使用激光辐射用于检测AT切割晶体的振动仪器

1.摘要

保证AT切割石英非常重要水晶板在纯厚度剪切下振动模式,因为模式耦合总是导致性能下降.很多板振动分析和模拟已在过去60年完成年份;然而,只有很少的晶振测量水晶模式的形状,特别是高频率的.在本文中,我们使用激光辐射用于检测振动形状的仪器.它可以清楚地说明每个轴的位移有助于区分振动模式更容易.而且测量TXC晶振的频率可以大于100MHz的.通过这种仪器的厚度剪切模式已经测量了非谐波模式.该结果很好地匹配理论.流离失所模式耦合样本和纯厚度剪切模式样本,比较哪些可以说明什么当两种模式耦合时发生在板上.这些结果可以帮助工程师解决耦合问题.

2.简介

对于现代通信系统,石英晶体谐振器/有源晶体振荡器的性能预计会越来越高.其中一个水晶工程师最困难的问题是频率和阻力活动因此而下跌温度变化.对于小型晶体谐振器,它是很难通过电气来避免所有不需要的模式在整个工作温度范围内的响应（通常从-40℃到+85℃或更高）.很多年人们试图用探针来检测电动激发石英晶体板的电荷得到板的振动形状.20世纪60年代,哈拉塔和哈拉塔Spencer1使用X射线地形来描述模式形状.但这些方法通常都可以测量相对较低频率的振动只能说出3轴的复合位移.在本文中我们使用激光辐射仪,MEMSMap510（挪威Optonor公司制造）检测振动形状以获得更多位移场和耦合模式的信息用于高端AT晶体谐振器设计.

3.AT切割石英板振动理论

晶振具有许多不同的模式,如厚度剪切,厚度扭曲,弯曲和面剪切模式等以前的研究是众所周知的.振动理论帮助工程师找到好的设计避免模式耦合.Mindlin的理论是最着名的一个.但是,是否计算结果匹配实际振动形状仍然很大题.它还影响提高准确性板理论的有效性和有效性.基于Mindlin的二维模型,我们开发了一个有限元分析（FEA）程序,来模拟振动晶体模板的模式和验证结果MEMSMap510的测量数据.

4.模拟和测量结果

我们准备两个晶振样品进行测试.一个是3225晶振封装（3.2mm×2.5mm）40MHz,另一种是8045晶振封装（8.0mm×4.5mm）8MHz.在里面40MHz样品,我们看到纯厚度剪切模式（TS模式,沿X1的均匀面内位移方向）,如图1和非谐波模式（沿X1的周期性位移周期性相反）方向）,如图2所示.两者的测量数据模式匹配理论退出.

图1纯TS的X1轴的位移频率为40.13MHz的模式.

图2频率为40.72MHz的非谐波模式的X1轴位移.

在8MHz晶振的样本中,我们看到了一对强者因TS而导致的（面外位移）设计不合理,如图3和图4所示模式不是我们之前知道的典型弯曲模式.面外位移是“格子”,而且是两个附近区域的方向相反.它匹配Mindlin的2D模拟结果模式,如图5所示.根据这些信息,改变石英芯片的尺寸和轮廓,并且a新型谐振器经过重新设计,振动更好性能.该模式被压抑为如图6和图7所示.

图3,8MHz晶振样品的总位移具有强大的平面外耦合模式.

图4,8MHz石英晶振的X2轴位移样品具有“格子”面外位移.该两个附近区域的方向相反.

图5, X2轴的模拟位移8MHz样本.它匹配测量数据如图4所示.

图6,新设计的总位移8MHz晶振样本.它显示了平面外模式很郁闷.

图7,新设计的X2轴位移为8MHz.面外位移几乎是检测不到.

4.结论

通过激光辐射仪器,MEMSMap510,振动位移场可以检测到高频AT切石英板直.它可以清楚地分辨每个位移轴有助于区分振动模式更轻松.在本文中,首先,测试40MHz样本.一些典型的模式,如纯TS和非谐波模式,被识别.其次,8MHz石英晶振的样本同样检测.在这种情况下,一个异常的平面外观察到不需要的模式.不寻常的弯曲模式匹配模拟结果.根据模式形状信息,一个新的设计应用8MHz,我们得到另一个8MHz谐振器具有更好的性能.