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Envejecimiento del cristal de cuarzo: estabilidad y precisión a largo plazo

Envejecimiento del cristal de cuarzo: estabilidad y precisión a largo plazo

Los resonadores de cristal de cuarzo se utilizan en filtros y osciladores como circuitos resonantes de alto rendimiento.

Estos resonadores son conocidos por su alto rendimiento y estabilidad, pero cambian su frecuencia muy levemente con el tiempo en un proceso conocido como envejecimiento.

Aunque las variaciones de frecuencia son pequeñas, son permanentes y pueden tener un efecto en algunas aplicaciones donde la precisión de la frecuencia es de gran importancia.

Posiblemente sea para minimizar los cambios que resultan del envejecimiento del cristal de cuarzo durante el proceso de fabricación y en uso.

Fundamentos del envejecimiento del cristal de cuarzo

El envejecimiento del cristal de cuarzo es causado por muchos factores diferentes. Los cristales de Differnet envejecen a diferentes ritmos y esto se puede atribuir a una serie de factores: algunos en el proceso de fabricación y otros por la forma en que se utilizan.

  • Cambio de superficie de cristal:
  • Contaminación de la red cristalina:
  • Efectos térmicos:
  • Fatiga del alambre:
  • Desgaste por fricción:
  • Nivel de conducción:

El nivel de envejecimiento se puede minimizar de varias formas tanto en la fabricación como en el uso:

  • Reducción del envejecimiento en la fabricación: Durante su fabricación deben estar encapsulados en un ambiente de gas inerte, lo que asegura que debe tener un buen sellado para que no entren otros gases. Además, las etapas finales de la preparación del blanco de cristal deben prepararse lo más finamente posible. En lugar de lapear la pieza en bruto para darle las dimensiones correctas, se utiliza el grabado químico. De esta forma se provoca la mínima alteración de la red cristalina, y esto reduce la entrada de contaminantes con el tiempo que provocarán el envejecimiento.
  • Reducir el envejecimiento en uso: También influye el diseño del circuito en el que se utilizará el cristal. Manteniendo los niveles de impulsión bajos nuevamente, el envejecimiento del cristal será menor.

Como era de esperar, las tasas de cambio de la frecuencia del cristal varían con el tiempo después de la fabricación. La tasa máxima de cambio de frecuencia ocurre inmediatamente después de la fabricación y luego decae. Como guía, se encuentra que es más rápido dentro de los primeros 45 días de operación. Aun así, siempre hay algún grado de envejecimiento a lo largo de la vida del cristal. En vista del hecho de que la mayor tasa de cambio es inmediatamente después de la fabricación, los artículos de alta tolerancia se procesan durante algún tiempo antes de ser enviados. En artículos de muy alta tolerancia, esto puede extenderse a algunos meses de funcionamiento.

Una vez que se ha estabilizado la tasa de envejecimiento, se encuentra que se pueden cotizar cifras típicas para muchos tipos. Se encuentra que una de las principales variaciones es el tipo de encapsulación que se utiliza. Los dos métodos más comunes de encapsulación para cristales de orificio pasante son la soldadura por resistencia y la soldadura en frío. Por lo general, estos darán cifras de alrededor de 5 partes por millón (ppm) para una encapsulación sellada con soldadura por resistencia, y 2 ppm para una encapsulación sellada con soldadura en frío utilizando un soporte HC43 / U. Ambos se mueven en dirección descendente. En algunas ocasiones también se pueden encontrar cristales encapsulados en vidrio. Estos tienden a moverse en una dirección ascendente y pueden tener una tolerancia o un poco menos de 5 ppm. También hay una amplia variedad de cristales de montaje en superficie. Un paquete de plástico típico o un paquete de soldadura de costura de vidrio puede dar alrededor de ± 5 ppm, mientras que un paquete de soldadura de costura de metal puede dar menos de 3 ppm.

Si el cristal se mantiene en el mismo circuito y a la misma temperatura, los efectos del envejecimiento pueden estabilizarse después de algunos años de funcionamiento. Sin embargo, si se cambian, pueden hacer que cambie la tasa de envejecimiento. Incluso puede alterar la dirección.

Minimizar los efectos del envejecimiento

La limpieza del entorno alrededor del cristal es una de las principales formas de reducir el envejecimiento. Por lo tanto, es esencial asegurarse de que el paquete de cristal o la encapsulación no se dañen de ninguna manera. No se debe dañar el sello ni doblar los pasadores, ya que esto podría romper el sello.

Cuando se requiere un rendimiento muy alto, a menudo los osciladores se pre-envejecen, es decir, se hacen funcionar a temperatura para garantizar que el período de máxima tasa de envejecimiento haya pasado antes de que se entregue la unidad.

Los efectos del envejecimiento del resonador de cristal de cuarzo siempre estarán presentes. Como resultado, es necesario proporcionar métodos para ajustar con precisión la frecuencia en circuitos donde la precisión de la frecuencia es de suma importancia. También es necesario tener una calibración periódica donde la precisión de la frecuencia es importante. En muchos circuitos, el problema puede no ser importante. Para minimizar los efectos del envejecimiento de los cristales, se pueden comprar los cristales adecuados y luego se puede diseñar cualquier circuito para minimizar los efectos. También ayuda mantener el cristal a una temperatura constante.

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