石英晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源或脈沖信號源,提供頻率基準(zhǔn),是其它類型的振蕩器所不能替代的.小型化,片式化,低噪聲化,頻率精度高與穩(wěn)定度高及頻化高等特點(diǎn),是現(xiàn)代社會不可缺少一款電子元件,廣泛用在各行業(yè)領(lǐng)域.尤其是信息技術(shù)(IT)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,更使這種 晶體振蕩器煥發(fā)出勃勃生機(jī).石英晶體振蕩器在遠(yuǎn)程通信, 衛(wèi)星通信,移動電話系統(tǒng),GPS,導(dǎo)航,航空航天,精密計(jì)測儀器及消費(fèi)類民用電子產(chǎn)品中.可見這款電子元件占的重量之大.該篇文章康比電子介紹關(guān)于面剪切振動模態(tài)頻率溫度特性的技術(shù)資料.

關(guān)于面剪切振動模態(tài)頻率溫度特性的推導(dǎo)是在一階板的面剪切振動方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行的.將熱膨脹系數(shù)和熱彈性系數(shù)考慮在內(nèi),可將一階板的面剪切振動運(yùn)動方程變更為:

其中為熱彈性系數(shù),

應(yīng)力位移與溫度的關(guān)系為:

其中為熱膨脹系數(shù),

算例與實(shí)際量測結(jié)果

圖3為利用三維理論和一階板理論的推導(dǎo)結(jié)果計(jì)算得到了頻譜圖,設(shè)計(jì)人員可以據(jù)此選擇在3x方向沒有面剪切振動模態(tài)和厚度剪切振動模態(tài)偶合的貼片晶振晶片尺寸.另外比較兩種理論的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),計(jì)算結(jié)果基本是一致的.

圖3.寬度與厚度之比與歸一化頻率的關(guān)系圖.___代表三維理論計(jì)算結(jié)果,◇◇◇代表一階板理論計(jì)算的結(jié)果.

圖4.面剪切振動模態(tài)頻率與寬度尺寸的關(guān)系圖和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果.線代表理論計(jì)算結(jié)果,點(diǎn)代表實(shí)際量測結(jié)果.

面剪切振動模態(tài)頻率譜圖計(jì)算結(jié)果的可信度也用實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.我們選擇的是基頻為41.280MHz的石英晶振矩形板,板的1x方向尺寸固定為2.000mm,板的3x方向尺寸分別選擇1.295,1.315,1.335,1.355mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)際測量的結(jié)果如圖4中的黑點(diǎn)所示.從圖4中的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對表明兩者很接近,證明理論的計(jì)算是可信的,是實(shí)際可以拿來用的.

分別以三維理論和一階板的理論為基礎(chǔ)而計(jì)算得到的面剪切振動的石英晶體振蕩器頻率溫度特性圖如圖5所示.驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選擇了基頻為41.280MHz,13xx方向尺寸分別為2.000mm,1.335mm晶片的第15階的面剪切振動模態(tài)的溫度特性進(jìn)行了測量.圖5表示出了三者的差異.

從趨勢上看,三者基本上是一致的,但實(shí)際測量的變化幅度要大于理論計(jì)算的結(jié)果.設(shè)計(jì)人員仍可根據(jù)大致的計(jì)算結(jié)果來估算面剪切振動模態(tài)隨溫度變化的頻率變化趨勢.

圖5.面剪切振動模態(tài)的頻率溫度關(guān)系圖.×××代表實(shí)際量測結(jié)果,＊＊＊代表三維理論計(jì)算結(jié)果,□□□代表一階板理論計(jì)算結(jié)果.

結(jié)論

本論文分別采用三維理論和一階板的理論對面剪切振動模態(tài)進(jìn)行了理論推導(dǎo),并且從算例中得到,利用兩種推導(dǎo)方式得到的關(guān)于面剪切振蕩的頻譜圖十分接近.將實(shí)際的量測得到的面剪切振動模態(tài)的數(shù)據(jù)和算例進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者的吻合度很高,更加證明了理論的準(zhǔn)確性.在一階板理論的基礎(chǔ)上,考慮熱膨脹系數(shù)和熱彈性系數(shù),推導(dǎo)出了面剪切有源晶振振蕩模態(tài)頻率和溫度之間的關(guān)系.將實(shí)際的結(jié)果和算例做比較,發(fā)現(xiàn)趨勢雖然一致,但數(shù)值上差異較大,是后續(xù)我們的工作需要補(bǔ)足的地方.

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