Envelhecimento do Cristal de Quartzo: Estabilidade e Precisão a Longo Prazo
A frequência de ressonância dos ressonadores de cristal de quartzo se move em uma pequena quantidade ao longo do tempo em um processo chamado envelhecimento.
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Tutorial sobre Cristais de Quartzo, inclui:
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Os ressonadores de cristal de quartzo são usados em filtros e osciladores como circuitos ressonantes de alto desempenho.
Esses ressonadores são conhecidos por seu alto desempenho e estabilidade, mas mudam muito ligeiramente de frequência com o tempo em um processo conhecido como envelhecimento.
Embora as variações de frequência sejam pequenas, elas são permanentes e podem ter efeito em algumas aplicações onde a precisão da frequência é de grande importância.
É possível minimizar as alterações decorrentes do envelhecimento do cristal de quartzo tanto no processo de fabricação quanto no uso.
Noções básicas de envelhecimento do cristal de quartzo
O envelhecimento do cristal de quartzo é causado por muitos fatores diferentes. Os cristais Differnet envelhecem em taxas diferentes e isso pode ser atribuído a vários fatores: alguns no processo de fabricação e outros pela maneira como são usados.
- Alteração da superfície do cristal:
- Contaminação da rede cristalina:
- Efeitos térmicos:
- Fadiga do fio:
- Desgaste por fricção:
- Nível de direção:
O nível de envelhecimento pode ser minimizado de várias maneiras, tanto na fabricação quanto no uso:
- Redução do envelhecimento na fabricação: Durante a fabricação devem ser encapsulados em ambiente de gás inerte, garantindo a boa vedação para que outros gases não entrem. Além disso, os estágios finais da preparação do cristal em branco devem ser preparados o mais finamente possível. Em vez de lapidar o espaço em branco para trazê-lo para as dimensões corretas, a corrosão química é usada. Desta forma, a perturbação mínima é causada na rede cristalina, e isso reduz a entrada de contaminantes ao longo do tempo que causarão envelhecimento.
- Redução do envelhecimento em uso: O desenho do circuito no qual o cristal será utilizado também influencia. Ao manter os níveis de drive baixos novamente, o envelhecimento do cristal será menor.
Como esperado, as taxas de variação da frequência do cristal variam com o tempo após a fabricação. A taxa máxima de mudança de frequência ocorre imediatamente após a fabricação e decai depois disso. Como guia, verifica-se que é mais rápido nos primeiros 45 dias de operação. Mesmo assim há sempre algum grau de envelhecimento ao longo da vida do cristal. Tendo em vista que a maior taxa de alteração ocorre imediatamente após a fabricação, os itens de alta tolerância são executados por algum tempo antes de serem enviados. Em itens de tolerância muito alta, isso pode se estender por alguns meses de operação.
Uma vez estabelecida a taxa de envelhecimento, verifica-se que os valores típicos podem ser citados para muitos tipos. Verifica-se que uma das principais variações é o tipo de encapsulamento que é utilizado. Os dois métodos mais comuns de encapsulamento para cristais de orifícios são solda por resistência e solda a frio. Normalmente, eles fornecem valores de cerca de 5 partes por milhão (ppm) para um encapsulamento selado por solda de resistência e 2 ppm para um encapsulamento selado por solda a frio usando um suporte HC43/U. Ambos se movem em uma direção descendente. Cristais encapsulados em vidro também podem ser encontrados em algumas ocasiões. Estes tendem a se mover no sentido ascendente, podendo ter uma tolerância ou um pouco menor que 5 ppm. Também há uma grande variedade de cristais de montagem em superfície.
Se o cristal for mantido no mesmo circuito e na mesma temperatura, os efeitos do envelhecimento podem se estabilizar após alguns anos de operação. No entanto, se estes forem alterados, eles podem alterar a taxa de envelhecimento. Pode até alterar a direção.
Minimizando os efeitos do envelhecimento
A limpeza do ambiente ao redor do cristal é uma das principais formas de reduzir o envelhecimento. Portanto, é essencial garantir que o pacote de cristal ou encapsulamento não seja danificado de forma alguma. A vedação não deve ser danificada, nem os pinos dobrados, pois isso pode quebrar a vedação.
Onde é necessário um desempenho muito alto, muitas vezes os osciladores serão pré-envelhecidos, ou seja, executados em temperatura para garantir que o período de taxa máxima de envelhecimento tenha passado antes que a unidade seja entregue.
Os efeitos do envelhecimento do ressonador de cristal de quartzo sempre estarão presentes. Como resultado, é necessário fornecer métodos de ajuste fino da frequência em circuitos onde a precisão da frequência é de suma importância. Também é necessário ter uma calibração periódica onde a precisão da frequência é importante. Em muitos circuitos, o problema pode não ser importante. Para minimizar os efeitos do envelhecimento do cristal, os cristais certos podem ser comprados e então qualquer circuito pode ser projetado para minimizar os efeitos. Também ajuda a manter o cristal a uma temperatura constante.
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