CN113556099B - 压电石英晶体振荡片、谐振器和振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电石英晶体振荡片、谐振器和振荡器，解决了现有技术中的石英晶体振荡片因为导电胶固定的边界条件而产生寄生振动干扰并引发整体谐振阻抗过高的技术问题。所述振荡片包括振荡片本体，所述振荡片本体的表面在靠近其点胶侧开设有沟槽或缺口。本发明的压电石英晶体振荡片，在BI‑MESA结构的晶体表面靠近点胶区域开沟槽或缺口的方式，一方面可以抑制寄生振动的干扰，同时有效的改善点胶区域的应力对电极区域产生的力频影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电石英晶体振荡片，具体涉及一种压电石英晶体振荡片、谐振器和振荡器。
背景技术
随着5G通信的发展，穿戴设备和移动终端逐渐向轻薄方向发展，势必要求内部的器件也向小尺寸方向发展，石英晶体谐振器和振荡器作为通信的核心器件也不例外。AT切石英晶体谐振器或振荡器的核心部件是压电石英晶体振荡片，该振荡片经过溅射镀膜后通过导电胶将振荡片固定在陶瓷基座中，然后加盖真空封装。随着晶体谐振器的尺寸逐渐变小，其内部的振荡片的尺寸也在减小，其导电胶的大小对小尺寸振荡片的振动影响会变的越来越明显。胶点大小反映出振荡片的固定点与电极的距离，如果胶点太大意味着固定点与电极距离缩小，当振荡片振动时一方面振动波反射到固定胶点后波的反射影响振荡片的能陷效应，产生寄生振动；另一方面当外界温度升高或降低时胶点的膨胀或收缩对振荡片产生力频效应，导致振荡片的阻抗过大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电石英晶体振荡片、谐振器和振荡器，以解决现有技术中因为导电胶固定的边界条件而产生寄生振动干扰并引发整体谐振阻抗过高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种压电石英晶体振荡片，包括振荡片本体，所述振荡片本体的表面在靠近其点胶侧开设有沟槽。
可选的或优选的，所述振荡片本体的顶面和底面均开设有沟槽。
可选的或优选的，所述沟槽的宽度为振荡片本体厚度的2％-50％；所述沟槽的深度为振荡片本体厚度的2％-45％。
可选的或优选的，所述沟槽的宽度为振荡片本体厚度的2％-25％；所述沟槽的深度为振荡片本体厚度的2％-25％。
可选的或优选的，所述沟槽的宽度为振荡片本体厚度的43％；所述沟槽的深度为振荡片本体厚度的43％。
可选的或优选的，所述沟槽的形状为弧形沟槽、矩形沟槽、梯形沟槽或三角形沟槽。
可选的或优选的，所述沟槽为通槽。
可选的或优选的，所述沟槽替换为缺口；所述缺口为两个且分别位于振荡片本体的两侧。
可选的或优选的，所述缺口的宽度为振荡片本体厚度的2％-50％。
本发明提供的一种石英晶体谐振器，包括上述的压电石英晶体振荡片。
本发明提供的一种石英晶体振荡器，包括上述的压电石英晶体振荡片。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
(1)本发明提供的压电石英晶体振荡片，由于在振荡片本体的表面在靠近其点胶侧开设有沟槽；沟槽的槽深越深AT厚度剪切振动在X方向的振动碰到更深的沟槽如同边缘更薄的振荡片，意味着沟槽的边缘出现更高频率的区域，台阶和电极区域的频率较之很低频率无法传递到更高的频率范围，更好的将能量限制在台阶和电极区域内，因此抑制了寄生振动，而主振动变的更强；并且，由于沟槽结构的存在更好的抑制XZ方向的面切变振动的干扰，同时由于沟槽的截断意味着振动振荡片长度尺寸变短XX方向的纵向振动频率得到升高，更好抑制长度方向的伸缩振动，振荡片的XY方向的厚度剪切振动的能量得到了较大的提升；本发明提供的压电石英晶体振荡片，在BI-MESA结构的晶体表面靠近点胶区域开沟槽的方式一方面可以抑制寄生振动的干扰，同时有效的改善点胶区域的应力对电极区域产生的力频影响。该沟槽的宽度和深度对寄生的抑制效果和主振动的影响都会产生。
(2)本发明提供的压电石英晶体振荡片，由于在振荡片本体的表面在靠近其点胶侧开设有缺口；由于缺口的存在，AT厚度剪切振动在X方向的振动碰到缺口如同边缘更薄的振荡片，意味着缺口的边缘出现更高频率的区域，台阶和电极区域的频率较之很低频率无法传递到更高的频率范围，更好的将能量限制在台阶和电极区域内，因此抑制了寄生振动，而主振动变的更强；并且，由于缺口结构的存在更好的抑制XZ方向的面切变振动的干扰，同时由于缺口的截断意味着振动振荡片长度尺寸变短XX方向的纵向振动频率得到升高，更好抑制长度方向的拉伸振动，振荡片的XY方向的厚度剪切振动的能量得到了较大的提升；本发明提供的压电石英晶体振荡片，在BI-MESA结构的晶体表面靠近点胶区域开缺口的方式一方面可以抑制寄生振动的干扰，同时有效的改善点胶区域的应力对电极区域产生的力频影响。该缺口的宽度对寄生的抑制效果和主振动的影响都会产生。
(3)本发明提供的石英晶体谐振器以及石英晶体振荡器，由于应用了本发明提供的压电石英晶体振荡片，可以有效提升产品温频特性和产品的常温参数电阻要求。
附图说明
图1是本发明对照例1的结构示意图；
图2是本发明对照例2的结构示意图；
图3是本发明实施例和对照例应力和应变节点值的路径采集示意图；
图4是对照例1中振荡片应力分析图；
图5是对照例2中振荡片应力分析图；
图6是对照例1中振荡片应变分析图；
图7是对照例2中振荡片应变分析图；
图8是本发明实施例1的结构示意图；
图9是本发明实施例2的结构示意图；
图10是本发明实施例3的结构示意图；
图11是对照例1中振荡片的位移分布图；
图12是对照例2中振荡片的位移分布图；
图13是本发明实施例1中振荡片的位移分布图；
图14是本发明实施例2中振荡片的位移分布图；
图15是本发明实施例3中振荡片的位移分布图；
图16是本发明实施例1中振荡片的应力分布图；
图17是本发明实施例2中振荡片的应力分布图；
图18是本发明实施例3中振荡片的应力分布图；
图19是本发明实施例1中振荡片的应变分布图；
图20是本发明实施例2中振荡片的应变分布图；
图21是本发明实施例3中振荡片的应变分布图；
图22是对照例1中振荡片的能量分布图；
图23是对照例2中振荡片的能量分布图；
图24是本发明实施例1中振荡片的能量分布图；
图25是本发明实施例2中振荡片的能量分布图；
图26是本发明实施例3中振荡片的能量分布图；
图27是本发明实施例7的结构示意图；
图28是图8的正视图；
图29是本发明实施例4的结构示意图；
图30是本发明实施例5的结构示意图；
图31是本发明实施例6的结构示意图。
图中：1、振荡片本体；2、电极；3、台阶；4、点胶；5、沟槽；6、缺口。
具体实施方式
一、实施例：
本发明提供了一种压电石英晶体振荡片，包括振荡片本体1，所述振荡片本体1的表面在靠近其点胶4的一侧开设有沟槽5。
作为可选的实施方式，所述振荡片本体1的顶面和底面均开设有沟槽5。
作为可选的实施方式，所述沟槽5的宽度为振荡片本体1厚度的2％-50％；所述沟槽5的深度为振荡片本体1厚度的2％-45％。
作为可选的实施方式，所述沟槽5的宽度为振荡片本体1厚度的43％；所述沟槽的深度为振荡片本体1厚度的43％。
作为可选的实施方式，所述沟槽5的形状为弧形沟槽、矩形沟槽、梯形沟槽或三角形沟槽。
作为可选的实施方式，所述沟槽5为通槽。
作为可选的实施方式，所述沟槽5替换为缺口6。
作为可选的实施方式，所述缺口6为两个且分别位于振荡片本体1的两侧。
作为可选的实施方式，所述缺口6的宽度为振荡片本体1厚度的2％-50％。
下述振荡片选择的是SMD1612规格的26MHZ的bi-MESA结构的晶体谐振器，其电极2的大小为：0.065*0.055mm，其中最内部的矩形表示电极2，中间矩形表示台阶3；实施例1-6中，开设了不同宽度和深度的沟槽5，实施例7中，开设了缺口6，同时以不开设沟槽5和缺口6为对照例，振荡片具体参数(单位均为mm)如下表1所示：
表1振荡片参数
对照例1-2中振荡片的结构示意图如图1和图2所示，对照例1和对照例2的点胶4大小不同；
实施例1-3中的振荡片，在振荡片本体1的顶面和底面靠近其点胶4的一侧均开设有沟槽5，所述沟槽5为通槽，且为弧形沟槽，且开槽的尺寸不同，具体尺寸如上表1所示，其结构示意图分别如图8-10和图28所示：
实施例4中的振荡片，沟槽5为通槽，且为矩形沟槽，具体尺寸如上表1所示，其结构示意图分别如图29所示：
实施例5中的振荡片，沟槽5为通槽，且为三角形沟槽，具体尺寸如上表1所示，其结构示意图分别如图31所示：
实施例6中的振荡片，沟槽5为通槽，且为梯形沟槽(沟槽的宽度a1为0.025mm，沟槽的宽度a2为0.015mm)，具体尺寸如上表1所示，其结构示意图分别如图30所示：
实施例7中的振荡片，在振荡片本体1的表面在靠近其点胶4的一侧开设有缺口6，缺口6为两个且分别位于振荡片本体1的两侧，其结构示意图如图27所示：
二、实验例：
1、应用有限元计算软件以对比例1-2以及实施例1-7中的振荡片为例进行分析，分析结果如表3所示：
1)、电场激励进行振动模态
将对比例1-2以及实施例1-3中的振荡片进行电场(100uw)激励，得到振动模态位移特征：
两种不同点胶4大小的振荡片在电场激励下其振动模态，对点胶槽的大小进行谐响应分析，振荡片在的激励下其模态位移特征图如图11-15：
对照例1中振荡片在点胶4(190mm直径圆)的加持下，在电场激励作用下在点胶4位置0.95mm处(实际胶点和振荡片的连接部分占胶点1/4的部分)出现了能量集中导致位移跳变，而对照例2中由于胶点尺寸较小意味着点胶距离电极较大，点胶处对电极的力频效应较小，因此振动能量更为集中在电极2区域实现更好的能陷效应，从而更好抑制寄生干扰，降低振动阻抗。
如图11-15，该图中X方向的线表示AT切石英晶体谐振器的主振方向，从图中可以看出该线类似抛物线的曲线，表示其主振动位于电极区域和台阶3区域内，电极区和台阶3区外能量快速衰减掉，因为台阶3和电极区频率低于台阶3区域外的频率，这样低频波无法传播到高频区域内被限制在该区域内实现了能陷效应。对上述5组数据进行比对，计算出抛物线的斜率来衡量能量衰减情况其对比如下表2所示：
表2能量衰减情况
| 对比例1 | 对比例2 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 5.211e-7 | 7.032e-7 | 7.222e-7 | 8.7111e-7 | 8.689e-7 |
如果到台阶3边缘衰减越快说明能陷效应越好，从上述表2数据其结果可以观察到点胶4小的比点胶4大的振荡片能陷效应好，开沟槽5的比不开沟槽5的能陷效果好，另外开沟槽5的宽度比开沟槽5的深度影响更明显些。此外从图11-14中Z方向幅振动标出的位置横坐标0.21mm的位置是台阶3的边缘，也可以观察到能陷好的振荡片从台阶3的边缘到振荡片的边缘能量非常平滑的衰减掉以减少边缘振动的干扰，而能陷较差的图11(没有开沟槽5且点胶4尺寸较大的对比例1振荡片)可以看到振动位移在离开图太后出现了跳点现象，是由于点胶4处应力集中导致了位移跳变。
比较分析对比例1-2以及实施例1-3的振动模态位移特征：
第一、由于开沟槽5后电极2区域的振动到沟槽5处无法传递到点胶4区域内。其原因是由于AT的石英晶体振动是厚度剪切振动，其波的传播方向是厚度方向，振动方向是沿X方向做剪切振动，开了沟槽5后其波在X方向振动到沟槽5位置降低了传播振动能量导致的；
第二、点胶4处产生的应力集中变成沟槽5处的应力集中。其原因是因为一方面沟槽5弱化了晶体在X方向向点胶4处的传递，另外方面由于沟槽5较小导致能量集中，这样有助于弱化点胶对晶体振动的力频效应，同时该沟槽5的存在类似弹簧的挠性结构，有助于提升其振动区域的弹性能力，降低了晶体振动的整体阻抗。
2)、对应力和应变进行分析
从振荡片的中央沿振荡片的长度方向绘制一条路径(如图3所示，振荡片的宽度方向为Z方向，振荡片的长度方向为X方向，直线a表示路径)，分别对对比例1-2以及实施例1-3振荡片的振动模式位移分布曲线进行路径采集并分析应力和应变的变化，其结果如下图4-7和图16-21所示。
从图4-5中可以清晰发现当点胶4较大的对比例1振荡片其xz方向的应力和应变较对比例2振荡片的应力和应变都明显较大，而晶体谐振器采用的是AT切石英振荡片，该类振荡片振动是XY方向的厚度剪切振动，因此XZ方向的面切变振动属于寄生振动，对主振动厚度剪切属于寄生干扰，因此对其抑制越好有助于能量更集中。从能量守恒的原则出发当寄生振动分得的能量越小，主振动的能量就越大，整体谐振阻抗越低。
从图4-7和图16-21可以观察到整体开沟槽5后的振荡片较没有开沟槽5的振荡片对幅振动XZ方向的抑制更为明显，说明开沟槽5可以降低点胶产生的应力对电极2区域振动的影响效果较为明显。此外从图16-21图中还可以观察到不同尺寸的沟槽5宽度和沟槽5深度对整体振动的影响，如图16-17和图19-20所示当沟槽5宽度从0.015mm变成0.025mm时整体的应力和应变都会发生改变即不仅有效的抑制寄生振动同时对主振动的影响也非常大，产生这样的原因是挠性的沟槽5的断开等效将振荡片的长度变短了，因此对主振动和寄生振动都产生影响；如图17-18和图20-21所示，当相同的沟槽5的宽度、不同的沟槽5的深度，对寄生振动的抑制幅度变化不大，但是对主振动的影响差异非常大，产生这种现象的原因是沟槽5深度越深AT厚度剪切振动在X方向的振动碰到更深的沟槽5如同边缘更薄的振荡片意味着沟槽5的边缘出现更高频率的区域，台阶3和电极2区域的频率较之很低频率无法传递到更高的频率范围，更好的将能量限制在台阶3和电极2区域内，因此主振动会变的更强。
3)、从能量角度对对比例和实施例1-3的振荡片进行分析
当晶体振动过程是动能和势能的转换，本发明已经计算处相应的应力和应变，可以通过将应力和应变进行相乘得出应变能即势能大小，通过比较势能大小观察不同振动方向的振动的抑制效果，如图22-26所示：
从图22-23可以观察对比例1和对比例2振荡片受点胶4的影响，当胶点越大XZ方向的面切振动影响越大，同时由于振荡片的长度以及点胶4的影响无法抑制XX方向的纵向振动，正是由于寄生振动的存在分得部分能量导致主振动能量降低；
从图24-26可以观察到由于沟槽5结构的存在更好的抑制XZ方向的面切变振动的干扰，同时由于沟槽5的截断意味着振动振荡片长度尺寸变短XX方向的纵向振动频率得到升高，更好抑制长度方向的拉伸振动。此时最佳的振动的实施例3振荡片的XY方向的厚度剪切振动的能量相对于对比例1振荡片的能量提升了近40倍。
通过上述的对比实验发现，在BI-MESA结构的晶体表面靠近点胶4区域开沟槽5的方式一方面可以抑制寄生振动的干扰，同时有效的改善点胶区域的应力对电极区域产生的力频影响。该沟槽5的宽度和深度对寄生的抑制效果和主振动的影响都会产生，同时考虑器件在封装后保证机械强度的前提下需要考虑合理的沟槽5宽度和深度。
2、以前述1中的方法(电场激励进行振动模态、应力和应变进行分析、从能量角度进行分析)对实施例4-7中的振荡片进行分析，分析结果如下表3所示：
表3分析结果
由表3可知，在对照例1的基础上通过开不同尺寸和形状的沟槽5结构或者设置缺口6结构形成实施例1-7中的结构，实施例1-7中开设沟槽5结构或者设置缺口6结构以后，可以有效的提升AT切晶片主振方向XY方向厚度剪切针对，同时有效的抑制其它方向的寄生振动，例如X、Y、Z方向的伸缩振动以及YZ弯曲振动和XZ方向面切边振动；而实施例3和实施例4开设沟槽5结构以后，AT切晶片主振方向XY方向厚度剪切针对的提升尤其明显。
Claims (8)
1.一种厚度剪切振动型压电石英晶体振荡片，包括振荡片本体，其特征在于：所述振荡片本体的表面在靠近其点胶侧开设有用于抑制寄生振动干扰和降低点胶对振动产生力频效应的沟槽；所述沟槽为通槽；
所述沟槽的宽度为振荡片本体厚度的2%-50%；所述沟槽的深度为振荡片本体厚度的2%-45%。
2.根据权利要求1所述的厚度剪切振动型压电石英晶体振荡片，其特征在于：所述振荡片本体的顶面和底面均开设有沟槽。
3.根据权利要求1所述的厚度剪切振动型压电石英晶体振荡片，其特征在于：所述沟槽的宽度为振荡片本体厚度的2%-25%；所述沟槽的深度为振荡片本体厚度的2%-25%。
4.根据权利要求1所述的厚度剪切振动型压电石英晶体振荡片，其特征在于：所述沟槽的宽度为振荡片本体厚度的43%；所述沟槽的深度为振荡片本体厚度的43%。
5.根据权利要求1所述的厚度剪切振动型压电石英晶体振荡片，其特征在于：所述沟槽的形状为弧形沟槽、矩形沟槽、梯形沟槽或三角形沟槽。
6.根据权利要求1所述的厚度剪切振动型压电石英晶体振荡片，其特征在于：所述沟槽替换为缺口，所述缺口为两个且分别位于振荡片本体的两侧。
7.一种石英晶体谐振器，其特征在于，包括权利要求1-6中任意一项所述的厚度剪切振动型压电石英晶体振荡片。
8.一种石英晶体振荡器，其特征在于，包括权利要求1-6中任意一项所述的厚度剪切振动型压电石英晶体振荡片。
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