频率稳定度及老化率

频率稳定性是石英振荡器在整个规定的时间范围内能够产生并保持相同频率的一种度量，其内部石英谐振器的频率稳定度是影响这一度量最主要的因素之一。  频率稳定性分为长期稳定性（又称长稳，低老化率，低漂移度）同短期稳定性。

影响石英谐振器长期稳定性的原因十分复杂，分别由内部因素的变化及外部因素的影响。虽然这些因素造成的影响一般都轻微的，渐变的，但对于频率误差以百万分之一甚至更高精度计算的频率器件而言，这些影响绝对不可忽视。谐振器的老化是指在频率上的偏差，通常是在给定的驱动水平和/或温度下随着时间的推移以百万分之一(ppm)的量级表示。这种老化是一种随时间而发生的系统性的，必然的同不可逆的逐渐变化。

石英的晶体结构本身不可避免会有一些天然的缺陷，如含有的微量杂质原子，填隙原子及晶格空位等，在晶体振荡工作的过程中随着时间的推移重新分布，从而令到谐振器的弹性系数发生变化导致频率的漂移。

晶片在切割，研磨，腐蚀，及在镀膜，装配，烘胶，封装所有加工过程中积累了化学应力，机械应力同热应力，这些应力随着时间会逐步释放而直接影响到振荡的频率稳定性。为尽量降低这类影响，高精密晶体一般都采用可以对冲切割应力的双旋角切割；晶片完成微调后要经过特别的工艺完成对晶片应力的最大释放，使用热膨胀系数尽量接近石英的金属作为封装材料，排除热应力对晶片的影响。除此之外，时间同环境变化，如密封空间内各种微型粒子在晶片上的附着，晶片电极的氧化，或是相反，各种微型粒子自晶片脱落，如持续的振荡令到晶片释放出极其微小的石英颗粒等，都会令到晶片的质量载荷增加或减少，导致振荡频率趋降或趋升。一般而言，镀铝电极的谐振器长期的老化频率趋降，镀金电极则趋升。高频谐振器较低频的老化特性会稍差。

相对一般石英谐振器以充氮电阻焊密封的方式，高精密石英谐振器普遍采用了设备及材料成本都高得多的真空冷压焊封装，最大限度的防止了任何可能由谐振器封装后内部环境的湿度，洁净度及漏气率造成的对老化特性的影响。在其他工艺相同的情况下，石英谐振器真空冷压焊封装的年老化率仅为电阻焊封装的三分之一甚至更低，同时保障到更可靠的长期老化率。

石英谐振器工作早期的老化曲线甚为陡峭，持续一段时间后老化曲线才会趋于平滑，高精密晶体的曲线甚至会基本水平并持续相当长的岁月。由于工作温度是加速老化的因素之一，所以石英谐振器在装配振荡器之前，都会经过一个高温下工作的预老化期，高精密谐振器一般需要15-30天这样的预老化，之后的频率甚至可以达到年老化率以ppb（十亿分之一）计的精确量级。

短期内稳定(短稳）

如果说谐振器的老化是频率在日、月、年期间的逐渐变化，那么短期稳定性就是典型的每天出现的频率变化。短期频率稳定性是频率在短时间内(通常从<1秒到>10秒)随时间变化的度量。所有导致长期老化的可变机制都会直接影响短期稳定性。短期稳定性的变化通常以频率的十亿分之一，即ppb计。

CROVEN-高精密石英谐振器的一些通用常识-频率稳定度及老化率

 

 

 

 

 

 

振荡器短期不稳定的原因中由谐振器所导致的主要因素有:

•老化指标不良。

•加速度灵敏度指标较差

•Q 值偏低

短期稳定性测量可由描述时域或频域的下列方法导出，它们是可以相互转化的，因为频率是相位对时间的导数。

•两个样本阿伦(Allan)方差

•分数频率偏差的频谱密度

•相位偏差的频谱密度

•ssb相位噪声与载波比