石英晶体谐振器的震动模态分析及环境电磁场影响研究周海静

石英晶体谐振器的震动模态分析及环境电磁场影响研究周海静

周海静

河北远东通信系统工程有限公司河北石家庄050000

摘要：石英晶体谐振器对于人类的生产生活具有重要意义，随着社会进步对于谐振器的新要求，人类对于谐振器的研究也不断深入。本文将通过对对石英晶体谐振器在静态磁场和电磁场作用下的振动模式进行了分析和研究。

关键词：石英晶体谐振器；震动模态；环境电磁场

石英晶体谐振器作为核心元器件存在于电子信息通信系统之中，对航空航天、电子技术、通信工程、机械制造等行业的发展做出重要贡献。随着现代科技的不断发展，各项工程建设对于石英晶体谐振器不断出现新要求，提高谐振器的精度和稳定度成为研究的重点。

一、石英晶体谐振器的震动模态分析

随着科技力量的不断发展，电子产品不断朝着集成化、小型化方向发展，产品内部元器件的体积也在不断缩小。石英晶体谐振器的体积缩小也就导致了晶体的震动面积减小，震动力度加强，这就使得晶体震动时会受到更多的干扰，因此加强对于石英晶体谐振器的震动模态分析是十分重要的工作。除此之外，由于石英晶体在工作的过程中受到支架和基座的束缚，一定程度上影响着晶体的震动，因此支架与晶体连接的节点位置十分重要。为此要进行石英晶体谐振器的震动模态分析，以加强晶体震动时的稳定性。对晶体的稳定性产生影响的还有磁场这一因素，通过对石英晶体谐振器的振动模式，可以进一步了解磁场对于晶体稳定性的影响。

利用压电震动理论对石英晶体进行模态分析，首先要对软件进行有限元分析。在进行分析之前将元器件待解决的问题用相对应的几何模型描述出来，再将这一几何模型转化为有限元模型，根据电路工作需要对元器件施加相应的载荷，以载荷作为边界调节并求解，最后对求解结果进行分析，并对元器件提出相应的改进措施。

当计算的边界条件为自由边界时，石英晶体的有限元模型的外界调节为零位移和零电势，根据这一条件将计算公式简化，通过计算石英晶体谐振器在中央芯片上的振动位置最强。石英晶片尺寸的大小也影响着谐振器的震动，通过实际测量我们知道，在晶体长度不变的情况下，当宽度为1.29mm时，谐振器会受到较大的干扰；当宽度为1.295mm时，震动减小，但仍未达到理想状态；当宽度为1.3mm时震动得到了很好的控制，处于理想状态；当宽度为1.31mm时，震动幅度再次加大。由此可见，石英晶片的宽度在一定的范围内时谐振器处于优化状态，超出这一范围干扰则会加大。

二、石英晶体谐振器的环境电磁场影响研究

（一）静磁场中石英晶体谐振器的稳定性研究

利用电磁铁、频率计、高斯计和石英晶体谐振器等装置对静磁场中石英晶体谐振器的稳定性进行研究，其中，实验的位置和外界温度为定量，通过频率计对石英晶体谐振器产生的频率进行采集，并将采集到的频率传送到计算机，进而进行分析。通过分析我们知道，对于传统石英晶体谐振器来说，由于晶体与支架、基座之间的连接，静磁场对于谐振器的影响不会随着磁场的撤离而消失。对于单支架石英晶体谐振器来说，由于没有了之间和基座的束缚，谐振器的频率会随着静磁场的撤离而逐渐减小，直到归零。通过以上实验我们知道谐振器的铁磁性支架对于谐振器在磁场中的频率影响较大。为了进一步研究导致谐振器频率变化的原因，可以通过实验得知支架和谐振器表面的粘贴对于谐振器频率的影响可以忽略不计。

（二）电磁场中的石英晶体谐振器的稳定性研究

在实际的工作中，石英晶体谐振器不仅仅处于静磁场状态下。为了研究电磁场中石英晶体谐振器的适应性，使用交流调压器、恒温箱、频率计、万用表、两用铜电极和石英晶体谐振器等装置进行实验探究。在实验过程中，利用同轴电缆并减少谐振器的电极以外界磁场对实验的干扰。在实验开始时，通过改变交变电磁场的强度，观察了石英晶体谐振器的频率灵敏度。通过观察我们得知，当交变电磁场的强度增大时，石英晶体谐振器的频率敏感度也也会增大。实验过程中还可以改变石英晶体的方向，通过研究我们发现当石英晶体与交变电场方向为同向时，谐振器的频率敏感度较高，因此，在一定程度上改变磁场方向的谐振器频率。

三、小结

随着社会的不断进步，生产生活对于石英晶体谐振器不断提出新要求，加强谐振器的稳定性成为重中之重。通过对石英晶体震动模块的分析，建立几何模型和网络模型，进行自由边界下的模态分析、不同尺寸的石英晶片的模态分析等对石英晶片谐振器的稳定性进行研究和分析。最后进行电磁场对石英晶体谐振器的影响研究，分析谐振器在静磁场和电磁场中振动模式的稳定性。通过对石英晶体谐振器的一系列探究，探究出谐振器达到稳定性的条件，不断促使谐振机朝着更加优化、更加稳定的方向发展。

参考文献

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[3]李宾.基于磁控溅射技术的AT切石英晶体谐振器调频工艺研究[D].西安理工大学,2010.

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