石英晶體的“老化”導致頻率隨時間的微小變化,并且在根據需要實現的總體規格設計其電路時,客戶可能必須考慮石英晶振自身的這種影響.石英晶體老化有兩個主要原因,一個是由于傳質,另一個是由于應力.
器件封裝內的任何不需要的污染物都可以將材料轉移到晶體或從晶體轉移,從而引起石英坯料質量的變化,這將改變器件的頻率.例如,用于安裝石英坯料的導電環氧樹脂可以產生“放氣”,其可以在密封的晶體封裝內的惰性氣氛內產生氧化材料,因此必須很好地控制該生產過程.理想情況下,制造方法盡可能干凈,以消除任何影響并產生良好的老化效果.
這可以在晶體的各種組件中發生,包括石英坯料的加工,環氧樹脂安裝粘合劑的固化,晶體安裝結構和器件中使用的金屬電極材料的類型.由于不同的膨脹系數,加熱和冷卻也會引起應力.系統中的應力通常隨著系統松弛而變化,這可能導致頻率變化.

在查看晶體老化測試結果的示例時,可以看出頻率的變化在第一年通常最大,隨時間衰減.但必須注意的是,例如,如果設備的最大值為每年±5ppm;并不是說5年后的老化將是±5ppm×5yrs,即±25ppm.在實踐中,示例±5ppm老化裝置在操作的第一年中可能僅為±1ppm至±2ppm,然后在隨后的幾年中降低.通常使用一般的“指導”來實現10年內最大±10ppm的晶體老化,但實際上它通常遠低于此.不可能預測有源晶體振蕩器的精確老化,因為即使是同時制造的部件和來自同一批石英的部件也會表現出略微不同的老化特性.

生產過程必須在部件之間保持一致,從石英坯料的制造,電極尺寸和放置,到用于安裝石英的環氧樹脂及其固化溫度曲線,都會對頻率產生輕微影響 .雖然來自一個批次的零件往往會遵循類似的結果,但設備可能會根據內部原因呈負面或正面老化.通常,超過90％的制造部件的老化效應是負的.
通常的工業實踐是使用加速老化過程來通過在高溫下浸泡裝置并以相關間隔測量頻率移動來預測長期頻率移動.使用被動測試（即無動力）測試晶體是正常的.使用的一般規則是將晶體在+ 85°C下浸泡30天相當于在正常室溫下老化1年.如果將該測試延長足夠的時間,則可以以圖形方式繪制記錄的數據,以通過外推,預測未來的長期老化.
注意,石英的老化有效地改變了晶體的頻率容差,并且不會直接影響石英在整個溫度下的穩定性,因為該參數由所用石英的“切角”決定.如果使用具有電壓控制功能的石英振蕩器,如VCXO晶振,TCXO晶振或OCXO晶振,輸出頻率可以調整回其標稱值.
使用晶體或振蕩器設計電路的工程師通常會知道他們的設備在特定時間段內必須滿足的整體穩定性數字.隨著裝置的公差和/或穩定性降低,則老化變得越重要.例如,使用溫度穩定性為±1ppm的TCXO需要將老化保持在相對較小的值.但是,如果設計的總頻率移動容差為例如±200ppm并且使用額定值為±100ppm的設備,則可以有效地忽略少量老化.

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石英晶體老化的原因及優缺點

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