晶振溫度和溫度循環對老化的依賴性
來源：http://www.ytxiaoping.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對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，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。越高端的產品對溫度要求越高，接下來就要說下，溫度和老化之間的關系和信賴性。
盡管大多數已知的老化機制是熱激活的，但是在許多中穩定性和高穩定性諧振器中未觀察到預期的老化速率的強烈溫度依賴性。例如，在一項對來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。沒有發現系統老化速率隨溫度的變化[85]。諧振器在高溫下并不總是表現出更高的老化速率; 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。
在另一項研究中，諧振器組在50 C，60°C和70°C下老化。結果發現，雖然當溫度較低時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溫度降低時老化特征[86]。
當低穩定性和中穩定性諧振器組在25 C至100 C的不同溫度下老化時，發現老化速率隨溫度升高而增加[87]。增加因晶體類型而異。作者得出的關于老化預測的結論是“只有當晶體單元在其使用壽命期間在或多或少相同的條件下運行時，這種預測才足夠可靠。如果環境溫度或驅動水平發生變化，甚至頻率的跡象老齡化可能會改變。“ 在一些早期關于精密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。
在低周轉點（LTP）和上翻轉點（UTP）溫度下連續測量六組高精度SC切割諧振器和兩個高精度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SC切割的老化引起了小的正老化貢獻，即，正極和負老化諧振器的老化在UTP中變得更加積極。AT切割的結果表明LTP的老化率沒有顯著改善[57]。
如果老化是由于單個熱活化過程造成的，那么通過將晶振冷卻到低溫溫度，應該能夠觀察到非常低的老化速率。盡管尚未在低溫下進行確定的老化試驗，但在這樣的溫度下有限的數據表明老化率沒有顯著改善[90-92]。當在-10°C 附近的（較低周轉）溫度下測量高精度SC切割諧振器的老化時，并且與在90°C至120°C的轉換溫度下老化的類似制造的諧振器的老化進行比較。，在較低溫度下未觀察到老化的顯著改善[57,93]。
當老化中斷伴隨著顯著的溫度漂移時，效果可以從劇烈到小。對于一個劇烈變化的例子，當包含高精度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9天時，老化速率隨后急劇增加恢復衰老。在老化率恢復到中斷之前的值之前已經過了幾個月。圖4顯示了這個例子。該振蕩器以大約-1.1×10-11的恒定速率老化 中斷前每天。恢復老化后：1）老化率最初變為正，2）大約150天后逆轉方向，3）大約一年后老化率穩定在-4.0×10-12每天，并且保持在隨后四年的比率。
低溫儲存也會在SC切割振蕩器中產生劇烈的老化速率變化[57]。在另一個老化實驗中，高穩定性OCXO晶振和TCXO晶振組在實驗期間進行開-關循環和溫度循環。對于大多數振蕩器而言，中斷并未使老化期間的總頻率變化惡化[93]。類似地，當高穩定性微機補償晶體振蕩器老化而反復中斷溫度循環時，老化速率不會因循環而變差[94]。
已經表明，間歇操作下的穩定性取決于制造貼片晶振所用的過程。例如，在烤箱關閉后重新啟動振蕩器時，那些包含高溫處理晶體單元的振蕩器表現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到其關閉前的值[89,95]。
盡管大多數已知的老化機制是熱激活的，但是在許多中穩定性和高穩定性諧振器中未觀察到預期的老化速率的強烈溫度依賴性。例如，在一項對來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。沒有發現系統老化速率隨溫度的變化[85]。諧振器在高溫下并不總是表現出更高的老化速率; 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。
在另一項研究中，諧振器組在50 C，60°C和70°C下老化。結果發現，雖然當溫度較低時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溫度降低時老化特征[86]。
當低穩定性和中穩定性諧振器組在25 C至100 C的不同溫度下老化時，發現老化速率隨溫度升高而增加[87]。增加因晶體類型而異。作者得出的關于老化預測的結論是“只有當晶體單元在其使用壽命期間在或多或少相同的條件下運行時，這種預測才足夠可靠。如果環境溫度或驅動水平發生變化，甚至頻率的跡象老齡化可能會改變。“ 在一些早期關于精密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熱活化過程造成的，那么通過將晶振冷卻到低溫溫度，應該能夠觀察到非常低的老化速率。盡管尚未在低溫下進行確定的老化試驗，但在這樣的溫度下有限的數據表明老化率沒有顯著改善[90-92]。當在-10°C 附近的（較低周轉）溫度下測量高精度SC切割諧振器的老化時，并且與在90°C至120°C的轉換溫度下老化的類似制造的諧振器的老化進行比較。，在較低溫度下未觀察到老化的顯著改善[57,93]。
當老化中斷伴隨著顯著的溫度漂移時，效果可以從劇烈到小。對于一個劇烈變化的例子，當包含高精度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9天時，老化速率隨后急劇增加恢復衰老。在老化率恢復到中斷之前的值之前已經過了幾個月。圖4顯示了這個例子。該振蕩器以大約-1.1×10-11的恒定速率老化 中斷前每天。恢復老化后：1）老化率最初變為正，2）大約150天后逆轉方向，3）大約一年后老化率穩定在-4.0×10-12每天，并且保持在隨后四年的比率。
低溫儲存也會在SC切割振蕩器中產生劇烈的老化速率變化[57]。在另一個老化實驗中，高穩定性OCXO晶振和TCXO晶振組在實驗期間進行開-關循環和溫度循環。對于大多數振蕩器而言，中斷并未使老化期間的總頻率變化惡化[93]。類似地，當高穩定性微機補償晶體振蕩器老化而反復中斷溫度循環時，老化速率不會因循環而變差[94]。
已經表明，間歇操作下的穩定性取決于制造貼片晶振所用的過程。例如，在烤箱關閉后重新啟動振蕩器時，那些包含高溫處理晶體單元的振蕩器表現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到其關閉前的值[89,95]。
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