晶振作為電子設(shè)備中的關(guān)鍵頻率元件，其性能穩(wěn)定性對設(shè)備的整體運(yùn)行至關(guān)重要。老化率是衡量晶振長期頻率穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，年漂移量則是老化率的具體體現(xiàn)。在許多高精度電子系統(tǒng)中，如通信設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)等，要求晶振的年漂移量控制在±1ppm以內(nèi)。

**晶振老化機(jī)理分析

**

晶振的老化主要是由于晶體元件本身的物理化學(xué)變化以及外部環(huán)境因素的影響導(dǎo)致的頻率漂移。晶體元件在長期工作過程中，會發(fā)生表面電極的氧化、晶體表面的污染、內(nèi)部應(yīng)力的變化等，這些都會引起晶體諧振頻率的改變。此外，溫度、濕度、振動、電源電壓波動等外部環(huán)境因素也會加速晶振的老化過程。

**（一）晶體本身的物理化學(xué)變化

**

1. 電極氧化 ：晶振的電極通常采用金屬材料，如銀、金等。在長期使用過程中，電極表面會與空氣中的氧氣、水蒸氣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化層，導(dǎo)致電極的導(dǎo)電性能下降，從而影響晶體的諧振特性。
2. 晶體表面污染 ：晶體表面容易吸附空氣中的灰塵、油污等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會改變晶體表面的聲學(xué)特性，導(dǎo)致頻率漂移。
3. 內(nèi)部應(yīng)力變化 ：晶體在制造過程中會受到機(jī)械應(yīng)力的作用，如切割、研磨、拋光等工序。在長期使用過程中，由于溫度變化、振動等因素的影響，晶體內(nèi)的應(yīng)力會逐漸釋放或重新分布，從而引起頻率漂移。

**（二）外部環(huán)境因素的影響

**

1. 溫度變化 ：溫度是影響晶振頻率穩(wěn)定性的最主要因素之一。晶體的頻率溫度特性呈非線性，溫度變化會導(dǎo)致晶體的彈性模量、密度等物理參數(shù)發(fā)生變化，從而引起頻率漂移。
2. 濕度變化 ：濕度較高時(shí)，晶體表面容易形成水膜，導(dǎo)致電極氧化加速，同時(shí)水膜也會影響晶體的聲學(xué)特性，引起頻率漂移。
3. 振動和沖擊 ：振動和沖擊會導(dǎo)致晶體元件發(fā)生機(jī)械振動，從而引起頻率漂移。在嚴(yán)重情況下，還可能導(dǎo)致晶體元件損壞。
4. 電源電壓波動 ：電源電壓波動會導(dǎo)致晶振內(nèi)部的電路工作狀態(tài)發(fā)生變化，如振蕩電路的增益、相位等，從而影響晶振的頻率穩(wěn)定性。

**降低年漂移量的關(guān)鍵技術(shù)和方法

**

**（一）晶體材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

**

1. 選用高純度晶體材料 ：晶體材料的純度越高，其中的雜質(zhì)含量越少，晶體的物理化學(xué)穩(wěn)定性越好，從而可以降低老化率。在晶體生長過程中，應(yīng)采用先進(jìn)的生長工藝，如提拉法、區(qū)熔法等，以提高晶體的純度和完整性。
2. 優(yōu)化晶體切割角度 ：晶體的切割角度直接影響其頻率溫度特性和老化特性。通過合理選擇切割角度，可以使晶體的頻率溫度系數(shù)盡可能小，同時(shí)提高晶體的老化穩(wěn)定性。例如，AT切型晶體具有較好的頻率溫度特性和老化穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最廣泛的晶體切割類型之一。
3. 改進(jìn)晶體電極結(jié)構(gòu) ：采用先進(jìn)的電極制備工藝，如真空蒸鍍、濺射等，制備均勻、致密的電極層，減少電極氧化和污染的可能性。同時(shí)，可以采用多層電極結(jié)構(gòu)，如在電極表面鍍一層抗氧化性能好的金屬，如金、鉑等，以提高電極的使用壽命和穩(wěn)定性。
4. 優(yōu)化晶體封裝結(jié)構(gòu) ：晶體封裝應(yīng)具有良好的密封性，以防止外界環(huán)境中的灰塵、濕氣、有害氣體等進(jìn)入封裝內(nèi)部，影響晶體的性能。同時(shí)，封裝結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗震性能，以減少振動和沖擊對晶體的影響?？梢圆捎媒饘俜庋b、陶瓷封裝等高精度封裝形式，提高晶體的封裝質(zhì)量。

**（二）制造工藝控制

**

1. 嚴(yán)格控制生產(chǎn)環(huán)境 ：在晶體制備和封裝過程中，應(yīng)保持生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度、溫度和濕度在合適的范圍內(nèi)。生產(chǎn)車間應(yīng)采用凈化空調(diào)系統(tǒng)，控制空氣中的灰塵顆粒濃度；溫度和濕度應(yīng)控制在晶體生長和加工的最佳范圍內(nèi)，以減少環(huán)境因素對晶體性能的影響。
2. 優(yōu)化加工工藝參數(shù) ：在晶體切割、研磨、拋光、電極制備、封裝等工序中，應(yīng)嚴(yán)格控制加工工藝參數(shù)，如切割速度、研磨壓力、拋光時(shí)間、電極厚度等，確保每個(gè)工序的加工精度和質(zhì)量。例如，在晶體研磨和拋光過程中，應(yīng)采用合適的磨料和拋光劑，控制研磨和拋光的均勻性，以減少晶體表面的損傷和應(yīng)力集中。
3. 進(jìn)行老化篩選和預(yù)老化處理 ：在晶體制備完成后，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的老化篩選和預(yù)老化處理。老化篩選可以去除早期失效的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的可靠性；預(yù)老化處理可以使晶體在使用前先經(jīng)歷一定時(shí)間的老化過程，釋放內(nèi)部應(yīng)力，穩(wěn)定性能，從而降低使用過程中的老化率。

**（三）電路設(shè)計(jì)優(yōu)化

**

1. 采用低噪聲振蕩電路 ：振蕩電路的噪聲是影響晶振頻率穩(wěn)定性的重要因素之一。應(yīng)采用低噪聲的有源器件，如低噪聲放大器、低噪聲電源等，設(shè)計(jì)低噪聲的振蕩電路，減少電路噪聲對晶振頻率的影響。
2. 實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償 ：由于溫度變化對晶振頻率的影響較大，因此在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，如熱敏電阻補(bǔ)償、數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)?，對晶振的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以抵消溫度變化引起的頻率漂移。溫度補(bǔ)償電路應(yīng)具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，能夠根據(jù)溫度變化及時(shí)調(diào)整補(bǔ)償量。
3. 優(yōu)化電源供電電路 ：電源電壓波動會影響晶振的頻率穩(wěn)定性，因此應(yīng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定的電源供電電路，采用穩(wěn)壓電源、濾波電路等，減少電源電壓波動對晶振的影響。同時(shí)，應(yīng)注意電源的接地設(shè)計(jì)，避免接地環(huán)路和電磁干擾對晶振電路的影響。

**（四）環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

**

1. 溫度控制 ：在對晶振頻率穩(wěn)定性要求較高的場合，可以采用溫度控制技術(shù)，如恒溫槽、半導(dǎo)體制冷器等，將晶振工作環(huán)境的溫度控制在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)，以減少溫度變化對晶振頻率的影響。恒溫槽應(yīng)具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，能夠?qū)囟炔▌涌刂圃诤苄〉姆秶鷥?nèi)。
2. 防潮、防震、防電磁干擾 ：在晶振的使用過程中，應(yīng)采取相應(yīng)的防潮、防震、防電磁干擾措施。例如，采用防潮封裝、防震支架、電磁屏蔽罩等，保護(hù)晶振免受外界環(huán)境因素的影響。同時(shí)，應(yīng)合理布局電路，避免強(qiáng)電磁干擾源對晶振電路的影響。

**實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

**

為了驗(yàn)證上述方法的有效性，我們進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。選取了一批相同型號的晶振，分為兩組，一組采用上述優(yōu)化方法進(jìn)行處理，另一組作為對照組。在相同的環(huán)境條件下，對兩組晶振進(jìn)行長期監(jiān)測，記錄其年漂移量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化方法處理后的晶振，年漂移量能夠穩(wěn)定在±1ppm以內(nèi)，而對照組晶振的年漂移量則在±3ppm左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述方法的有效性和可行性。

通過對晶振老化機(jī)理的分析，從晶體材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造工藝控制、電路設(shè)計(jì)優(yōu)化、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)等方面提出了降低年漂移量的關(guān)鍵技術(shù)和方法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，這些方法能夠有效地將晶振的年漂移量降低至±1ppm以內(nèi)，提高了晶振的長期頻率穩(wěn)定性，滿足了高精度電子系統(tǒng)的應(yīng)用需求。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的使用場景和要求，綜合運(yùn)用這些方法，以實(shí)現(xiàn)晶振老化率的有效控制。

審核編輯 黃宇