快來看看關(guān)于晶振老化還有哪些不知道的事
來源：http://m.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年04月24
在老化下，石英晶振被理解為特性隨時(shí)間的依賴性，特別是諧振頻率的依賴性。衰老并不意味著短期穩(wěn)定性，這是一小部分時(shí)間間隔內(nèi)頻率的統(tǒng)計(jì)變化。石英晶體的長期頻率漂移（老化）是由幾個(gè)原因引起的：
與材料有關(guān)的老化：
石英晶體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的長期變化會(huì)影響石英晶體的固有頻率。這些是晶格中的位錯(cuò)，摻入的外來原子（雜質(zhì)）的遷移，通過繁殖太快而在合成石英晶體中發(fā)生的機(jī)械應(yīng)力。
與設(shè)計(jì)相關(guān)的老化：
石英晶體設(shè)計(jì)用于高機(jī)械應(yīng)力，需要在貼片振蕩器外殼中非常堅(jiān)固地安裝石英盤。這種剛性支撐在諧振器上施加機(jī)械力。必須接受產(chǎn)生的頻率變化。對(duì)頻率穩(wěn)定性要求很高，支架的設(shè)計(jì)使其盡可能不影響石英晶體的頻率。然而，這些晶體對(duì)外部機(jī)械應(yīng)力非常敏感。對(duì)于正常應(yīng)用，尋求兩個(gè)極端之間的折衷。重要的是石英晶體外殼的氣密封閉，以防止氣體和蒸汽從周圍大氣進(jìn)入。例如，水蒸氣擴(kuò)散到晶格中產(chǎn)生大約F/f=10-8...10-9/h的負(fù)頻率漂移。氧化或腐蝕性外來氣體具有類似的影響。塑料可透過水蒸氣。因此，石英晶體外殼只有密封的金屬外殼，陶瓷或玻璃外殼。
與制造相關(guān)的老化：
由于生產(chǎn)過程和影響，頻率變化是不確定的。這些影響的回歸對(duì)老化具有影響，具有相對(duì)短且可影響的時(shí)間常數(shù)。這里提到：通過機(jī)械加工（研磨，拋光）對(duì)晶格的干擾。電極材料的重結(jié)晶和電極材料擴(kuò)散到晶格中。石英諧振器的應(yīng)變通過安裝系統(tǒng)和諧振器（導(dǎo)電粘合劑）在支架中的連接。
通過優(yōu)化工藝可以最大限度地減少與生產(chǎn)相關(guān)的老化，并且可以通過穩(wěn)定措施縮短穩(wěn)定階段。這些穩(wěn)定化的引入和廣泛完成是專業(yè)石英晶體制造過程的一部分。在低成本的石英批量生產(chǎn)中，這種穩(wěn)定性并不總是完成。老齡化是一個(gè)穩(wěn)定的過程，其中所有上述因素或多或少都涉及到。一些因素會(huì)影響他們的均衡。
圖2.43頻率不穩(wěn)定的穩(wěn)定性
國家經(jīng)過相對(duì)較短的時(shí)間，其他人只是經(jīng)過很長一段時(shí)間。外部影響，沖擊，振動(dòng)，溫度沖擊，電氣過載可能會(huì)干擾穩(wěn)定過程或啟動(dòng)新的老化過程（“重新進(jìn)入”）。制造過程造成的影響通常會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)（一到兩天）消失到可忽略不計(jì)的殘留誤差。這些因素可能導(dǎo)致頻率變化的不同方向（圖2.44）。
圖2.44老化影響變量
影響衰老的因素（圖2.44）：
A）自然老化，在磨合狀態(tài)下老化。
B）具有負(fù)頻率變化的分量，例如，應(yīng)力分量導(dǎo)致正方向的頻率變化。通過均衡電壓，頻率現(xiàn)在返回其較低的輸出值。
C）正頻率變化的分量。
D）所有頻率變化的總和。
E）在測(cè)量的第一天之后與測(cè)量值相關(guān)的所有頻率變化的總和。
通過磨煉可以加速磨合過程。老化A）不受影響。為了消除壓力，溫度變化可能是有益的。這種預(yù)熱過程不是老化的一部分。磨合過程應(yīng)在老化開始之前或在施加石英晶體諧振器之前完成。穩(wěn)定后剩余頻率的時(shí)間變化（有時(shí)稱為自然老化）正在老化。然而，在實(shí)際操作中，一次又一次地產(chǎn)生少量機(jī)械應(yīng)力，這導(dǎo)致重新再循環(huán)。見2.12.12恢復(fù)頻率。
頻率變化的大小可以是大規(guī)模生產(chǎn)的石英，在f/f-10-6的范圍內(nèi)。對(duì)于精密石英，老化范圍從f/f-10-9。泛音晶體具有較小的老化，因?yàn)榕c相同頻率的地面石英晶體相比，諧振器的表面與其體積相比更便宜。因此，泛音諧振器用于精密應(yīng)用。開啟狀態(tài)下的老化，長期老化，可以用公式（22）很好地近似來描述：
如果老化與第一天的讀數(shù)有關(guān)，則可以簡化等式：
關(guān)于阿爾罕ius規(guī)定的有效性，我們可以介紹:
這使我們的老化與石英晶體的溫度有關(guān)：
T=溫度K.對(duì)于每種類型的石英，確定活化能E.該表的計(jì)算結(jié)果為E/R=1018。
假設(shè)E/R=1018，老化的增加約為每10℃10％。對(duì)于粗略計(jì)算，可以假設(shè)在85°C下老化超過30天對(duì)應(yīng)于25°C時(shí)一年內(nèi)的頻率變化。根據(jù)DIN45103標(biāo)準(zhǔn)化的老化測(cè)試規(guī)定貼片石英晶振在85℃的溫度下儲(chǔ)存30天。第三天和第一天之后的頻率測(cè)量值之間的差異我們稱之為老化A（假設(shè)石英晶體已經(jīng)被打破）。
由于老化的對(duì)數(shù)過程，諸如“老化小于0.1ppm/天”的指示是沒有意義的，除非在當(dāng)天應(yīng)該進(jìn)行指定，例如在石英的交付時(shí)或在6個(gè)月的提前期之后。最好指定根據(jù)DIN45103在測(cè)量條件下確定的值。在這些條件下測(cè)量的0.5至2ppm的老化值在串聯(lián)生產(chǎn)的石英中是常見的。對(duì)于精密石英，實(shí)現(xiàn)了10-9的值。
圖2.45老化，系列生產(chǎn)的振動(dòng)石英的測(cè)量結(jié)果
晶振的老化幾乎是不可避免的，但正常使用下的晶體和振蕩器可以無限使用，即使每年都會(huì)損耗一點(diǎn)。目前低功耗，低損耗的晶振是各大制造商研發(fā)的方向，目前市場(chǎng)上的石英晶體和振蕩器幾乎都可以達(dá)到這兩大要求。而且體積越小老化率就越低，如1612晶振，1610晶振，1210晶振等均已實(shí)現(xiàn)±1ppm的老化率。
與材料有關(guān)的老化：
石英晶體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的長期變化會(huì)影響石英晶體的固有頻率。這些是晶格中的位錯(cuò)，摻入的外來原子（雜質(zhì)）的遷移，通過繁殖太快而在合成石英晶體中發(fā)生的機(jī)械應(yīng)力。
與設(shè)計(jì)相關(guān)的老化：
石英晶體設(shè)計(jì)用于高機(jī)械應(yīng)力，需要在貼片振蕩器外殼中非常堅(jiān)固地安裝石英盤。這種剛性支撐在諧振器上施加機(jī)械力。必須接受產(chǎn)生的頻率變化。對(duì)頻率穩(wěn)定性要求很高，支架的設(shè)計(jì)使其盡可能不影響石英晶體的頻率。然而，這些晶體對(duì)外部機(jī)械應(yīng)力非常敏感。對(duì)于正常應(yīng)用，尋求兩個(gè)極端之間的折衷。重要的是石英晶體外殼的氣密封閉，以防止氣體和蒸汽從周圍大氣進(jìn)入。例如，水蒸氣擴(kuò)散到晶格中產(chǎn)生大約F/f=10-8...10-9/h的負(fù)頻率漂移。氧化或腐蝕性外來氣體具有類似的影響。塑料可透過水蒸氣。因此，石英晶體外殼只有密封的金屬外殼，陶瓷或玻璃外殼。
與制造相關(guān)的老化：
由于生產(chǎn)過程和影響，頻率變化是不確定的。這些影響的回歸對(duì)老化具有影響，具有相對(duì)短且可影響的時(shí)間常數(shù)。這里提到：通過機(jī)械加工（研磨，拋光）對(duì)晶格的干擾。電極材料的重結(jié)晶和電極材料擴(kuò)散到晶格中。石英諧振器的應(yīng)變通過安裝系統(tǒng)和諧振器（導(dǎo)電粘合劑）在支架中的連接。
通過優(yōu)化工藝可以最大限度地減少與生產(chǎn)相關(guān)的老化，并且可以通過穩(wěn)定措施縮短穩(wěn)定階段。這些穩(wěn)定化的引入和廣泛完成是專業(yè)石英晶體制造過程的一部分。在低成本的石英批量生產(chǎn)中，這種穩(wěn)定性并不總是完成。老齡化是一個(gè)穩(wěn)定的過程，其中所有上述因素或多或少都涉及到。一些因素會(huì)影響他們的均衡。
圖2.43頻率不穩(wěn)定的穩(wěn)定性
圖2.44老化影響變量
A）自然老化，在磨合狀態(tài)下老化。
B）具有負(fù)頻率變化的分量，例如，應(yīng)力分量導(dǎo)致正方向的頻率變化。通過均衡電壓，頻率現(xiàn)在返回其較低的輸出值。
C）正頻率變化的分量。
D）所有頻率變化的總和。
E）在測(cè)量的第一天之后與測(cè)量值相關(guān)的所有頻率變化的總和。
通過磨煉可以加速磨合過程。老化A）不受影響。為了消除壓力，溫度變化可能是有益的。這種預(yù)熱過程不是老化的一部分。磨合過程應(yīng)在老化開始之前或在施加石英晶體諧振器之前完成。穩(wěn)定后剩余頻率的時(shí)間變化（有時(shí)稱為自然老化）正在老化。然而，在實(shí)際操作中，一次又一次地產(chǎn)生少量機(jī)械應(yīng)力，這導(dǎo)致重新再循環(huán)。見2.12.12恢復(fù)頻率。
頻率變化的大小可以是大規(guī)模生產(chǎn)的石英，在f/f-10-6的范圍內(nèi)。對(duì)于精密石英，老化范圍從f/f-10-9。泛音晶體具有較小的老化，因?yàn)榕c相同頻率的地面石英晶體相比，諧振器的表面與其體積相比更便宜。因此，泛音諧振器用于精密應(yīng)用。開啟狀態(tài)下的老化，長期老化，可以用公式（22）很好地近似來描述：
關(guān)于阿爾罕ius規(guī)定的有效性，我們可以介紹:
這使我們的老化與石英晶體的溫度有關(guān)：
T=溫度K.對(duì)于每種類型的石英，確定活化能E.該表的計(jì)算結(jié)果為E/R=1018。
| 石英型 | K0 | ）F/F;1年;25°Cmax（實(shí)用值） |
| 精度，3.Obt。 | bis0,1A10-6 | 0,02A10-6 |
| HC-6/U(Prof.) | bis2A10-6 | 0,5A10-6 |
| HC-18/U(Cons.) | bis7A10-6 | 1A10-6 |
| AT-Stab-Quarz | bis10A10-6 | 2A10-6 |
由于老化的對(duì)數(shù)過程，諸如“老化小于0.1ppm/天”的指示是沒有意義的，除非在當(dāng)天應(yīng)該進(jìn)行指定，例如在石英的交付時(shí)或在6個(gè)月的提前期之后。最好指定根據(jù)DIN45103在測(cè)量條件下確定的值。在這些條件下測(cè)量的0.5至2ppm的老化值在串聯(lián)生產(chǎn)的石英中是常見的。對(duì)于精密石英，實(shí)現(xiàn)了10-9的值。
圖2.45老化，系列生產(chǎn)的振動(dòng)石英的測(cè)量結(jié)果
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