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 muy ligeramente su frecuencia 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 en las que la precisión de la frecuencia es de gran importancia. Es posible minimizar los cambios resultantes del envejecimiento del cristal de cuarzo en el proceso de fabricación y en el uso.

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    Conceptos básicos sobre el envejecimiento del cristal de cuarzo

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

    • Cambio en la superficie del cristal:
    • Contaminación de la red cristalina:
    • Efectos térmicos:
    • Fatiga de los cables:
    • Desgaste por fricción :
    • Nivel de accionamiento:

    El nivel de envejecimiento puede minimizarse de varias maneras tanto en la fabricación como en el uso:

    • Reduciendo el envejecimiento en la fabricación: Durante la fabricación deben ser encapsulados en un ambiente de gas inerte, el aseguramiento debe tener un buen sello para que no entren otros gases. También las etapas finales de la preparación de la pieza bruta de cristal deben prepararse lo más finamente posible. En lugar de lapear la pieza en bruto para darle las dimensiones adecuadas, se utiliza el grabado químico. De este modo, se produce la mínima alteración de la red cristalina y se reduce la entrada de contaminantes con el paso del tiempo que provocan el envejecimiento.
    • Reducción del envejecimiento durante el uso: El diseño del circuito en el que se utilizará el cristal también tiene un efecto. Si se mantienen bajos los niveles de accionamiento, el envejecimiento del cristal será menor.

    Como es 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 se produce inmediatamente después de la fabricación y decae a partir de entonces.

    A título orientativo, se observa que es más rápido durante los primeros 45 días de funcionamiento. Aun así, siempre hay un cierto grado de envejecimiento a lo largo de la vida del cristal. Teniendo en cuenta que la mayor tasa de cambio se produce inmediatamente después de la fabricación, los artículos de alta tolerancia se hacen funcionar durante algún tiempo antes de ser enviados. En los artículos de muy alta tolerancia esto puede extenderse a unos cuantos meses de funcionamiento.

    Una vez que se ha establecido el índice de envejecimiento, se ha comprobado que pueden citarse cifras típicas para muchos tipos. Una de las principales variaciones es el tipo de encapsulado utilizado. Los dos métodos más comunes de encapsulación para los cristales con orificios pasantes son la soldadura por resistencia y la soldadura en frío.

    Estos métodos suelen dar cifras de alrededor de 5 partes por millón (ppm) para un encapsulado sellado por soldadura de resistencia, y de 2 ppm para un encapsulado sellado por soldadura en frío utilizando un soporte HC43/U. Ambos se mueven en dirección descendente.

    En algunas ocasiones también se pueden encontrar cristales encapsulados de vidrio. Estos tienden a moverse en dirección ascendente, y pueden tener una tolerancia o ligeramente inferior a 5 ppm. También hay una gran variedad de cristales de montaje superficial. Un envase típico de plástico o un envase de soldadura de vidrio puede dar alrededor de ±5 ppm mientras que un envase de soldadura 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 estos parámetros, la tasa de envejecimiento puede cambiar. Incluso puede alterar la dirección.

    Cómo minimizar los efectos del envejecimiento

    La limpieza del entorno del cristal es una de las principales formas de reducir el envejecimiento. Por lo tanto, es esencial asegurarse de que el envase o el encapsulado del cristal no sufra ningún daño. El sello no debe estar dañado, ni los pines doblados, ya que esto puede romper el sello.

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    Cuando se requiere un rendimiento muy alto, a menudo los osciladores se preenvejecen, es decir, se hacen funcionar a temperatura para garantizar que se ha superado el periodo de máxima tasa de envejecimiento antes de entregar la unidad.

    Los efectos del envejecimiento del resonador de cristal de cuarzo siempre estarán presentes. Por lo tanto, es necesario proporcionar métodos de ajuste fino de la frecuencia en los circuitos en los que la precisión de la frecuencia es de suma importancia.

    También es necesario disponer de una calibración periódica cuando la precisión de la frecuencia es importante. En muchos circuitos, la cuestión puede no ser importante. Para minimizar los efectos del envejecimiento del cristal, 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 estable.

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