf wie der anhand der Figur 2 beschriebet, wobei auf eine Facettierung der Mantelfläche 4 verzichtet werden kann. Die Elektrodenaufbringung und Halterung im Temperatursensorgehäuse entsprechen der anhand der Figur 2 erläuterten AusEührungsform.Another form of quartz 1 is shown in Figure 3a; the surfaces 2 have the shape of segmented circles according to Figure 3b, with two secants 2' lying opposite each other and running parallel. Due to the segmentation, this quartz has a similarly high quality to that described in Figure 2, whereby faceting of the outer surface 4 can be dispensed with. The electrode application and mounting in the temperature sensor housing correspond to the embodiment explained in Figure 2.

Claims (5)

&bull; · Hanau. 27. Januar 1987 ZPL-Ga/gr/0199F W-C. Heraeus GmbH Gebrauchsrausteranmeldung "Temperaturempfindlicher Schwingquarz" Schutzansprüche&bull; · Hanau. 27 January 1987 ZPL-Ga/gr/0199F W-C. Heraeus GmbH Utility model application "Temperature-sensitive quartz crystal" Protection claims 1. Temperaturempfindlicher Schwingquarz mit wenigstens zwei zueinander parallelen Oberflächen von annähernd gleicher Größe, die mit einem durch je eine elektrische, mechanische und optische Achse gebildeten x-y-z-Koordinatensystem des Quarz-Kristalls einen vorgegebenen Schnittwinkel bilde,., wobei der von einer der beiden Oberflächen und der elektrischen (x-)Achse eingeschlossene Winkel Q innerhalb eines den Winkel 0° einschließenden Toleranzbereiches liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Toleranzbereich des Winkels Q zwischen +1° und -1° liegt und daß der von einer der oberflächen und der optischen (z-)Achse eingeschlossene Winkel &thgr; entweder im Bereich von 3 bis 6° oder im Bereich von 68 bis 72° liegt.1. Temperature-sensitive quartz oscillator with at least two mutually parallel surfaces of approximately the same size, which form a predetermined intersection angle with an xyz coordinate system of the quartz crystal formed by an electrical, mechanical and optical axis, wherein the angle Q enclosed by one of the two surfaces and the electrical (x) axis lies within a tolerance range including the angle 0°, characterized in that the tolerance range of the angle Q lies between +1° and -1° and that the angle θ enclosed by one of the surfaces and the optical (z) axis lies either in the range from 3 to 6° or in the range from 68 to 72°. 2. Schwingquarz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander parallelen oberflächen (2) kreisförmig ausgebildet und zueinander axial angeordnet sind, wobei jeweils die Mittelpunkte der beiden Kreisflächen auf einer gemeinsamen, sie senkrecht durchsetzenden Achse liegen.2. Quartz oscillator according to claim 1, characterized in that the mutually parallel surfaces (2) are circular and arranged axially to one another, the centers of the two circular surfaces lying on a common axis passing through them perpendicularly. titi 'ti'ti 4*4* 4 t · 4 tons · 3. Schwingquarz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bereich der Mitte des Abstandes der beiden oberflächen die zwischen den beiden Oberflächen befindliche Mantelfläche (3) eine nach außen gerichtete, sich über ihren gesamten Umfang erstreckende Ausbuchtung (31) aufweist.3. Quartz oscillator according to claim 2, characterized in that the jacket surface (3) located between the two surfaces in the region of the middle of the distance between the two surfaces has an outwardly directed bulge (3 1 ) extending over its entire circumference. 4. Schwingquarz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtung (31) trapezförmig ausgebildet ist.4. Quartz crystal according to claim 3, characterized in that the bulge (3 1 ) is trapezoidal. 5. Schwingquarz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen (2) als segtnentierte Kreise mit sich gegenüberliegenden, parallelen Sekanten (2') ausgebildet sind, die zueinander kongruent sind.5. Quartz oscillator according to claim 1, characterized in that the surfaces (2) are designed as segmented circles with opposing, parallel secants (2') which are congruent to one another. K 111) K I Ii lllltK 111) K I Ii llllt IIII I I I I I I I IIII I < · I* Il I 1411 6*4 < · I* I 1411 6*4 It· Il IaI ItIlIIt· Il IaI ItIlI III Il 1114* IIII 1114* I
DE8701634U 1987-02-04 1987-02-04 Temperature-sensitive quartz oscillator Expired DE8701634U1 (en)

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