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烤箱型OCXO晶振不同切割方式的老化性能

来源：http://konuaer.net 作者：康华尔电子 2019年07月01

烤箱型的OCXO晶振属于传统式的恒温晶振,通常体积都比较大,主要采用SC切割方式生产,虽然尺寸大但是拥有比较强大的稳定性和可靠性,同时具备低相位噪声,低相位抖动,低功耗等比较优良的性能.但是即使再可靠的振荡器,也一样有一个短板,那就是老化.所谓的老化就是产品的保质期,正常不过度的运用,晶振基本上可以无限使用,但是每年都会损耗,这就是为什么大部分客户,都要求晶体振荡器的生产日期在一年内.
石英晶体振荡器广泛用作各种电子系统中的频率和时间标准.虽然石英晶体振荡器非常适合这项任务,但在要求苛刻的应用中,如同任何精密器件一样,最佳性能需要深入了解器件的特性.衰老是振荡器的长期频率漂移.虽然精心设计和制造可以最大限度地减少运输时的老化,但振荡器的使用寿命会持续老化,并受到断电存储的环境和持续时间的影响.本文重点介绍了造成老化的物理过程,并解释了为何在进行断电存储后,在振荡器频率调整之前强烈建议重新稳定时间.
老龄化有两个基本原因.首先,石英晶体谐振器的频率受电极质量的强烈影响.电极或石英毛坯表面的污染增加了谐振器质量,从而降低了谐振频率.水蒸气是这种污染的罪魁祸首,尽管氧气和碳氢化合物也会引起问题.用于将谐振器安装在其外壳中的导电粘合剂的除气也是一个因素.结晶石英和金属电极在亚微观尺度上都是多孔的,具有大量含有污染物的小空腔.污染始终存在于某种程度,但生产过程如臭氧清洁,高温真空烘烤和使用硬真空可以将污染影响降至几乎可以忽略不计的水平.
如果污染物保留在原位,污染就不会成为问题.不幸的是,新晶体上的污染,特别是安装在高温下操作的恒温晶振中的晶体,在蒸发,吸附,冷凝和机械加速的影响下移动.结果,新的振荡器迅速老化,直到污染物运动稳定.
机械应力是振荡器老化的第二个原因.晶体是原子的有序晶格,其形状与原子间距一起决定了晶体的物理性质,如介电常数和弹性.许多这些特性影响共振频率.机械应力使原子晶格变形,稍微改变原子间距,从而稍微改变晶体的物理性质.如果受到应力的晶格恰好是石英晶体谐振器,则结果是谐振频率略有变化.因此,AT切割谐振器暴露于机械应力移位频率.双旋转晶体(例如IT切割或SC切割)部分地受到应力补偿,并且受到应力的影响较小.因此,双重旋转切割的再稳定时间较短,但这些谐振器制造起来要困难得多,并且比普通的AT切割水晶振子更昂贵.
石英晶体谐振器中的应力有很多来源;来自安装夹的弹簧作用的安装应力,导电粘合剂在设定时的收缩,来自制造期间的切割和研磨操作的残余应力以及差异的热膨胀和收缩.最后一个因素在烘箱振荡器中特别有意义,因为每次施加功率时晶体从室温加热到约80℃,并且因为晶体石英中的热膨胀系数在每个轴上是不同的.
由于石英导热性差,因此热梯度陡峭且消散缓慢.当与安装夹接触的谐振器的边缘明显比中心温暖时,在预热期间,经过烧蚀的AT切割谐振器经历强烈的,应力引起的频率瞬变.在图中可以看到这种瞬态,因为在开启后的四到五分钟内出现尖锐的频率下冲.刚刚开启后,新振荡器中的残余应力达到最大值,在操作的前几天缓慢放松,直到达到平衡状态.

对于新的振荡器,来自污染物再分配和应力松弛的频率变化高达每天十亿分之几.Vectron的标准做法是燃烧或老化新的振荡器,同时持续监测频率,直到日常老化速率稳定.所需的时间取决于石英晶体振荡器频率和晶体切割以及指定的老化速率.典型的老化持续时间从不到一周到几周不等.当一个新的’老化’振荡器关闭时会发生什么?当冷却时,静电振荡器重新获得机械应力,应力的大小是炉温和环境温度之差的函数.尽管在较低温度下应力松弛率大大降低,但这种应力最终会消失.
当振荡器关闭时,污染物开始再次移向新的平衡状态.和以前一样,在较低温度下重新分配的速度要小得多.如果断电时间很短,且存储温度适中,有源晶振将恢复到接近测量的老化速率在短暂的热身期后发货.实际频率接近-但不相同-由于滞后并且因为在断电期间老化持续,但不一定是相同的速率.
延长的断电间隔,或(根据对受试者的一些参考)在断电间隔期间暴露于极端温度允许更大程度的应力松弛和污染物重新分布.在这种情况下,在原始生产老化期间获得的一些老化稳定性丢失.因此,当重新施加功率时,需要更长的再稳定时间来达到先前的老化速率.重建期间有所不同.24小时后对三次泛音AT切割OCXO晶振的再稳定化表示非应力补偿晶体的非常好的性能.甚至少量晶体污染的存在将显着延长再稳定期.
这在实践中意味着什么?首先,如果可能的话,应该持续为恒温振荡器供电.如果电源中断是不可避免的,请注意振荡器将比正常预热需要一些时间才能恢复到先前的老化速率,并且由于老化和滞后,不太可能返回到完全相同的频率.AT切割谐振器的迟滞不太可能比10-8中的几个部分好得多.重新稳定期间的频率调整不是一个好主意.凭借其设计精密OCXO振荡器的丰富经验,Vectron晶振能够协助确定适当的再稳定期,特别是在断电期超过几天且需要更长的再稳定期的情况下.

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此文关键字：烤箱型恒温石英晶体振荡器 OCXO晶振老化 SC切割恒温晶振

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