烤箱型OCXO晶振不同切割方式的老化性能
來源：http://m.cbjur26.cn 作者：康華爾電子 2019年07月01
烤箱型的OCXO晶振屬于傳統(tǒng)式的恒溫晶振,通常體積都比較大,主要采用SC切割方式生產(chǎn),雖然尺寸大但是擁有比較強大的穩(wěn)定性和可靠性,同時具備低相位噪聲,低相位抖動,低功耗等比較優(yōu)良的性能.但是即使再可靠的振蕩器,也一樣有一個短板,那就是老化.所謂的老化就是產(chǎn)品的保質(zhì)期,正常不過度的運用,晶振基本上可以無限使用,但是每年都會損耗,這就是為什么大部分客戶,都要求晶體振蕩器的生產(chǎn)日期在一年內(nèi).
石英晶體振蕩器廣泛用作各種電子系統(tǒng)中的頻率和時間標準.雖然石英晶體振蕩器非常適合這項任務(wù),但在要求苛刻的應(yīng)用中,如同任何精密器件一樣,最佳性能需要深入了解器件的特性.衰老是振蕩器的長期頻率漂移.雖然精心設(shè)計和制造可以最大限度地減少運輸時的老化,但振蕩器的使用壽命會持續(xù)老化,并受到斷電存儲的環(huán)境和持續(xù)時間的影響.本文重點介紹了造成老化的物理過程,并解釋了為何在進行斷電存儲后,在振蕩器頻率調(diào)整之前強烈建議重新穩(wěn)定時間.
老齡化有兩個基本原因.首先,石英晶體諧振器的頻率受電極質(zhì)量的強烈影響.電極或石英毛坯表面的污染增加了諧振器質(zhì)量,從而降低了諧振頻率.水蒸氣是這種污染的罪魁禍首,盡管氧氣和碳氫化合物也會引起問題.用于將諧振器安裝在其外殼中的導(dǎo)電粘合劑的除氣也是一個因素.結(jié)晶石英和金屬電極在亞微觀尺度上都是多孔的,具有大量含有污染物的小空腔.污染始終存在于某種程度,但生產(chǎn)過程如臭氧清潔,高溫真空烘烤和使用硬真空可以將污染影響降至幾乎可以忽略不計的水平.
如果污染物保留在原位,污染就不會成為問題.不幸的是,新晶體上的污染,特別是安裝在高溫下操作的恒溫晶振中的晶體,在蒸發(fā),吸附,冷凝和機械加速的影響下移動.結(jié)果,新的振蕩器迅速老化,直到污染物運動穩(wěn)定.
機械應(yīng)力是振蕩器老化的第二個原因.晶體是原子的有序晶格,其形狀與原子間距一起決定了晶體的物理性質(zhì),如介電常數(shù)和彈性.許多這些特性影響共振頻率.機械應(yīng)力使原子晶格變形,稍微改變原子間距,從而稍微改變晶體的物理性質(zhì).如果受到應(yīng)力的晶格恰好是石英晶體諧振器,則結(jié)果是諧振頻率略有變化.因此,AT切割諧振器暴露于機械應(yīng)力移位頻率.雙旋轉(zhuǎn)晶體(例如IT切割或SC切割)部分地受到應(yīng)力補償,并且受到應(yīng)力的影響較小.因此,雙重旋轉(zhuǎn)切割的再穩(wěn)定時間較短,但這些諧振器制造起來要困難得多,并且比普通的AT切割水晶振子更昂貴.
石英晶體諧振器中的應(yīng)力有很多來源;來自安裝夾的彈簧作用的安裝應(yīng)力,導(dǎo)電粘合劑在設(shè)定時的收縮,來自制造期間的切割和研磨操作的殘余應(yīng)力以及差異的熱膨脹和收縮.最后一個因素在烘箱振蕩器中特別有意義,因為每次施加功率時晶體從室溫加熱到約80℃,并且因為晶體石英中的熱膨脹系數(shù)在每個軸上是不同的.
由于石英導(dǎo)熱性差,因此熱梯度陡峭且消散緩慢.當與安裝夾接觸的諧振器的邊緣明顯比中心溫暖時,在預(yù)熱期間,經(jīng)過燒蝕的AT切割諧振器經(jīng)歷強烈的,應(yīng)力引起的頻率瞬變.在圖中可以看到這種瞬態(tài),因為在開啟后的四到五分鐘內(nèi)出現(xiàn)尖銳的頻率下沖.剛剛開啟后,新振蕩器中的殘余應(yīng)力達到最大值,在操作的前幾天緩慢放松,直到達到平衡狀態(tài).
對于新的振蕩器,來自污染物再分配和應(yīng)力松弛的頻率變化高達每天十億分之幾.Vectron的標準做法是燃燒或老化新的振蕩器,同時持續(xù)監(jiān)測頻率,直到日常老化速率穩(wěn)定.所需的時間取決于石英晶體振蕩器頻率和晶體切割以及指定的老化速率.典型的老化持續(xù)時間從不到一周到幾周不等.當一個新的’老化’振蕩器關(guān)閉時會發(fā)生什么?當冷卻時,靜電振蕩器重新獲得機械應(yīng)力,應(yīng)力的大小是爐溫和環(huán)境溫度之差的函數(shù).盡管在較低溫度下應(yīng)力松弛率大大降低,但這種應(yīng)力最終會消失.
當振蕩器關(guān)閉時,污染物開始再次移向新的平衡狀態(tài).和以前一樣,在較低溫度下重新分配的速度要小得多.如果斷電時間很短,且存儲溫度適中,有源晶振將恢復(fù)到接近測量的老化速率在短暫的熱身期后發(fā)貨.實際頻率接近-但不相同-由于滯后并且因為在斷電期間老化持續(xù),但不一定是相同的速率.
延長的斷電間隔,或(根據(jù)對受試者的一些參考)在斷電間隔期間暴露于極端溫度允許更大程度的應(yīng)力松弛和污染物重新分布.在這種情況下,在原始生產(chǎn)老化期間獲得的一些老化穩(wěn)定性丟失.因此,當重新施加功率時,需要更長的再穩(wěn)定時間來達到先前的老化速率.重建期間有所不同.24小時后對三次泛音AT切割OCXO晶振的再穩(wěn)定化表示非應(yīng)力補償晶體的非常好的性能.甚至少量晶體污染的存在將顯著延長再穩(wěn)定期.
這在實踐中意味著什么?首先,如果可能的話,應(yīng)該持續(xù)為恒溫振蕩器供電.如果電源中斷是不可避免的,請注意振蕩器將比正常預(yù)熱需要一些時間才能恢復(fù)到先前的老化速率,并且由于老化和滯后,不太可能返回到完全相同的頻率.AT切割諧振器的遲滯不太可能比10-8中的幾個部分好得多.重新穩(wěn)定期間的頻率調(diào)整不是一個好主意.憑借其設(shè)計精密OCXO振蕩器的豐富經(jīng)驗,Vectron晶振能夠協(xié)助確定適當?shù)脑俜€(wěn)定期,特別是在斷電期超過幾天且需要更長的再穩(wěn)定期的情況下.
石英晶體振蕩器廣泛用作各種電子系統(tǒng)中的頻率和時間標準.雖然石英晶體振蕩器非常適合這項任務(wù),但在要求苛刻的應(yīng)用中,如同任何精密器件一樣,最佳性能需要深入了解器件的特性.衰老是振蕩器的長期頻率漂移.雖然精心設(shè)計和制造可以最大限度地減少運輸時的老化,但振蕩器的使用壽命會持續(xù)老化,并受到斷電存儲的環(huán)境和持續(xù)時間的影響.本文重點介紹了造成老化的物理過程,并解釋了為何在進行斷電存儲后,在振蕩器頻率調(diào)整之前強烈建議重新穩(wěn)定時間.
老齡化有兩個基本原因.首先,石英晶體諧振器的頻率受電極質(zhì)量的強烈影響.電極或石英毛坯表面的污染增加了諧振器質(zhì)量,從而降低了諧振頻率.水蒸氣是這種污染的罪魁禍首,盡管氧氣和碳氫化合物也會引起問題.用于將諧振器安裝在其外殼中的導(dǎo)電粘合劑的除氣也是一個因素.結(jié)晶石英和金屬電極在亞微觀尺度上都是多孔的,具有大量含有污染物的小空腔.污染始終存在于某種程度,但生產(chǎn)過程如臭氧清潔,高溫真空烘烤和使用硬真空可以將污染影響降至幾乎可以忽略不計的水平.
如果污染物保留在原位,污染就不會成為問題.不幸的是,新晶體上的污染,特別是安裝在高溫下操作的恒溫晶振中的晶體,在蒸發(fā),吸附,冷凝和機械加速的影響下移動.結(jié)果,新的振蕩器迅速老化,直到污染物運動穩(wěn)定.
機械應(yīng)力是振蕩器老化的第二個原因.晶體是原子的有序晶格,其形狀與原子間距一起決定了晶體的物理性質(zhì),如介電常數(shù)和彈性.許多這些特性影響共振頻率.機械應(yīng)力使原子晶格變形,稍微改變原子間距,從而稍微改變晶體的物理性質(zhì).如果受到應(yīng)力的晶格恰好是石英晶體諧振器,則結(jié)果是諧振頻率略有變化.因此,AT切割諧振器暴露于機械應(yīng)力移位頻率.雙旋轉(zhuǎn)晶體(例如IT切割或SC切割)部分地受到應(yīng)力補償,并且受到應(yīng)力的影響較小.因此,雙重旋轉(zhuǎn)切割的再穩(wěn)定時間較短,但這些諧振器制造起來要困難得多,并且比普通的AT切割水晶振子更昂貴.
石英晶體諧振器中的應(yīng)力有很多來源;來自安裝夾的彈簧作用的安裝應(yīng)力,導(dǎo)電粘合劑在設(shè)定時的收縮,來自制造期間的切割和研磨操作的殘余應(yīng)力以及差異的熱膨脹和收縮.最后一個因素在烘箱振蕩器中特別有意義,因為每次施加功率時晶體從室溫加熱到約80℃,并且因為晶體石英中的熱膨脹系數(shù)在每個軸上是不同的.
由于石英導(dǎo)熱性差,因此熱梯度陡峭且消散緩慢.當與安裝夾接觸的諧振器的邊緣明顯比中心溫暖時,在預(yù)熱期間,經(jīng)過燒蝕的AT切割諧振器經(jīng)歷強烈的,應(yīng)力引起的頻率瞬變.在圖中可以看到這種瞬態(tài),因為在開啟后的四到五分鐘內(nèi)出現(xiàn)尖銳的頻率下沖.剛剛開啟后,新振蕩器中的殘余應(yīng)力達到最大值,在操作的前幾天緩慢放松,直到達到平衡狀態(tài).
當振蕩器關(guān)閉時,污染物開始再次移向新的平衡狀態(tài).和以前一樣,在較低溫度下重新分配的速度要小得多.如果斷電時間很短,且存儲溫度適中,有源晶振將恢復(fù)到接近測量的老化速率在短暫的熱身期后發(fā)貨.實際頻率接近-但不相同-由于滯后并且因為在斷電期間老化持續(xù),但不一定是相同的速率.
延長的斷電間隔,或(根據(jù)對受試者的一些參考)在斷電間隔期間暴露于極端溫度允許更大程度的應(yīng)力松弛和污染物重新分布.在這種情況下,在原始生產(chǎn)老化期間獲得的一些老化穩(wěn)定性丟失.因此,當重新施加功率時,需要更長的再穩(wěn)定時間來達到先前的老化速率.重建期間有所不同.24小時后對三次泛音AT切割OCXO晶振的再穩(wěn)定化表示非應(yīng)力補償晶體的非常好的性能.甚至少量晶體污染的存在將顯著延長再穩(wěn)定期.
這在實踐中意味著什么?首先,如果可能的話,應(yīng)該持續(xù)為恒溫振蕩器供電.如果電源中斷是不可避免的,請注意振蕩器將比正常預(yù)熱需要一些時間才能恢復(fù)到先前的老化速率,并且由于老化和滯后,不太可能返回到完全相同的頻率.AT切割諧振器的遲滯不太可能比10-8中的幾個部分好得多.重新穩(wěn)定期間的頻率調(diào)整不是一個好主意.憑借其設(shè)計精密OCXO振蕩器的豐富經(jīng)驗,Vectron晶振能夠協(xié)助確定適當?shù)脑俜€(wěn)定期,特別是在斷電期超過幾天且需要更長的再穩(wěn)定期的情況下.
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