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Dokumentenidentifikation DE112006000022T5 05.04.2007
Titel Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator
Anmelder Murata Manufacturing Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto, JP
Erfinder Kaida, Hiroaki, Nagaokakyo, Kyoto, JP;
Sakaguchi, Hitoshi, Nagaokakyo, Kyoto, JP;
Hase, Takashi, Nagaokakyo, Kyoto, JP;
Inoue, Jiro, Nagaokakyo, Kyoto, JP
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Aktenzeichen 112006000022
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 23.02.2006
PCT-Aktenzeichen PCT/JP2006/303268
WO-Veröffentlichungsnummer 2006103852
WO-Veröffentlichungsdatum 05.10.2006
Date of publication of WO application in German translation 05.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.04.2007
IPC-Hauptklasse H03H 9/17(2006.01)A, F, I, 20060223, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03H 9/02(2006.01)A, L, I, 20060223, B, H, DE   H01L 41/09(2006.01)A, L, I, 20060223, B, H, DE   H01L 41/187(2006.01)A, L, I, 20060223, B, H, DE   H01L 41/22(2006.01)A, L, I, 20060223, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen energiespeichernden piezoelektrischen Dickendehnungsresonator, der mit einem Dickendehnungsschwingungsmodus arbeitet und so konfiguriert ist, dass er temperaturbedingte Änderungen in einer Resonanz- oder Antiresonanzfrequenz einer Reaktion eines zu verwendenden Dickendehnungsschwingungsmodus unterdrückt.

Zugrundeliegende Technik

Bisher wurden piezoelektrische Resonatoren für verschiedene piezoelektrische Resonanzteile wie zum Beispiel piezoelektrische Oszillatoren und piezoelektrische Filter verwendet. Ferner sind piezoelektrische Resonatoren bekannt, die mit verschiedenen piezoelektrischen Schwingungsmodi entsprechend einer benutzten Frequenz arbeiten.

In der nachfolgend beschriebenen Patentschrift 1 wird zum Beispiel ein in 22 dargestellter piezoelektrischer Dickendehnungsresonator 101 offenbart. Der piezoelektrische Dickendehnungsresonator 101 ist ein energiespeichernder piezoelektrischer Resonator, der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung eines Dickendehnungsschwingungsmodus arbeitet. Hier wird ein streifenförmiger piezoelektrischer Körper 102 in Form einer rechteckigen Platte verwendet. Auf der Oberseite des piezoelektrischen Körpers 102 ist eine erste Resonanzelektrode 103 ausgebildet, und auf der Unterseite ist eine zweite Resonanzelektrode 104 ausgebildet. Die Unterseite und die Oberseite der Resonanzelektroden 103 bzw. 104 liegen einander durch den piezoelektrischen Körper 102 im Mittelteil des piezoelektrischen Körpers 102 in dessen Längsrichtung gegenüber. Die Resonanzelektroden 103 und 104 sind so ausgebildet, dass sie sich über die volle Breite des piezoelektrischen Körpers 102 erstrecken.

Wenn die Breite des piezoelektrischen Körpers 102 mit W bezeichnet wird, die Dicke mit t bezeichnet wird und d = t/3, dann ist W/d auf 7,7 oder kleiner eingestellt. Infolgedessen kann eine unerwünschte Störung unterdrückt werden, die auftritt, wenn eine Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung verwendet wird.

In der nachfolgend beschriebenen Patentschrift 2 wird dagegen ein ähnlicher energiespeichernder piezoelektrischer Resonator offenbart, der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung arbeitet. Wenn hier das Verhältnis W/T der Breite W des piezoelektrischen Körpers zur Dicke T auf einen speziellen Bereich eingestellt wird, kann eine unerwünschte Störung zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz und in deren Nähe wirksam unterdrückt werden.

In der nachfolgend beschriebenen Patentschrift 3 wird offenbart, dass bei einem energiespeichernden piezoelektrischen Resonator, der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung arbeitet, für den piezoelektrischen Körper ein komplexes Perowskitoxid einer speziellen Zusammensetzung verwendet wird, die Pb, Ti, Li, Sr und Mn enthält, wodurch die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz verbessert wird. Das heißt, in der Patentschrift 3 wird offenbart, dass temperaturbedingte Änderungen in der Schwingungsfrequenz bei –20°C bis +80°C verringert werden können.

  • Patentschrift 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 1999-8527
  • Patentschrift 2: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 1998-290139
  • Patentschrift 3: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 1999-130526

Offenbarung der Erfindung

In den letzten Jahren wurde bei piezoelektrischen Oszillatoren zunehmend verlangt, temperaturbedingte Änderungen in der Schwingungsfrequenz zu verringern.

So wurde zum Beispiel verlangt, dass im Temperaturbereich von 0 bis 70°C die Änderungen in der Schwingungsfrequenz im Bereich von ungefähr ±100 ppm bei Raumtemperatur liegen.

Bei dem in der oben beschriebenen Patentschrift 3 offenbarten piezoelektrischen Oszillator, der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung eines Dickendehnungsschwingungsmodus arbeitet, werden temperaturbedingte Änderungen in der Schwingungsfrequenz verringert, indem ein piezoelektrischer Körper einer speziellen Zusammensetzung verwendet wird. Wenn man jedoch nur eine solche Auswahl an Materialien hat, ist es sehr schwierig, dass der Betrag der Änderungen in der Schwingungsfrequenz zum Beispiel im Temperaturbereich von 0 bis 70°C in einen Bereich von ±100 ppm fällt. Bei einem durch das Bezugszeichen 14 in 1 der Patentschrift 3 angegebenen piezoelektrischen Oszillator wird zum Beispiel die oben beschriebene Anforderung nicht erfüllt.

Ferner ändert sich die Frequenz-Temperatur-Charakteristik des piezoelektrischen Resonators gemäß den verschiedenen Bedingungen, zum Beispiel gemäß einer Polarisationsspannung, wenn die zu verwendenden piezoelektrischen Körper hergestellt werden, oder gemäß einer Temperatur der Wärmebehandlung nach der Polarisation. Selbst wenn die Temperaturcharakteristik durch entsprechende Einstellung der Zusammensetzung gesteuert werden kann, besteht daher die Gefahr, dass sich die Temperaturcharakteristik in Abhängigkeit von den verschiedenen Bedingungen der eigentlichen Herstellungsschritte von der konstruktionsbedingten Temperaturcharakteristik unterscheidet. Das heißt, es war bis jetzt sehr schwierig, die Temperaturcharakteristik allein durch Einstellen der Zusammensetzung der Materialien, aus denen ein piezoelektrischer Körper hergestellt wird, genau festzulegen.

Außerdem waren viele Experimente und viel Zeit für die Entwicklung von Materialien, wie zum Beispiel die Auswahl des Bereichs der Zusammensetzung, notwendig, und es war nicht einfach, die erforderliche Temperaturcharakteristik zuverlässig herauszufinden, was viel Arbeitsaufwand erfordert hat.

Bei den piezoelektrischen Resonatoren der oben beschriebenen Patentschriften 1 und 2 wird dagegen eine unerwünschte Störung zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz unterdrückt. Um eine solche Störung zu unterdrücken, müssen die Maße des oben beschriebenen piezoelektrischen Resonators in einem speziellen Bereich liegen. In den Patentschriften 2 und 3 wird jedoch beschrieben, dass die Frequenzcharakteristik verbessert wird, wenn die unerwünschte Störung unterdrückt oder verschoben wird, aber über die Temperaturcharakteristik der Resonanzfrequenz an sich wird nichts ausgesagt. Das heißt, in den Patentschriften 2 und 3 wird davon ausgegangen, dass die Störung unterdrückt wird, wenn die Abmessungen des piezoelektrischen Körpers entsprechend eingestellt werden. Infolgedessen hat der piezoelektrische Resonator verschiedene Temperaturcharakteristiken in Abhängigkeit von den Abmessungen, mit denen eine solche Unterdrückung der Störung möglich ist. Es war daher schwierig, Änderungen in der Charakteristik infolge von Temperaturänderungen zu verringern. Das heißt, es konnte nur schwer erreicht werden, dass die Änderungen in der Charakteristik im Temperaturbereich von 0 bis 70°C ±100 ppm oder weniger betragen.

Angesichts der oben beschriebenen gegenwärtigen Umstände auf diesem Gebiet ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator mit einer überlegenen Frequenz-Temperatur-Charakteristik bereitzustellen, bei dem Änderungen in der Frequenzcharakteristik über einen weiten Temperaturbereich unterdrückt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein energiespeichernder piezoelektrischer Dickendehnungsresonator bereitgestellt, der mit einem Dickendehnungsschwingungsmodus arbeitet und Folgendes umfasst: ein piezoelektrisches Substrat mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei das piezoelektrische Substrat in einer die Oberseite und die Unterseite verbindenden Dickenrichtung polarisiert ist; und eine erste und eine zweite Resonanzelektrode, die jeweils auf Abschnitten der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Substrats ausgebildet sind und die so angeordnet sind, dass sie einander mit dem piezoelektrischen Substrat dazwischen gegenüberliegen, wobei zwecks Unterdrückung von temperaturbedingten Frequenzänderungen einer Reaktion des Dickendehnungsschwingungsmodus, die eine Hauptreaktion zur Verwendung einer Resonanzcharakteristik darstellt, eine Unterdrückungsreaktion mit einer temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz zum Unterdrücken von temperaturbedingten Frequenzänderungen der Hauptreaktion mit der Hauptreaktion gekoppelt ist, um temperaturbedingte Frequenzänderungen der Hauptreaktion zu unterdrücken.

In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff "Kopplung" einen Zustand, in dem Unterdrückungsreaktionen in unmittelbare Nähe zueinander gebracht und zwei Schwingungsmodi gemischt werden.

In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonators zeigt die Unterdrückungsreaktion eine temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung einer temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz der Hauptreaktion.

In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonators liegt die temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Unterdrückungsreaktion in derselben Richtung wie die temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Hauptreaktion, und die Frequenzänderungen der Unterdrückungsreaktion sind kleiner als die temperaturbedingten Frequenzänderungen der Hauptreaktion.

In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonators hat das piezoelektrische Substrat eine sich in Längsrichtung erstreckende Streifenform, sind die erste und die zweite Resonanzelektrode so ausgebildet, dass sie sich jeweils im mittleren Bereich in Längsrichtung der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Substrats über die volle Breite des piezoelektrischen Substrats erstrecken, und ist die Unterdrückungsreaktion eine aus der Breitenabmessung des piezoelektrischen Substrats resultierende Reaktion.

In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonators ist mindestens eine Resonanzfrequenz der aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion höher als die Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion.

In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonators ist, wenn die Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion mit Fa(TE) bezeichnet wird und die Resonanzfrequenz der aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion mit Fr(WH) bezeichnet wird, (Fr(WH) – Fa(TE))/Fa(TE) größer als 0 und kleiner oder gleich 0,04, zumindest an der Obergrenze des verwendeten Temperaturbereichs. Vorzugsweise wird der oben beschriebene Bereich über den Gesamtbereich jedes verwendeten Temperaturbereichs erfüllt.

In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonators ist mindestens eine aus der Breitenabmessung resultierende Reaktion niedriger als die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion.

In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonators ist, wenn die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion mit Fr(TE) bezeichnet wird und die Antiresonanzfrequenz der aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion mit Fa(WL) bezeichnet wird, (Fr(TE) – Fa(WL))/Fr(TE) größer als 0 und kleiner oder gleich 0,04, zumindest an der Untergrenze des verwendeten Temperaturbereichs. Vorzugsweise wird der oben beschriebene Bereich über den Gesamtbereich jedes verwendeten Temperaturbereichs erfüllt.

In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonators umfasst die aus der Breitenabmessung resultierende Reaktion eine erste Reaktion bei einer Frequenz, die höher ist als die Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion, und eine zweite Reaktion bei einer Frequenz, die niedriger ist als die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion.

In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonators ist, wenn die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion mit Fr(TE) bezeichnet wird, die Antiresonanzfrequenz mit Fa(TE) bezeichnet wird, die Resonanzfrequenz der ersten Reaktion mit Fr(WH) bezeichnet wird und die Antiresonanzfrequenz der zweiten Reaktion mit Fa(WL) bezeichnet wird, (Fr(WH) – Fa(TE))/Fa(TE) größer als 0 und kleiner oder gleich 0,04, zumindest an der Obergrenze des verwendeten Temperaturbereichs, und (Fr(TE) – Fa(WL))/Fr(TE) ist größer als 0 und kleiner oder gleich 0,04, zumindest an der Untergrenze des verwendeten Temperaturbereichs. Vorzugsweise wird der oben beschriebene Bereich über den Gesamtbereich jedes verwendeten Temperaturbereichs erfüllt.

Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator können verschiedene Dickendehnungsschwingungsmodi verwendet werden. Zum Beispiel kann als Hauptreaktion eine Oberschwingungsreaktion der Dickendehnungsschwingung verwendet werden. In einer begrenzteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Dickendehnungsresonator bereitgestellt, der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung arbeitet.

Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator kann ferner eine Innenelektrode aus mindestens einer Schicht in dem piezoelektrischen Substrat der ersten und der zweiten Resonanzelektrode gegenüberliegend angeordnet sein, wobei sich dazwischen eine Schicht aus einem piezoelektrischen Substrat befindet.

Vorteile

Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator sind eine erste und eine zweite Resonanzelektrode jeweils auf der Oberseite und der Unterseite eines piezoelektrischen Substrats so ausgebildet, dass sie einander mit dem piezoelektrischen Substrat dazwischen gegenüberliegen, wobei das piezoelektrische Substrat in Dickenrichtung polarisiert ist. Eine Resonanzcharakteristik, bei der ein energiespeichernder Dickendehnungsschwingungsmodus verwendet wird, kann man daher erhalten, indem ein elektrisches Wechselfeld von der ersten und der zweiten Resonanzelektrode angelegt wird. Um zwecks Verwendung einer Resonanzcharakteristik temperaturbedingte Frequenzänderungen einer Hauptreaktion zu unterdrücken, wird darüberhinaus eine Unterdrückungsreaktion mit einer temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz zum Unterdrücken von Frequenzänderungen mit einer Hauptreaktion gekoppelt, um temperaturbedingte Frequenzänderungen der Hauptreaktion zu unterdrücken. Es ist daher möglich, einen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator mit einer überlegenen Temperaturcharakteristik bereitzustellen, bei dem temperaturbedingte Frequenzänderungen einer zu verwendenden Hauptreaktion verringert sind.

Da bei der vorliegenden Erfindung eine Unterdrückungsreaktion mit einer temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz zum Unterdrücken von temperaturbedingten Änderungen einer Resonanzfrequenz und/oder einer Antiresonanzfrequenz, die in der Resonanzcharakteristik erscheint, verwendet wird, kann der Betrag der auf Temperaturänderungen zurückzuführenden Frequenzänderungen im Temperaturbereich von z.B. 0 bis 70°C auf im Wesentlichen ±100 ppm verringert werden.

Bei dem in der oben beschriebenen Patentschrift 3 beschriebenen Verfahren wird sich die Frequenz-Temperatur-Charakteristik infolge einer Polarisationsspannung und einer Wärmebehandlungstemperatur während der eigentlichen Herstellungszeit zwangsläufig ändern, selbst wenn ein piezoelektrischer Körper mit einer Zusammensetzung in einem speziellen Bereich verwendet wird. Im Vergleich dazu kann bei der vorliegenden Erfindung die Frequenz-Temperatur-Charakteristik zuverlässig verbessert werden, da eine Reaktion verwendet wird, die in der Resonanzcharakteristik des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators erscheint.

Bei dem Verfahren zur Verbesserung der Frequenz-Temperatur-Charakteristik aufgrund der in der Patentschrift 3 beschriebenen Entwicklung von Materialien müssen außerdem jedesmal dann, wenn ein piezoelektrischer Resonator einer zu verwendenden Frequenz erhalten werden soll, viele Experimente wiederholt werden. Im Vergleich zu dieser Entwicklung von Materialien ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ohne weiteres einen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator mit der gewünschten Temperaturcharakteristik zu erhalten.

Wenn die Unterdrückungsreaktion eine temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung einer temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz der Hauptreaktion zeigt, wird die temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Unterdrückungsreaktion durch die temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Hauptreaktion aufgehoben, und somit wird die Frequenzänderung der Hauptreaktion unterdrückt.

Die temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Unterdrückungsreaktion kann in derselben Richtung liegen wie die temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Hauptreaktion. Wenn die temperaturbedingte Frequenzänderung der Unterdrückungsreaktion kleiner ist als die temperaturbedingte Frequenzänderung der Hauptreaktion, macht es die temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Unterdrückungsreaktion möglich, die temperaturbedingte Frequenzänderung der Hauptreaktion zu verringern.

Bei der vorliegenden Erfindung hat das piezoelektrische Substrat die Form eines rechteckigen Streifens, der sich in Längsrichtung erstreckt, und es sind eine erste und eine zweite Resonanzelektrode ausgebildet, die sich jeweils im mittleren Abschnitt der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Substrats in Längsrichtung über die volle Breite des piezoelektrischen Substrats erstrecken. Wenn die Unterdrückungsreaktion eine aus der Abmessung des piezoelektrischen Substrats in Breitenrichtung resultierende Reaktion ist, können bei dem streifenförmigen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator temperaturbedingte Frequenzänderungen der Hauptreaktion unterdrückt werden, indem die Abmessung in Breitenrichtung entsprechend gesteuert wird.

Wenn die Resonanzfrequenz mindestens einer aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion höher ist als die Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion, können temperaturbedingte Änderungen in der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion verringert werden. Zumindest an der Obergrenze des verwendeten Temperaturbereichs, vorzugsweise über den gesamten verwendeten Temperaturbereich, können temperaturbedingte Änderungen in der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion wirksamer verringert werden, wenn (Fr(WH) – Fa(TE))/Fa(TE) größer ist als 0 und kleiner oder gleich 0,04.

Die aus der Breitenabmessung resultierende Unterdrückungsreaktion kann niedriger sein als die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion. In diesem Fall können Änderungen in der Resonanzfrequenz der Hauptreaktion unterdrückt werden. Zumindest an der Obergrenze, vorzugsweise über den gesamten verwendeten Temperaturbereich, können temperaturbedingte Änderungen in der Resonanzfrequenz der Hauptreaktion wirksamer unterdrückt werden, wenn (Fr(TE) – Fa(WL))/Fr(TE) größer ist als 0 und kleiner oder gleich 0,04, wie aus den (später zu beschreibenden) Versuchsbeispielen hervorgeht.

Wenn als aus der Breitenabmessung resultierende Reaktionen eine erste Reaktion bei einer höheren Frequenz als der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion und eine zweite Reaktion bei einer niedrigeren Frequenz als der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion vorliegen, können temperaturbedingte Änderungen sowohl der Resonanzfrequenz also auch der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion gemäß der vorliegenden Erfindung wirksam verringert werden.

Zumindest an der Obergrenze und an der Untergrenze jedes verwendeten Temperaturbereichs, vorzugsweise über den gesamten verwendeten Temperaturbereich, können Änderungen in der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion wirksamer unterdrückt werden, wenn (Fr(WH) – Fa(TE))/Fa(TE) größer ist als 0 und kleiner oder gleich 0,04, wie oben beschrieben.

Wenn eine Oberschwingung einer Dickendehnungsschwingung als Hauptreaktion verwendet wird, ist eine Verwendung bei höheren Frequenzen gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, und ferner kann ein piezoelektrischer Dickendehnungsresonator mit einer verbesserten Temperaturcharakteristik gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden. Im Falle eines energiespeichernden piezoelektrischen Dickendehnungsresonators, der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung arbeitet, ist es insbesondere möglich, den piezoelektrischen Dickendehnungsresonator mit einer verbesserten Temperaturcharakteristik gemäß der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.

Wenn der erfindungsgemäße piezoelektrische Dickendehnungsresonator ferner eine Innenelektrode aus mindestens einer Schicht aufweist, ist es möglich, einen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator bereitzustellen, der mit Oberschwingungen verschiedener Dickendehnungsschwingungen entsprechend der Zahl der übereinander liegenden Schichten der Innenelektroden arbeitet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine perspektivische Ansicht von piezoelektrischen Resonanzteilen, bei der ein piezoelektrischer Resonator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einem Montagesubstrat angebracht ist.

2 ist eine schematische Ansicht, in der auf einen Temperaturanstieg zurückzuführende Frequenzänderungen der Resonanzcharakteristik einer Hauptreaktion bei einem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator dargestellt sind.

3 ist eine schematische Ansicht, in der Frequenzänderungen einer Hauptreaktion während eines Temperaturanstiegs und auf einen Temperaturanstieg zurückzuführende Frequenzänderungen einer ersten Unterdrückungsreaktion bei höheren Frequenzen bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator gemäß einer Ausführungsform dargestellt sind.

4 zeigt auf einen Temperaturrückgang zurückzuführende Frequenzänderungen einer Hauptreaktion, wenn in der Nähe der Hauptreaktion keine Unterdrückungsreaktion vorliegt.

5 zeigt Frequenzänderungen einer Hauptreaktion und Frequenzänderungen einer zweiten Unterdrückungsreaktion, wenn die Temperatur herabgesetzt wird.

6 ist eine schematische Darstellung von temperaturbedingungen Änderungen in einer Resonanzfrequenz, wenn keine aus der Breitenabmessung resultierende Unterdrückungsreaktion damit gekoppelt ist, und sie zeigt außerdem, dass eine erste und eine zweite Unterdrückungsreaktion mit einer Hauptreaktion gekoppelt sind und dass die Temperaturcharakteristik bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator gemäß einer Ausführungsform verbessert ist.

7 zeigt Änderungen in Fr·T einer Reaktion einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung, bei der es sich um eine Hauptreaktion handelt, und auf das Verhältnis W/T zurückzuführende Änderungen in Fr·T einer aus der Breitenabmessung resultierenden Unterdrückungsreaktion.

8 ist eine schematische Darstellung von Ergebnissen, bei denen ein Zustand einer Verschiebung der Schwingung eines piezoelektrischen Körpers in Querrichtung in einer durch einen Pfeil D in 7 angedeuteten Position mittels FEM analysiert wird.

9 ist eine schematische Darstellung von Ergebnissen, bei denen ein Zustand einer Verschiebung der Schwingung eines piezoelektrischen Körpers in Querrichtung in einer durch einen Pfeil E von 7 angedeuteten Position mittels FEM analysiert wird.

10 ist eine schematische Darstellung von Ergebnissen, bei denen ein Zustand einer Verschiebung der Schwingung eines piezoelektrischen Körpers in Querrichtung in einer durch einen Pfeil F von 7 angedeuteten Position mittels FEM analysiert wird.

11 ist eine perspektivische Ansicht der Außenseite eines piezoelektrischen Dickendehnungsresonators gemäß einem Vergleichsbeispiel, das zu Vergleichszwecken bereitgestellt wird.

12 zeigt temperaturbedingte Änderungen in der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators gemäß dem in 11 dargestellten Vergleichsbeispiel.

13 zeigt die Impedanzcharakteristik des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators gemäß dem in 11 dargestellten Vergleichsbeispiel bei 0°C, 25°C und 70°C.

14 zeigt die Frequenz-Temperatur-Charakteristik des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators der in 1 dargestellten Ausführungsform.

15(a) bis 15(c) zeigen die Frequenzcharakteristik des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators der in 1 dargestellten Ausführungsform auf der Seite der Antiresonanzfrequenz bei 0°C, 25°C und 70°C bei.

16(a) bis 16(c) zeigen die Frequenzcharakteristik des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators der in 1 dargestellten Ausführungsform bei der Resonanzfrequenz bei 0°C, 25°C und 70°C.

17 ist eine schematische Darstellung der Frequenzunterschiede zwischen einer Hauptreaktion und der ersten und zweiten Unterdrückungsreaktion bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator gemäß dieser Ausführungsform.

18 zeigt die Beziehung zwischen (Fr(TE) – Fa(WL))/Fr(TE), wenn die Temperatur von 0°C auf 70°C geändert wird, und der Geschwindigkeit der temperaturbedingten Änderung Fa·TC der Resonanzfrequenz bei einer Ausführungsform.

19 zeigt die Beziehung zwischen (Fr(WH) – Fa(TE))/Fr(TE), wenn die Temperatur von 0°C auf 70°C geändert wird, und Fa·TC, der Geschwindigkeit der temperaturbedingten Änderung der Resonanzfrequenz, bei einer Ausführungsform.

20 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis W/T bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator gemäß dieser Ausführungsform und der Änderungsgeschwindigkeit der Temperaturcharakteristik einer Reaktion auf Basis des Breitenmodus.

21 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators, auf den die vorliegende Erfindung angewandt wird.

22 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines piezoelektrischen Dickendehnungsresonators auf dem zugehörigen technischen Gebiet.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend am Beispiel spezieller Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

1 ist eine perspektivische Ansicht von piezoelektrischen Resonanzteilen, die einen piezoelektrischen Resonator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden. Ein piezoelektrischer Resonator 1 gemäß dieser Ausführungsform hat einen streifenförmigen piezoelektrischen Körper 2 in Form einer schmalen rechteckigen Platte mit einer Länge von 2,2 mm, einer Breite von 0,54 mm und einer Dicke von 0,25 mm. Der piezoelektrische Körper 2 besteht aus einer piezoelektrischen Keramik auf PbTiO3-Basis und ist in Dickenrichtung polarisiert. Der piezoelektrische Körper 2 kann auch aus einer anderen piezoelektrischen Keramik bestehen.

Bei dem piezoelektrischen Körper 2 beträgt ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient k33 in Dickenrichtung 43,9%, und ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient k31 in Breitenrichtung beträgt 7,7%. Während der oben beschriebenen Polarisation wurde durch Anlegen einer Spannung von 9 kV/mm bei einer Temperatur von 60°C eine Polarisation durchgeführt.

Eine erste Resonanzelektrode 3 mit einer Länge von 0,65 mm und einer Breite von 0,54 mm ist an einer Stelle in der Mitte einer Oberseite 2a des piezoelektrischen Körpers 2 ausgebildet. Eine zweite Resonanzelektrode 4 mit derselben Form wie die erste Resonanzelektrode 3 ist in der Mitte einer Unterseite 2b des piezoelektrischen Substrats 2 der ersten Resonanzelektrode 3 gegenüberliegend ausgebildet, wobei sich dazwischen das piezoelektrische Substrat 2 befindet. Die erste und die zweite Resonanzelektrode 3 und 4 sind so ausgebildet, dass sie sich über die volle Breite des piezoelektrischen Substrats 2 erstrecken.

Auf der Oberseite 2a des piezoelektrischen Substrats 2 ist die erste Resonanzelektrode 3 über eine Verbindungselektrode 5 mit einer auf einer der Stirnflächen 2c des piezoelektrischen Substrats 2 vorgesehenen Endelektrode 6 elektrisch verbunden. Die Endelektrode 6 ist so ausgebildet, dass sie sich von der Oberseite 2a des piezoelektrischen Substrats 2 zu der Stirnfläche 2c erstreckt. Ferner erstreckt sich die Endelektrode 6 von der Stirnfläche 2c zu der Unterseite 2b.

Die Breite der Verbindungselektrode 5, d.h. die Abmessung der Verbindungselektrode in Breitenrichtung des piezoelektrischen Körpers 2, ist auf 0,15 mm eingestellt. Die Abmessung der Endelektrode 6 zwischen dem Endabschnitt auf der Seite der Resonanzelektrode 3 auf der Oberseite 2a des piezoelektrischen Körpers 2 und der Stirnfläche 2c ist auf 0,15 mm eingestellt.

Auf der Unterseite 2b des piezoelektrischen Substrats 2 ist dagegen die zweite Resonanzelektrode 4 über eine Verbindungselektrode 7 mit einer auf einer der Stirnfläche 2c entgegengesetzten Stirnfläche 2d vorgesehenen Endelektrode 8 elektrisch verbunden. Die Endelektrode 8 erstreckt sich von der Stirnfläche 2d zu der Unterseite 2b, und der sich zu der Unterseite erstreckende Abschnitt ist mit der Verbindungselektrode 7 elektrisch verbunden. Die zweidimensionale Form der Verbindungselektrode 7 auf der Unterseite 2d des piezoelektrischen Körpers 2 und der Endelektrode 8 ist ähnlich wie die Form der Verbindungselektrode 5 und der Endelektrode 6.

Die Resonanzelektroden 3 und 4, die Verbindungselektroden 5 und 7 und die Endelektroden 6 und 8 können aus einem geeigneten leitfähigen Material bestehen. Bei dieser Ausführungsform wird eine dünne Silberschicht mit einer Dicke von 0,3 &mgr;m durch Sputtern gebildet.

Gemäß 1 ist der piezoelektrische Dickendehnungsresonator 1 mit Hilfe leitfähiger Klebemittel 9 und 10 mit einem Montagesubstrat 11 verklebt. Das Montagesubstrat 11 besteht aus einem geeigneten Isoliermaterial, wie zum Beispiel einer isolierenden Keramik wie Aluminiumoxid. Auf dem Montagesubstrat 11 sind Elektroden 11a und 11b ausgebildet. Die Elektroden 11a und 11b sind so ausgebildet, dass sie sich von der Oberseite des Montagesubstrats 11 aus über beide Seiten bis zu der Unterseite erstrecken. Die Endelektroden 6 und 8 des piezoelektrischen Resonators 1 sind jeweils mit den Elektroden 11a und 11b über die leitfähigen Klebemittel 9 und 10 elektrisch verbunden und mechanisch gekoppelt.

Um die Schwingung der Schwingungsabschnitte des energiespeichernden piezoelektrischen Dickendehnungsresonators 1 nicht zu behindern, ist unter dem Bereich der Schwingungsabschnitte ein Raum vorgesehen, das heißt der Raum, wo sich die Resonanzelektroden 3 und 4 gegenüberliegen. Das heißt, der piezoelektrische Resonator 1 ist mit Hilfe der leitfähigen Klebemittel 9 und 10, die so dick sind, dass zwischen der Unterseite der Resonanzelektrode 4 und dem Montagesubstrat 11 ein Raum gebildet wird, auf dem Montagesubstrat 11 angebracht.

Wenn bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator 1 von den Endelektroden 6 und 8 ein elektrisches Wechselfeld angelegt wird, schwingen die energiespeichernden piezoelektrischen Schwingungsabschnitte, bei denen sich die Resonanzelektroden 3 und 4 gegenüberliegen, in Dickenrichtung, und es kann die durch eine Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung bereitgestellte Resonanzcharakteristik verwendet werden.

Der piezoelektrische Körper 2 schwingt in Breitenrichtung und in Längsrichtung sowie in Dickenrichtung. Da die Resonanzelektroden 3 und 4 über die volle Breite des piezoelektrischen Körpers 2 ausgebildet sind, haben Schwingungen in Breitenrichtung Resonanzfrequenzen einer Vielzahl von Breitenmodi, die entsprechend der Breitenabmessung des piezoelektrischen Körpers 2 variieren. Bei der vorliegenden Anwendung wird zum Beispiel Resonanz in Breitenrichtung wie bei dem Breitenmodus als "aus der Breitenabmessung resultierende Reaktion" bezeichnet.

Bei einem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator, der unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik für die Resonanzcharakteristik konfiguriert wurde, verschieben sich im Allgemeinen mit steigender Temperatur die Resonanzfrequenz und die Antiresonanzfrequenz in Richtung auf höhere Frequenzen. Das heißt, der piezoelektrische Dickendehnungsresonator 1 hat oft eine positive temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz. Wie insbesondere in 2 gezeigt, verschieben sich bei Raumtemperatur (25°C) bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator mit einer durch die durchgehende Linie angedeuteten Resonanzcharakteristik die Resonanzfrequenz und die Antiresonanzfrequenz bei einer über 25°C ansteigenden Temperatur oft in Richtung auf höhere Frequenzen, wie durch eine gestrichelte Linie angedeutet.

Bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator 1 gemäß dieser Ausführungsform liegt bei Frequenzen, die höher sind als die Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion, die aus der Breitenabmessung resultierende Reaktion in der Nähe der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion, so dass Veränderungen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz infolge von Temperaturänderungen klein werden.

Dies wird nun anhand von 3 beschrieben. Gemäß 3 liegt eine auf dem Breitenmodus basierende Unterdrückungsreaktion B auf Frequenzen, die höher sind als die der durch Pfeil A angedeuteten Hauptreaktion. Die auf dem Breitenmodus basierende Unterdrückungsreaktion B liegt bei Raumtemperatur in einer durch die durchgehende Linie angedeuteten Position vor. Wenn die Temperatur höher wird als Raumtemperatur, verschiebt sich die Unterdrückungsreaktion B in Richtung auf niedrigere Frequenzen, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet. Das heißt, die Unterdrückungsreaktion B hat eine negative temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz.

Wenn die Temperatur von Raumtemperatur auf z.B. ungefähr 70°C angesteigt, was eine Obergrenze des verwendeten Temperaturbereichs ist, und wenn gemäß 2 die Unterdrückungsreaktion nicht in der Nähe der Hauptreaktion vorliegt, verschiebt sich die Frequenz der Hauptreaktion in Richtung auf höhere Frequenzen, wie in 2 durch die gestrichelte Linie angedeutet. Das heißt, auf Temperaturänderungen zurückzuführende Änderungen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz werden zwangsläufig groß.

Im Vergleich dazu liegt bei dieser Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, bei höheren Frequenzen der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion A die Unterdrückungsreaktion B in der Nähe der Antiresonanzfrequenz. Mit steigender Temperatur nimmt daher die Frequenz der Unterdrückungsreaktion B ab, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, so dass die Verschiebung der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion A in Richtung auf höhere Frequenzen unterdrückt wird. Das heißt, die positive temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Hauptreaktion wird durch die negative temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Unterdrückungsreaktion aufgehoben. Infolgedessen werden auf Temperaturänderungen zurückzuführende Frequenzänderungen bei der Hauptreaktion wirksam unterdrückt.

Wenn sich dagegen die Temperatur auf eine niedrigere Temperatur als Raumtemperatur ändert, wie in 4 gezeigt, verschiebt sich die Unterdrückungsreaktion A in Richtung auf niedrigere Frequenzen, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet.

Im Vergleich dazu liegt bei dieser Ausführungsform, wie in 5 gezeigt, eine auf dem Breitenmodus basierende zweite Unterdrückungsreaktion C auf niedrigeren Frequenzen der Hauptreaktion A. Die zweite Unterdrückungsreaktion C liegt bei Raumtemperatur in einer durch die durchgehende Linie angedeuteten Position vor, und mit abnehmender Temperatur verschiebt sich die zweite Unterdrückungsreaktion C, so dass die Frequenz höher wird, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet. Das heißt, wenn die Temperatur niedriger wird als Raumtemperatur, wird die Frequenz der Hauptreaktion niedriger, während die Frequenz der zweiten Unterdrückungsreaktion C höher wird. Infolgedessen wird die auf einen Temperaturrückgang zurückzuführende Verschiebung der Resonanzfrequenz der Hauptreaktion A in Richtung auf niedrigere Frequenzen unterdrückt.

Bei dieser Ausführungsform werden daher die erste und die zweite Unterdrückungsreaktion B und C im Bereich hoher Frequenzen und niedriger Frequenzen der Antiresonanzfrequenz Fa und der Resonanzfrequenz Fr der Hauptreaktion in unmittelbare Nähe zueinander gebracht, um die Unterdrückungswirkung zu haben, und werden miteinander gekoppelt. Infolgedessen können auf Temperaturänderungen von Raumtemperatur auf eine hohe Temperatur oder auf eine niedrige Temperatur zurückzuführende Frequenzänderungen in der Resonanzcharakteristik wirksam verringert werden. Dies ist in 6 schematisch dargestellt.

6 zeigt Änderungen in der Resonanzcharakteristik, wenn die Temperatur höher oder niedriger wird als Raumptemperatur (25°C), indem die Resonanzfrequenz Fr bei Raumtemperatur (25°C) als Referenz verwendet wird. Die durchgehende Linie zeigt Ergebnisse im Falle eines piezoelektrischen Dickendehnungsresonators als Referenzbeispiel, bei dem die erste und die zweite Unterdrückungsreaktion nicht so konfiguriert sind, dass sie mit der Hauptreaktion gekoppelt sind.

Die gestrichelte Linie zeigt Ergebnisse, wenn die erste und die zweite Unterdrückungsreaktion gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform mit der Hauptreaktion gekoppelt sind.

Wie durch die gestrichelte Linie von 6 angedeutet, können auf Temperaturänderungen zurückzuführende Änderungen in der Resonanzfrequenz und in der Antiresonanzfrequenz über einen weiten Temperaturbereich von einem Temperaturbereich niedriger als Raumtemperatur bis zu einem hohen Temperaturbereich, zum Beispiel von ungefähr 0°C bis 70°C, wirksam reduziert werden. Die Änderungen können zum Beispiel im Bereich von ±100 ppm vorgenommen werden.

Damit die Frequenzen der ersten und zweiten Unterdrückungsreaktion wie oben beschrieben positioniert sein können, sollte die Frequenzcharakteristik des Breitenmodus, die zu der ersten und der zweiten Unterdrückungsreaktion führt, jeweils vorzugsweise gesteuert werden. 7 zeigt die Beziehung zwischen einer Frequenzkonstante (Fr·T) einer auf dem Breitenmodus basierenden Reaktion bei Raumtemperatur und dem Verhältnis W/T der Breite W des piezoelektrischen Substrats 2 zur Dicke T. 8 bis 10 sind jeweils schematische Ansichten eines Schwingungszustands, der sich aus einer nach einer Methode der finiten Elemente durchgeführten Analyse eines Querschnitts durch die Mitte des piezoelektrischen Substrats 2 in Position D bis F von 7 ergibt.

Wie aus 7 sowie 8 bis 10 hervorgeht, kann man sehen, dass infolge der Auswahl des Verhältnisses W/T die Reaktion einer Oberschwingung dritter Ordnung eines Dickendehnungsschwingungsmodus, bei der es sich um die Hauptreaktion handelt, und die Reaktion einer Schwingung in Breitenrichtung miteinander gekoppelt sind. Wenn sie nicht gekoppelt sind, ist für die Hauptreaktion die vorherrschende Verschiebung der Schwingung in Dickenrichtung dargestellt, während mit zunehmendem Grad der Kopplung die Verschiebung in Breitenrichtung groß wird.

Die Oberschwingung dritter Ordnung der Dickendehnungsschwingung zeigt eine positive temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz, und die auf dem Breitenmodus basierenden Reaktionen, die als erste und zweite Unterdrückungsreaktion verwendet werden, haben eine negative Frequenz-Temperatur-Charakteristik, wie oben beschrieben. Indem die erste und zweite Unterdrückungsreaktion mit der Hauptreaktion gekoppelt werden, um die Temperaturcharakteristik der Hauptreaktion aufheben zu können, kann daher die Temperaturcharakteristik insgesamt verbessert werden.

Wie aus den Ergebnissen von 7 und 8 bis 10 deutlich wird, sollten die aus der Breitenabmessung resultierenden Positionen der ersten und der zweiten Unterdrückungsreaktion vorzugsweise so gewählt werden, dass das Verhältnis W/T so gewählt wird, dass es zu der oben beschriebenen Kopplung kommt.

Die Temperaturcharakteristik kann daher gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform verbessert werden, indem das Verhältnis W/T so gewählt wird, dass die auf dem Schwingungsmodus in Breitenrichtung basierende erste und zweite Unterdrückungsreaktion mit der Hauptreaktion gekoppelt werden, wobei es sich um eine Reaktion einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung handelt.

Als Nächstes werden die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators der oben beschriebenen Ausführungsform und des Vergleichsbeispiels speziell miteinander verglichen.

11 ist eine perspektivische Ansicht eines zu Vergleichszwecken bereitgestellten piezoelektrischen Dickendehnungsresonators einer verwandten Technik. Ein piezoelektrischer Resonator 121 hat ein piezoelektrisches Substrat 122 in Form einer rechteckigen Platte mit einer Länge von 2,2 mm, einer Breite von 1,6 mm und einer Dicke von 0,24 mm. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient k33 in Dickenrichtung in dem piezoelektrischen Substrat 122 beträgt 43.9% und der elektromechanische Kopplungskoeffizient k31 in Breitenrichtung beträgt 7,7%. Auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 122 ist eine erste Resonanzelektrode 123 in Form eines Kreises mit einem Durchmesser von 0,80 mm ausgebildet. Wenngleich dies in der Figur nicht speziell dargestellt ist, ist eine zweite Resonanzelektrode mit derselben Form auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats 122 der Resonanzelektrode 123 gegenüberliegend ausgebildet. Die Resonanzelektrode 123 ist mit einer Endelektrode 125 über eine dazwischenliegende Verbindungselektrode 124 elektrisch verbunden.

Die Breite der Verbindungselektrode 124, d.h. die Abmessung in Breitenrichtung des piezoelektrischen Substrats 122, ist auf 0,25 mm eingestellt. Der Abstand zwischen dem Endabschnitt der Endelektrode 125 auf der Seite der Resonanzelektrode 123 und dem durch die Oberseite und die Stirnfläche des piezoelektrischen Substrats 122 gebildeten Rand der Endelektrode 125 ist auf 0,30 mm eingestellt.

Die zweite Resonanzelektrode auf der Unterseite ist in ähnlicher Weise mit der Endelektrode über eine dazwischenliegende Verbindungselektrode elektrisch verbunden. Das piezoelektrische Substrat 122 ist aus einem PbTiO3-Substrat gebildet, das in Dickenrichtung polarisiert ist, und die verschiedenen Arten von Elektroden sind aus dünnen Silberschichten mit einer Dicke von 0,3 &mgr;m gebildet, die durch Sputtern hergestellt werden. Durch entsprechende Steuerung der Dicke des piezoelektrischen Substrats 122 wird der energiespeichernde piezoelektrische Dickendehnungsresonator 121 hergestellt, der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung als Hauptreaktion arbeitet.

Die Schwingungsfrequenz-Temperatur-Charakteristik eines Schwingkreises, bei dem der piezoelektrische Dickendehnungsresonator 121 eines Vergleichsbeispiels verwendet wird, der in der oben beschriebenen Weise erhalten wird, ist in 12 dargestellt. Wie aus 12 deutlich wird, kann man sehen, dass bei einem Temperaturanstieg von –40°C auf 70°C die Änderungsgeschwindigkeit Fosc·TC (ppm) der Schwingungsfrequenz Fosc zunimmt. Das heißt, aus den in 13(a), 13(b) und 13(c) dargestellten Resonanzcharakteristiken bei 0°C, 25°C und 75°C geht hervor, dass sich die Resonanzfrequenz und die Antiresonanzfrequenz mit steigender Temperatur in Richtung auf höhere Frequenzen verschieben.

14 zeigt dagegen eine Schwingungsfrequenz-Temperatur-Charakteristik bei Verwendung des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators 1 der oben beschriebenen Ausführungsform. Hier sind die Ergebnisse von 15 piezoelektrischen Dickendehnungsresonatoren 1 dargestellt. Das heißt, es sind hier die Obergrenze, die Untergrenze und der Durchschnittswert der Änderungsgeschwindigkeit Fosc·TC der Resonanzfrequenzen Fosc der 15 piezoelektrischen Dickendehnungsresonatoren bei jeder Temperatur dargestellt.

15(a) bis 15(c) sind vergrößerte Ansichten der Resonanzcharakteristik des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators 1 bei 0°C, 25°C und 70°C in der Nähe der Antiresonanzfrequenz. 16(a) bis 16(c) zeigen Änderungen in der Resonanzfrequenz der Resonanzcharakteristik des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators 1 bei 0°C, 25°C und 70°C.

Wie aus 14 bis 16 deutlich wird, kann man sehen, dass sich mit steigender Temperatur eine höher als die Antiresonanzfrequenz Fa(TE) positionierte erste Unterdrückungsreaktion WH der Antiresonanzfrequenz Fa(TE) nähert, und infolgedessen wird die Verschiebung der Antiresonanzfrequenz Fa(TE) in Richtung auf höhere Frequenzen unterdrückt. Analog dazu kann man sehen, dass sich bei niedrigeren Frequenzen, wenn die Temperatur von 70°C auf 0°C abnimmt, eine niedriger als die Resonanzfrequenz Fr(TE) positionierte zweite Unterdrückungsreaktion (WL) in Richtung auf höhere Frequenzen verschiebt, und infolgedessen wird die temperaturbedingte Verschiebung der Resonanzfrequenz Fr(TE) der Hauptreaktion unterdrückt.

Der oben beschriebene Unterschied zwischen der Unterdrückungsreaktion und der Hauptreaktion kann bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator 1 durch Verändern des Verhältnisses W/T der Abmessung in Breitenrichtung zur Dicke gesteuert werden. Das heißt, da die erste und die zweite Unterdrückungsreaktion aus der Breitenabmessung resultierende Reaktionen sind, kann der Frequenzunterschied durch Verändern von W/T leicht eingestellt werden. Das heißt, die erste und die zweite Unterdrückungsreaktion können mit der Hauptreaktion gekoppelt werden, so dass es möglich wird, die Verschiebung der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion zu unterdrücken.

Mit anderen Worten, indem der oben genannte Frequenzunterschied eingestellt wird, um die temperaturbedingten Frequenzänderungen von Charakteristiken der Hauptreaktion zu unterdrücken, und indem W/T entsprechend dem Frequenzunterschied eingestellt wird, können auf Temperaturänderungen zurückzuführende Änderungen in der Frequenzcharakteristik gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform unterdrückt werden.

Dies wird anhand von 17 bis 19 näher beschrieben. 17 ist eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Frequenz der Hauptreaktion und den Frequenzen der ersten und der zweiten Unterdrückungsreaktion. Die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion wird als Fr(TE) bezeichnet, und die Antiresonanzfrequenz wird als Fa(TE) bezeichnet. Die Resonanzfrequenz der ersten Unterdrückungsreaktion WH wird als Fr(WH) bezeichnet, und die Antiresonanzfrequenz der zweiten Unterdrückungsreaktion WL wird als Fa(WL) bezeichnet. In diesem Fall sollte der Frequenzunterschied Fr(WH) – Fa(TE) bei höheren Frequenzen der Hauptreaktion vorzugsweise so gewählt werden, dass die oben beschriebene Wirkung erzielt wird. Bei niedrigeren Frequenzen sollte der Frequenzunterschied Fr(TE) – Fa(WL) vorzugsweise so gewählt werden, dass die oben beschriebene Unterdrückungswirkung erzielt wird.

18 und 19 zeigen temperaturbedingte Änderungen in Foso·TC (ppm), der Änderungsgeschwindigkeit der Schwingungsfrequenz Fosc des mit dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator 1 arbeitenden Schwingkreises, wenn der Frequenzunterschied verändert wird. Die Horizontalachsen von 18 und 19 zeigen (Fr(TE) – Fa(WL))/Fr(TE) bei 0°C und (Fr(WH) – Fa(TE))/Fa(TE) bei 70°C. Aus 18 geht hervor, dass bei niedrigeren Frequenzen, wenn die Temperatur von 0°C auf 70°C verändert wird, und wenn (Fr(TE) – Fa(WL))/Fr(TE) (nachfolgend bezeichnet als Ausdruck (1)) bei 0°C kleiner oder gleich 0,04 ist, die Änderungsgeschwindigkeit Fosc·TC der Frequenz-Temperatur-Charakteristik der Schwingungsfrequenz kleiner oder gleich 4 ppm/°C gemacht werden kann.

Analog dazu kann bei höheren Frequenzen, wenn die Temperatur von 0°C auf 70°C verändert wird, und wenn (Fr(WH) – Fa(TE))/Fa(TE) (nachfolgend bezeichnet als Ausdruck (2)) bei 70°C kleiner oder gleich 0,04 ist, die Änderungsgeschwindigkeit Fosc·TC der Frequenz-Temperatur-Charakteristik der Schwingungsfrequenz kleiner oder gleich 4 ppm/°C gemacht werden. Das Verhältnis W/T sollte daher vorzugsweise so festgelegt werden, dass die oben beschriebenen Ausdrücke (1) und (2) erfüllt sind. Infolgedessen können temperaturbedingte Änderungen in der Frequenzcharakteristik des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators 1 weiter verringert werden.

Der Gradient der Temperaturcharakteristik der aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion wird entsprechend dem Verhältnis W/T verändert. Wie in 20 gezeigt, kann man also sehen, dass bei Veränderung des Verhältnisses W/T die Änderungsgeschwindigkeit der Temperaturcharakteristik der aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion verändert wird. Insbesondere ist festzustellen, dass mit abnehmendem W/T die temperaturbedingten Änderungen in der aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion in einer negativen Richtung zunehmen. Außerdem ist festzustellen, dass es kaum einen Unterschied zwischen den Gradienten der Temperaturcharakteristik der zweiten Unterdrückungsreaktion WL bei niedrigeren Frequenzen und der ersten Unterdrückungsreaktion WH bei höheren Frequenzen gibt.

Bei dem piezoelektrischen Resonator 1 sollte das Verhältnis W/T vorzugsweise im Wesentlichen größer oder gleich 1,5 sein, um die Eignung als Resonator sicherzustellen. Daher sollte die aus der Breitenabmessung resultierende Reaktion, die als Unterdrückungsreaktion dient, die verwendet wird, wenn die Temperaturcharakteristik bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator 1 der Ausführungsform gesteuert wird, vorzugsweise einen Gradienten der Temperaturcharakteristik größer oder gleich –300 ppm/°C oder kleiner als 0 ppm/°C haben.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurde der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung arbeitende piezoelektrische Dickendehnungsresonator 1 beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf einen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator beschränkt, der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung arbeitet. 21 ist eine perspektivische Darstellung eines weiteren Beispiels des piezoelektrischen Dickendehnungsresonators, auf den die vorliegende Erfindung angewandt wird.

Bei einem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator 21 ist auf der Oberseite eines piezoelektrischen Substrats 22 in Form einer rechteckigen Platte eine erste Resonanzelektrode 23 ausgebildet, und auf der Unterseite ist eine zweite Resonanzelektrode 24 ausgebildet. Der piezoelektrische Dickendehnungsresonator 21 hat eine Innenelektrode 25, die den Resonanzelektroden 23 und 24 in dem piezoeletrischen Substrat 22 gegenüberliegt. Die erste und die zweite Resonanzelektrode 23 und 24 sind jeweils mit einer auf einer der Stirnflächen 22c des piezoelektrischen Substrats 22 vorgesehenen Endelektrode 26 elektrisch verbunden. Die Innenelektrode 25 ist dagegen mit einer auf einer Stirnfläche 22d vorgesehenen Endelektrode 27 elektrisch verbunden. Das piezoelektrische Substrat 22 ist aus einer geeigneten piezoelektrischen Keramik wie zum Beispiel einer Keramik auf PbTiO3-Basis hergestellt und einem Polarisationsprozess in seiner Dickenrichtung unterzogen. Die verschiedenen Elektroden können unter Verwendung geeigneter leitfähiger Materialien in gleicher Weise wie bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator 1 hergestellt werden.

Der piezoelektrische Dickendehnungsresonator 21 ist ähnlich wie der piezoelektrische Dickendehnungsresonator 1 auf dem Montagesubstrat 11 angebracht.

Bei dem piezoelektrischen Dickendehnungsresonator 21 kann eine Oberschwingung zweiter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung als Hauptreaktion verwendet werden, indem zwischen der ersten und der zweiten Resonanzelektrode 23 und 24 und der Innenelektrode 25 ein elektrisches Wechselfeld angelegt wird. Bei einem solchen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator 21, der mit einer Oberschwingung zweiter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung arbeitet, können außerdem durch Einstellen des Verhältnisses W/T in einer Weise, dass die erste und die zweite Unterdrückungsreaktion mit der Hauptreaktion gekoppelt sind und temperaturbedingte Frequenzänderungen der Hauptreaktion unterdrückt werden können, auf Änderungen in der Temperatur zurückzuführende Änderungen der Frequenzcharakteristik genauso wie bei der ersten Ausführungsform verringert werden.

Das heißt, die vorliegende Erfindung kann auch auf einen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator angewandt werden, der nicht nur mit einer Oberschwingung dritter Ordnung einer Dickendehnungsschwingung, sondern auch mit einer anderen Oberschwingung wie zum Beispiel einer Oberschwingung zweiter Ordnung arbeitet. Solange mit einer Dickendehnungsschwingung gearbeitet wird, kann die vorliegende Erfindung ferner auch auf einen piezoelektrischen Dickendehnungsresonator angewandt werden, der mit einer anderen Oberschwingung als einer Oberschwingung zweiter Ordnung oder dritter Ordnung arbeitet. Wenn bei der oben beschriebenen Ausführungsform die erste Unterdrückungsreaktion bei höheren Frequenzen der Hauptreaktion in unmittelbare Nähe zu der Hauptreaktion gebracht wird und die zweite Unterdrückungsreaktion bei niedrigeren Frequenzen der Hauptreaktion in unmittelbare Nähe zu der Hauptreaktion gebracht wird, kann nur eine von der ersten Unterdrückungsreaktion und der zweiten Unterdrückungsreaktion mit der Hauptreaktion gekoppelt werden. In diesem Fall erlaubt die gekoppelte Unterdrückungsreaktion die Unterdrückung von temperaturbedingten Frequenzänderungen der Hauptreaktion in Richtung der Unterdrückungsreaktion.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird als Unterdrückungsreaktion zum Unterdrücken von Änderungen der Hauptreaktion eine auf dem Breitenmodus basierende Reaktion verwendet. Alternativ kann eine auf einem anderen Schwingungsmodus als auf dem Breitenmodus basierende Reaktion als Unterdrückungsreaktion verwendet werden. In diesem Fall können andere Abmessungen als W/T oder dergleichen entsprechend der Schwingungsform der zu verwendenden Unterdrückungsreaktion eingestellt werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Unterdrückungsreaktion mit einer Temperaturänderungstendenz verwendet, die temperaturbedingte Änderungen der Resonanzfrequenz und/oder der Antiresonanzfrequenz aufhebt. Die Polarität der temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz der Unterdrückungsreaktion kann die gleiche sein wie die der temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz der Hauptreaktion. In diesem Fall sollten temperaturbedingte Frequenzänderungen der Unterdrückungsreaktion vorzugsweise kleiner sein als temperaturbedingte Frequenzänderungen der Hauptreaktion. Außerdem können in diesem Fall auf Temperaturänderungen zurückzuführende Frequenzänderungen der Hauptreaktion unterdrückt werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Es wird ein piezoelektrischer Dickendehnungsresonator mit einer überlegenen Frequenz-Temperatur-Charakteristik bereitgestellt, bei dem Änderungen in der Frequenzcharakteristik über einen weiten Temperaturbereich nur schwer auftreten.

Ein energiespeichernder piezoelektrischer Dickendehnungsresonator 1, der mit einem Dickendehnungsschwingungsmodus arbeitet, hat eine erste und eine zweite Resonanzelektrode 3 und 4, die jeweils auf Abschnitten der Oberseite und der Unterseite eines piezoelektrischen Substrats 2 ausgebildet sind, das in seiner Dickenrichtung polarisiert ist, wobei ein Abschnitt, wo die erste und die zweite Resonanzelektrode 3 und 4 einander gegenüberliegen, als energiespeichernder Schwingungsabschnitt ausgebildet ist, wobei zwecks Unterdrückung von temperaturbedingten Frequenzänderungen des Dickendehnungsschwingungsmodus, die eine Hauptreaktion unter Verwendung einer Resonanzcharakteristik darstellen, eine Unterdrückungsreaktion mit einer temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz zum Unterdrücken von temperaturbedingten Frequenzänderungen der Hauptreaktion in unmittelbare Nähe zu der Hauptreaktion gebracht wird, um temperaturbedingte Frequenzänderungen der Hauptreaktion zu unterdrücken.

1
piezoelektrischer Dickendehnungsresonator
2
piezoelektrisches Substrat
2a
Oberseite
2b
Unterseite
2c, 2d
Stirnfläche
3
erste Resonanzelektrode
4
zweite Resonanzelektrode
5
Verbindungselektrode
6
Endelektrode
7
Verbindungselektrode
8
Endelektrode
9, 10
leitfähiges Klebemittel
11
Montagesubstrat
11a, 11b
Elektrode
21
piezoelektrischer Dickendehnungsresonator
22
piezoelektrisches Substrat
22a
Oberseite
22b
Unterseite
23
Resonanzelektrode
24
Resonanzelektrode
25
Innenelektrode
26, 27
Verbindungselektrode
28
Endelektrode
29
Endelektrode


Anspruch[de]
Energiespeichernder piezoelektrischer Dickendehnungsresonator, der mit einem Dickendehnungsschwingungsmodus arbeitet, mit:

einem piezoelektrischen Substrat mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei das piezoelektrische Substrat in einer die Oberseite und die Unterseite verbindenden Dickenrichtung polarisiert ist; und

einer ersten und einer zweiten Resonanzelektrode, die jeweils auf Abschnitten der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Substrats ausgebildet sind und die einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sich dazwischen das piezoelektrische Substrat befindet,

wobei zwecks Unterdrückung von temperaturbedingten Frequenzänderungen einer Reaktion des Dickendehnungsschwingungsmodus, bei der es sich um eine Hauptreaktion zur Verwendung einer Resonanzcharakteristik handelt, eine Unterdrückungsreaktion mit einer temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz zum Unterdrücken von temperaturbedingten Frequenzänderungen der Hauptreaktion mit der Hauptreaktion gekoppelt ist, um temperaturbedingte Frequenzänderungen der Hauptreaktion zu unterdrücken.
Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach Anspruch 1, bei dem die Unterdrückungsreaktion eine temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung einer temperaturabhängigen Frequenzänderungstendenz der Hauptreaktion hat. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach Anspruch 1, bei dem die temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Unterdrückungsreaktion in derselben Richtung liegt wie die temperaturabhängige Frequenzänderungstendenz der Hauptreaktion und die temperaturbedingten Frequenzänderungen der Unterdrückungsreaktion kleiner sind als die temperaturbedingten Frequenzänderungen der Hauptreaktion. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das piezoelektrische Substrat eine sich in Längsrichtung erstreckende Streifenform hat, die erste und die zweite Resonanzelektrode so ausgebildet sind, dass sie sich jeweils im mittleren Bereich in Längsrichtung der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Substrats über die volle Breite des piezoelektrischen Substrats erstrecken, und die Unterdrückungsreaktion eine aus der Breitenabmessung des piezoelektrischen Substrats resultierende Reaktion ist. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach Anspruch 4, bei dem mindestens eine Resonanzfrequenz der aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion höher ist als die Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach Anspruch 5, bei dem, wenn die Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion mit Fa(TE) bezeichnet wird und die Resonanzfrequenz der aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion mit Fr(WH) bezeichnet wird, (Fr(WH) – Fa(TE))/Fa(TE) zumindest an der Obergrenze des verwendeten Temperaturbereichs größer ist als 0 und kleiner oder gleich 0,04. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach Anspruch 4, bei dem mindestens eine aus der Breitenabmessung resultierende Reaktion niedriger ist als die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach Anspruch 7, bei dem, wenn die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion mit Fr(TE) bezeichnet wird und die Antiresonanzfrequenz der aus der Breitenabmessung resultierenden Reaktion mit Fa(WL) bezeichnet wird, (Fr(TE) – Fa(WL))/Fr(TE) zumindest an der Untergrenze des verwendeten Temperaturbereichs größer ist als 0 und kleiner oder gleich 0,04. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach Anspruch 4, bei dem die aus der Breitenabmessung resultierende Reaktion eine erste Reaktion bei einer Frequenz, die höher ist als die Antiresonanzfrequenz der Hauptreaktion, und eine zweite Reaktion bei einer Frequenz, die niedriger ist als die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion, umfasst. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach Anspruch 9, bei dem, wenn die Resonanzfrequenz der Hauptreaktion mit Fr(TE) bezeichnet wird, die Antiresonanzfrequenz mit Fa(TE) bezeichnet wird, die Resonanzfrequenz der ersten Reaktion mit Fr(WH) bezeichnet wird und die Antiresonanzfrequenz der zweiten Reaktion mit Fa(WL) bezeichnet wird, (Fr(WH) – Fa(TE))/Fa(TE) zumindest an der Obergrenze des verwendeten Temperaturbereichs größer ist als 0 und kleiner oder gleich 0,04 und (Fr(TE) – Fa(WL))/Fr(TE) zumindest an der Untergrenze des verwendeten Temperaturbereichs größer ist als 0 und kleiner oder gleich 0,04. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Hauptreaktion eine Oberschwingungsreaktion einer Dickendehnungsschwingung ist. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach Anspruch 11, bei dem der piezoelektrische Dickendehnungsresonator ein energiespeichernder Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator ist, der mit einer Oberschwingung dritter Ordnung eines Dickendehnungsschwingungsmodus arbeitet. Piezoelektrischer Dickendehnungsresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der ferner eine Innenelektrode aus mindestens einer Schicht umfasst, die in dem piezoelektrischen Substrat der ersten und der zweiten Resonanzelektrode gegenüberliegend angeordnet ist, wobei sich dazwischen eine piezoelektrische Substratschicht befindet.






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