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MHZ晶体振荡模式的激光测量与识别
AT切割的石英晶体振荡器是我们最常见到的，一般都是应用在MHZ晶体系列上面，低频到高频的范围是非常广泛的，最低的MHZ频率是1.000MHz，最高的可以达到几千兆赫兹。更高的就是GHZ了，但是目前GHZ技术还不是很成熟，很多晶振厂家都处于观望和研发状态，因此目前客户使用的晶振主要还是以MHZ为主。在所有MHZ频率中，不得不提一下8.000MHZ这个频点，因为这个频点是常规MHZ贴片晶振中，最小的一个常用频率，尤其是5032mm晶振和3225mm晶振，因为比较稳定好用，很多工程师都会选择8M晶振。关于AT切割前面已经有提供过许多相关的资料，但今天我们依然要再次探讨。
对于现代通信系统，石英晶体/振荡器的性能预计会越来越高。对于晶体工程师来说，最困难的问题之一是频率和电阻活动因温度变化而下降。对于微型谐振器，在整个工作温度范围内（通常为-40?至85?或更高）仅通过电响应来避免所有不需要的模式是很难的。许多年来，人们试图用探针来探测激发的石英晶体板的电荷，以获得板的振动形状。在20世纪60年代，Harata和Spencer1使用X射线地形来描述形状。但这些方法通常可以测量相对较低频率的振动，并且只能说明3轴的复合位移。本文采用激光辐射仪器MEMSMap510（挪威Optonor公司制造）检测振动形状，以获得更多的位移场信息。和高端AT晶体谐振器设计的耦合模式。
重要的是保证AT切割MHZ石英晶体板在纯厚度剪切模式下振动，因为模式耦合总是导致性能下降。在过去的60年里，已经进行了许多板振动分析和模拟;然而，只有很少的工作来测量晶振模式，特别是对于高频形状。在本文中，我们使用激光辐射仪器来检测振动形状。它可以清楚地分辨每个轴的位移，这有助于更容易区分振动模式。此外，测量的频率可以超过100MHz。通过该仪器测量了厚度剪切模式和非谐振模式。结果与理论相符。比较模式耦合样本和纯厚度剪切模式样本的位移，这可以判断两种模式耦合时板上发生的情况。这些结果可以帮助工程师解决耦合问题。
AT切割石英板振动理论：
许多不同的模式，如厚度剪切，厚度扭曲，弯曲和面剪切模式等，在以前的研究中是众所周知的。石英晶体谐振器振动理论帮助工程师找到良好的设计以避免模式耦合。Mindlin的2板理论是最着名的。但是，计算结果是否与实际振动形状相匹配仍然是一个大问题。它还影响着提高板理论的准确性和有效性。基于Mindlin的二维模型，我们开发了一个有限元分析（FEA）程序3,4来模拟晶体板的振动模式，并通过MEMSMap510用测量数据验证结果。
模拟和测量结果：
我们准备两个样品进行测试。一个是3225晶振（3.2mm×2.5mm）40MHz，另一个是8045尺寸（8.0mm×4.5mm）8MHz。在40MHz样本中，我们看到纯厚度剪切模式（TS模式，沿X1方向的均匀面内位移），如图1所示，以及非谐波模式（沿X1方向的周期性相反的面内位移），如图2所示。两种模式的测量数据匹配理论很好。
图1纯TS模式X1轴的位移，频率为40.13MHz。
图2是频率为40.72MHz的非谐波模式的X1轴的位置。
在8MHz样本中，我们看到由于设计不合理而采用TS模式的强耦合（面外位移），如图3和图4所示。耦合模式不是我们之前所知的典型弯曲模式。平面位移是“格子”，两个附近区域的方向相反。通过Mindlin的2D模式对仿真结果进行匹配，如图5所示。根据这些信息，改变了石英芯片的尺寸和轮廓，重新设计了新的谐振器，具有更好的振动性能。如图6和图7所示，耦合模式被抑制。
图3具有强平面外耦合模式的8MHz贴片晶振样品的总位移。
图4.8MHz样品的X2轴的位移，具有“格子”平面外位移。附近两个区域的方向相反。
图5.8MHz样品的X2轴的模拟位移,它匹配图4中所示的测量数据。
图6新设计8MHz样品的总位移。它表明平面外模式被抑制。
图7新设计8MHz的X2轴位移。面外位移几乎检测不到。
通过激光辐射仪MEMSMap510，可以直接检测高频AT切石英板的振动位移场。它可以清楚地分辨出eachaxle中的位移，这有助于区分振动模式。在本文中，首先，测试40MHz样本。确定了一些典型模式，如纯TS和非谐波模式。其次，8MHz的Quartz Crystal样本也是测试。在这种情况下，观察到异常的超平面不需要模式。不寻常的flexuremodes与模拟结果相匹配。根据模式形状信息，应用了8MHz的新设计，我们得到了另一个具有更好性能的8MHz谐振器。
激光技术应用到SMD晶振加工环节，已经有几十年的历史了，在较早之前我们也介绍过另一种叫做激光刻蚀的激光技术，随着现代化科技越来越高，应用到晶振生产的工艺也随之发生变化。用于晶振领域的先进技术还有许多，不便一一阐述后续会逐渐介绍，可随时登录我司金洛鑫电子官网，查到最新信息。
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