Title:
AKUSTOELEKTRISCHER OSZILLATOR
Kind Code:
A1
Abstract:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik/Elektronik und betrifft einen akustoelektrischen Oszillator. Die technische Aufgabe besteht in der Angabe eines akustoelektrischen Oszillators, der auch bei hohen Temperaturen betrieben werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch einen akustoelektrischen Oszillator enthaltend eine elektrische Schaltung mit mindestens einem piezoelektrischen Resonator, mindestens einer Impedanz und mindestens einer Spannungsquelle, wobei jeder piezoelektrische Resonator mit einem Plattenkondensator einen Verbund bildet und wobei eine Fläche des piezoelektrischen Resonators, die senkrecht zur Schwingungsrichtung des piezoelektrischen Körpers ausgerichtet ist, mit einer Elektrode des Plattenkondensators in mechanischem Kontakt steht. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar in Vorrichtungen zur Schwingungserzeugung und in autonomen Sensoren und Aktoren, insbesondere in solchen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden.



Inventors:
Martin, Günter, Dr. (01307, Dresden, DE)
Application Number:
DE102016105551A
Publication Date:
09/28/2017
Filing Date:
03/24/2016
Assignee:
Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden e.V., 01069 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE10321245A1N/A2003-12-18
DE10137121A1N/A2002-05-29
Foreign References:
60519102000-04-18
57898451998-08-04
67881582004-09-07
Other References:
Nelson, A. et. al.: „A 22 μW, 2.0 GHz FBAR Oscillator", IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC), Juni 2011
T. E. Parker und G. K. Montress.: „Precision surface-acoustic-wave (SAW) oscillators", Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Bd.35, 1988, Seiten 342–354
Attorney, Agent or Firm:
Patentanwälte Rauschenbach, 01187, Dresden, DE
Claims:
1. Akustoelektrischer Oszillator enthaltend eine elektrische Schaltung mit mindestens einem piezoelektrischen Resonator, mindestens einer Impedanz und mindestens einer Spannungsquelle, wobei der oder die piezoelektrischen Resonatoren jeweils aus einem piezoelektrischen Körper und mindestens zwei Elektroden bestehen, die mindestens teilweise auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jeder piezoelektrische Resonator mit einem Plattenkondensator einen Verbund bildet, wobei eine Fläche des piezoelektrischen Resonators, die senkrecht zur Schwingungsrichtung des piezoelektrischen Körpers ausgerichtet ist, mit einer Elektrode des Plattenkondensators in mechanischem Kontakt steht, und wobei jeder piezoelektrische Resonator mit seinem zugehörigen Plattenkondensator elektrisch parallel geschaltet ist.

2. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihenschaltung aus der Spannungsquelle und der Impedanz in einen Zweig der Parallelschaltung aus mindestens einem piezoelektrischen Resonator und mindestens einem Plattenkondensator geschaltet ist.

3. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihenschaltung aus der Spannungsquelle und der Impedanz parallel zu einem Verbund oder in Reihe mit einem Verbund geschaltet ist.

4. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode des Resonators elektrisch mit einer Elektrode des Plattenkondensators und die jeweils andere Elektrode des Resonators mit der jeweils anderen Elektrode des Plattenkondensators über eine Reihenschaltung der Spannungsquelle und der Impedanz verbunden ist.

5. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode des Resonators elektrisch mit einer Elektrode des Plattenkondensators und die jeweils andere Elektrode des Resonators mit der jeweils anderen Elektrode des Plattenkondensators verbunden ist und parallel zum Verbund eine Reihenschaltung der Spannungsquelle und der Impedanz geschaltet ist.

6. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode des piezoelektrischen Resonators gleichzeitig eine Elektrode des Plattenkondensators ist.

7. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine piezoelektrische Resonator ein Längendehnungsschwinger ist, bei dem die Schwingung parallel zu den Elektroden des piezoelektrischen Resonators gerichtet ist.

8. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine piezoelektrische Resonator ein Dickendehnungsschwinger ist, bei dem die Schwingung senkrecht zu den Elektroden des piezoelektrischen Resonators gerichtet ist.

9. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des piezoelektrischen Körpers kleiner als die Länge des piezoelektrischen Körpers ist.

10. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenkondensator ein Gas oder ein Vakuum als Dielektrikum aufweist.

11. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Verbunde und eine Reihenschaltung aus der Spannungsquelle und der Impedanz parallel geschaltet sind.

12. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle oder Wechselspannungsquelle ist, wobei die Wechselspannungsquelle ihre Energie aus geernteter Energie (engl. harvesting energy) bezieht.

13. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Wechselspannung wesentlich kleiner als die Arbeitsfrequenz des piezoelektrischen Resonators ist.

14. Akustoelektrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz ein ohmscher Widerstand, vorteilhafterweise der Innenwiderstand der Spannungsquelle ist.

Description:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik/Elektronik und betrifft einen akustoelektrischen Oszillator, der autonom ist und ohne Halbleiterbauelemente auskommt. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar in Vorrichtungen zur Schwingungserzeugung und in autonomen Sensoren und Aktoren, insbesondere in solchen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden.

Es sind akustoelektrische Oszillatoren bekannt, bei denen mindestens ein piezoelektrischer Resonator Teil einer elektrischen Schaltung ist, die den Verlust an Schwingungsenergie der piezoelektrischen Resonatoren kompensiert, und bei dem ein piezoelektrischer Resonator eine Platte aus piezoelektrischem Material ist und die Oberflächen der Platte, die durch die Plattendicke voneinander getrennt sind, mindestens teilweise mit Elektroden belegt sind.

Aus der US 6788158 sind ein piezoelektrischer Oszillator und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen piezoelektrischen Oszillators bekannt, bei der ein Kristalloszillator, ausgeführt als piezoelektrischer Oszillator, in einer Schaltung betrieben wird, die einen Transistor enthält. Der Transistor kompensiert die Energieverluste des Kristalloszillators, so dass eine nichtabklingende Schwingung aufrechterhalten wird. Außerdem enthält die Gesamtschaltung Mittel zur Temperaturkompensation.

Aus der US 5789845 ist ein Resonanzelement (resonance device) bekannt, dass als piezoelektrische Dünnschicht mit Elektroden auf deren Ober- und Unterseite ausgeführt ist und dass in eine Schaltung integriert ist, die auch einen Transistor zur Kompensation des Energieverlusts infolge des Schwingens des Resonanzelements enthält.

Ebenfalls bekannt sind FBAR-Oszillatoren (FBAR: Film Bulk Acoustic Wave Resonator). Ein FBAR ist ein Resonator aus einer dünnen piezoelektrischen Schicht mit Elektroden auf deren Ober- und Unterseite. Bekannt ist eine speziellen Ausführung eines FBAR-Oszillators aus Nelson, A. et. al.: „A 22 μW, 2.0 GHz FBAR Oscillator", IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC), Juni 2011, bei der Aluminiumnitrid (AIN) als piezoelektrisches Material und Molybdän als Elektrodenmaterial benutzt wird. Diese Oszillatorschaltung enthält mehrere Transistoren.

Als große Gruppe akustoelektrischer Oszillatoren werden auch diejenigen in Betracht gezogen, die Bauelemente auf der Basis akustischer Oberflächenwellen wie Resonatoren und Verzögerungsleitungen als frequenzbestimmende Bauelemente benutzen.

So ist eine spezielle Ausführung (T. E. Parker und G. K. Montress.: „Precision surface-acoustic-wave (SAW) oscillators", Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Bd.35, 1988, Seiten 342–354) bekannt, bei der Verzögerungsleitungen sowie Ein- und Zweitorresonatoren als frequenzbestimmende Bauelemente auf der Basis akustischer Oberflächenwellen in Oszillatorschaltungen angewendet werden, die Halbleiterbauelemente wie Transistoren und Verstärker zur Kompensation der Schwingungs- und Ausbreitungsverluste der akustischen Oberflächenwellen enthalten.

Nachteilig ist, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Oszillatorlösungen nicht bei hohen Temperaturen betrieben werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustoelektrische Oszillatoren bereitzustellen, die auch bei hohen Temperaturen betrieben werden können.

Die Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen enthaltenen Merkmalen gelöst, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer UND-Verknüpfung mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein akustoelektrischer Oszillator bereitgestellt, der eine elektrische Schaltung mit mindestens einem piezoelektrischen Resonator, mindestens einer Impedanz und mindestens einer Spannungsquelle enthält, wobei der oder die piezoelektrischen Resonatoren jeweils aus einem piezoelektrischen Körper und mindestens zwei Elektroden bestehen, die mindestens teilweise auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jeder piezoelektrische Resonator mit einem Plattenkondensator einen Verbund bildet, wobei eine Fläche des piezoelektrischen Resonators, die senkrecht zur Schwingungsrichtung des piezoelektrischen Körpers ausgerichtet ist, mit einer Elektrode des Plattenkondensators in mechanischem Kontakt steht, und wobei jeder piezoelektrische Resonator mit seinem zugehörigen Plattenkondensator elektrisch parallel geschaltet ist.

Vorteilhafter ist bei dem akustoelektrischen Oszillator eine Reihenschaltung aus der Spannungsquelle und der Impedanz in einen Zweig der Parallelschaltung aus mindestens einem piezoelektrischen Resonator und mindestens einem Plattenkondensator geschaltet. Auch kann eine Reihenschaltung aus der Spannungsquelle und der Impedanz parallel zu einem Verbund oder in Reihe mit einem Verbund geschaltet sein.

Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn eine Elektrode des Resonators elektrisch mit einer Elektrode des Plattenkondensators und die jeweils andere Elektrode des Resonators mit der jeweils anderen Elektrode des Plattenkondensators über eine Reihenschaltung der Spannungsquelle und der Impedanz verbunden ist. Desweitern kann eine Elektrode des Resonators elektrisch mit einer Elektrode des Plattenkondensators und die jeweils andere Elektrode des Resonators mit der jeweils anderen Elektrode des Plattenkondensators verbunden und parallel zum Verbund eine Reihenschaltung der Spannungsquelle und der Impedanz geschaltet sein.

Vorteilhafterweise ist eine Elektrode des piezoelektrischen Resonators gleichzeitig eine Elektrode des Plattenkondensators.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine piezoelektrische Resonator ein Längendehnungsschwinger, bei dem die Schwingung parallel zu den Elektroden des piezoelektrischen Resonators gerichtet ist.

Vorteilhafterweise ist der mindestens eine piezoelektrische Resonator ein Dickendehnungsschwinger, bei dem die Schwingung senkrecht zu den Elektroden des piezoelektrischen Resonators gerichtet ist.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Breite des piezoelektrischen Körpers kleiner als die Länge des piezoelektrischen Körpers ist.

Auch ist es vorteilhaft, wenn der Plattenkondensator ein Gas oder ein Vakuum als Dielektrikum aufweist.

Besonders vorteilhaft sind mindestens zwei Verbunde und eine Reihenschaltung aus der Spannungsquelle und der Impedanz parallel geschaltet.

Vorteilhafterweise ist die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle oder Wechselspannungsquelle, wobei die Wechselspannungsquelle vorteilhafterweise ihre Energie aus geernteter Energie (engl. harvesting energy) bezieht.

Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn die Frequenz der Wechselspannung wesentlich kleiner als die Arbeitsfrequenz des piezoelektrischen Resonators ist. Und auch vorteilhaft ist, wenn die Impedanz ein ohmscher Widerstand, vorteilhafterweise der Innenwiderstand der Spannungsquelle ist.

Erfindungsgemäß wird ein akustoelektrischer Oszillator bereitgestellt, bei dem ein piezoelektrischer Resonator mit einem Plattenkondensator einen Verbund bildet, indem eine Fläche des piezoelektrischen Resonators, die senkrecht zur Schwingungsrichtung des piezoelektrischen Körpers mit einer Elektrode eines Plattenkondensators in mechanischem Kontakt steht, wobei die Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle und einer Impedanz in einen Zweig der Parallelschaltung oder parallel zum Verbund geschaltet ist.

Unter einem Verbund eines piezoelektrischen Resonators mit einem Plattenkondensator soll im Rahmen der Erfindung eine dauerhafte Kontaktierung des piezoelektrischen Körpers mit einer Elektrode des Plattenkondensators verstanden werden, wobei der Verbund beispielsweise stoffschlüssig realisiert ist. Unter einem Verbund soll auch verstanden werden, dass eine Elektrode des piezoelektrischen Resonators gleichzeitig die eine Elektrode des Plattenkondensators ist.

Der Plattenkondensator weist zwischen den plattenförmigen Elektroden ein Gas oder Vakuum als Dielektrikum auf.

Erfindungsgemäß ist zur Kompensation der Schwingungsverluste des Oszillators anstelle von Halbleiterbauelementen lediglich eine Spannungsquelle erforderlich, die eine Gleichspannung zur Verfügung stellt. Damit kann erstmals vollständig auf den Einsatz von Halbleiterbauelementen in einem akustoelektrischen Oszillator verzichtet werden, wodurch es möglich ist, den akustoelektrischen Oszillator auch bei höheren Temperaturen im Bereich von 200°C bis 1000°C einzusetzen.

Des Weiteren ist es mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, eine außerhalb des akustoelektrischen Oszillators bereitstehende Energie mittels einer Wechselspannungsquelle zu nutzen. Bei der Wechselspannungsquelle handelt es sich um eine Vorrichtung, die ihre Energie aus geernteter Energie (engl. harvesting energy) bezieht, diese aufgreift, in eine Wechselspannung umwandelt und danach abgibt, wobei deren Frequenz wesentlich kleiner ist als die Arbeitsfrequenz der piezoelektrischen Resonatoren.

Die Modulation der Spannung, die beispielsweise an einem piezoelektrischen Körper anliegt, wird dadurch erreicht, indem eine schwingende Oberfläche des piezoelektrischen Körpers die Kapazität des mit einem Gas oder Vakuum gefüllten Plattenkondensators moduliert, wobei eine kleine, zufällig vorhandene Schwingung sich aufschaukelt.

Erfindungsgemäß kann der piezoelektrische Resonator ein Längendehnungsschwinger oder ein Dickendehnungsschwinger sein, wobei die Breite des piezoelektrischen Materials kleiner ist als seine Länge.

Bei einem Längendehnungsschwinger ist die Schwingungsrichtung des piezoelektrischen Körpers parallel zu den sich gegenüberliegenden Elektroden ausgerichtet, sodass das der piezoelektrische Körper in Richtung seiner Länge oszilliert und den Abstand der im Verbund stehenden Kondensatorplatte zur gegenüberliegend ortsfest angeordneten Kondensatorplatte moduliert. Der piezoelektrische Resonator kann durch gegenüberliegend angeordnete Befestigungsmittel fixiert sein, wobei die Befestigungsmittel genau im Schwingungsknoten der Schwingungen im piezoelektrischen Material, bei einem Längendehnungsschwinger also bei der hälftigen Länge des piezoelektrischen Materials, angeordnet sind.

Bei einem Dickendehnungsschwinger ist die Schwingungsrichtung des piezoelektrischen Körpers senkrecht zu den sich gegenüberliegenden Elektroden ausgerichtet, sodass die Dicke des piezoelektrischen Körpers in dieser Richtung oszilliert. Bei dieser Ausführungsform des Verbundes des piezoelektrischen Resonators und des Plattenkondensators ist die Elektrode des piezoelektrischen Resonators gleichzeitig die ortsveränderliche Platte des Plattenkondensators. Der piezoelektrische Resonator kann durch sich gegenüberliegend angeordnete Befestigungsmittel fixiert sein, wobei die Befestigungsmittel genau im Schwingungsknoten der Schwingung im piezoelektrischen Körper, bei einem Dickendehnungsschwinger also bei der hälftigen Breite des piezoelektrischen Körpers, angeordnet sind.

Erfindungsgemäß weist der Oszillator nur einen Verbund aus einem piezoelektrischen Resonator und einem Plattenkondensator aufweist. Möglich ist aber auch, dass in der elektrischen Schaltung mindestens zwei Verbunde angeordnet sind, von denen jeder einen piezoelektrischen Resonator und einen Plattenkondensator aufweist.

Eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle und einer Impedanz ist erfindungsgemäß in Reihe mit dem Verbund aus einem piezoelektrischen Resonator und einem Plattenkondensator geschaltet, wobei eine Elektrode des piezoelektrischen Resonators elektrisch mit einer Platte eines Plattenkondensators und die jeweils andere Elektrode des piezoelektrischen Resonators mit der jeweils anderen Platte des Plattenkondensators über eine Reihenschaltung einer Spannungsquelle und einer Impedanz verbunden ist.

Erfindungsgemäß kann aber auch eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle und einer Impedanz parallel zum Verbund aus einem piezoelektrischen Resonator und einem Plattenkondensator geschaltet sein, wobei eine Elektrode des piezoelektrischen Resonators elektrisch mit einer Platte des Plattenkondensators und die jeweils andere Elektrode des piezoelektrischen Resonators mit der jeweils anderen Platte des Plattenkondensators verbunden ist und parallel zum Verbund eine Reihenschaltung einer Spannungsquelle und einer Impedanz geschaltet ist.

Mehrere Verbunde und eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle und einer Impedanz sind parallel geschaltet, wobei die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle oder eine Vorrichtung ist, die ihre Energie aus geernteter Energie bezieht und eine Wechselspannung liefert.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von fünf Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 die elektrische Reihenschaltung eines akustoelektrischen Oszillators mit Anordnung eines Längendehnungsschwingers als piezoelektrischer Resonator

2 die elektrische Reihenschaltung eines akustoelektrischen Oszillators mit Anordnung eines Dickendehnungsschwingers als piezoelektrischer Resonator

3 die elektrische Parallelschaltung eines akustoelektrischen Oszillators mit Anordnung eines Längendehnungsschwingers als piezoelektrischer Resonator

4 die elektrische Parallelschaltung eines akustoelektrischen Oszillators mit Anordnung eines Dickendehnungsschwingers als piezoelektrischer Resonator

5 die elektrische Schaltung zweier akustoelektrischer Oszillatoren mit jeweils einer Anordnung eines Längendehnungsschwingers als piezoelektrischer Resonator

Beispiel 1

Das Ausführungsbeispiel 1 bezieht sich auf 1., bei der ein piezoelektrischer Resonator aus einem piezoelektrischen Körper 1 und Elektroden 11 und 12 an der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Körpers 1 besteht. Der piezoelektrische Körper 1 ist ein flacher Quader. Der piezoelektrische Körper 1 mit einer Dicke d, einer Länge L und den Elektroden 11 und 12 ist ein Längendehnungsschwinger, da die Schwingung in Längsrichtung, d.h. parallel zu den Elektroden 11 und 12, gerichtet ist. Dieser ist am Schwingungsknoten von symbolisch dargestellten Befestigungsmitteln 13 und 14 gehalten. Die Breite des piezoelektrischen Körpers 1 ist wesentlich kleiner als dessen Länge. Der Längendehnungsschwinger bildet zusammen mit einem mit Luft gefüllten Plattenkondensator 3, der von den Metallplatten 31 und 32 und einem Spalt der Breite h zwischen diesen gebildet ist, einen Verbund. Die Platte 32 des Plattenkondensators ist symbolisch durch das Befestigungsmittel 33 fixiert. Bei dem Verbund steht der piezoelektrische Körper 1 in Schwingungsrichtung in mechanischem Kontakt mit der Platte 31 des Plattenkondensators 3. Außerdem ist die Elektrode 11 über das Befestigungsmittel 13 und die elektrische Verbindung 2 an die Platte 31 des Plattenkondensators angeschlossen, und die Elektrode 12 ist über das Befestigungsmittel 14, die elektrische Verbindung 6 und über eine Reihenschaltung einer Gleichspannungsquelle 4 und eines ohmschen Widerstandes 5 an die Platte 32 des Plattenkondensators angeschlossen.

Der piezoelektrische Körper 1 besteht aus piezoelektrischer Keramik mit der elastischen Nachgiebigkeit s11 = 12.1E – 12 m2/N, der Dichte von 7400 kg/m3, den piezoelektrischen Konstanten d31 = –78E – 12 m/V und d33= 210E – 12 m/V sowie der dielektrischen Konstante ε33 = 950. Die Elektroden 11 und 12 sind Aluminiumschichten, die dünner als 1 µm sind. Die Länge des piezoelektrischen Körpers 1 beträgt 16.7 mm, die Breite 9 mm und die Dicke 50 µm. Die Fläche der Elektroden 31 und 32 des Plattenkondensators 3 ist 500 mm2, und der Spalt h zwischen den Elektroden 31 und 32 ist 1 µm breit.

Die Gleichspannungsquelle 4 liefert 1 V und der ohmsche Widerstand 5 beträgt 100 Ω. Durch die Anordnung gemäß 1 werden spontan vorhandene Schwingungen mit sehr kleiner Amplitude so verstärkt, dass sie sich aufschaukeln, bis die infolge der Verstärkung zugeführte Energie durch den Schwingungsverlust kompensiert wird. Dadurch wird eine stabile Schwingung erzeugt.

Beispiel 2

Das Ausführungsbeispiel 2 bezieht sich auf 2., bei der ein piezoelektrischer Resonator aus einem piezoelektrischen Körper 10 und Elektroden 101 und 102 an der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Körpers besteht. Der piezoelektrische Körper 10 ist ein flacher Quader. Der piezoelektrische Körper 10 mit einer Dicke d und den Elektroden 101 und 102 ist ein Dickendehnungsschwinger, da die Schwingung in Richtung der Dicke des piezoelektrischen Körpers 10, d. h. senkrecht zu den Elektroden, gerichtet ist. Der Dickendehnungsschwinger ist am Schwingungsknoten von symbolisch dargestellten Befestigungsmitteln 103 und 104 gehalten. Der Dickendehnungsschwinger bildet zusammen mit einem mit Luft gefüllten Plattenkondensator 20, der von einer Metallplatte 201, einer Elektrode 101 des Dickendehnungsschwingers und einem Spalt der Breite h zwischen diesen gebildet ist, einen Verbund. Die Platte 201 des Plattenkondensators ist symbolisch durch das Befestigungsmittel 202 fixiert. Bei diesem Verbund steht der piezoelektrische Körper 10 in Schwingungsrichtung in mechanischem Kontakt mit dem Plattenkondensator 20, da die Elektrode 101 des Dickendehnungsschwingers gleichzeitig eine Platte des Plattenkondensators 20 ist. Außerdem ist bei diesem Verbund die Elektrode 102 über eine elektrische Verbindung 50 und über eine Reihenschaltung einer Gleichspannungsquelle 30 und eines ohmschen Widerstandes 40 an die Platte 201 des Plattenkondensators angeschlossen. Durch die Anordnung gemäß 2 werden spontan vorhandene Schwingungen mit sehr kleiner Amplitude so verstärkt, dass sie sich aufschaukeln, bis die infolge der Verstärkung zugeführte Energie durch den Schwingungsverlust kompensiert wird. Dadurch wird eine stabile Schwingung erzeugt.

Beispiel 3

Das Ausführungsbeispiel 3 bezieht sich auf 3, bei der ein piezoelektrischer Resonator aus einem piezoelektrischen Körper 1 und Elektroden 11 und 12 an der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Körpers besteht. Der piezoelektrische Körper 1 ist ein flacher Quader. Der piezoelektrische Körper 1 mit der Dicke d, der Länge L und den Elektroden 11 und 12 ist ein Längendehnungsschwinger, weil die Schwingung in Längsrichtung. d. h. parallel zu den Elektroden 11 und 12, gerichtet ist. Dieser ist am Schwingungsknoten von den symbolisch dargestellten Befestigungsmitteln 13 und 14 gehalten. Die Breite des piezoelektrischen Körpers 1 ist wesentlich kleiner als dessen Länge. Der Längendehnungsschwinger bildet zusammen mit dem mit Luft gefüllten Plattenkondensator 3, der von Metallplatten 31 und 32 und einem Spalt der Breite h zwischen diesen gebildet ist, einen Verbund. Die Platte 32 des Plattenkondensators ist symbolisch durch ein Befestigungsmittel 33 fixiert. Bei dem Verbund steht der piezoelektrische Körper 1 in Schwingungsrichtung in mechanischem Kontakt mit der Metallplatte 31 des Plattenkondensators 3. Außerdem ist die Elektrode 11 über das Befestigungsmittel 13 und die elektrische Verbindung 2 an die Metallplatte 31 des Plattenkondensators angeschlossen, und die Elektrode 12 ist über das Befestigungsmittel 14 und eine elektrische Verbindung 6 an die Metallplatte 32 des Plattenkondensators angeschlossen. Parallel zum Längendehnungsschwinger und damit auch parallel zum Plattenkondensator 3 ist eine Reihenschaltung einer Gleichspannungsquelle 4 und eines ohmschen Widerstandes 5 geschaltet. Durch die Anordnung gemäß 3 werden spontan vorhandene Schwingungen mit sehr kleiner Amplitude so verstärkt, dass sie sich aufschaukeln, bis die infolge der Verstärkung zugeführte Energie durch den Schwingungsverlust kompensiert wird. Dadurch wird eine stabile Schwingung erzeugt.

Beispiel 4

Das Ausführungsbeispiel 4 bezieht sich auf 4, bei der ein piezoelektrischer Resonator aus einem piezoelektrischen Körper 10 und Elektroden 101 und 102 an der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Körpers besteht. Der piezoelektrische Körper 10 ist ein flacher Quader. Der piezoelektrische Körper 10 mit der Dicke d und den Elektroden 101 und 102 ist ein Dickendehnungsschwinger, da die Schwingung in Richtung der Dicke des piezoelektrischen Körpers 10, d.h. senkrecht zu den Elektroden 101 und 102, gerichtet ist. Der Dickendehnungsschwinger ist am Schwingungsknoten von symbolisch dargestellten Befestigungsmitteln 103 und 104 gehalten. Der Dickendehnungsschwinger bildet zusammen mit einem mit Luft gefüllten Plattenkondensator 20, der von einer Metallplatte 201, der Elektrode 101 des Dickendehnungsschwingers und einem Spalt der Breite h zwischen diesen gebildet ist, einen Verbund. Die Metallplatte 201 des Plattenkondensators 20 ist symbolisch durch ein Befestigungsmittel 202 fixiert. Bei dem Verbund steht der piezoelektrische Körper 10 in Schwingungsrichtung in mechanischem Kontakt mit dem Plattenkondensator 20, wobei die Elektrode 101 des Dickendehnungsschwingers gleichzeitig eine Platte des Plattenkondensators 20 ist. Bei dem Verbund ist die Elektrode 102 über eine elektrische Verbindung 50 an die Metallplatte 201 des Plattenkondensators angeschlossen. Außerdem ist parallel zum Dickendehnungsschwinger und damit auch parallel zum Plattenkondensator 20 eine Reihenschaltung einer Gleichspannungsquelle 30 und eines ohmschen Widerstandes 40 geschaltet. Gemäß der Anordnung von 4 werden spontan vorhandene Schwingungen mit sehr kleiner Amplitude so verstärkt, dass sie sich aufschaukeln, bis die infolge der Verstärkung zugeführte Energie durch den Schwingungsverlust kompensiert wird. Dadurch wird eine stabile Schwingung erzeugt.

Beispiel 5

Das Ausführungsbeispiel 5 bezieht sich auf 5 und enthält zwei Verbunde aus einem piezoelektrischen Resonator und einem mit Luft gefüllten Plattenkondensator. Der erste Verbund ist zusammengesetzt aus einem piezoelektrischen Resonator, der aus einem piezoelektrischen Körper 1 und Elektroden 11 und 12 an der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Körpers 1 besteht und aus einem Plattenkondensator 3. Der piezoelektrische Körper 1 mit der Dicke d und den Elektroden 11 und 12 ist ein Längendehnungsschwinger, da die Schwingung in Längsrichtung, d.h. parallel zu den Elektroden 11 und 12, gerichtet ist. Dieser ist am Schwingungsknoten von symbolisch dargestellten Befestigungsmitteln 13 und 14 gehalten. Die Breite des piezoelektrischen Körpers 1 ist wesentlich kleiner als dessen Länge. Der Plattenkondensator 3 ist gebildet von Metallplatten 31 und 32 und einem Spalt der Breite h zwischen diesen Metallplatten. Die Metallplatte 32 des Plattenkondensators 3 ist symbolisch durch ein Befestigungsmittel 33 fixiert. Bei dem ersten Verbund steht der piezoelektrische Körper 1 in Schwingungsrichtung in mechanischem Kontakt mit der Platte 31 des Plattenkondensators 3. Außerdem ist die Elektrode 11 über das Befestigungsmittel 13 und die elektrische Verbindung 15 an die Metallplatte 31 des Plattenkondensators 3 angeschlossen, und die Elektrode 12 ist über das Befestigungsmittel 14, elektrische Verbindungen 6, 9 und 91 und über eine Reihenschaltung einer Wechselspannungsquelle 7 und eines ohmschen Widerstandes 8 an die Metallplatte 32 des Plattenkondensators 3 angeschlossen. Der zweite Verbund ist zusammengesetzt aus einem piezoelektrischen Resonator, der aus einem piezoelektrischen Körper 10 und Elektroden 21 und 22 an der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Körpers 10 besteht und aus einem Plattenkondensator 4. Der piezoelektrische Körper 10 mit der Dicke d und den Elektroden 21 und 22 ist ein Längendehnungsschwinger, da die Schwingung in Längsrichtung, d. h. parallel zu den Elektroden 21 und 22, gerichtet ist. Dieser ist am Schwingungsknoten von symbolisch dargestellten Befestigungsmitteln 23 und 24 gehalten. Die Breite des piezoelektrischen Körpers 10 ist wesentlich kleiner als dessen Länge. Der Plattenkondensator 4 ist gebildet von Metallplatten 41 und 42 und einem Spalt der Breite h zwischen diesen Metallplatten. Die Metallpllatte 42 des Plattenkondensators ist symbolisch durch ein Befestigungsmittel 43 fixiert. Bei dem zweiten Verbund steht der piezoelektrische Körper 10 in Schwingungsrichtung in mechanischem Kontakt mit der Metallplatte 41 des Plattenkondensators 4. Außerdem ist die Elektrode 21 über das Befestigungsmittel 23 und die elektrische Verbindung 25 an die Metallplatte 41 des Plattenkondensators 4 angeschlossen, und die Elektrode 22 ist über ein Befestigungsmittel 24, elektrische Verbindungen 6, 9 und 92 und über eine Reihenschaltung einer Wechselspannungsquelle 7 und eines ohmschen Widerstandes 8 an die Metallplatte 42 des Plattenkondensators 4 angeschlossen. Die Elektrode 12 auf der Unterseite des piezoelektrischen Körpers 1 ist mit der Elektrode 22 auf der Oberseite des piezoelektrischen Körpers 10 über die elektrische Verbindung 9 verbunden. Das Material der piezoelektrischen Körper ist polarisierte piezoelektrische Keramik. Die Richtungen der eingeprägten Polarisation der piezoelektrischen Körper 1 und 10 sind durch die Pfeile 16 bzw. 26 repräsentiert. Die Elektroden 12 und 22 haben das gleiche elektrische Potential. Auch die Elektroden 11 und 21 haben infolge des identischen Aufbaus der beiden Verbunde das gleiche Potential, das sich von dem der Elektroden 12 und 22 unterscheidet. Demzufolge haben die elektrischen Felder in den piezoelektrischen Körpern entgegengesetzte Richtungen, so dass stets einer der beiden piezoelektrischen Resonatoren schwingt, unabhängig davon, ob die Wechselspannungsquelle 7 gerade eine positive oder negative Spannung liefert. Gemäß der Anordnung von 5 werden spontan vorhandene Schwingungen mit sehr kleiner Amplitude so verstärkt, dass sie sich aufschaukeln, bis die infolge der Verstärkung zugeführte Energie durch den Schwingungsverlust kompensiert wird. Dadurch wird eine stabile Schwingung erzeugt.

Bezugszeichenliste

1, 2, 10
Piezoelektrischer Körper
11, 12, 21, 22, 101, 102
Elektroden
3, 4, 20
Kondensator
31, 32, 41, 42, 101, 201
Metallplatten
4, 7, 30
Spannungsquelle
5, 8, 40
Impedanz
6, 9, 15, 25, 50, 91, 92
Elektrische Verbindungen
13, 14, 23, 24, 33, 43, 103, 104, 202
Befestigungsmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 6788158 [0003]
  • US 5789845 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Nelson, A. et. al.: „A 22 μW, 2.0 GHz FBAR Oscillator", IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC), Juni 2011 [0005]
  • T. E. Parker und G. K. Montress.: „Precision surface-acoustic-wave (SAW) oscillators", Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Bd.35, 1988, Seiten 342–354 [0007]