仿真技术在AT切石英晶体设计中的应用

石英晶体是构成微控制器等IC的参考时钟的重要组成部分之一.它们广泛用于不同的产品,从诸如蜂窝电话和智能电话的移动通信终端设备到汽车和家用电器.对石英贴片晶振的小型化存在强烈需求,特别是对于移动通信终端设备.设计这些部件的挑战之一是在保持产品特性的同时实现产品的小型化.在本文中,我们将介绍如何使用采用有限元方法（FEM）的仿真技术有效地进行设计工作.

1.AT切割石英晶体和振荡器电路

AT切割石英晶体是由合成晶体制成的器件,并使用晶体的压电特性（厚度剪切振动）.图1显示了村田制作所产品的典型结构.图2显示了其等效电路.该器件是构成电子振荡器电路的重要部件之一,该电子振荡器电路用作参考时钟,例如,微控制器的操作所需的参考时钟.图3给出了振荡器电路的典型配置.振荡器电路通过放大通过石英晶振的电信号产生时钟信号.如图4所示,石英晶体的电阻随频率变化.石英晶体的电阻在晶体坯料的主振动频率处取最小值.ESR.振荡器电路在晶体坯料的主振动频率附近振荡,产生时钟信号.

振荡器电路中重要的是振荡的稳定性.振荡稳定性的指标之一是振荡裕度表示除石英晶体之外的电路元件的信号增益（输入信号的放大能力）与ESR（信号的阻尼因子）之比.理论上,当振荡裕度大于1时,电路振荡;然而,当振荡裕度接近1时,电路很少振荡或者开始振荡需要很长时间,这有时会导致安装振荡器的设备出现故障.抑制ESR可以改善振荡裕度.通常,频率越低,ESR越高,产品尺寸越小,ESR越高.2016贴片晶振和1612贴片晶振已经安装在移动终端设备中,但是对更小的产品的需求越来越大.

2.设计产品特性的关键因素

除了厚度剪切振动外,AT切割石英晶体还有许多不必要的振动;后者用作石英晶体的主要振动.在设计石英晶振时,必须选择合适的几何参数,以便这些不必要的振动不会影响工作温度范围内的产品特性.图5显示了温度与ESR之间的关系,其中比较了两种情况的特征：图（a）表示在设计中选择适当几何形状的情况,而图（b）表示不适当几何形状的情况.选择不合适的几何参数时,不必要的振动会叠加并增加ESR.因此,选择合适的几何参数非常重要,这些参数不会受到设计阶段不必要振动的影响.然而,几何参数有很多种组合,工程师一直在努力通过试验和错误在许多情况下凭经验找到最佳解决方案.它是减少研发时间和晶振质量改进的主要原因之一.

图5.工作温度范围内的ESR特性

3.仿真技术（有限元法）的应用和新挑战

我们可以想到一种有效的方法来帮助我们找到最佳解决方案,即使用有限元法（FEM）进行特征模拟.然而,该方法具有缺点：模拟结果与实际样品特性不一致.最近的研究已经阐明,这种不一致的根源在于这样的事实：不仅几何形状而且连接压电晶体坯料和基板的保持材料极大地影响主振动（厚度-剪切振动）和不必要的振动.

图6.空白宽度和ESR之间的关系

图6比较了实际样品特性和FEM模拟结果,当模拟仅模拟晶体坯料而不考虑保持在基板上时.在没有夹持材料的几何形状的模拟结果中,ESR特性的趋势与实际样品特征不一致;因此,不能确定适当的几何参数.

因此,我们面临的挑战是提高仿真结果与实际样本特征的一致性,从而建立更好的仿真技术,以有效地找到最佳解决方案.村田晶振集团现在已经创建了一个新的仿真系统,可以为这些挑战提供解决方案.该系统使我们能够提高模拟结果与实际样品特征的一致性.

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