石英振子表面變壞引起的老化

石英振子表面變壞引起的老化

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石英晶片經過研磨和拋光後，其表面處於應變狀態，研磨實際上是一個破裂的過程，當一顆砂粒壓到石英晶片表面時，從接觸點向四周產生裂隙，當裂隙完全包圍住一顆石英碎粒時，它就掉了下來。然而在研磨終止時，許多處於局部鬆動了的碎粒仍留在晶片上。在這些碎粒周圍的部分邊界上分子鏈繼裂了，這類碎粒因受力而與晶體主體在定向上不一致。裂縫會隨時間不斷增長，最後全部包圍粒子，使它從表面脫離。上述過程可因潮濕和高溫而大為加速。結果使石英晶體元件的頻率和電阻都急劇增高，當碎粒被洗去後，電阻即可恢復正常，而頻率卻比之前要提高。在極個別情況下，經過幾天頻率變化就可達到0.1f2或更多。

這種老化可以用仔細研磨和拋光以及防水汽等方法來減少，但最完善的方法是用NH4HF2腐蝕來消除。上述引起錯亂定向的應變，所需腐蝕量在一定程度上取決於研磨的類型，把晶片腐蝕到頻率隨時間變化的變化率呈線性時，就是為了防止這類的老化，如圖1所示。

圖1腐蝕頻率與時間的關係曲線

為了達到年老化率小於5ppm，甚至小於1ppm的要求，就必須去掉石英晶片表面的破壞層。高精度晶體元件採用機械或離子拋光後，老化率很小就說明這個問題。破壞層最後能達到砂子粒徑的一倍。但筆者通過實踐，當腐蝕深度為0.275D（D為最後研磨砂子的粒徑），此時石英晶片表面都是完整的晶粒時，晶體元件的老化率就能達到小於1pmm/年。

下期預告知識：《石英晶片與電極有關的老化》

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