石英晶體是構(gòu)成微控制器等IC的參考時(shí)鐘的重要組成部分之一.它們廣泛用于不同的產(chǎn)品,從諸如蜂窩電話和智能電話的移動(dòng)通信終端設(shè)備到汽車和家用電器.對(duì)石英貼片晶振的小型化存在強(qiáng)烈需求,特別是對(duì)于移動(dòng)通信終端設(shè)備.設(shè)計(jì)這些部件的挑戰(zhàn)之一是在保持產(chǎn)品特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化.在本文中,我們將介紹如何使用采用有限元方法（FEM）的仿真技術(shù)有效地進(jìn)行設(shè)計(jì)工作.

1.AT切割石英晶體和振蕩器電路

AT切割石英晶體是由合成晶體制成的器件,并使用晶體的壓電特性（厚度剪切振動(dòng)）.圖1顯示了村田制作所產(chǎn)品的典型結(jié)構(gòu).圖2顯示了其等效電路.該器件是構(gòu)成電子振蕩器電路的重要部件之一,該電子振蕩器電路用作參考時(shí)鐘,例如,微控制器的操作所需的參考時(shí)鐘.圖3給出了振蕩器電路的典型配置.振蕩器電路通過放大通過石英晶振的電信號(hào)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào).如圖4所示,石英晶體的電阻隨頻率變化.石英晶體的電阻在晶體坯料的主振動(dòng)頻率處取最小值.ESR.振蕩器電路在晶體坯料的主振動(dòng)頻率附近振蕩,產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào).

振蕩器電路中重要的是振蕩的穩(wěn)定性.振蕩穩(wěn)定性的指標(biāo)之一是振蕩裕度表示除石英晶體之外的電路元件的信號(hào)增益（輸入信號(hào)的放大能力）與ESR（信號(hào)的阻尼因子）之比.理論上,當(dāng)振蕩裕度大于1時(shí),電路振蕩;然而,當(dāng)振蕩裕度接近1時(shí),電路很少振蕩或者開始振蕩需要很長時(shí)間,這有時(shí)會(huì)導(dǎo)致安裝振蕩器的設(shè)備出現(xiàn)故障.抑制ESR可以改善振蕩裕度.通常,頻率越低,ESR越高,產(chǎn)品尺寸越小,ESR越高.2016貼片晶振和1612貼片晶振已經(jīng)安裝在移動(dòng)終端設(shè)備中,但是對(duì)更小的產(chǎn)品的需求越來越大.

2.設(shè)計(jì)產(chǎn)品特性的關(guān)鍵因素

除了厚度剪切振動(dòng)外,AT切割石英晶體還有許多不必要的振動(dòng);后者用作石英晶體的主要振動(dòng).在設(shè)計(jì)石英晶振時(shí),必須選擇合適的幾何參數(shù),以便這些不必要的振動(dòng)不會(huì)影響工作溫度范圍內(nèi)的產(chǎn)品特性.圖5顯示了溫度與ESR之間的關(guān)系,其中比較了兩種情況的特征：圖（a）表示在設(shè)計(jì)中選擇適當(dāng)幾何形狀的情況,而圖（b）表示不適當(dāng)幾何形狀的情況.選擇不合適的幾何參數(shù)時(shí),不必要的振動(dòng)會(huì)疊加并增加ESR.因此,選擇合適的幾何參數(shù)非常重要,這些參數(shù)不會(huì)受到設(shè)計(jì)階段不必要振動(dòng)的影響.然而,幾何參數(shù)有很多種組合,工程師一直在努力通過試驗(yàn)和錯(cuò)誤在許多情況下憑經(jīng)驗(yàn)找到最佳解決方案.它是減少研發(fā)時(shí)間和晶振質(zhì)量改進(jìn)的主要原因之一.

圖5.工作溫度范圍內(nèi)的ESR特性

3.仿真技術(shù)（有限元法）的應(yīng)用和新挑戰(zhàn)

我們可以想到一種有效的方法來幫助我們找到最佳解決方案,即使用有限元法（FEM）進(jìn)行特征模擬.然而,該方法具有缺點(diǎn)：模擬結(jié)果與實(shí)際樣品特性不一致.最近的研究已經(jīng)闡明,這種不一致的根源在于這樣的事實(shí)：不僅幾何形狀而且連接壓電晶體坯料和基板的保持材料極大地影響主振動(dòng)（厚度-剪切振動(dòng)）和不必要的振動(dòng).

圖6.空白寬度和ESR之間的關(guān)系

圖6比較了實(shí)際樣品特性和FEM模擬結(jié)果,當(dāng)模擬僅模擬晶體坯料而不考慮保持在基板上時(shí).在沒有夾持材料的幾何形狀的模擬結(jié)果中,ESR特性的趨勢與實(shí)際樣品特征不一致;因此,不能確定適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù).

因此,我們面臨的挑戰(zhàn)是提高仿真結(jié)果與實(shí)際樣本特征的一致性,從而建立更好的仿真技術(shù),以有效地找到最佳解決方案.村田晶振集團(tuán)現(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)新的仿真系統(tǒng),可以為這些挑戰(zhàn)提供解決方案.該系統(tǒng)使我們能夠提高模擬結(jié)果與實(shí)際樣品特征的一致性.

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