晶振溫度和溫度循環(huán)對(duì)老化的依賴性
來(lái)源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2018年10月27
很多人不知道晶振的溫度范圍和溫度循環(huán)對(duì)老化率有多大的影響，溫度范圍和老化率都是石英晶振的重要參數(shù)，晶體的工作溫度范圍有-10℃~+70℃，-20℃~+70℃，-30℃~+85℃，-40℃~+85℃，-40℃~+90℃，-40℃~+105℃，-40℃~+125℃等。越高端的產(chǎn)品對(duì)溫度要求越高，接下來(lái)就要說(shuō)下，溫度和老化之間的關(guān)系和信賴性。
盡管大多數(shù)已知的老化機(jī)制是熱激活的，但是在許多中穩(wěn)定性和高穩(wěn)定性諧振器中未觀察到預(yù)期的老化速率的強(qiáng)烈溫度依賴性。例如，在一項(xiàng)對(duì)來(lái)自幾家制造商的八種AT切割諧振器類型的研究中，諧振器在室溫，85°C和120°C下老化。沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)老化速率隨溫度的變化[85]。諧振器在高溫下并不總是表現(xiàn)出更高的老化速率; 有些人甚至在高溫下以較低的速度老化。諧振器的范圍從14.4MHz基本模式到70MHz三次諧波。
在另一項(xiàng)研究中，諧振器組在50 C，60°C和70°C下老化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然當(dāng)溫度較低時(shí)許多諧振器的老化改善，但低老化率石英晶體諧振器并沒有改變它們的特別是當(dāng)溫度降低時(shí)老化特征[86]。
當(dāng)?shù)头€(wěn)定性和中穩(wěn)定性諧振器組在25 C至100 C的不同溫度下老化時(shí)，發(fā)現(xiàn)老化速率隨溫度升高而增加[87]。增加因晶體類型而異。作者得出的關(guān)于老化預(yù)測(cè)的結(jié)論是“只有當(dāng)晶體單元在其使用壽命期間在或多或少相同的條件下運(yùn)行時(shí)，這種預(yù)測(cè)才足夠可靠。如果環(huán)境溫度或驅(qū)動(dòng)水平發(fā)生變化，甚至頻率的跡象老齡化可能會(huì)改變。“ 在一些早期關(guān)于精密2.5-MHz 5泛音AT切割諧振器[88]和550-kHz線安裝DT-cut諧振器[89]的研究中，老化溫度的升高增加了老化速率。
在低周轉(zhuǎn)點(diǎn)（LTP）和上翻轉(zhuǎn)點(diǎn)（UTP）溫度下連續(xù)測(cè)量六組高精度SC切割諧振器和兩個(gè)高精度AT切割諧振器的老化。SC切割的UTP與LTP的差異范圍為19°C至40°C，AT切割的溫差約為100°C。UTP的較高老化溫度對(duì)SC切割的老化引起了小的正老化貢獻(xiàn)，即，正極和負(fù)老化諧振器的老化在UTP中變得更加積極。AT切割的結(jié)果表明LTP的老化率沒有顯著改善[57]。
如果老化是由于單個(gè)熱活化過(guò)程造成的，那么通過(guò)將晶振冷卻到低溫溫度，應(yīng)該能夠觀察到非常低的老化速率。盡管尚未在低溫下進(jìn)行確定的老化試驗(yàn)，但在這樣的溫度下有限的數(shù)據(jù)表明老化率沒有顯著改善[90-92]。當(dāng)在-10°C 附近的（較低周轉(zhuǎn)）溫度下測(cè)量高精度SC切割諧振器的老化時(shí)，并且與在90°C至120°C的轉(zhuǎn)換溫度下老化的類似制造的諧振器的老化進(jìn)行比較。，在較低溫度下未觀察到老化的顯著改善[57,93]。
當(dāng)老化中斷伴隨著顯著的溫度漂移時(shí)，效果可以從劇烈到小。對(duì)于一個(gè)劇烈變化的例子，當(dāng)包含高精度5-MHz5泛音玻璃封閉的AT切割諧振器的石英晶體振蕩器老化并且振蕩器冷卻到-40℃持續(xù)9天時(shí)，老化速率隨后急劇增加恢復(fù)衰老。在老化率恢復(fù)到中斷之前的值之前已經(jīng)過(guò)了幾個(gè)月。圖4顯示了這個(gè)例子。該振蕩器以大約-1.1×10-11的恒定速率老化 中斷前每天。恢復(fù)老化后：1）老化率最初變?yōu)檎?）大約150天后逆轉(zhuǎn)方向，3）大約一年后老化率穩(wěn)定在-4.0×10-12每天，并且保持在隨后四年的比率。
低溫儲(chǔ)存也會(huì)在SC切割振蕩器中產(chǎn)生劇烈的老化速率變化[57]。在另一個(gè)老化實(shí)驗(yàn)中，高穩(wěn)定性O(shè)CXO晶振和TCXO晶振組在實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)行開-關(guān)循環(huán)和溫度循環(huán)。對(duì)于大多數(shù)振蕩器而言，中斷并未使老化期間的總頻率變化惡化[93]。類似地，當(dāng)高穩(wěn)定性微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器老化而反復(fù)中斷溫度循環(huán)時(shí)，老化速率不會(huì)因循環(huán)而變差[94]。
已經(jīng)表明，間歇操作下的穩(wěn)定性取決于制造貼片晶振所用的過(guò)程。例如，在烤箱關(guān)閉后重新啟動(dòng)振蕩器時(shí)，那些包含高溫處理晶體單元的振蕩器表現(xiàn)出小得多的頻率偏移，并且老化速率比低溫處理單元更快地恢復(fù)到其關(guān)閉前的值[89,95]。
盡管大多數(shù)已知的老化機(jī)制是熱激活的，但是在許多中穩(wěn)定性和高穩(wěn)定性諧振器中未觀察到預(yù)期的老化速率的強(qiáng)烈溫度依賴性。例如，在一項(xiàng)對(duì)來(lái)自幾家制造商的八種AT切割諧振器類型的研究中，諧振器在室溫，85°C和120°C下老化。沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)老化速率隨溫度的變化[85]。諧振器在高溫下并不總是表現(xiàn)出更高的老化速率; 有些人甚至在高溫下以較低的速度老化。諧振器的范圍從14.4MHz基本模式到70MHz三次諧波。
在另一項(xiàng)研究中，諧振器組在50 C，60°C和70°C下老化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然當(dāng)溫度較低時(shí)許多諧振器的老化改善，但低老化率石英晶體諧振器并沒有改變它們的特別是當(dāng)溫度降低時(shí)老化特征[86]。
當(dāng)?shù)头€(wěn)定性和中穩(wěn)定性諧振器組在25 C至100 C的不同溫度下老化時(shí)，發(fā)現(xiàn)老化速率隨溫度升高而增加[87]。增加因晶體類型而異。作者得出的關(guān)于老化預(yù)測(cè)的結(jié)論是“只有當(dāng)晶體單元在其使用壽命期間在或多或少相同的條件下運(yùn)行時(shí)，這種預(yù)測(cè)才足夠可靠。如果環(huán)境溫度或驅(qū)動(dòng)水平發(fā)生變化，甚至頻率的跡象老齡化可能會(huì)改變。“ 在一些早期關(guān)于精密2.5-MHz 5泛音AT切割諧振器[88]和550-kHz線安裝DT-cut諧振器[89]的研究中，老化溫度的升高增加了老化速率。
如果老化是由于單個(gè)熱活化過(guò)程造成的，那么通過(guò)將晶振冷卻到低溫溫度，應(yīng)該能夠觀察到非常低的老化速率。盡管尚未在低溫下進(jìn)行確定的老化試驗(yàn)，但在這樣的溫度下有限的數(shù)據(jù)表明老化率沒有顯著改善[90-92]。當(dāng)在-10°C 附近的（較低周轉(zhuǎn)）溫度下測(cè)量高精度SC切割諧振器的老化時(shí)，并且與在90°C至120°C的轉(zhuǎn)換溫度下老化的類似制造的諧振器的老化進(jìn)行比較。，在較低溫度下未觀察到老化的顯著改善[57,93]。
當(dāng)老化中斷伴隨著顯著的溫度漂移時(shí)，效果可以從劇烈到小。對(duì)于一個(gè)劇烈變化的例子，當(dāng)包含高精度5-MHz5泛音玻璃封閉的AT切割諧振器的石英晶體振蕩器老化并且振蕩器冷卻到-40℃持續(xù)9天時(shí)，老化速率隨后急劇增加恢復(fù)衰老。在老化率恢復(fù)到中斷之前的值之前已經(jīng)過(guò)了幾個(gè)月。圖4顯示了這個(gè)例子。該振蕩器以大約-1.1×10-11的恒定速率老化 中斷前每天。恢復(fù)老化后：1）老化率最初變?yōu)檎?）大約150天后逆轉(zhuǎn)方向，3）大約一年后老化率穩(wěn)定在-4.0×10-12每天，并且保持在隨后四年的比率。
低溫儲(chǔ)存也會(huì)在SC切割振蕩器中產(chǎn)生劇烈的老化速率變化[57]。在另一個(gè)老化實(shí)驗(yàn)中，高穩(wěn)定性O(shè)CXO晶振和TCXO晶振組在實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)行開-關(guān)循環(huán)和溫度循環(huán)。對(duì)于大多數(shù)振蕩器而言，中斷并未使老化期間的總頻率變化惡化[93]。類似地，當(dāng)高穩(wěn)定性微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器老化而反復(fù)中斷溫度循環(huán)時(shí)，老化速率不會(huì)因循環(huán)而變差[94]。
已經(jīng)表明，間歇操作下的穩(wěn)定性取決于制造貼片晶振所用的過(guò)程。例如，在烤箱關(guān)閉后重新啟動(dòng)振蕩器時(shí)，那些包含高溫處理晶體單元的振蕩器表現(xiàn)出小得多的頻率偏移，并且老化速率比低溫處理單元更快地恢復(fù)到其關(guān)閉前的值[89,95]。
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