石英振梁加速度计振荡电路研究文献综述

 2022-10-31 11:52:53

文献综述(或调研报告):

1 石英晶体特性

石英振梁作为石英谐振加速度计的重要频率调制元件,是石英晶体先通过切割、研磨、抛光后再进行清洗、镀膜、刻蚀等微细加工得到的。石英是绝缘体,静态工作时为一个电容器,一般为几个皮法。石英晶体还具有特殊的压电效应,给晶片施加一个机械作用力,在晶片的相应方向上就会产生电场;反过来,在石英晶片上外加一电场,晶片又会产生机械变形。当给晶振的电极之间加上交变电压,它就会产生机械振动,而这个机械振动又会使晶片产生交变的电场,这种机械振动的振幅和交变电场的变化幅度一般非常微小,只有当外加交变电压的频率等于某一特定频率时,振幅才会急剧增大,这种现象称作压电谐振[6]。这个特定频率称为石英晶体的固有频率或谐振频率f0,由晶片的尺寸和切割角度决定。

当石英振梁处于谐振频率附近时,它的机械特性可以由动态阻抗(motional impedance)表达,动态阻抗并联上晶振的静态电容C0就构成了晶振的Butterworth-Van Dyke(BVD)等效电路,如图1所示[7]。电感Ls模拟石英振梁发生弯曲振动时的振动质量,一般为几万亨利 (104H),电容Cs表示谐振梁的机械弹性,一般为几飞法(10-15F),电阻Rs模拟谐振梁振动时的能量损耗[1],一般为几百千欧,甚至为兆欧(106Omega;)。

图1 晶振的Butterworth-Van Dyke(BVD)等效电路

当等效电路中Ls Cs Rs的支路产生串联谐振时,该支路呈纯阻性,谐振频率称为串联谐振频率fs

(1)

谐振频率下整个网络的阻抗等于Rs并联C0,因1/Rsomega;C0,故可近似认为石英振梁也呈纯阻性,等效电阻为Rs。当f lt; fs时,电抗较大,起主导作用,谐振梁呈容性。当f gt; fs时,支路Ls Cs Rs呈感性,并将与C0产生并联谐振,振梁又呈纯阻性,此谐振频率成为并联谐振频率fp

(2)

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