随着科技的进步,温度补偿晶体振荡器在通讯和国防方面的需求量明显增多,市场对其成本、体积以及各类关键性能提出了更为严格的要求。传统的模拟补偿和数字补偿分别是通过热敏电阻网络和温度传感器等器件输出反馈控制电压,从而实现对晶体频率偏移的补偿。这些方法的器件组成和调试过程复杂,产品成本、体积和功耗等也比较高,因此寻找更有效的补偿方法非常重要。要突破传统补偿方法,进一步提高晶振的性能指标,就需要加强对晶体谐振器的基础研究,了解晶振的振动模态及各项因素对其频率的影响,有针对性地进行研究。在此背景下,本文将有限元应用在晶体谐振器的振动模态仿真研究中,并根据晶体自身的两个物理特性--温-频特性和力-频特性,提出了基于应力稳频补偿方法的设计过程和实现方案。本课题源于国家自然科学基金基于晶体力-频传感特性的高性能温度补偿泛音晶体振荡器的基础研究。论文的主要贡献如下:1.通过ANSYS仿真探索了振动模态分析在晶体谐振器设计中的应用。本文首先根据压电耦合有限元方程和动力学方程构建了AT切晶体谐振器的仿真模型,对其不同边界条件下对应的振动模态进行求解计算,全面了解了谐振器内部的厚度剪切振动和各种寄生振动的分布模式,并仿真得出晶体谐振器尺寸与其振动模态之间的关系,该结果对晶体实际生产工艺中的尺寸设计提供了很重要的参考作用;接着对受不同角度预应力作用时的晶体谐振器进行了仿真分析,得到其振动模态及振动位移的变化情况。振动直接影响频率,因此根据该仿真结果得出频率补偿效果最明显的应力处理镀膜方向应沿晶体的X轴,支架固定的角度应沿晶体的Y轴方向,这样可以最大程度地减小工艺设计对晶体性能的影响。2.在仿真的基础上,本文提出基于应力稳频补偿方法的设计思路和实现方案,将晶体自身的力频特性和温频特性相结合,利用随温度变化产生的应力来补偿温度对频率的影响。并通过ANSYS对不同应力处理方案下对应的晶体谐振器进行了仿真,比对其内部等效应力的大小,得出应力稳频方法效果最明显的方案,即在晶体表面镀一层沿X轴方向的条形金属薄膜。最后用实验结果验证了该应力处理方法的可行性,不仅能使频率稳定度在-50℃⁸5℃宽温度范围内达到10^-7量级,而且相对于传统补偿方法的可操作性强,避免了功耗和成本的增加,这对高稳定度温补晶振的设计、开发具有很重要的意义。