石英晶體諧振器的振動模態(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)中頻率基準源的核心元器件，隨著航空、航天、電子、通信和機械等領(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)成為一個重要的問題。
　　降低寄生振動克服外界干擾本文從理論和實驗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模態(tài)，另一方面，采用實驗方法研究石英晶體諧振器受磁場影響的機理。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)計中的應(yīng)用。本文基于壓電振動理論，運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模態(tài)，仿真結(jié)果與文獻報道的采用X射線拍攝的實驗結(jié)果基本吻合，驗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位移分布信息，而且還可以清楚地觀察到邊緣的振動模態(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，發(fā)現(xiàn)在AT切石英晶體諧振器中厚度剪切振動模式起主要作

3、用，但同時伴隨了較強的面剪切振動和彎曲振動等寄生振動，針對這些寄生振動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/寬尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計，通過分析不同尺寸下石英晶體諧振器的振動位移分布狀態(tài)，尋求晶片的最佳尺寸以抑制寄生振動的干擾，從而優(yōu)化石英晶體諧振器的溫-頻和阻抗特性，該方法已在實際產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)中得到了驗證，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模態(tài)。通過有限元方法仿真計算AT切石英晶體諧振器在自由狀態(tài)下前8階的振動模態(tài)，并與文獻報道的實驗結(jié)果進行比對，驗證了該方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上仿真計算了AT切石英晶體諧振器在不同方位角約束條件下的振動模態(tài)，發(fā)現(xiàn)諧振器的主要振動方向隨著不同約束角度的改變而改變;進一步，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厚度剪切振動會加強同時寄生振動也相應(yīng)得加強，相反在60°和120°方位角施加對徑力時所有方向的振動位移與自由振動模態(tài)相比變化不明顯。該方法獲取的頻率變化量與文獻報道的石英晶體諧振器的力-頻效應(yīng)實驗結(jié)果基本一致。以上分析結(jié)果對于石英晶體諧振器的點膠位置的選取設(shè)計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)，分別從實驗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)力分布進行仿真分析，進一步明確了靜磁場對石英晶體諧振器頻率的影響作用機制。
　　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