隨著科技的進步,溫度補償晶體振蕩器在通訊和國防方面的需求量明顯增多,市場對其成本、體積以及各類關(guān)鍵性能提出了更為嚴格的要求。傳統(tǒng)的模擬補償和數(shù)字補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,從而實現(xiàn)對晶體頻率偏移的補償。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償方法非常重要。要突破傳統(tǒng)補償方法,進一步提高晶振的性能指標,就需要加強對晶體諧振器的基礎(chǔ)研究,了解晶振的振動模態(tài)及各項因素對其頻率的影響,有針對性地進行研究。在此背景下,本文將有限元應(yīng)用在晶體諧振器的振動模態(tài)仿真研究中,并根據(jù)晶體自身的兩個物理特性--溫-頻特性和力-頻特性,提出了基于應(yīng)力穩(wěn)頻補償方法的設(shè)計過程和實現(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償泛音晶體振蕩器的基礎(chǔ)研究。論文的主要貢獻如下:1.通過ANSYS仿真探索了振動模態(tài)分析在晶體諧振器設(shè)計中的應(yīng)用。本文首先根據(jù)壓電耦合有限元方程和動力學(xué)方程構(gòu)建了AT切晶體諧振器的仿真模型,對其不同邊界條件下對應(yīng)的振動模態(tài)進行求解計算,全面了解了諧振器內(nèi)部的厚度剪切振動和各種寄生振動的分布模式,并仿真得出晶體諧振器尺寸與其振動模態(tài)之間的關(guān)系,該結(jié)果對晶體實際生產(chǎn)工藝中的尺寸設(shè)計提供了很重要的參考作用;接著對受不同角度預(yù)應(yīng)力作用時的晶體諧振器進行了仿真分析,得到其振動模態(tài)及振動位移的變化情況。振動直接影響頻率,因此根據(jù)該仿真結(jié)果得出頻率補償效果最明顯的應(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)計對晶體性能的影響。2.在仿真的基礎(chǔ)上,本文提出基于應(yīng)力穩(wěn)頻補償方法的設(shè)計思路和實現(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)力來補償溫度對頻率的影響。并通過ANSYS對不同應(yīng)力處理方案下對應(yīng)的晶體諧振器進行了仿真,比對其內(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。最后用實驗結(jié)果驗證了該應(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)達到10~(-7)量級,而且相對于傳統(tǒng)補償方法的可操作性強,避免了功耗和成本的增加,這對高穩(wěn)定度溫補晶振的設(shè)計、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便、容易實現(xiàn)。圖2.1 晶體諧振器切型示意圖由于切割角度的差異，晶體材料會出現(xiàn)不同的振動模態(tài)。常見的四種分別為伸縮振動、面剪切振動、彎曲振動和厚度剪切振動模態(tài)[20]。諧振器的振動模式是由切割角度、尺寸、和頻率值等因素共同決定。在實際生產(chǎn)中，晶體的振動模態(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)的振動幅度大小不同，在加工過程中可以適當調(diào)整晶體的尺寸使主振動最佳化。

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模態(tài)通常單一的振動模態(tài)只存在于無限大晶體板中，在尺寸有限時，諧振器除了主振動還存在其他寄生振動模態(tài)。當溫度達到一定數(shù)值時，寄生模態(tài)振動幅度增大，與主振動模態(tài)產(chǎn)生強烈耦合作用，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，寄生振動模態(tài)對諧振器的性能指標有非常不利的影響，因此在設(shè)計石英晶體諧振器時，一般要選擇響應(yīng)較強、穩(wěn)定的振動模態(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。當諧振器件的參數(shù)發(fā)生變化，會引起諧振改變，最終對振蕩回路的頻率產(chǎn)生直接影響。如果諧振器的頻率變化路的工作狀態(tài)和控制均達不到理想的效果。因此，一般要求用于溫度補的溫-頻特性都要進行擬合度（即某石英晶體元件在整個工作溫度范圍頻差值與擬合曲線在同一溫度時的溫度頻差值之差）測量，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，對應(yīng)的溫-頻特性各有差異。溫補晶振是基于溫-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。當角度合適時，AT、GT 切型晶體的頻偏變化率在-55℃~105℃范會超過±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】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 白麗娜;周渭;李婉瑩;張瑩;陳鴻杰;;基于應(yīng)力處理的溫度補償石英晶體振蕩器[J];儀器儀表學(xué)報;2014年07期

2 王宇;盧玲;李文韜;;基于Ansys的有限元網(wǎng)格劃分方法應(yīng)用研究[J];起重運輸機械;2014年03期

3 伍華林;呂延;呂明;;石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢研究[J];價值工程;2013年05期

4 林玲;;基于ANSYS的壓電陶瓷材料有限元仿真分析[J];科技資訊;2009年36期

5 羅恩,黃偉江,張賀忻;相空間非傳統(tǒng)Hamilton型變分原理與辛算法[J];中國科學(xué)(A輯);2002年12期

6 馮冠平,王曉紅,王勁松;石英晶體諧振器的力—頻效應(yīng)及其應(yīng)用[J];清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1998年08期

7 林勇,陳樺;石英晶體諧振器生產(chǎn)工藝流程綜述[J];電訊技術(shù);1997年03期

8 張福范;雙金屬條整溫器的接觸熱應(yīng)力[J];應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué);1983年03期

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1 王富明;應(yīng)力補償?shù)臏匮a晶體振蕩器研究[D];西安電子科技大學(xué);2015年

2 賈兆e

本文編號：2814694