石英晶体的谐振频率随大气压的变化?

电器工程 水晶
2022-01-12 07:19:30

我们有一个裸石英晶体,我们正在以非常高的精度 (1 ppb) 测量它的谐振频率。当它在大气压和真空之间循环时,频率似乎发生了变化。这可能是因为晶体被压缩了吗?如果是这样,我如何计算频率变化?

温度控制环境中的意外变化约为 400 ppb

4个回答

请记住,晶体在机械运动中起作用。当某物在空气中振动时,一些能量被传递到空气中。例如,扬声器依赖于此。

任何在空气中振动的东西都会发出声音,这意味着来自振动的东西的一些能量会转移到空气中。由于晶体周围有空气,共振时存储的一些能量在每个循环中都会丢失到空气中。这有效地降低了晶体的 Q。这种影响一定很小,但能够在 PPB 级别对其进行测量似乎并不难。

这是一个向真空开放的基础晶体

然后机械运动的阻尼依赖于压力,这可以稍微改变共振峰(串联和并联)。它将产生代表谐振电路损耗的声波,在真空中这种损耗会更少,并且谐振频率可能会略微上升。

根据 HB Huntington 在 [ 1],第 7 章,p。219,通过以下公式 $$ f=\frac{2.86}{d}\quad\text{($\mathrm{MHz}$)}\tag{1}\label{1} $$ 和 \$ d\$ 以毫米为单位。假设我们处于线性弹性领域,我们可以将 \$d\$ 与通过胡克定律施加在晶体板上的压力联系起来 $$ \varepsilon_{xx}=-\frac{1}{K_x}\sigma_{ xx}\tag{2}\label{2} $$ 在哪里

  • \$\varepsilon_{xx}\equiv \frac{\Delta d}{d}\$ 是晶体板厚度的分数变化,
  • \$\sigma_{xx}\equiv p_x\$ 是沿 \$x\$ 晶轴施加的压力矢量的分量,
  • \$K_x\$ 是弹性张量的 \$x\$ 轴分量(沿该轴的“弹性模量”)

总之,压力肯定会影响石英晶体的谐振频率:通过仔细使用上述公式和石英晶体的(已知?)特性,您可以尝试评估它是否真的给了您“你测量的谐振频率发生了如此大的“变化”。最后,跟大家分享几点注意事项

  • 亨廷顿“按原样”给出公式 \eqref{1},没有任何正式的推导:然而,在 WG Cady 的书中 ((1946)[1939], Piezoelectricity , 2nd. ed., New-York: Dover Publications: a new 2018 年重印即将到来),也许在 WP Mason((1950),压电晶体及其在超声波中的应用,纽约:Van Nostrand)中,您会发现精确的推论及其适用范围。还有更多关于这些主题的现代论文,但请看以下几点。
  • 谨防!我介绍了胡克定律(虽然是简化的)张量形式 \eqref{2} 只是为了让您了解所需的数学(即使我相信有能力测量低至 1 ppb 的频率变化的团队也不太这些事情给我留下了深刻的印象;))。如果您想深入了解此类发展,请阅读 HF Tiersten((1969 年),Linear Piezoelectric Plate Vibrations: Elements of the Linear Theory of Piezoelectricity and the Vibrations Piezoelectric Plates,纽约:Plenum Press,目前由 Springer Verlag 再版) 也许是绝对参考。

[1] Blackburn, JF (1949), Components Handbook , MIT Radiation Laboratory Series 17, New-York, Toronto and London: McGraw-Hill Book Company, Inc.

另一种看待这种影响的方法(尽管只是一个近似值)是,随着压力的增加,随着晶体的振动(趋肤深度),更多的大气会随着晶体移动,并且在某种意义上会增加其质量,从而减慢其振动。当然,如果振动速率使晶体运动高于音速,这个模型就会崩溃……