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Vieillissement du cristal de quartz: stabilité et précision à long terme

Vieillissement du cristal de quartz: stabilité et précision à long terme

Les résonateurs à quartz sont utilisés dans les filtres et les oscillateurs en tant que circuits résonants haute performance.

Ces résonateurs sont connus pour leurs performances et leur stabilité élevées, mais ils changent très légèrement de fréquence avec le temps dans un processus appelé vieillissement.

Bien que les variations de fréquence soient faibles, elles sont permanentes et peuvent avoir un effet dans certaines applications où la précision de fréquence est d'une grande importance.

Il s'agit peut-être de minimiser les changements qui résultent du vieillissement des cristaux de quartz dans le processus de fabrication et d'utilisation.

Les bases du vieillissement du cristal de quartz

Le vieillissement des cristaux de quartz est causé par de nombreux facteurs différents. Les cristaux Differnet vieillissent à des rythmes différents, ce qui peut être attribué à un certain nombre de facteurs: certains dans le processus de fabrication et d'autres par la manière dont ils sont utilisés.

  • Changement de surface cristalline:
  • Contamination du réseau cristallin:
  • Effets thermiques:
  • Fatigue du fil:
  • Usure par friction:
  • Niveau d'entraînement:

Le niveau de vieillissement peut être minimisé de plusieurs manières à la fois lors de la fabrication et de l'utilisation:

  • Réduire le vieillissement en fabrication: Lors de la fabrication, ils doivent être encapsulés dans un environnement de gaz inerte, la garantie doit avoir une bonne étanchéité afin que d'autres gaz ne pénètrent pas. Les étapes finales de la préparation de l'ébauche de cristal doivent également être préparées aussi finement que possible. Plutôt que de roder le flan pour l'amener aux bonnes dimensions, on utilise une gravure chimique. De cette manière, la perturbation minimale est causée au réseau cristallin, ce qui réduit la pénétration de contaminants au fil du temps qui provoqueront le vieillissement.
  • Réduire le vieillissement en cours d'utilisation: La conception du circuit dans lequel le cristal sera utilisé a également un effet. En gardant à nouveau les niveaux d'entraînement bas, le vieillissement des cristaux sera moindre.

Comme prévu, les taux de changement de la fréquence du cristal varient avec le temps après la fabrication. Le taux maximum de changement de fréquence se produit immédiatement après la fabrication et décroît par la suite. À titre indicatif, on constate qu'il est le plus rapide dans les 45 premiers jours de fonctionnement. Même ainsi, il y a toujours un certain degré de vieillissement tout au long de la vie du cristal. Étant donné que le taux de changement le plus élevé se produit immédiatement après la fabrication, les articles à haute tolérance sont exécutés pendant un certain temps avant d'être expédiés. Dans les articles à très haute tolérance, cela peut s'étendre à quelques mois de fonctionnement.

Une fois que le taux de vieillissement s'est stabilisé, on constate que des chiffres typiques peuvent être indiqués pour de nombreux types. On constate que l'une des principales variations est le type d'encapsulation utilisé. Les deux méthodes les plus courantes d'encapsulation pour les cristaux traversants sont la soudure par résistance et la soudure à froid. Celles-ci donneront généralement des chiffres d'environ 5 parties par million (ppm) pour une encapsulation scellée par soudure par résistance, et 2 ppm pour une encapsulation scellée par soudure à froid utilisant un support HC43 / U. Ceux-ci se déplacent tous les deux dans une direction descendante. Des cristaux encapsulés de verre peuvent également être trouvés à certaines occasions. Celles-ci ont tendance à se déplacer vers le haut et peuvent avoir une tolérance ou légèrement inférieure à 5 ppm. Il existe également une grande variété de cristaux à montage en surface. Un emballage en plastique typique ou un emballage de soudure en verre peut donner environ ± 5 ppm tandis qu'un emballage en métal soudé peut donner moins de 3 ppm.

Si le cristal est maintenu dans le même circuit et à la même température, les effets du vieillissement peuvent se stabiliser après quelques années de fonctionnement. Cependant, si ceux-ci sont modifiés, ils peuvent entraîner une modification du taux de vieillissement. Cela peut même changer de direction.

Minimiser les effets du vieillissement

La propreté de l'environnement autour du cristal est l'un des principaux moyens de réduire le vieillissement. Il est donc essentiel de veiller à ce que l'emballage de cristal ou l'encapsulation ne soit en aucun cas endommagé. Le joint ne doit pas être endommagé, ni les broches pliées, car cela pourrait briser le joint.

Lorsque des performances très élevées sont requises, les oscillateurs seront souvent pré-vieillis, c'est-à-dire exécutés à température pour garantir que la période de vitesse de vieillissement maximale a été dépassée avant la livraison de l'unité.

Les effets du vieillissement du résonateur à cristal de quartz seront toujours présents. En conséquence, il est nécessaire de fournir des méthodes d'ajustement fin de la fréquence dans les circuits où la précision de fréquence est d'une importance primordiale. Il est également nécessaire d'avoir un étalonnage périodique où la précision de fréquence est importante. Dans de nombreux circuits, le problème peut ne pas être important. Pour minimiser les effets du vieillissement des cristaux, les bons cristaux peuvent être achetés, puis n'importe quel circuit peut être conçu pour minimiser les effets. Le maintien du cristal à une température constante aide également.


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