石英晶體諧振器的振動(dòng)模態(tài)分析及環(huán)境電磁場影響研究.pdf

1、石英晶體諧振器是現(xiàn)代電子通信信息系統(tǒng)中頻率基準(zhǔn)源的核心元器件，隨著航空、航天、電子、通信和機(jī)械等領(lǐng)域中相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對石英晶體諧振器的精度要求越來越高。提高石英晶體諧振器頻率的穩(wěn)定度，已經(jīng)成為一個(gè)重要的問題。
　　降低寄生振動(dòng)克服外界干擾本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面入手研究石英晶體諧振器的穩(wěn)定問題，一方面，采用有限元方法研究石英晶體諧振器的振動(dòng)模態(tài)，另一方面，采用實(shí)驗(yàn)方法研究石英晶體諧振器受磁場影響的機(jī)理。論文的主要工作如下:

2、　　1.探索了有限元分析方法在高精度石英晶體諧振器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本文基于壓電振動(dòng)理論，運(yùn)用有限元方法分析了圓盤式AT切石英晶體諧振器在自由邊界條件下的三維振動(dòng)模態(tài)，仿真結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的采用X射線拍攝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了該方法的可靠性。該方法不但可以獲取石英晶體表面的振動(dòng)位移分布信息，而且還可以清楚地觀察到邊緣的振動(dòng)模態(tài)，從而有助于了解寄生耦合模態(tài)的存在狀況。借助該方法的這一特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在AT切石英晶體諧振器中厚度剪切振動(dòng)模式起主要作

3、用，但同時(shí)伴隨了較強(qiáng)的面剪切振動(dòng)和彎曲振動(dòng)等寄生振動(dòng)，針對這些寄生振動(dòng)對石英晶體諧振器性能的影響，本文利用模態(tài)分析法對SMD（貼片式）石英晶體諧振器中的方形石英晶片長/寬尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過分析不同尺寸下石英晶體諧振器的振動(dòng)位移分布狀態(tài)，尋求晶片的最佳尺寸以抑制寄生振動(dòng)的干擾，從而優(yōu)化石英晶體諧振器的溫-頻和阻抗特性，該方法已在實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)中得到了驗(yàn)證，并取得較好的應(yīng)用效果。
　　2.采用有限元分析方法研究預(yù)應(yīng)力條件下石

4、英晶體諧振器的振動(dòng)模態(tài)。通過有限元方法仿真計(jì)算AT切石英晶體諧振器在自由狀態(tài)下前8階的振動(dòng)模態(tài)，并與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證了該方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上仿真計(jì)算了AT切石英晶體諧振器在不同方位角約束條件下的振動(dòng)模態(tài)，發(fā)現(xiàn)諧振器的主要振動(dòng)方向隨著不同約束角度的改變而改變;進(jìn)一步，本文研究了AT切石英晶體諧振器在不同方位角施加對徑力條件下的振動(dòng)模態(tài)，發(fā)現(xiàn)不僅諧振器的主振方向隨著對徑力角度的改變而改變，而且其主振中心也隨著對徑力角度的

5、改變發(fā)生相應(yīng)的偏移。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在0°和180°方位角施加對徑力時(shí)厚度剪切振動(dòng)會(huì)加強(qiáng)同時(shí)寄生振動(dòng)也相應(yīng)得加強(qiáng)，相反在60°和120°方位角施加對徑力時(shí)所有方向的振動(dòng)位移與自由振動(dòng)模態(tài)相比變化不明顯。該方法獲取的頻率變化量與文獻(xiàn)報(bào)道的石英晶體諧振器的力-頻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。以上分析結(jié)果對于石英晶體諧振器的點(diǎn)膠位置的選取設(shè)計(jì)以及基于石英晶體的加速度等力學(xué)傳感器的研發(fā)有一定的參考價(jià)值。
　　3.探討了石英晶體諧振器在靜磁場中頻率發(fā)生

6、漂移的機(jī)理。通過將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的石英晶體諧振器分解為幾種簡單的諧振器結(jié)構(gòu)，分別從實(shí)驗(yàn)上研究這幾種簡單結(jié)構(gòu)的石英晶體諧振器在靜磁場中的頻率變化，從而闡明了石英晶體諧振器在靜磁場中頻率發(fā)生漂移的機(jī)理，并結(jié)合有限元方法建立一種基于磁-彈耦合原理的物理模型，對石英晶體諧振器在靜磁場中的應(yīng)力分布進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步明確了靜磁場對石英晶體諧振器頻率的影響作用機(jī)制。
　　4.研究了工頻交變電磁場對石英晶體諧振器的影響。通過對石英晶體諧振器施加不同強(qiáng)