隨著科技的進(jìn)步,溫度補(bǔ)償晶體振蕩器在通訊和國防方面的需求量明顯增多,市場(chǎng)對(duì)其成本、體積以及各類關(guān)鍵性能提出了更為嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償和數(shù)字補(bǔ)償分別是通過熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)和溫度傳感器等器件輸出反饋控制電壓,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體頻率偏移的補(bǔ)償。這些方法的器件組成和調(diào)試過程復(fù)雜,產(chǎn)品成本、體積和功耗等也比較高,因此尋找更有效的補(bǔ)償方法非常重要。要突破傳統(tǒng)補(bǔ)償方法,進(jìn)一步提高晶振的性能指標(biāo),就需要加強(qiáng)對(duì)晶體諧振器的基礎(chǔ)研究,了解晶振的振動(dòng)模態(tài)及各項(xiàng)因素對(duì)其頻率的影響,有針對(duì)性地進(jìn)行研究。在此背景下,本文將有限元應(yīng)用在晶體諧振器的振動(dòng)模態(tài)仿真研究中,并根據(jù)晶體自身的兩個(gè)物理特性--溫-頻特性和力-頻特性,提出了基于應(yīng)力穩(wěn)頻補(bǔ)償方法的設(shè)計(jì)過程和實(shí)現(xiàn)方案。本課題源于國家自然科學(xué)基金基于晶體力-頻傳感特性的高性能溫度補(bǔ)償泛音晶體振蕩器的基礎(chǔ)研究。論文的主要貢獻(xiàn)如下:1.通過ANSYS仿真探索了振動(dòng)模態(tài)分析在晶體諧振器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本文首先根據(jù)壓電耦合有限元方程和動(dòng)力學(xué)方程構(gòu)建了AT切晶體諧振器的仿真模型,對(duì)其不同邊界條件下對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行求解計(jì)算,全面了解了諧振器內(nèi)部的厚度剪切振動(dòng)和各種寄生振動(dòng)的分布模式,并仿真得出晶體諧振器尺寸與其振動(dòng)模態(tài)之間的關(guān)系,該結(jié)果對(duì)晶體實(shí)際生產(chǎn)工藝中的尺寸設(shè)計(jì)提供了很重要的參考作用;接著對(duì)受不同角度預(yù)應(yīng)力作用時(shí)的晶體諧振器進(jìn)行了仿真分析,得到其振動(dòng)模態(tài)及振動(dòng)位移的變化情況。振動(dòng)直接影響頻率,因此根據(jù)該仿真結(jié)果得出頻率補(bǔ)償效果最明顯的應(yīng)力處理鍍膜方向應(yīng)沿晶體的X軸,支架固定的角度應(yīng)沿晶體的Y軸方向,這樣可以最大程度地減小工藝設(shè)計(jì)對(duì)晶體性能的影響。2.在仿真的基礎(chǔ)上,本文提出基于應(yīng)力穩(wěn)頻補(bǔ)償方法的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案,將晶體自身的力頻特性和溫頻特性相結(jié)合,利用隨溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力來補(bǔ)償溫度對(duì)頻率的影響。并通過ANSYS對(duì)不同應(yīng)力處理方案下對(duì)應(yīng)的晶體諧振器進(jìn)行了仿真,比對(duì)其內(nèi)部等效應(yīng)力的大小,得出應(yīng)力穩(wěn)頻方法效果最明顯的方案,即在晶體表面鍍一層沿X軸方向的條形金屬薄膜。最后用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該應(yīng)力處理方法的可行性,不僅能使頻率穩(wěn)定度在-50℃~85℃寬溫度范圍內(nèi)達(dá)到10~(-7)量級(jí),而且相對(duì)于傳統(tǒng)補(bǔ)償方法的可操作性強(qiáng),避免了功耗和成本的增加,這對(duì)高穩(wěn)定度溫補(bǔ)晶振的設(shè)計(jì)、開發(fā)具有很重要的意義。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN752
【部分圖文】：

體片都平行于 X 軸，其中 AT 切晶體與 Z 軸夾角為 =35°15′，BT 切晶體與 Z 軸夾角為 =-49°10′，這種切割方式操作簡(jiǎn)便、容易實(shí)現(xiàn)。圖2.1 晶體諧振器切型示意圖由于切割角度的差異，晶體材料會(huì)出現(xiàn)不同的振動(dòng)模態(tài)。常見的四種分別為伸縮振動(dòng)、面剪切振動(dòng)、彎曲振動(dòng)和厚度剪切振動(dòng)模態(tài)[20]。諧振器的振動(dòng)模式是由切割角度、尺寸、和頻率值等因素共同決定。在實(shí)際生產(chǎn)中，晶體的振動(dòng)模態(tài)并不是單一存在的，各種模態(tài)在晶體內(nèi)部相互寄存，只是不同模態(tài)的振動(dòng)幅度大小不同，在加工過程中可以適當(dāng)調(diào)整晶體的尺寸使主振動(dòng)最佳化。

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖2.2 晶體諧振器的常見振動(dòng)模態(tài)通常單一的振動(dòng)模態(tài)只存在于無限大晶體板中，在尺寸有限時(shí)，諧振器除了主振動(dòng)還存在其他寄生振動(dòng)模態(tài)。當(dāng)溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，寄生模態(tài)振動(dòng)幅度增大，與主振動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生強(qiáng)烈耦合作用，使得諧振器等效串聯(lián)阻抗變大，Q 值下降，從而改變振動(dòng)頻率，影響晶體的活力。如果等效串聯(lián)阻抗增大到一定程度，甚至?xí)咕w諧振器失效。由此可見，寄生振動(dòng)模態(tài)對(duì)諧振器的性能指標(biāo)有非常不利的影響，因此在設(shè)計(jì)石英晶體諧振器時(shí)，一般要選擇響應(yīng)較強(qiáng)、穩(wěn)定的振動(dòng)模態(tài)，并通過調(diào)整晶體和電極尺寸

溫度增加或降低而發(fā)生改變。當(dāng)諧振器件的參數(shù)發(fā)生變化，會(huì)引起諧振改變，最終對(duì)振蕩回路的頻率產(chǎn)生直接影響。如果諧振器的頻率變化路的工作狀態(tài)和控制均達(dá)不到理想的效果。因此，一般要求用于溫度補(bǔ)的溫-頻特性都要進(jìn)行擬合度（即某石英晶體元件在整個(gè)工作溫度范圍頻差值與擬合曲線在同一溫度時(shí)的溫度頻差值之差）測(cè)量，擬合太差則振的性能。1）頻率溫度特性曲線與特性方程晶體切角不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫-頻特性各有差異。溫補(bǔ)晶振是基于溫-頻特范圍內(nèi)頻偏小幅度變化的基礎(chǔ)上構(gòu)成，而恒溫晶振則是基于溫-頻曲線的基礎(chǔ)上構(gòu)成。AT、GT 切型的溫-頻曲線是三次函數(shù)，而且 AT 切的零本關(guān)于常溫對(duì)稱。除此之外的其它切型，溫頻曲線都為二次函數(shù)，且頂處。當(dāng)角度合適時(shí)，AT、GT 切型晶體的頻偏變化率在-55℃~105℃范會(huì)超過±2×10-5。 切晶體應(yīng)用最多，其溫-頻特性歸一化曲線[22]如圖 2.3 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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2 賈兆e

本文編號(hào)：2814694