穩定的頻率參考是很少有系統可以缺少的組件之一，多年來，晶體振蕩器一直以一種或另一種形式令人欽佩地服務于這一目的。晶體振蕩器中最穩定的類型是恒溫晶體振蕩器 （OCXO），因此它們通常用于需要最高穩定性的地方。但這遺漏了另一個重要的精密振蕩器，即真空微型晶體振蕩器（EMXO）。如果您從未聽說過它，請讓我啟發您 - 這是一個令人印象深刻的設備。

EMXO由Vectron International開發，該公司是Microchip Technology的一部分，其目標是提供與OCXO相似的性能水平，但采用更小，更輕，密封的封裝，并且功耗更低。與OCXO一樣，EMXO使用烤箱來保持頻率穩定性，因為晶體固有的頻率會隨著溫度的變化而漂移。

為了實現其優勢，EMXO設計人員對烘箱振蕩器的制造方式進行了重大更改。首先，與在封裝內使用低導熱絕緣的OCXO不同，EMXO使用高水平真空。這導致環境沒有焊接飛濺、灰塵或蒸汽，并將絕緣重量降低到幾乎為零。它還允許使用開放式晶體坯料，而不是更大的包裝坯料，從而進一步減輕重量。

該晶體是一種應力補償、雙旋轉合成掃描晶體（SC/IT-cut）類型，以獲得出色的相位噪聲性能、較慢的老化速率、更低的g靈敏度和更高的耐輻射性。晶體坯料集成在混合封裝中，也有助于減小尺寸。由于EMXO的內部質量小于典型的OCXO，因此占用的空間更少，這意味著烤箱加熱的體積較小。這反過來又大大降低了功耗并縮短了預熱時間。結果是振蕩器封裝的尺寸不到典型OCXO的一半。

晶體的老化率是振蕩器性能隨時間變化的關鍵指標，在 30 天的運行中最為明顯。包裝泄漏率是導致長期老化的主要原因之一。為了緩解這種情況，EMXO外殼使用冷焊進行密封，在金屬表面之間形成冶金結合，而不會在密封過程中增加熱量。經過多次重復測試，設計人員發現其泄漏率極低，實際上如此之低，以至于它（現在仍然）超出了旨在測量它的精細泄漏測試設備的范圍。

從表面上看，這將是一個很好的問題。然而，所有政府航天機構都要求封裝設備滿足精細泄漏測試確定的泄漏要求，這使得使用這些方法幾乎不可能對EMXO進行泄漏測試。也就是說，商用儀器的分辨率為1x10-8 atm·cc/s，但EMXO的泄漏率在1x10-12 atm·cc/s氦氣時要低得多。因此，由于泄漏率非常低，設計人員想出了一種通過關注功耗來驗證泄漏率的方法。

EMXO中的烤箱是按比例控制的，因此其功耗與烤箱和振蕩器外殼之間的熱阻成反比。因此，烤箱吸收電流以保持幾乎恒定的內部溫度，熱量通過三種傳熱機制從烤箱流向外殼：對流、傳導和輻射。傳導和輻射是較小的問題，因為它們受到材料和包裝結構的影響，這些材料和結構終生保持穩定，對烤箱電流的影響微不足道。

然而，由于EMXO中通過對流的熱流速率受到內部封裝壓力變化的影響，因此具有較高內部壓力的泄漏單元本質上會消耗更多的電流。因此，使用現成的儀器可以檢測到非常低的泄漏水平，因為如果真空度因非常小的泄漏而降低，功耗也會顯著增加。Microchip利用功耗和內部壓力之間的關系，開發了一種非常準確和簡單的過程，用于確定EMXO封裝的密封完整性，從而使泄漏性能符合空間應用的要求。

結果表明，使用烘箱電流測量密封完整性可以分別在密封后幾分鐘、幾小時和幾天內篩選泄漏率為1x10-6、1x10-7和1x10-8 atm·cc/s氦氣的零件。EMXO即使在內部封裝壓力增加到1托時也能保持其穩定性，因此EMXO的內部封裝壓力在泄漏率為70x1-10個大氣壓的氦氣下需要12年才能達到0.1托的低真空。如果選擇1x10-11 atm·cc/sec氦氣泄漏率和0.5 torr內部封裝壓力作為保守的安全邊際，最新的EMXO可以實現15年的使用壽命。

因此，雖然EMXO可能不是家喻戶曉的詞，但它提供了重大改進，共同使其成為空間應用中OCXO極具吸引力的替代品，并已被NASA以及商業和軍用衛星發射公司廣泛使用。

審核編輯：郭婷