CN117411457A - 一种环形类拱形石英谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环形类拱形石英谐振器，包括：基板和方波区域；其中，所述方波区域设置在所述基板的表面；所述方波区域包括中心区域、多个环形凹槽和多个环形凸起；所述多个环形凹槽和所述多个环形凸起依次交替环绕在所述中心区域的外围；所述中心区域、所述多个环形凹槽和所述多个环形凸起的中心位于同一位置处；所述多个环形凸起的环宽由中心至外围依次减小；每个环形凹槽和位于所述每个环形凹槽外围的一个环形凸起形成环形区域；每个所述环形区域的环宽相等。该石英谐振器能陷效果优异，具有高品质因数。该石英谐振器结构简单，能够满足现有的加工工艺，降低了高Q值的石英谐振器的生产成本，满足大规模生产的需求。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种环形类拱形石英谐振器。
背景技术
AT切型的石英谐振器因具有优异的温度和振动特性，故被广泛应用于频率控制领域。石英谐振器被应用于高灵敏度设备时，为了提高频率稳定性，满足技术要求，石英谐振器需要具有高品质因数(Quality factor，Q)。
常见的形状无法兼具较低的寄生耦合强度和优异的能陷效果，难以有效减少能量损耗，为了更高的Q值，目前已研制出台面谐振器和表面具有弧形结构的拱形谐振器。已经证实拱形谐振器具有最佳的振动特性，台面谐振器通过增加阶梯数可以近似拱形石英谐振器的振动特性。
拱形谐振器的弧形部分难以实现精细加工。台面谐振器在制作过程中掩膜次数随阶梯数的增加而增加，阶梯数少的台面谐振器制作简单但性能差，阶梯数多的台面谐振器性能好但制作成本高。因此，台面谐振器和拱形谐振器均由于结构复杂，现有加工工艺难以满足，在大规模生产这两种形状的小型谐振器方面仍然存在短板。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种环形类拱形石英谐振器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种环形类拱形石英谐振器，包括：基板和方波区域；其中，所述方波区域设置在所述基板的表面；
所述方波区域包括中心区域、多个环形凹槽和多个环形凸起；
所述多个环形凹槽和所述多个环形凸起依次交替环绕在所述中心区域的外围；
所述中心区域、所述多个环形凹槽和所述多个环形凸起的中心位于同一位置处；
所述多个环形凸起的环宽由中心至外围依次减小；
每个环形凹槽和位于所述每个环形凹槽外围的一个环形凸起形成环形区域；
每个所述环形区域的环宽相等。
在一个具体的实施例中，所述中心区域的形状包括圆形；
所述环形凸起的形状包括圆环形；
所述环形凹槽的形状包括圆环形；
相应地，所述方波区域的形状包括圆形。
在一个具体的实施例中，所述方波区域的数量为一个；
所述方波区域设置在所述基板的一侧表面的中央区域。
在一个具体的实施例中，所述方波区域的数量为两个；
两个所述方波区域对称设置在所述基板的上表面的中央区域和所述基板的下表面的中央区域。
在一个具体的实施例中，所述方波区域的直径为800~1800μm。
在一个具体的实施例中，所述中心区域的形状包括方形；
所述环形凸起的形状包括方环形；
所述环形凹槽的形状包括方环形；
相应地，所述方波区域的形状包括方形。
在一个具体的实施例中，当所述方波区域的形状为正方形时，所述方波区域的长度为800~1800μm。
在一个具体的实施例中，所述方波区域的高度为1~8μm。
在一个具体的实施例中，每个所述环形区域的环宽为25~175μm。
在一个具体的实施例中，所述环形凸起的数量为14~30个；
所述环形凹槽的数量为14~30个。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过在石英谐振器表面设置依次交替分布的多个环形凹槽和多个环形凸起，并且多个环形凸起的环宽由中心至外围依次减小，使得该石英谐振器拥有和拱形谐振器接近的质量分布，从而具有和拱形谐振器近似的良好的振动位移特性，有效减少寄生耦合，能陷效果优异，具有高品质因数。该石英谐振器结构简单，能够满足现有的加工工艺，降低了高Q值的石英谐振器的生产成本，满足大规模生产的需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种环形类拱形石英谐振器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的方波区域的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种环形类拱形石英谐振器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的石英谐振器的寄生耦合强度随方波区域直径变化的折线图；
图5是本发明实施例提供的石英谐振器的寄生耦合强度随方波区域高度变化的折线图；
图6是本发明实施例提供的石英谐振器的寄生耦合强度随环形区域环宽变化的折线图；
图7是本发明实施例提供的石英谐振器和拱形谐振器沿X方向的厚度剪切振动位移图；
图8是本发明实施例提供的石英谐振器沿X方向的厚度剪切振动位移图。
附图标记：
1：环形区域；2：中心区域；3：基板；101：环形凸起；102：环形凹槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1和图2，图1是本实施例提供的一种环形类拱形石英谐振器的结构示意图，图2是本发明实施例提供的方波区域的结构示意图。
本实施例提供的环形类拱形石英谐振器，包括：基板3和方波区域；其中，方波区域设置在基板3的表面。方波区域包括中心区域2、多个环形凹槽102和多个环形凸起101；多个环形凹槽102和多个环形凸起101依次交替环绕在中心区域2的外围；中心区域2、多个环形凹槽102和多个环形凸起101的中心位于同一位置处；多个环形凸起101的环宽由中心至外围依次减小；每个环形凹槽102和位于每个环形凹槽102外围的一个环形凸起101形成环形区域1，每个环形区域1的环宽相等。
具体地，如图1和图2所示，图1和图2示意性的标注了一个环形凸起101和一个环形凹槽102以及该环形凸起101和该环形凹槽102形成的环形区域1。中心区域2位于方波区域的中心，中心区域2的外围为一个环形凹槽102，环形凹槽102的外围为一个环形凸起101，环形凸起101的外围为一个环形凹槽102，环形凹槽102和环形凸起101以依次交替的方式环绕在中心区域2的外围。每一个环形凹槽102和位于该环形凹槽102外围的一个环形凸起101形成一个环形区域1，相应地，多个环形凸起101和多个环形凹槽102能够形成多个环形区域1，每个环形区域1的环宽即为形成该环形区域1的一个环形凸起101的环宽和一个环形凹槽102的环宽之和。多个环形凸起101的环宽由中心至外围依次减小，即位于最中心的环形凸起101具有最大环宽，位于最外围的环形凸起101具有最小环宽，最大环宽趋近于环形区域的环宽，最小环宽趋近于零，相应地，多个环形凹槽102的环宽由中心至外围依次增大。本实施例通过在石英谐振器表面设置依次交替分布的多个环形凹槽102和多个环形凸起101，并且多个环形凸起101的环宽由中心至外围依次减小，使得该石英谐振器拥有和拱形谐振器接近的质量分布，从而具有和拱形谐振器近似的良好的振动位移特性。
进一步地，方波区域的高度为1~8μm。每个环形区域1的环宽为25~175μm。环形凸起101的数量为14~30个，环形凹槽102的数量为14~30个。具体地，中心区域2的高度和每个环形凸起101的高度均相同，方波区域的高度即为中心区域2的高度。
进一步地，中心区域2的形状包括圆形，环形凸起101的形状包括圆环形，环形凹槽102的形状包括圆环形。相应地，方波区域的形状包括圆形，方波区域的直径为800~1800μm。
对本实施例提供的石英谐振器的方波区域的直径、方波区域的高度和环形区域1的环宽进行优化。为了更加准确的评价方波区域的直径、方波区域的高度和环形区域1的环宽和寄生耦合强度的关系，引入寄生耦合强度计算公式：
(1)
(2)
其中，为均方根，/>为X方向上的厚度剪切振动模态位移，/>为通过数值分析拟合/>数据获得的高斯函数，/>为用于数值分析的第一变量，/>为用于数值分析的第二变量，/>为X方向的坐标值，/>为以自然常数e为基底的指数函数。由公式(1)可以看出寄生耦合的强度被定义为寄生模态的均方根振幅与厚度剪切振动模态位移的比值。
首先，对于方波区域的直径，将具有不同方波区域直径的器件仿真结果数据统计并导入处理软件中，将X方向振动位移分布曲线拟合为高斯曲线，并利用公式(1)定量评估寄生耦合强度并将各器件寄生耦合强度绘制成寄生耦合强度随方波区域直径变化的折线图，如图4所示。对于方波区域直径的仿真，出现了V形特征。寄生耦合强度最小时的方波区域直径为最佳方波区域的直径，因此，最佳方波区域的直径为1400μm。
其次，方波区域的高度进行了优化。仿真采用方波区域和基板3的整体高度为100μm，环形区域1的环宽为100μm，方波区域的直径选用最优尺寸1400μm，根据加工精度确定方波区域的高度选用尺寸为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm和8μm。将具有不同方波区域的高度的器件仿真结果数据统计并导入处理软件中，将X方向振动位移分布曲线拟合为高斯曲线，并通过公式(1)计算不同方波区域高度的寄生耦合强度，绘制寄生耦合强度随方波区域高度的折线图如图5所示。由图5可知，对于环形类拱形谐振器，当方波区域的高度增大时，寄生耦合强度变低，并逐渐在5%左右上下波动。方波区域的高度为5μm时是几乎没有寄生耦合的厚度剪切振动模态。这个结果表明当方波区域的高度大于3μm时已经可以满足所需要的抑制效果，但是在实际加工过程中，由于现有工艺处理高纵横比结构较为困难，选用方波区域的高度为3μm更为合适。
最后，对环形区域1的环宽进行优化，仿真采用方波区域和基板3的整体高度为100μm，方波区域的直径选用最优尺寸1400μm，方波区域的高度为3μm，根据加工精度确定环形区域1的环宽选用25μm、50μm、70μm、100μm、140μm和175μm。将具有不同环形区域1的环宽的器件仿真结果数据统计并导入处理软件中，将X方向振动位移分布曲线拟合为高斯曲线，并通过公式(1)计算不同环形区域1环宽的寄生耦合强度，绘制寄生耦合强度随环形区域1环宽变化的折线图如图6所示。由图6可知，环宽由25μm到110μm的寄生耦合强度较低，寄生耦合强度从环宽为100μm开始迅速上升。当环宽为175μm时，寄生耦合强度已经达到35%。又考虑到25μm的环宽划分环形区域1数较多，多个环形凸起101的排列较密，形成高深纵比结构，不便于制作加工，所以环形区域1的环宽选用50μm较为合适。
本实施例提供了一种环形类拱形石英谐振器，通过在基板3的表面设置中心区域2，并在中心区域2的外围设置依次交替分布的多个环形凹槽102和多个环形凸起101，并且多个环形凸起101的环宽由中心至外围依次减小，使得该石英谐振器拥有和拱形谐振器接近的质量分布，从而具有和拱形谐振器近似的良好的振动位移特性，有效减少寄生耦合，能陷效果优异，具有高品质因数Q。该石英谐振器结构简单，能够满足现有的加工工艺，使用现有工艺中的深度反应离子刻蚀的Bosch工艺即可加工，降低了高品质因数Q的石英谐振器的生产成本，满足大规模生产的需求，为提升石英谐振器的Q值与可加工性提供了一种可行的技术途径。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于，中心区域2的形状包括方形，环形凸起101的形状包括方环形，环形凹槽102的形状包括方环形。相应地，方波区域的形状包括方形。当方波区域的形状为正方形时，方波区域的长度为800~1800μm。
实施例三
本实施例在实施例一的基础上进一步限定了石英谐振器包括一个方波区域，方波区域设置在基板3的一侧表面的中央区域。基板3为石英坯料，基板3的长宽为2000μm。基板3和方波区域的总高度为100μm，方波区域的直径为1250μm，环形区域1的环宽为78.125μm，方波区域的高度为3μm。
实施例四
本实施例在实施例二的基础上进一步限定了其中基板3为石英坯料，基板3的形状为正方形，基板3边长为2000μm。方波区域设置在基板3的上表面的中央区域。基板3和方波区域的总高度为100μm，方波区域的长度为1250μm，环形区域1的环宽为78.125μm，方波区域的高度为3μm。
对比例一
一种表面具有凸起的弧形结构的拱形谐振器，包括基板和位于基板的中央区域的凸起的弧形结构，基板为石英坯料，基板的长和宽均为2000μm，基板和弧形结构的整体高度为100μm，弧形结构的高度为3μm，弧形结构的直径为1250μm。
对实施例三、实施例四和对比例一中的谐振器进行仿真模拟，使用仿真软件中的模态分析方法，能够得出实施例三、实施例四和对比例一中的谐振器的厚度剪切振动模态图，振动模态图中石英晶体谐振器的振动集中在谐振器上下表面的中心，这种现象称之为能陷效应。图7为实施例三提供的石英谐振器、实施例四提供的石英谐振器和对比例一提供的拱形谐振器沿X方向的厚度剪切振动位移图，图中的X坐标即为X方向的坐标。为了更有效地评估实施例四和实施例三提供的石英谐振器的能陷效果，利用处理软件将图7中实施例四和实施例三提供的石英谐振器的沿X方向的厚度剪切振动位移曲线拟合为高斯曲线，并对结果进行统计。对于高斯曲线其标准差越小，表示数据的离散程度越低，即能陷效果越好。实施例三提供的石英谐振器的标准差为706.903，实施例四提供的石英谐振器的标准差为778.367。由此结果可以确认，实施例三提供的石英谐振器的能陷效果优于实施例四提供的石英谐振器。通过公式(1)比较实施例三和实施例四提供的石英谐振器的寄生耦合强度的大小，可以得出实施例三提供的石英谐振器的寄生耦合强度大于实施例四提供的石英谐振器。但是由于实施例三和实施例四提供的石英谐振器的寄生耦合强度均很低且较为接近，但两者的能陷效果差距较大，理论上优先考虑能陷效果，因此实施例三提供的圆环形类拱形石英谐振器为较优选择。
实施例五
本实施例与实施例四的不同之处在于，方波区域的形状为圆形，方波区域的直径为2000μm，环形区域1的环宽为50μm，方波区域的高度为3μm。
实施例六
请参见图3，图3是本发明实施例提供的另一种环形类拱形石英谐振器的结构示意图。
本实施例与实施例五的不同之处在于，本实施例提供的石英谐振器包括两个方波区域，两个方波区域对称设置在基板3的上表面的中央区域和基板3的下表面的中央区域。
对实施例五和实施例六提供的石英谐振器进行仿真模拟，图8为实施例五提供的石英谐振器和实施例六提供的石英谐振器沿X方向的厚度剪切振动位移图，图中的X坐标即为X方向的坐标。为比较实施例五和实施例六的能陷效果，将图8中两种结构的沿X方向的厚度剪切振动位移曲线拟合为高斯曲线并统计结果，实施例五提供的石英谐振器的标准差为304.7，实施例六提供的石英谐振器的标准差为208.7，由此可见实施例六提供的双面的环形类拱形结构的能陷效果更优，通过公式(1)比较实施例五和实施例六提供的石英谐振器的寄生耦合强度的大小，两者的寄生耦合强度均很低且较为接近，因此双面的圆环形类拱形石英谐振器为最优选择。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，包括：基板和方波区域；其中，所述方波区域设置在所述基板的表面；
所述方波区域包括中心区域、多个环形凹槽和多个环形凸起；
所述多个环形凹槽和所述多个环形凸起依次交替环绕在所述中心区域的外围；
所述中心区域、所述多个环形凹槽和所述多个环形凸起的中心位于同一位置处；
所述多个环形凸起的环宽由中心至外围依次减小；
每个环形凹槽和位于所述每个环形凹槽外围的一个环形凸起形成环形区域；
每个所述环形区域的环宽相等。
2.根据权利要求1所述的一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，所述中心区域的形状包括圆形；
所述环形凸起的形状包括圆环形；
所述环形凹槽的形状包括圆环形；
相应地，所述方波区域的形状包括圆形。
3.根据权利要求2所述的一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，所述方波区域的数量为一个；
所述方波区域设置在所述基板的一侧表面的中央区域。
4.根据权利要求2所述的一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，所述方波区域的数量为两个；
两个所述方波区域对称设置在所述基板的上表面的中央区域和所述基板的下表面的中央区域。
5.根据权利要求2所述的一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，所述方波区域的直径为800~1800μm。
6.根据权利要求1所述的一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，所述中心区域的形状包括方形；
所述环形凸起的形状包括方环形；
所述环形凹槽的形状包括方环形；
相应地，所述方波区域的形状包括方形。
7.根据权利要求6所述的一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，当所述方波区域的形状为正方形时，所述方波区域的长度为800~1800μm。
8.根据权利要求1所述的一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，所述方波区域的高度为1~8μm。
9.根据权利要求1所述的一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，每个所述环形区域的环宽为25~175μm。
10.根据权利要求1所述的一种环形类拱形石英谐振器，其特征在于，所述环形凸起的数量为14~30个；
所述环形凹槽的数量为14~30个。
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