模擬技術(shù)在A(yíng)T切割晶體諧振器設計上的應用

　　晶體諧振器是生成微機（微型計算機）等的集成電路的基準時(shí)鐘信號的重要部件之一，從手機、智能手機等信息通信終端到汽車(chē)、日用家電，用途非常廣泛。其中特別是在信息通信終端用途上，對部件小型化的需求很強，從而給部件設計帶來(lái)了難題—維持產(chǎn)品特性的同時(shí)還要縮小其體積。我們在這里介紹一種方法，它的核心是應用了有限元法 （FEM） 的模擬技法，通過(guò)對其進(jìn)行靈活運用，可以有效率地開(kāi)展設計工作。

　　1. AT切割晶體諧振器與振蕩電路

　　AT切割晶體諧振器是以人工石英晶體為材料、利用了壓電特性（厚度剪切振動(dòng)）的元件。我們將村田的代表性產(chǎn)品構造用圖1、等效電路用圖2來(lái)表示。此元件是構成發(fā)出讓微機工作時(shí)必要的基準時(shí)鐘信號的振蕩電路的重要部件之一。此外，我們將振蕩電路的代表性構造用圖3來(lái)表示。振蕩電路借助放大器將通過(guò)晶體諧振器的電氣信號增幅而發(fā)出時(shí)鐘信號。晶體諧振器如圖4所示，電阻值會(huì )根據頻率而變化。此時(shí)坯料（晶體坯）的主振動(dòng)頻率電阻值為最小，這個(gè)電阻值叫做ESR 。振蕩電路在坯料的主振動(dòng)頻率附近振蕩并輸出時(shí)鐘信號。

　　振蕩電路重要的一點(diǎn)是振蕩穩定。其指標之一是振蕩裕量 ，顯示對于ESR（信號衰減的重要原因），電路中晶體諧振器以外的部分有多大的信號增幅能力。理論上，振蕩裕量＞1，電路就會(huì )振蕩，但偶爾會(huì )出現在接近1倍時(shí)不振蕩、振蕩啟動(dòng)時(shí)間異常地長(cháng)等現象，導致電路所在設備不能正常工作。抑制ESR可以改善振蕩裕量，但通常在頻率越低時(shí)ESR就越高，而且產(chǎn)品尺寸越小時(shí)ESR也越高。信息終端等現在使用的是2016和1612尺寸的產(chǎn)品，而市場(chǎng)需求的是更小型，所以近來(lái)設計變得很不容易。

　　2. 特性設計的要點(diǎn)

　　除作為主振動(dòng)使用的厚度剪切振動(dòng)以外，AT切割晶體諧振器還存在著(zhù)很多不必要的振動(dòng)。設計晶體諧振器時(shí)，需要一邊考慮如何在使用溫度范圍內不讓這些不必要的振動(dòng)影響工作，一邊決定幾何參數。圖5顯示的是溫度和ESR的關(guān)系，對選擇了恰當幾何形狀的設計（a）和選擇了不恰當幾何形狀的設計（b）的特性進(jìn)行比較。選擇了不恰當的幾何參數時(shí)，不必要的振動(dòng)會(huì )疊加，ESR值會(huì )增大。在設計階段，選擇不受不必要振動(dòng)影響的幾何參數是關(guān)鍵。但是，幾何參數組合的數目龐大，很多時(shí)候為找出最優(yōu)解要反復地實(shí)驗摸索，這已經(jīng)成為阻礙縮短開(kāi)發(fā)期間和難以提高品質(zhì)的原因之一。

　　3. 模擬（有限元法： FEM）的應用與課題

　　作為高效地找出最優(yōu)解的手段，可以考慮應用有限元法（FEM）進(jìn)行特性模擬。但是，這種方法存在一個(gè)問(wèn)題，就是模擬結果和實(shí)樣特性的一致性較低。我們已經(jīng)找到了其原因—不僅是幾何形狀，連接坯料與基板的固件也會(huì )給主振動(dòng)（厚度剪切振動(dòng)）和不必要振動(dòng)的頻率關(guān)系帶來(lái)很大影響。

　　圖6顯示不考慮在基板上的固件只將坯料?；瘯r(shí)的FEM模擬結果與實(shí)樣特性的對比。模擬無(wú)固件形狀的結果中，ESR特性的傾向與實(shí)樣特性不一致，無(wú)法找出恰當的幾何參數。

　　如上所示，確立模擬技法以提高模擬結果與樣本特性的一致性、有效率地尋求最優(yōu)解一直是我們的課題。而這次通過(guò)構建能解決這些課題的模擬體系，我們已經(jīng)能夠提高模擬結果與實(shí)樣特性的一致性了。