了解真空微型晶体振荡器

稳定的频率参考是很少有系统可以缺少的组件之一，多年来，晶体振荡器一直以一种或另一种形式令人钦佩地服务于这一目的。晶体振荡器中最稳定的类型是恒温晶体振荡器 （OCXO），因此它们通常用于需要最高稳定性的地方。但这遗漏了另一个重要的精密振荡器，即真空微型晶体振荡器（EMXO）。如果您从未听说过它，请让我启发您 - 这是一个令人印象深刻的设备。

EMXO由Vectron International开发，该公司是Microchip Technology的一部分，其目标是提供与OCXO相似的性能水平，但采用更小，更轻，密封的封装，并且功耗更低。与OCXO一样，EMXO使用烤箱来保持频率稳定性，因为晶体固有的频率会随着温度的变化而漂移。

为了实现其优势，EMXO设计人员对烘箱振荡器的制造方式进行了重大更改。首先，与在封装内使用低导热绝缘的OCXO不同，EMXO使用高水平真空。这导致环境没有焊接飞溅、灰尘或蒸汽，并将绝缘重量降低到几乎为零。它还允许使用开放式晶体坯料，而不是更大的包装坯料，从而进一步减轻重量。

该晶体是一种应力补偿、双旋转合成扫描晶体（SC/IT-cut）类型，以获得出色的相位噪声性能、较慢的老化速率、更低的g灵敏度和更高的耐辐射性。晶体坯料集成在混合封装中，也有助于减小尺寸。由于EMXO的内部质量小于典型的OCXO，因此占用的空间更少，这意味着烤箱加热的体积较小。这反过来又大大降低了功耗并缩短了预热时间。结果是振荡器封装的尺寸不到典型OCXO的一半。

晶体的老化率是振荡器性能随时间变化的关键指标，在 30 天的运行中最为明显。包装泄漏率是导致长期老化的主要原因之一。为了缓解这种情况，EMXO外壳使用冷焊进行密封，在金属表面之间形成冶金结合，而不会在密封过程中增加热量。经过多次重复测试，设计人员发现其泄漏率极低，实际上如此之低，以至于它（现在仍然）超出了旨在测量它的精细泄漏测试设备的范围。

从表面上看，这将是一个很好的问题。然而，所有政府航天机构都要求封装设备满足精细泄漏测试确定的泄漏要求，这使得使用这些方法几乎不可能对EMXO进行泄漏测试。也就是说，商用仪器的分辨率为1x10-8 atm·cc/s，但EMXO的泄漏率在1x10-12 atm·cc/s氦气时要低得多。因此，由于泄漏率非常低，设计人员想出了一种通过关注功耗来验证泄漏率的方法。

EMXO中的烤箱是按比例控制的，因此其功耗与烤箱和振荡器外壳之间的热阻成反比。因此，烤箱吸收电流以保持几乎恒定的内部温度，热量通过三种传热机制从烤箱流向外壳：对流、传导和辐射。传导和辐射是较小的问题，因为它们受到材料和包装结构的影响，这些材料和结构终生保持稳定，对烤箱电流的影响微不足道。

然而，由于EMXO中通过对流的热流速率受到内部封装压力变化的影响，因此具有较高内部压力的泄漏单元本质上会消耗更多的电流。因此，使用现成的仪器可以检测到非常低的泄漏水平，因为如果真空度因非常小的泄漏而降低，功耗也会显着增加。Microchip利用功耗和内部压力之间的关系，开发了一种非常准确和简单的过程，用于确定EMXO封装的密封完整性，从而使泄漏性能符合空间应用的要求。

结果表明，使用烘箱电流测量密封完整性可以分别在密封后几分钟、几小时和几天内筛选泄漏率为1x10-6、1x10-7和1x10-8 atm·cc/s氦气的零件。EMXO即使在内部封装压力增加到1托时也能保持其稳定性，因此EMXO的内部封装压力在泄漏率为70x1-10个大气压的氦气下需要12年才能达到0.1托的低真空。如果选择1x10-11 atm·cc/sec氦气泄漏率和0.5 torr内部封装压力作为保守的安全边际，最新的EMXO可以实现15年的使用寿命。

因此，虽然EMXO可能不是家喻户晓的词，但它提供了重大改进，共同使其成为空间应用中OCXO极具吸引力的替代品，并已被NASA以及商业和军用卫星发射公司广泛使用。

审核编辑：郭婷