晶振多重速率老化机制陷阱理论简述

关于速率的讨论过程对于加速老化结果的尝试很重要,大多数老化机制对石英晶体谐振器的温度指数具备强烈的依赖性,关于老化许多的报道研究过程化学反应速率的涉及气体和溶液系统,由于气体做出的反应速度原子和分子结合碰撞所得到的控制精度,如果只是简单的加速老化机制实验可能会导致需要承担没必要的后果,污染物的吸附力和解吸力被以为是许多谐振器中的显着老化机制,晶体老化有很多的理论知识值得去研究参考.

并在关于物理化学和化学速率过程的教科书中进行了总结,Arrhenius提出反应速率可表示为:反应速率=Ke-Ea/RT,其中E a被称为激活能,因为它描述了速率对绝对温度的依赖性,单位为开尔文(T),T是谐振器温度,有时称为保温温度,R是一个常数,根据石英晶体振荡器需要使指数参数无单位,如果R=1,则E a以开氏度为单位,可以选择R使得Ea是电子伏特(通常用于研究半导体器件老化的常用单位),或每摩尔卡路里或千卡(这是化学反应速率研究中常用的单位),K包括特定于感兴趣系统的因子,例如气体反应物类型和压力或溶解的反应物类型和浓度.

当存在两种或更多种老化机制时,吸附分子的半衰期t1/2可表示为下图:其中R是气体常数,T0为约10-13秒,Ed是解吸能量,T是开尔文的温度,因此,当Ed=20kcal/mol时,分子在室温(25℃=298°K)下的半衰期约为1/2分钟,Ed=30kcal/mol时为30年,Ed=40kcal /mol时为10亿年,具有Ed=20kcal/mol的分子相对快速地解吸并在真空处理期间被泵出,单层分子(分子量与石英晶振相当),Ed=30kcal/mol,大约为10每天-9到老化,例如20-MHz基模AT切谐振器,Ed=40kcal/mol的单层分子每天贡献10-17个数量级,因此可以认为随时间稳定,因此,只有少数分子种类可能有助于老化(但这些包括一些重要的分子,如H2 O,CO2,CO和CH4).

Boltzmann后来发展了气体反应的统计热力学理论,表明Arrhenius提议中的Ea应该依赖于温度,因为谐振器有一部分与系统能量(熵)的分布以及与平均值变化相关的部分,系统能量(热能),根据这个理论,Ea应该是Fa,反应过程中自由能的变化(而不是焓的变化),这种更严格的理论有助于理解更大的实验结果,包括一些在较高温度下实际上较慢的反应,这些特定反应的速率受热能分布的控制,而不是热能的平均变化,对气相反应速率的进一步研究包括对简单系统的量子效应.

如果精工石英晶振的老化是由两种污染物的解吸决定的,一种是Ed=30kcal/mol而另一种是Ed=40kcal/mol,则加速老化,例如150°C将提供无意义的结果.在150℃时.Ed=30kcal/mol的分子(其是决定室温下老化的分子)在几分之一秒内解吸,然后通过Ed=40kcal/mol分子确定随后的老化,其在室温下对老化没有显着贡献,150°因此,C老化结果不会对在室温下可预期的老化产生任何影响,需要在几个温度下的数据来揭示多种老化机制的存在及其在正常操作温度下对老化的影响.

实验表明老化溶液中的反应比气相反应更复杂,尽管存在额外的复杂性通过速率定律将原子分子表面的碰撞控制的反应速率在开发对一般反应速率的理解方面非常有用,反应速率科学历史表明了,过度简化容易导致对石英贴片晶振的过程理解不充分,其产生反应温度激活能量分子,石英晶体谐振器和石英晶体振荡器老化的可靠长期全靠这些激活能量来维持.