同基共模抑制石英晶体谐振器研究

　　1　引　　言

　　石英谐振器的力敏特性及应用研究一直是人们关注的热点[1-6]。为了克服除力或应力之外的其他干扰因素的影响,人们常采用两个独立的单电极谐振器配对使用并以差频输出的形式抑制干扰因素的影响,但这种方法在实际应用中会因晶体的各向异性及加工、固接方式不同等因素的影响而达不到好的抑制效果,使输出结果仍然存在误差。

　　本文研制一种共模抑制型多电极谐振器,即在同一基片上设置多对电极,每对电极形成一个独立的谐振器,将不同位置的谐振器的振荡频率通过混频处理,并以差频形式输出,以此抑制相关因素对谐振频率的干扰。

　　2　AT切石英晶体谐振器谐振波的传播特点及力敏特性

　　对于长、宽尺寸远大于厚度的薄片AT切石英晶体谐振器,在电极电场激励下作厚度切变振动。由文献[7]可知,谐振器谐振稳定时,在电极区形成稳定的驻波;而在电极区外,行波波幅随位置成指数衰减。即谐振器的谐振频率可通过谐振器结构尺寸的优化实现谐振频率单一化,并使谐振能量集中于电极区附近,防止能量散失而影响谐振器的正常工作。

　　在径向力作用下,薄片型石英晶体谐振器的力-频转换公式为[8]:

　　3　同基多电极谐振器的结构及力敏特性

　　3.1　X轴方向加力方式下的力敏特性

　　以直径为12.5 mm、厚度为0. 16 mm的石英晶片为基片,在不同位置蒸镀电极,构成的同基三电极谐振器和四电极谐振器如图1所示。

　　在图1(a)所示的X轴方向施加对径力F,用Agilent-53132A数字式频率计记录F作用时3个谐振器P1、P2、P3的频率,并计算频率变化量Δf31、Δf32、Δf33。测试结果如表1所示。

　　用最小二乘法进行线性拟合,得直线方程及线性相关系数R及力敏系数K为:

　　由K31、K32、K33可知,同一加力方式下,不同位置的谐振器之间的力敏特性的差异较大。若将谐振器P1、P2的谐振频率作混频处理,并以差频形式输出,可得差频输出的力敏系数K3(P1-P2)=2.47Hz/g。

　　用同样的方法,在图1(b)所示的X轴方向施加对径力F,可得谐振器P1、P2、P3、P4对应的力敏系数分别为:

　　K41=2.91Hz/g, K42=1.50Hz/g

　　K43=2.58Hz/g, K44=1.39Hz/g

　　若将谐振器P1与P4、P2与P3的谐振频率分别作混频处理,并以差频形式输出,可得力敏系数分别为:

　　K4 (P1-P4)=1.52Hz/g, K4 (P3-P2)=1.08Hz/g

　　对同样直径和厚度的传统单电极谐振器,用同样的方法在X轴方向径向加力,可测得力敏系数K1=1.90Hz/g。

　　上述相关数据表明,在X轴方向径向加力,通过混频处理并以差频形式输出时,同基三电极谐振器的力敏系数(K3(P1-P2)=2.47Hz/g)仍比单电极谐振器的力敏系数(K1=1.90Hz/g)大,约为单电极谐振器的1. 3倍,而同基四电极谐振器的力敏系数(K4 (P1-P4)=1. 52 Hz/g、K4 (P3-P2)=1.08Hz/g)则比单电极谐振器的小。