我們都知道晶振一不小心是很容易老化的，之前給大家介紹過(guò)外在導(dǎo)致晶體晶振老化因素，那么今天就給大家說(shuō)下“內(nèi)在”的原因的有那些。”內(nèi)在”問(wèn)題主要是因?yàn)榧夹g(shù)和加工方式，大致體現(xiàn)于擴(kuò)散效應(yīng)、石英的變化、應(yīng)變和應(yīng)力，電路老化，其他老化等問(wèn)題，下面金洛鑫電子會(huì)為大家詳細(xì)的解說(shuō)。
石英的變化：
由于應(yīng)力或其他原因?qū)е碌氖⒆兓赡軐?dǎo)致老化，盡管在文獻(xiàn)中沒(méi)有關(guān)于這種變化的報(bào)告（在正常溫度和壓力下）。預(yù)計(jì)完美的石英不會(huì)隨時(shí)間變化（根據(jù)定義）?？赡馨l(fā)生變化的缺陷包括表面和點(diǎn)缺陷，位錯(cuò)，雜質(zhì)，夾雜物和孿晶。表面缺陷，例如通過(guò)研磨產(chǎn)生的微裂紋，可以隨時(shí)間變化，然而，通過(guò)在機(jī)械處理之后適當(dāng)?shù)匚g刻表面，可以大大減少變化的可能性。
由于應(yīng)力引起的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)不太可能是典型工作溫度下老化的一個(gè)因素，盡管位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)可能在高溫和高壓下發(fā)生。即使在通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Oscillator正常工作溫度的掃描實(shí)驗(yàn)中，也沒(méi)有報(bào)告過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的證據(jù)。退火由于中子輻射引起的石英損壞所需的能量可能是移動(dòng)位錯(cuò)所需能量的線索。當(dāng)用快中子照射石英時(shí)，發(fā)生位移損壞。在高劑量下，石英逐漸變成無(wú)定形形式的無(wú)序狀態(tài)。對(duì)中子受損石英的退火研究表明，石英的退火溫度高于反轉(zhuǎn)溫度。結(jié)構(gòu)退火的活化能為0.75eV。
石英的除氣是另一種可能的老化機(jī)制，其大小未知。雖然大量的信息可在玻璃的SiO的釋氣特性2，對(duì)除氣特性沒(méi)有報(bào)告一個(gè)發(fā)現(xiàn)石英。據(jù)推測(cè)，由于所有材料都會(huì)在一定程度上排出氣體，因此a-quartz也是如此。另一個(gè)未知數(shù)是石英中的雜質(zhì)在正常工作溫度下擴(kuò)散到位錯(cuò)和表面的程度。已知石英含有易于擴(kuò)散的雜質(zhì)。存在于最高濃度的雜質(zhì)是氫。天然和培養(yǎng)的石英都含有氫，其量相對(duì)于Si為200ppm至2500ppm（3ppm至42ppm重量）。
擴(kuò)散效應(yīng)：
盡管擴(kuò)散過(guò)程很可能導(dǎo)致諧振器老化，但很少有作者報(bào)道了擴(kuò)散過(guò)程中的衰老分析[4,68]。在電極和石英之間，石英本身內(nèi)以及安裝和電氣附件中可以發(fā)生固-固擴(kuò)散過(guò)程;氣固擴(kuò)散過(guò)程可以是在諧振器表面發(fā)生的一些過(guò)程的速率確定步驟。另一種可想到的老化機(jī)制是石英中的雜質(zhì)擴(kuò)散到位錯(cuò)和表面。
各向同性介質(zhì)中簡(jiǎn)單擴(kuò)散控制過(guò)程的速率由給出：
速率=-D*濃度梯度
其中D是擴(kuò)散常數(shù)：

m是擴(kuò)散材料的質(zhì)量，h是發(fā)生擴(kuò)散的板坯的厚度，A是參與擴(kuò)散的區(qū)域，d2和d1是擴(kuò)散的濃度（每單位體積的質(zhì)量）板坯兩側(cè)的材料。
表I顯示了常溫下常用作諧振器中電極或附件的一些金屬在室溫下的擴(kuò)散常數(shù)：

這個(gè)簡(jiǎn)短的表格顯示，石英晶振供應(yīng)商可能感興趣的擴(kuò)散速率根據(jù)擴(kuò)散所涉及的金屬的數(shù)量級(jí)而變化。石英晶格中點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)具有0.03eV至0.154eV的能量和活化能。盡管這些活化能量與觀察到的老化活化能量大小相似，但直接比較的有效性尚未確定。
擴(kuò)散過(guò)程通常具有近似功率對(duì)時(shí)間的依賴性，功率約為0.5。對(duì)于某些擴(kuò)散配置，擴(kuò)散速率方程還包含指數(shù)時(shí)間因子。擴(kuò)散速率通常是熱激活的，Arrhenius依賴于溫度。Cu進(jìn)入Al的活化能（33.9千卡/摩爾）似乎高于大多數(shù)報(bào)道的老化活化能。然而，Ag向Ag的晶界擴(kuò)散的活化能為21.5千卡/摩爾，這并不比報(bào)道的老化活化能高。
諧振器中的應(yīng)變/應(yīng)力：
施加在AT和SC板周邊的徑向力使頻率發(fā)生偏移。由于安裝夾和粘接材料施加到晶體晶片上的力很難控制并且可能隨時(shí)間改變（即松弛），因此石英晶體諧振器老化在某種程度上取決于安裝座的類型，材料和位置，關(guān)于晶體取向，以及真實(shí)諧振器中的設(shè)計(jì)偏離。當(dāng)粘合過(guò)程在高溫下進(jìn)行時(shí)，該結(jié)構(gòu)可能在高于諧振器正常工作溫度的溫度下處于平衡狀態(tài)。在這種情況下，結(jié)構(gòu)中各種材料的熱膨脹系數(shù)的不匹配將引起應(yīng)力引起的頻移。當(dāng)這些應(yīng)力隨時(shí)間變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致老化。粘接材料，例如銀填充的環(huán)氧樹(shù)脂和聚酰亞胺，在固化時(shí)改變尺寸。這導(dǎo)致進(jìn)一步的壓力變化。夾子成形和焊接操作產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其也經(jīng)受應(yīng)力消除。
X射線形貌可用于證明由特定安裝夾結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)變。如果菌株隨時(shí)間變化，可能導(dǎo)致老化。AT切割石英晶片的線性膨脹的徑向和切向熱系數(shù)取決于方向。晶體板和安裝結(jié)構(gòu)（包括外殼基座）之間的熱膨脹系數(shù)差異通常不僅導(dǎo)致晶體板上的徑向應(yīng)力，而且導(dǎo)致切向（即扭轉(zhuǎn)）應(yīng)力。石英晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮諧振器組件的各個(gè)部件之間的熱膨脹系數(shù)的差異，以最小化施加到諧振器的溫度相關(guān)應(yīng)力。
由于應(yīng)力是不可避免的，因此在低老化諧振器的安裝結(jié)構(gòu)中使用的材料應(yīng)該非常快速地或非常緩慢地退火，即，完全柔軟或完全彈性。非?？焖偻嘶鸬牟牧贤ǔ２皇强尚械倪x擇，因?yàn)檫@種材料通常在沖擊和振動(dòng)下導(dǎo)致不可接受的行為。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾乎無(wú)應(yīng)力的安裝結(jié)構(gòu)。
在恒定應(yīng)力下材料的緩慢和漸進(jìn)變形稱為蠕變。在金屬，玻璃，聚合物甚至單晶中觀察到蠕變。金屬通常在溫度大于0.4顯示出蠕變米，其中T米是開(kāi)爾文的金屬熔點(diǎn)。蠕變速率，特別是在無(wú)定形材料中，以及有機(jī)材料，例如通常用于粘合晶體的環(huán)氧樹(shù)脂，對(duì)溫度高度敏感。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多合金用于高抗應(yīng)力消除，用于電連接器和其他彈簧應(yīng)用。由這種合金制成的安裝夾可以用于最小化由于安裝結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力消除導(dǎo)致的老化，如使用精心定向的石英用于安裝和外殼的設(shè)計(jì)。
由給定量的應(yīng)力釋放產(chǎn)生的老化量是安裝夾相對(duì)于石英板的晶軸的取向和應(yīng)力類型的函數(shù)。對(duì)于面內(nèi)直徑力，已發(fā)現(xiàn)力-頻率系數(shù)Kf與方位角y對(duì)于所有常用切割具有零，例如AT切割和SC切割。因此，可以得出結(jié)論，通過(guò)將晶體安裝在Kf=0處，可以消除由于安裝夾中的應(yīng)力消除引起的老化。不幸的是，由于安裝結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力消除，很難完全消除老化，因?yàn)椋?）方位角，其中Kf=0的溫度的功能，從而使安裝點(diǎn)方位將必須是對(duì)于不同的營(yíng)業(yè)額的溫度諧振器不同，2）ÿ其中粘合應(yīng)力的效果是零是從不同ÿ其中K個(gè)-F=0，至少對(duì)于AT切割，已經(jīng)報(bào)告了粘接應(yīng)力效應(yīng)的唯一切口，以及3）由于安裝夾子產(chǎn)生的力通常不是純粹的面內(nèi)直徑力。對(duì)于三點(diǎn)和四點(diǎn)安裝的石英水晶振子尤其如此，因?yàn)橛捎谑⒌臒崤蛎浵禂?shù)是高度各向異性的，而典型封裝基座的熱膨脹系數(shù)是各向同性的，因此熱膨脹系數(shù)不匹配引起的力將具有切向分量。在兩點(diǎn)安裝的諧振器中，基座的熱膨脹除了面內(nèi)直徑力之外還施加扭轉(zhuǎn)力。
即使安裝應(yīng)力可以忽略不計(jì)，單獨(dú)的粘接應(yīng)力也會(huì)引起顯著的頻率偏移，退火后會(huì)導(dǎo)致老化。頻率的溫度系數(shù)也會(huì)隨著應(yīng)力的大變化而變化。在這些情況下，測(cè)量溫度系數(shù)以及老化可用于確定應(yīng)力消除是否是顯著的老化機(jī)制。
電路老化和其他電老化：
振蕩器電路包括可能發(fā)生變化的電氣元件。這些元素決定了一些重要的操作因素，例如諧振器負(fù)載電抗，直流偏置和驅(qū)動(dòng)電平。這些電氣元件和因素的變化導(dǎo)致振蕩器老化。
由于電引線的運(yùn)動(dòng)引起的雜散電抗變化以及電路板和外殼壁的逐漸變形也產(chǎn)生頻率變化。例如，在22MHz基波模式AT切割貼片晶振中，引線長(zhǎng)度變化為0.005mm會(huì)導(dǎo)致頻率變化為1X10-9[6]，負(fù)載電容老化每天1ppm會(huì)導(dǎo)致振蕩器老化零件1010每天。由于濕度和溫度的影響，電容器會(huì)老化;例如，濕度可以改變電容器和電路板的介電常數(shù)和損耗因數(shù)。電感器因其不穩(wěn)定性而臭名昭著;例如，電感器的繞組可以拉伸和移動(dòng)，尤其是在溫度變化期間。在一項(xiàng)研究中，各種類型的電容器老化3ppm/天至70ppm/天，2μH線圈定制纏繞在酚醛形式（高穩(wěn)定性），年齡為2ppm/天。放大器和變?nèi)荻O管也可以隨時(shí)間變化。驅(qū)動(dòng)電平變化可能導(dǎo)致頻率變化大約為每個(gè)ma210-7。通過(guò)密封振蕩器以最小化由于濕度和大氣壓力變化引起的頻率不穩(wěn)定性，通?？梢垣@得中長(zhǎng)期穩(wěn)定性的顯著改善。
如先前在“電極效應(yīng)”部分中所述，諧振器的電極之間的DC電壓可以顯著增加諧振器的初始老化，可能是由于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的雜質(zhì)和電極的擴(kuò)散。振蕩器設(shè)計(jì)人員經(jīng)常設(shè)計(jì)電路（有時(shí)無(wú)意中）在電極上放置一個(gè)小的直流電壓。當(dāng)檢查來(lái)自幾個(gè)制造商的高穩(wěn)定性溫補(bǔ)晶振時(shí)，發(fā)現(xiàn)直流電壓范圍從幾分之一伏到約四伏。通過(guò)將電容器串聯(lián)放置并將幾兆歐電阻器與諧振器并聯(lián)，可以很容易地將直流電壓效應(yīng)最小化，而不會(huì)顯著降低諧振器的有效Q值。
DC電壓也可以由制造期間產(chǎn)生的靜電荷產(chǎn)生。靜電可導(dǎo)致高（>1kV）電壓。由于清潔石英的表面電阻率高，“靜電”電荷可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能衰減。這可能導(dǎo)致（初始）老化，特別是在雙旋轉(zhuǎn)晶體中，例如SC切割，其可以具有每伏10-9的部件的靈敏度。可以使用眾所周知的靜態(tài)（“ESD”）控制措施來(lái)最小化該問(wèn)題。
在OCXO晶振中，溫度控制電路的老化會(huì)改變烤箱的設(shè)定點(diǎn)，從而導(dǎo)致老化。給定設(shè)定點(diǎn)變化的老化量取決于諧振器的頻率與溫度特性，并且對(duì)于典型的SC切割OCXO通常比AT切割的OCXO要小得多[84]。

正在載入評(píng)論數(shù)據(jù)...

上一篇：解答晶振老齡化機(jī)制和電極效應(yīng)

下一篇：Oscillator技術(shù)電路類型介紹

此文關(guān)鍵字：晶振老化晶振老化分析 OCXO晶振電路

姓名：
郵箱：
正文：

資訊中心

金洛博客

晶體晶振老化和哪些變化及效應(yīng)有關(guān)?

相關(guān)資訊