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MHZ晶體振蕩模式的激光測量與識別
AT切割的石英晶體振蕩器是我們最常見到的，一般都是應用在MHZ晶體系列上面，低頻到高頻的范圍是非常廣泛的，最低的MHZ頻率是1.000MHz，最高的可以達到幾千兆赫茲。更高的就是GHZ了，但是目前GHZ技術還不是很成熟，很多晶振廠家都處于觀望和研發狀態，因此目前客戶使用的晶振主要還是以MHZ為主。在所有MHZ頻率中，不得不提一下8.000MHZ這個頻點，因為這個頻點是常規MHZ貼片晶振中，最小的一個常用頻率，尤其是5032mm晶振和3225mm晶振，因為比較穩定好用，很多工程師都會選擇8M晶振。關于AT切割前面已經有提供過許多相關的資料，但今天我們依然要再次探討。
對于現代通信系統，石英晶體/振蕩器的性能預計會越來越高。對于晶體工程師來說，最困難的問題之一是頻率和電阻活動因溫度變化而下降。對于微型諧振器，在整個工作溫度范圍內（通常為-40?至85?或更高）僅通過電響應來避免所有不需要的模式是很難的。許多年來，人們試圖用探針來探測激發的石英晶體板的電荷，以獲得板的振動形狀。在20世紀60年代，Harata和Spencer1使用X射線地形來描述形狀。但這些方法通常可以測量相對較低頻率的振動，并且只能說明3軸的復合位移。本文采用激光輻射儀器MEMSMap510（挪威Optonor公司制造）檢測振動形狀，以獲得更多的位移場信息。和高端AT晶體諧振器設計的耦合模式。
重要的是保證AT切割MHZ石英晶體板在純厚度剪切模式下振動，因為模式耦合總是導致性能下降。在過去的60年里，已經進行了許多板振動分析和模擬;然而，只有很少的工作來測量晶振模式，特別是對于高頻形狀。在本文中，我們使用激光輻射儀器來檢測振動形狀。它可以清楚地分辨每個軸的位移，這有助于更容易區分振動模式。此外，測量的頻率可以超過100MHz。通過該儀器測量了厚度剪切模式和非諧振模式。結果與理論相符。比較模式耦合樣本和純厚度剪切模式樣本的位移，這可以判斷兩種模式耦合時板上發生的情況。這些結果可以幫助工程師解決耦合問題。
AT切割石英板振動理論：
許多不同的模式，如厚度剪切，厚度扭曲，彎曲和面剪切模式等，在以前的研究中是眾所周知的。石英晶體諧振器振動理論幫助工程師找到良好的設計以避免模式耦合。Mindlin的2板理論是最著名的。但是，計算結果是否與實際振動形狀相匹配仍然是一個大問題。它還影響著提高板理論的準確性和有效性。基于Mindlin的二維模型，我們開發了一個有限元分析（FEA）程序3,4來模擬晶體板的振動模式，并通過MEMSMap510用測量數據驗證結果。
模擬和測量結果：
我們準備兩個樣品進行測試。一個是3225晶振（3.2mm×2.5mm）40MHz，另一個是8045尺寸（8.0mm×4.5mm）8MHz。在40MHz樣本中，我們看到純厚度剪切模式（TS模式，沿X1方向的均勻面內位移），如圖1所示，以及非諧波模式（沿X1方向的周期性相反的面內位移），如圖2所示。兩種模式的測量數據匹配理論很好。
圖1純TS模式X1軸的位移，頻率為40.13MHz。
圖2是頻率為40.72MHz的非諧波模式的X1軸的位置。
在8MHz樣本中，我們看到由于設計不合理而采用TS模式的強耦合（面外位移），如圖3和圖4所示。耦合模式不是我們之前所知的典型彎曲模式。平面位移是“格子”，兩個附近區域的方向相反。通過Mindlin的2D模式對仿真結果進行匹配，如圖5所示。根據這些信息，改變了石英芯片的尺寸和輪廓，重新設計了新的諧振器，具有更好的振動性能。如圖6和圖7所示，耦合模式被抑制。
圖3具有強平面外耦合模式的8MHz貼片晶振樣品的總位移。
圖4.8MHz樣品的X2軸的位移，具有“格子”平面外位移。附近兩個區域的方向相反。
圖5.8MHz樣品的X2軸的模擬位移,它匹配圖4中所示的測量數據。
圖6新設計8MHz樣品的總位移。它表明平面外模式被抑制。
圖7新設計8MHz的X2軸位移。面外位移幾乎檢測不到。
通過激光輻射儀MEMSMap510，可以直接檢測高頻AT切石英板的振動位移場。它可以清楚地分辨出eachaxle中的位移，這有助于區分振動模式。在本文中，首先，測試40MHz樣本。確定了一些典型模式，如純TS和非諧波模式。其次，8MHz的Quartz Crystal樣本也是測試。在這種情況下，觀察到異常的超平面不需要模式。不尋常的flexuremodes與模擬結果相匹配。根據模式形狀信息，應用了8MHz的新設計，我們得到了另一個具有更好性能的8MHz諧振器。
激光技術應用到SMD晶振加工環節，已經有幾十年的歷史了，在較早之前我們也介紹過另一種叫做激光刻蝕的激光技術，隨著現代化科技越來越高，應用到晶振生產的工藝也隨之發生變化。用于晶振領域的先進技術還有許多，不便一一闡述后續會逐漸介紹，可隨時登錄我司金洛鑫電子官網，查到最新信息。
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