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晶振温度和温度循环对老化的依赖性

来源:http://www.jinluodz.com 作者:金洛鑫电子 2018年10月27
  很多人不知道晶振的温度范围和温度循环对老化率有多大的影响,温度范围和老化率都是石英晶振的重要参数,晶体的工作温度范围有-10℃~+70℃,-20℃~+70℃,-30℃~+85℃,-40℃~+85℃,-40℃~+90℃,-40℃~+105℃,-40℃~+125℃等。越高端的产品对温度要求越高,接下来就要说下,温度和老化之间的关系和信赖性。
尽管大多数已知的老化机制是热激活的,但是在许多中稳定性和高稳定性谐振器中未观察到预期的老化速率的强烈温度依赖性。例如,在一项对来自几家制造商的八种AT切割谐振器类型的研究中,谐振器在室温,85°C和120°C下老化。没有发现系统老化速率随温度的变化[85]。谐振器在高温下并不总是表现出更高的老化速率; 有些人甚至在高温下以较低的速度老化。谐振器的范围从14.4MHz基本模式到70MHz三次谐波。
  在另一项研究中,谐振器组在50 C,60°C和70°C下老化。结果发现,虽然当温度较低时许多谐振器的老化改善,但低老化率石英晶体谐振器并没有改变它们的特别是当温度降低时老化特征[86]。
  当低稳定性和中稳定性谐振器组在25 C至100 C的不同温度下老化时,发现老化速率随温度升高而增加[87]。增加因晶体类型而异。作者得出的关于老化预测的结论是“只有当晶体单元在其使用寿命期间在或多或少相同的条件下运行时,这种预测才足够可靠。如果环境温度或驱动水平发生变化,甚至频率的迹象老龄化可能会改变。“ 在一些早期关于精密2.5-MHz 5泛音AT切割谐振器[88]和550-kHz线安装DT-cut谐振器[89]的研究中,老化温度的升高增加了老化速率。
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  在低周转点(LTP)和上翻转点(UTP)温度下连续测量六组高精度SC切割谐振器和两个高精度AT切割谐振器的老化。SC切割的UTP与LTP的差异范围为19°C至40°C,AT切割的温差约为100°C。UTP的较高老化温度对SC切割的老化引起了小的正老化贡献,即,正极和负老化谐振器的老化在UTP中变得更加积极。AT切割的结果表明LTP的老化率没有显着改善[57]。
  如果老化是由于单个热活化过程造成的,那么通过将晶振冷却到低温温度,应该能够观察到非常低的老化速率。尽管尚未在低温下进行确定的老化试验,但在这样的温度下有限的数据表明老化率没有显着改善[90-92]。当在-10°C 附近的(较低周转)温度下测量高精度SC切割谐振器的老化时,并且与在90°C至120°C的转换温度下老化的类似制造的谐振器的老化进行比较。,在较低温度下未观察到老化的显着改善[57,93]。
  当老化中断伴随着显着的温度漂移时,效果可以从剧烈到小。对于一个剧烈变化的例子,当包含高精度5-MHz5泛音玻璃封闭的AT切割谐振器的石英晶体振荡器老化并且振荡器冷却到-40℃持续9天时,老化速率随后急剧增加恢复衰老。在老化率恢复到中断之前的值之前已经过了几个月。图4显示了这个例子。该振荡器以大约-1.1×10-11的恒定速率老化 中断前每天。恢复老化后:1)老化率最初变为正,2)大约150天后逆转方向,3)大约一年后老化率稳定在-4.0×10-12每天,并且保持在随后四年的比率。
  低温储存也会在SC切割振荡器中产生剧烈的老化速率变化[57]。在另一个老化实验中,高稳定性OCXO晶振和TCXO晶振组在实验期间进行开-关循环和温度循环。对于大多数振荡器而言,中断并未使老化期间的总频率变化恶化[93]。类似地,当高稳定性微机补偿晶体振荡器老化而反复中断温度循环时,老化速率不会因循环而变差[94]。
  已经表明,间歇操作下的稳定性取决于制造贴片晶振所用的过程。例如,在烤箱关闭后重新启动振荡器时,那些包含高温处理晶体单元的振荡器表现出小得多的频率偏移,并且老化速率比低温处理单元更快地恢复到其关闭前的值[89,95]。

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