一种压电晶体仿真引擎制造技术

本发明专利技术涉及一种用于电路设计的压电晶体仿真引擎。所述压电晶体仿真引擎在建立了完整的晶体等效电路模型，并结合石英材料的晶体材料压电常数和弹性常数物理性质，以及其等效电路模型中各电学元件的参数的基础上，通过一个仿真过程解决石英晶体振荡器用于电路设计过程中的力学和电学的耦合问题。本发明专利技术利用品质因数极高的石英晶体振子制备高精度的晶体振荡器，同时提供更为精确的模型来表述石英晶体振荡器，确定石英晶体振荡器的仿真过程，并求解电学模型，得出电学的状态变量，由此解决石英晶体振荡器用于电路设计过程中的力学和电学的耦合问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于电路设计的压电晶体仿真引擎。该仿真引擎可用于解决诸如 石英等特种功能元件在电路中的仿真问题。该引擎实现后可加入到一般的eda工具。
技术介绍
一、石英的物理性质石英的化学成分为SiO2，属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英(a-石英)，是石英族矿 物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英(b-石英)。低温石英常呈带尖 顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单 形所形成的。石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。纯净的石英无色透明，玻璃光 泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。受压或受热能产生电效应。二、石英晶体振荡器石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等 各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特 定系统提供基准信号。1石英晶体振荡器的基本原理1.1石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器 件，它的基本构成大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片，它可以 是正方形、矩形或圆形等)，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一 根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶 振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。1.2压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧 施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶 片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。 在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频 率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振， 它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有 关。1. 3石英晶体振荡器类型特点石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子(即谐振器和振荡电路)组成。晶 体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等共同决定振荡器的性能。国际电工委 员会(IEC)将石英晶体振荡器分为4类普通晶体振荡器(SPX0)，电压控制式晶体振荡器 (VCX0)，温度补偿式晶体振荡器(TCX0)，恒温控制式晶体振荡器(0CX0)。目前发展中的还 有数字补偿式晶体振荡器(DCXO)等。普通晶体振荡器(SPXO)可产生10~ (-5) 10~ (-4) 量级的频率精度，标准频率1一 100MHZ,频率稳定度是士 lOOppm。SPM)没有采用任何温度 频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从21X14X6mm 至5X3. 2X1. 5mm。电压控制式晶体振荡器(VCXO)的精度是10~ (-6) 10~ (-5)量级，频3率范围广30MHz。低容差振荡器的频率稳定度是士50ppm。通常用于锁相环路。封装尺寸 14X10X3mm。温度补偿式晶体振荡器(TCXO)采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率 精度达到10" (-7) 10" (-6)量级，频率范围1 一60MHz，频率稳定度为士1 士2. 5ppm，封 装尺寸从30X30X 15mm至11. 4X9. 6X3. 9mm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通 信设备等。恒温控制式晶体振荡器(OCXO)将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温 度变化对频率的影响。恒温控制式晶体振荡器(OCXO)的频率精度是10~ (-10)至10~ (-8) 量级，对某些特殊应用甚至可以达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。1.4石英晶体振荡器的应用1.4.1石英钟最大优点一走时准、耗电省、经久耐用不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率 精度决定了电子钟表的走时精度。石英晶体振荡器通常由CMOS反相器，石英晶体与振荡电 容及微调电容构成，这里石英晶体相当于电感。振荡系统的元件参数确定了振频率。可用加 接一只电容的方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢，调 整电容有两种接法若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C。此时系统总电容加大， 振荡频率变低，走时减慢。若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。此时系统的总电容 减小，振荡频率变高，走时增快。因此，晶振可用于时钟信号发生器。1.4.2晶体振荡器应 用前景广泛随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503 kHz的晶体振荡器作为行、场电 路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高，而且晶体振 荡器价格便宜，更换容易。在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体 现，同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传 输、高速数字数据传输等。高精度和高稳定度晶体振荡器是现代电子线路中的重要电路模块，也是整个电子 系统的设计难点。因此，利用品质因数极高的石英晶体振子制备高精度的晶体振荡器对于 现代电子线路中的重要电路模块的设计具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术针对利用品质因数极高的石英晶体振子制备高精度的晶体振荡器对于现 代电子线路中的重要电路模块的设计具有非常重要的意义的技术启示，提供一种压电晶体 仿真引擎。本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供更为精确的模型来表述石英晶体的电 学和力学特性及力电耦合特性。本专利技术解决该问题的技术方案如下石英晶体是重要的压电材料，它具有力学效 应，电学效应，及联系二者的压电效应。石英晶体是弹性体，它的力学特征可以由一组材料 常数来描述，这个材料常数可为弹性劲度常数或顺度常数，这两种材料常数并非独立的，而 是相互关联的，互为倒数关系。石英晶体也是电介质，它的电学参数必须服从介电关系，电 介质在外电场作用下发生电极化，晶体是各向异性电介质，其电极化强度P和电场强度E不 同向，在电场不是很强的情况下，满足线性关系。由电位移矢量D和电极化强度P及电场强度E的关系，介质的电极化特性也可以用电位移矢量D和电场强度E间的线性关系来描述。 石英晶体的电学特征可以用另外一组电学材料常数来描述，这组电学材料常数可为介电常 数，也可为介电隔离率或者电极化率。这两种材料常数也并非独立的，而是相互关联的，互 为倒数关系。对于石英晶体，它是一种压电晶体。既是电介质，又是弹性体，它既有电极化特性， 又有弹性特性，联系二者之间的效应称为压电效应，为了描述压电效应，在压电材料的电学 参数和力学参数之间必须满足压电方程。当对不加任何电场的压电材料施加一外力，压电 材料中将因压电效应而产生电位移D，它与由外力引起的应力关系满足线性关系。当对不受 任何外力作用处于平衡状态的压电材料施加外电场时，则压电材料将因逆压电效应产生应 变。综合各个分量，可以用矩阵形式来描述。石英晶体的的压电效应特征可以用另外一组 压电常数来描述。可为第一压电常数或第二压电常数，这两种材料常数也并非独立的，而是 相互关联的。本专利技术所要解决的第二个技术问题是确定石英晶体振荡器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于电路设计的压电晶体仿真引擎，其特征在于，所述压电晶体仿真引擎在建立了完整的晶体等效电路模型，并结合石英材料的晶体材料压电常数和弹性常数物理性质，以及其等效电路模型中各电学元件的参数的基础上，通过一个仿真过程解决石英晶体振荡器用于电路设计过程中的力学和电学的耦合问题，所述晶体等效电路模型包括两支并联的电路，一支为晶体两边电极的平板电容，另一支为相互串联的动态等效电感、动态等效电容和谐振电阻。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：田欢欢，张海英，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]