压电声波谐振器电路参数计算分析

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石英晶体谐振器作为用于电路的一个电子元件,必须需要知道它的电阻、电容、电感和品质因数等电路参数。用板理论对石英晶体谐振器进行振动分析所获得的振动频率、位移和模态耦合等信息对电子工程师而言,用处并不大。为了能与实际产品的测量结果直接比较,必须计算和分析其电路参数,如电容比,品质因数等。电路参数的求解可以通过考虑石英晶体的压电特性与材料粘性来获得,因为材料粘性通过能量损耗来影响电阻和品质因素。由于利用早期测量的石英晶体粘性系数计算所得的动态电阻比实际测量的要小很多。本文引入等效粘性耗散来计算石英晶体谐振器的各个电路参数,以期能找到最合适的粘性值来对产品的电路参数进行合理的估算。从三维的弹性力学方程出发,推导了材料等效粘性系数与石英晶体谐振器工作模态厚度剪切振动频率间的关系。结果表明,随着石英晶体谐振器频率的提高,等效粘性对振动频率的影响亦逐渐增大。利用Mindlin一阶板理论对考虑等效粘性耗散石英晶体板的自由振动进行分析,得出了色散关系和频谱关系。由于复弹性常数的引入,对应于每个实频率,得到的波数解是复数。同样,对应于实数长厚比,得到的频率也是复数。对数据进行合理的选取后,我们发现粘性耗散对石英晶体的色散关系和频谱关系影响不大。考虑压电特性与等效粘性,对覆盖电极情况下石英晶体板的自由振动与受迫振动进行分析,我们计算了电容比、动态电感、动态电阻、品质因数几个重要的电路参数。由于石英晶体谐振器可看作是部分覆盖电极的晶体板,部分覆盖电极情况下板的振动分析与电参数计算对产品设计更具参考价值。最后,对考虑等效粘性耗散情况下,石英晶体谐振器的温频关系也进行了初步研究。本文提供的理论分析方法可供设计者在设计初期对谐振器的电路参数进行合理的估算,避开电路参数性能和温频特性不理想的区间,进而达到优化产品设计的目的。同时,本文分析石英晶体谐振器的方法亦可推广到其他压电声波谐振器产品的设计和分析中。
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