石英晶振老化與反常的系統提示,頻率誤差的主要原因，導致振蕩器頻率誤差的主要驅動因素有四個：晶體老化，頻率與溫度，頻率與電源的關系，頻率與負載的關系。在這四個驅動因素中，晶體老化是最常見的故障模式之一。很明顯，晶體老化用于描述由環境或晶體本身的變化引起的長期頻率變化。一個很好的類比是打破一雙新的正裝鞋。一開始合身會變化得更快，但最終他們會安頓下來并感覺很棒！

晶體老化有兩種類型，正老化和負老化。當污染物從石英晶體中排出時，就會發生正老化。相反，當污染物被打入石英晶體時，就會發生負老化。

那么如何測量晶體老化，頻率控制專家正在做些什么來確保它不會成為系統的問題呢？

與晶體老化相關的性能要求維持在美國政府發布的軍用規格中。滿足老化要求的典型過程是對振蕩器進行老化，將零件放入老化系統中，每天進行多次測量，然后將這些測量值繪制成并與晶體老化的mil標準進行比較。使用這些測量，頻率控制制造商可以預測其設備在長達 20 年及以上的系統整個生命周期內的老化率。

污染是晶體老化因素

有許多因素會影響晶體老化率。其中最主要的是密封在諧振器封裝內的污染物量。可以想象，石英晶體振蕩器封裝內部在電氣連接、機械連接和晶體坯料本身之間有多個接口邊界。這些接口中的每一個都是將新污染物引入封裝的機會。在構成諧振器本身的材料中可以找到潛在的放氣或污染源。事實上，密封包裝的行為也會引入不必要的污染源。例如，石英是一種吸氣劑，很容易吸收水分，這對真空密封包裝極為不利。這就是為什么在高質量頻率控制設備的制造過程中嚴格控制濕度的原因。避免過多水分的一些常見步驟包括在氮氣干燥箱中儲存和處理組件、氫氣燃燒以及在高真空和高溫下密封最終諧振器。

例如，在目前正在探索冥王星的新視野號航天器上飛行的BG61有源晶振上，晶體在高溫真空下保持約一周，然后在高真空下密封。BG61被廣泛認為是宇宙中最穩定的晶體！很想知道這有多穩定...嗯，它是 0.0001 ppb 或 0.0000000000001 十億分之一。說到數十億，Bliley晶振的超穩定晶體現在距離地球5億英里！

那么，設計師可以做些什么來使自己免受晶體老化的負面影響呢？一種不常規的設計方法是減小振蕩器所需的溫度范圍。常見的系統工程方法是在組件選擇中增加裕量，以確保系統級性能。如果系統必須在 -20 至 70 攝氏度的溫度范圍內工作，系統工程師自然會說：“我要自己緩沖并在 -40 到 85 攝氏度的整個溫度范圍內指定振蕩器。

工程師認為他們會得到更好的零件，因為它能夠在擴展的溫度范圍內運行。然而，這迫使頻率控制制造確保其組件必須在高達95°C的溫度下運行。這些升高的溫度將加速老化（增加頻率誤差）并降低器件MTBF或平均故障間隔時間。最初的目的是獲得性能卓越的零件，最后反而卻只能獲得性能低于標準且使用壽命可能會縮短的零件。

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