石英晶體是構成微控制器等IC的參考時鐘的重要組成部分之一.它們廣泛用于不同的產品,從諸如蜂窩電話和智能電話的移動通信終端設備到汽車和家用電器.對石英貼片晶振的小型化存在強烈需求,特別是對于移動通信終端設備.設計這些部件的挑戰之一是在保持產品特性的同時實現產品的小型化.在本文中,我們將介紹如何使用采用有限元方法（FEM）的仿真技術有效地進行設計工作.

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）.圖1顯示了村田制作所產品的典型結構.圖2顯示了其等效電路.該器件是構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鐘,例如,微控制器的操作所需的參考時鐘.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產生時鐘信號.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頻率處取最小值.ESR.振蕩器電路在晶體坯料的主振動頻率附近振蕩,產生時鐘信號.

振蕩器電路中重要的是振蕩的穩定性.振蕩穩定性的指標之一是振蕩裕度表示除石英晶體之外的電路元件的信號增益（輸入信號的放大能力）與ESR（信號的阻尼因子）之比.理論上,當振蕩裕度大于1時,電路振蕩;然而,當振蕩裕度接近1時,電路很少振蕩或者開始振蕩需要很長時間,這有時會導致安裝振蕩器的設備出現故障.抑制ESR可以改善振蕩裕度.通常,頻率越低,ESR越高,產品尺寸越小,ESR越高.2016貼片晶振和1612貼片晶振已經安裝在移動終端設備中,但是對更小的產品的需求越來越大.

2.設計產品特性的關鍵因素

除了厚度剪切振動外,AT切割石英晶體還有許多不必要的振動;后者用作石英晶體的主要振動.在設計石英晶振時,必須選擇合適的幾何參數,以便這些不必要的振動不會影響工作溫度范圍內的產品特性.圖5顯示了溫度與ESR之間的關系,其中比較了兩種情況的特征：圖（a）表示在設計中選擇適當幾何形狀的情況,而圖（b）表示不適當幾何形狀的情況.選擇不合適的幾何參數時,不必要的振動會疊加并增加ESR.因此,選擇合適的幾何參數非常重要,這些參數不會受到設計階段不必要振動的影響.然而,幾何參數有很多種組合,工程師一直在努力通過試驗和錯誤在許多情況下憑經驗找到最佳解決方案.它是減少研發時間和晶振質量改進的主要原因之一.

圖5.工作溫度范圍內的ESR特性

3.仿真技術（有限元法）的應用和新挑戰

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）進行特征模擬.然而,該方法具有缺點：模擬結果與實際樣品特性不一致.最近的研究已經闡明,這種不一致的根源在于這樣的事實：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（厚度-剪切振動）和不必要的振動.

圖6.空白寬度和ESR之間的關系

圖6比較了實際樣品特性和FEM模擬結果,當模擬僅模擬晶體坯料而不考慮保持在基板上時.在沒有夾持材料的幾何形狀的模擬結果中,ESR特性的趨勢與實際樣品特征不一致;因此,不能確定適當的幾何參數.

因此,我們面臨的挑戰是提高仿真結果與實際樣本特征的一致性,從而建立更好的仿真技術,以有效地找到最佳解決方案.村田晶振集團現在已經創建了一個新的仿真系統,可以為這些挑戰提供解決方案.該系統使我們能夠提高模擬結果與實際樣品特征的一致性.

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