基于应力处理的工艺探索下的温补晶振研究

发布时间：2020-09-08 22:07

　　随着科技的进步,温度补偿晶体振荡器在通讯和国防方面的需求量明显增多,市场对其成本、体积以及各类关键性能提出了更为严格的要求。传统的模拟补偿和数字补偿分别是通过热敏电阻网络和温度传感器等器件输出反馈控制电压,从而实现对晶体频率偏移的补偿。这些方法的器件组成和调试过程复杂,产品成本、体积和功耗等也比较高,因此寻找更有效的补偿方法非常重要。要突破传统补偿方法,进一步提高晶振的性能指标,就需要加强对晶体谐振器的基础研究,了解晶振的振动模态及各项因素对其频率的影响,有针对性地进行研究。在此背景下,本文将有限元应用在晶体谐振器的振动模态仿真研究中,并根据晶体自身的两个物理特性--温-频特性和力-频特性,提出了基于应力稳频补偿方法的设计过程和实现方案。本课题源于国家自然科学基金基于晶体力-频传感特性的高性能温度补偿泛音晶体振荡器的基础研究。论文的主要贡献如下:1.通过ANSYS仿真探索了振动模态分析在晶体谐振器设计中的应用。本文首先根据压电耦合有限元方程和动力学方程构建了AT切晶体谐振器的仿真模型,对其不同边界条件下对应的振动模态进行求解计算,全面了解了谐振器内部的厚度剪切振动和各种寄生振动的分布模式,并仿真得出晶体谐振器尺寸与其振动模态之间的关系,该结果对晶体实际生产工艺中的尺寸设计提供了很重要的参考作用;接着对受不同角度预应力作用时的晶体谐振器进行了仿真分析,得到其振动模态及振动位移的变化情况。振动直接影响频率,因此根据该仿真结果得出频率补偿效果最明显的应力处理镀膜方向应沿晶体的X轴,支架固定的角度应沿晶体的Y轴方向,这样可以最大程度地减小工艺设计对晶体性能的影响。2.在仿真的基础上,本文提出基于应力稳频补偿方法的设计思路和实现方案,将晶体自身的力频特性和温频特性相结合,利用随温度变化产生的应力来补偿温度对频率的影响。并通过ANSYS对不同应力处理方案下对应的晶体谐振器进行了仿真,比对其内部等效应力的大小,得出应力稳频方法效果最明显的方案,即在晶体表面镀一层沿X轴方向的条形金属薄膜。最后用实验结果验证了该应力处理方法的可行性,不仅能使频率稳定度在-50℃~85℃宽温度范围内达到10~(-7)量级,而且相对于传统补偿方法的可操作性强,避免了功耗和成本的增加,这对高稳定度温补晶振的设计、开发具有很重要的意义。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN752
【部分图文】：

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体片都平行于 X 轴，其中 AT 切晶体与 Z 轴夹角为 =35°15′，BT 切晶体与 Z 轴夹角为 =-49°10′，这种切割方式操作简便、容易实现。图2.1 晶体谐振器切型示意图由于切割角度的差异，晶体材料会出现不同的振动模态。常见的四种分别为伸缩振动、面剪切振动、弯曲振动和厚度剪切振动模态[20]。谐振器的振动模式是由切割角度、尺寸、和频率值等因素共同决定。在实际生产中，晶体的振动模态并不是单一存在的，各种模态在晶体内部相互寄存，只是不同模态的振动幅度大小不同，在加工过程中可以适当调整晶体的尺寸使主振动最佳化。

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西安电子科技大学硕士学位论文8图2.2 晶体谐振器的常见振动模态通常单一的振动模态只存在于无限大晶体板中，在尺寸有限时，谐振器除了主振动还存在其他寄生振动模态。当温度达到一定数值时，寄生模态振动幅度增大，与主振动模态产生强烈耦合作用，使得谐振器等效串联阻抗变大，Q 值下降，从而改变振动频率，影响晶体的活力。如果等效串联阻抗增大到一定程度，甚至会使晶体谐振器失效。由此可见，寄生振动模态对谐振器的性能指标有非常不利的影响，因此在设计石英晶体谐振器时，一般要选择响应较强、稳定的振动模态，并通过调整晶体和电极尺寸

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温度增加或降低而发生改变。当谐振器件的参数发生变化，会引起谐振改变，最终对振荡回路的频率产生直接影响。如果谐振器的频率变化路的工作状态和控制均达不到理想的效果。因此，一般要求用于温度补的温-频特性都要进行拟合度（即某石英晶体元件在整个工作温度范围频差值与拟合曲线在同一温度时的温度频差值之差）测量，拟合太差则振的性能。1）频率温度特性曲线与特性方程晶体切角不同时，对应的温-频特性各有差异。温补晶振是基于温-频特范围内频偏小幅度变化的基础上构成，而恒温晶振则是基于温-频曲线的基础上构成。AT、GT 切型的温-频曲线是三次函数，而且 AT 切的零本关于常温对称。除此之外的其它切型，温频曲线都为二次函数，且顶处。当角度合适时，AT、GT 切型晶体的频偏变化率在-55℃~105℃范会超过±2×10-5。切晶体应用最多，其温-频特性归一化曲线[22]如图 2.3 所示。

【参考文献】