烤箱型OCXO晶振不同切割方式的老化性能
來源：http://m.ike-digital.com 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(qiáng)大的穩(wěn)定性和可靠性,同時(shí)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(gè)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(yùn)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(shí)間標(biāo)準(zhǔn).雖然石英晶體振蕩器非常適合這項(xiàng)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(jì)和制造可以最大限度地減少運(yùn)輸時(shí)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(shí)間的影響.本文重點(diǎn)介紹了造成老化的物理過程,并解釋了為何在進(jìn)行斷電存儲后,在振蕩器頻率調(diào)整之前強(qiáng)烈建議重新穩(wěn)定時(shí)間.
老齡化有兩個(gè)基本原因.首先,石英晶體諧振器的頻率受電極質(zhì)量的強(qiáng)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?zhǔn)?盡管氧氣和碳?xì)浠衔镆矔饐栴}.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(gè)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(jì)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(jī)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(yùn)動穩(wěn)定.
機(jī)械應(yīng)力是振蕩器老化的第二個(gè)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(jī)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(jī)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(bǔ)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(shí)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(shí)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(gè)因素在烘箱振蕩器中特別有意義,因?yàn)槊看问┘庸β蕰r(shí)晶體從室溫加熱到約80℃,并且因?yàn)榫w石英中的熱膨脹系數(shù)在每個(gè)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(dāng)與安裝夾接觸的諧振器的邊緣明顯比中心溫暖時(shí),在預(yù)熱期間,經(jīng)過燒蝕的AT切割諧振器經(jīng)歷強(qiáng)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?yàn)樵陂_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(dá)到最大值,在操作的前幾天緩慢放松,直到達(dá)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(dá)每天十億分之幾.Vectron的標(biāo)準(zhǔn)做法是燃燒或老化新的振蕩器,同時(shí)持續(xù)監(jiān)測頻率,直到日常老化速率穩(wěn)定.所需的時(shí)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(shí)間從不到一周到幾周不等.當(dāng)一個(gè)新的’老化’振蕩器關(guān)閉時(shí)會發(fā)生什么?當(dāng)冷卻時(shí),靜電振蕩器重新獲得機(jī)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(dāng)振蕩器關(guān)閉時(shí),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(shí)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(shí)際頻率接近-但不相同-由于滯后并且因?yàn)樵跀嚯娖陂g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(dāng)重新施加功率時(shí),需要更長的再穩(wěn)定時(shí)間來達(dá)到先前的老化速率.重建期間有所不同.24小時(shí)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(bǔ)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(shí)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(shí)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(gè)部分好得多.重新穩(wěn)定期間的頻率調(diào)整不是一個(gè)好主意.憑借其設(shè)計(jì)精密OCXO振蕩器的豐富經(jīng)驗(yàn),Vectron晶振能夠協(xié)助確定適當(dāng)?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(shí)間標(biāo)準(zhǔn).雖然石英晶體振蕩器非常適合這項(xiàng)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(jì)和制造可以最大限度地減少運(yùn)輸時(shí)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(shí)間的影響.本文重點(diǎn)介紹了造成老化的物理過程,并解釋了為何在進(jìn)行斷電存儲后,在振蕩器頻率調(diào)整之前強(qiáng)烈建議重新穩(wěn)定時(shí)間.
老齡化有兩個(gè)基本原因.首先,石英晶體諧振器的頻率受電極質(zhì)量的強(qiáng)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?zhǔn)?盡管氧氣和碳?xì)浠衔镆矔饐栴}.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(gè)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(jì)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(jī)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(yùn)動穩(wěn)定.
機(jī)械應(yīng)力是振蕩器老化的第二個(gè)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(jī)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(jī)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(bǔ)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(shí)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(shí)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(gè)因素在烘箱振蕩器中特別有意義,因?yàn)槊看问┘庸β蕰r(shí)晶體從室溫加熱到約80℃,并且因?yàn)榫w石英中的熱膨脹系數(shù)在每個(gè)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(dāng)與安裝夾接觸的諧振器的邊緣明顯比中心溫暖時(shí),在預(yù)熱期間,經(jīng)過燒蝕的AT切割諧振器經(jīng)歷強(qiáng)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?yàn)樵陂_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(dá)到最大值,在操作的前幾天緩慢放松,直到達(dá)到平衡狀態(tài).
當(dāng)振蕩器關(guān)閉時(shí),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(shí)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(shí)際頻率接近-但不相同-由于滯后并且因?yàn)樵跀嚯娖陂g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(dāng)重新施加功率時(shí),需要更長的再穩(wěn)定時(shí)間來達(dá)到先前的老化速率.重建期間有所不同.24小時(shí)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(bǔ)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(shí)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(shí)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(gè)部分好得多.重新穩(wěn)定期間的頻率調(diào)整不是一個(gè)好主意.憑借其設(shè)計(jì)精密OCXO振蕩器的豐富經(jīng)驗(yàn),Vectron晶振能夠協(xié)助確定適當(dāng)?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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