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快来看看关于晶振老化还有哪些不知道的事

来源:http://www.jinluodz.com 作者:金洛鑫电子 2019年04月24
   在老化下,石英晶振被理解为特性随时间的依赖性,特别是谐振频率的依赖性。衰老并不意味着短期稳定性,这是一小部分时间间隔内频率的统计变化。石英晶体的长期频率漂移(老化)是由几个原因引起的:
与材料有关的老化:
   石英晶体的性质和结构的长期变化会影响石英晶体的固有频率。这些是晶格中的位错,掺入的外来原子(杂质)的迁移,通过繁殖太快而在合成石英晶体中发生的机械应力。
与设计相关的老化:
   石英晶体设计用于高机械应力,需要在贴片振荡器外壳中非常坚固地安装石英盘。这种刚性支撑在谐振器上施加机械力。必须接受产生的频率变化。对频率稳定性要求很高,支架的设计使其尽可能不影响石英晶体的频率。然而,这些晶体对外部机械应力非常敏感。对于正常应用,寻求两个极端之间的折衷。重要的是石英晶体外壳的气密封闭,以防止气体和蒸汽从周围大气进入。例如,水蒸气扩散到晶格中产生大约F/f=10-8...10-9/h的负频率漂移。氧化或腐蚀性外来气体具有类似的影响。塑料可透过水蒸气。因此,石英晶体外壳只有密封的金属外壳,陶瓷或玻璃外壳。
与制造相关的老化:
   由于生产过程和影响,频率变化是不确定的。这些影响的回归对老化具有影响,具有相对短且可影响的时间常数。这里提到:通过机械加工(研磨,抛光)对晶格的干扰。电极材料的重结晶和电极材料扩散到晶格中。石英谐振器的应变通过安装系统和谐振器(导电粘合剂)在支架中的连接。
   通过优化工艺可以最大限度地减少与生产相关的老化,并且可以通过稳定措施缩短稳定阶段。这些稳定化的引入和广泛完成是专业石英晶体制造过程的一部分。在低成本的石英批量生产中,这种稳定性并不总是完成。老龄化是一个稳定的过程,其中所有上述因素或多或少都涉及到。一些因素会影响他们的均衡。
JZSL1.jpg
图2.43频率不稳定的稳定性
   国家经过相对较短的时间,其他人只是经过很长一段时间。外部影响,冲击,振动,温度冲击,电气过载可能会干扰稳定过程或启动新的老化过程(“重新进入”)。制造过程造成的影响通常会在很短的时间内(一到两天)消失到可忽略不计的残留误差。这些因素可能导致频率变化的不同方向(图2.44)。
JZSL2.jpg
图2.44老化影响变量
影响衰老的因素(图2.44):
   A)自然老化,在磨合状态下老化。
   B)具有负频率变化的分量,例如,应力分量导致正方向的频率变化。通过均衡电压,频率现在返回其较低的输出值。
   C)正频率变化的分量。
   D)所有频率变化的总和。
   E)在测量的第一天之后与测量值相关的所有频率变化的总和。
   通过磨炼可以加速磨合过程。老化A)不受影响。为了消除压力,温度变化可能是有益的。这种预热过程不是老化的一部分。磨合过程应在老化开始之前或在施加石英晶体谐振器之前完成。稳定后剩余频率的时间变化(有时称为自然老化)正在老化。然而,在实际操作中,一次又一次地产生少量机械应力,这导致重新再循环。见2.12.12恢复频率。
   频率变化的大小可以是大规模生产的石英,在f/f-10-6的范围内。对于精密石英,老化范围从f/f-10-9。泛音晶体具有较小的老化,因为与相同频率的地面石英晶体相比,谐振器的表面与其体积相比更便宜。因此,泛音谐振器用于精密应用。开启状态下的老化,长期老化,可以用公式(22)很好地近似来描述:
JZSL3.jpg
如果老化与第一天的读数有关,则可以简化等式:
JZSL4.jpg
关于阿尔罕ius规定的有效性,我们可以介绍:
JZSL5.jpg
这使我们的老化与石英晶体的温度有关:
JZSL6.jpg
T=温度K.对于每种类型的石英,确定活化能E.该表的计算结果为E/R=1018。

石英型 K0 )F/F;1年;25°Cmax(实用值)
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
   假设E/R=1018,老化的增加约为每10℃10%。对于粗略计算,可以假设在85°C下老化超过30天对应于25°C时一年内的频率变化。根据DIN45103标准化的老化测试规定贴片石英晶振在85℃的温度下储存30天。第三天和第一天之后的频率测量值之间的差异我们称之为老化A(假设石英晶体已经被打破)。
JZSL7.jpg
   由于老化的对数过程,诸如“老化小于0.1ppm/天”的指示是没有意义的,除非在当天应该进行指定,例如在石英的交付时或在6个月的提前期之后。最好指定根据DIN45103在测量条件下确定的值。在这些条件下测量的0.5至2ppm的老化值在串联生产的石英中是常见的。对于精密石英,实现了10-9的值。
JZSL8.jpg
图2.45老化,系列生产的振动石英的测量结果
   晶振的老化几乎是不可避免的,但正常使用下的晶体和振荡器可以无限使用,即使每年都会损耗一点。目前低功耗,低损耗的晶振是各大制造商研发的方向,目前市场上的石英晶体和振荡器几乎都可以达到这两大要求。而且体积越小老化率就越低,如1612晶振,1610晶振,1210晶振等均已实现±1ppm的老化率。
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