非对称结构集成式石英谐振器性能的研究

摘要

随着电子技术及数字通信技术的迅猛发展，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术在军事、医疗、交通、工农业等各个领域中发挥的作用日益突出，它是很多系统中不可或缺的基础环节，比如生产自动化、科学测试等。在其应用领域中，数字式传感器因数字输出、抗干扰能力强等优点备受人们关注。石英晶体谐振器作为一种性能十分稳定的频率元件，在数字式传感器技术应用领域中得到广泛的应用。因此，深入研究石英晶体谐振器的结构、温度干扰等因素对输出频率的影响，提高其综合性能，是进一步拓展其应用领域的关键。 在单基单电极和对称式单基三电极石英谐振器基础上，本文系统地研究分析了石英晶体的结构特点、切型、压电性质，同时结合能限理论和ANSYS有限元仿真分析，根据共模抑制原理探索设计了一种非对称结构集成式石英谐振器和信号处理电路。这种电路可最大程度地提取有用信号，同时还可最大限度地消除温度漂移等外界干扰的影响。通过实验对比研究了基于同一石英晶片的集成式谐振器在不同结构、电极材料、电极尺寸、加力方位下的力-频特性、频率稳定性、温度-频率特性等性能。实验结果表明新型非对称结构石英晶体谐振器的力敏特性线性度保持良好，电极镀Au时其力-频转换系数可达551.8Hz/N，频率稳定度数量级可达10-10;其温度-频率特性图像为三次曲线。 在此基础上，本文还研究了加速度计敏感结构和转换结构，制作出一种基于集成式石英谐振器的加速度计样机，其标度因数为73Hz/g，频率稳定度数量级为10-10。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 传感器的分类

1．3 传感器的发展与应用

1．4 石英加速度传感器概述

1．5 本文研究的目的与内容

第2章 石英晶体谐振器

2．1 引言

2．2 石英晶体结构

2．2．1 石英晶体的外形和坐标轴

2．2．2 石英晶体的内部结构

2．2．3 石英晶体的切型

2．2．4 石英晶体的缺陷

2．3 石英晶体性质

2．3．1 石英昌体的压电性质

2．3．2 石英晶体的介电性质

2．3．3 石英晶体的弹性性质

2．4 AT切石英晶体

2．4．1 AT切石英晶体介电常数

2．4．2 AT切石英晶体的弹性系数

2．4．3 AT切石英晶体的压电常数

2．5 石英晶体谐振器

2．5．1 石英晶体谐振器的结构

2．5．2 石英晶体谐振器的等效电路

2．5．3 石英晶体谐振器的振动模式

2．5．4 石英晶体谐振器的基频

2．6 本章小结

第3章 集成式石英谐振器结构的研究

3．1 引言

3．2 AT切石英晶体谐振器内波的传播特点

3．3 石英晶片内部应力的ANSYS分析

3．4 集成式石英谐振器结构的设计

3．4．1 石英晶片的选取

3．4．2 电极的设计

3．5 本章小结

第4章 谐振器电路的设计

4．1 引言

4．2 电路设计

4．2．1 谐振器振荡电路

4．2．2 谐振器差频电路

4．2．3 单片机信号处理电路

4．3 硬件电路的设计

4．4 本章小结

第5章 集成式石英谐振器性能的研究

5．1 引言

5．2 集成式谐振器温度．频率特性的研究

5．2．1 石英谐振器的温度-频率特性

5．2．2 集成式石英谐振器温度-频率特性测试及比较

5．3 集成式谐振器力-频特性的研究

5．3．1 力-频效应与加力方位角的关系

5．3．2 集成式谐振器力-频特性性能测试及分析

5．4 集成式谐振器稳定性的研究

5．4．1 谐振器对其晶振频率稳定度的要求

5．4．2 集成式谐振器的频率稳定性测试及比较

5．5 本章小结

第6章 非对称结构集成式谐振器的应用

6．1 引言

6．2 石英加速度计工艺技术要求

6．2．1 石英谐振器工艺要求

6．2．2 性能参数要求

6．2．3 谐振器粘接及固化

6．3 新型加速度计结构设计

6．3．1 敏感支撑结构

6．3．2 敏感结构受力模型的ANSYS分析

6．3．3 转换结构

6．3．4 新型加速度计的装配

6．4 新型加速度计性能测试及分析

6．4．1 新型加速度计的标定

6．4．2 新型加速度计量程测定

6．4．3 新型加速度计稳定度测试

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 进一步工作的方向

参考文献

附录

个人简历 在读期间发表学术论文与研究成果

致谢