高品質(zhì)低功耗晶振藝術(shù)化進(jìn)程
來源：http://www.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2018年09月03
如今市面上的進(jìn)口晶振品質(zhì)和技術(shù)都很高，可以滿足現(xiàn)在任何產(chǎn)品的需要，很多人不知道的是，在幾十年前，石英技術(shù)并不算很完善，產(chǎn)能和質(zhì)量和現(xiàn)在根本沒得比，這是這只是長期斗爭的結(jié)果。那時(shí)候，甚至連AT切割方式都還沒出來，更不用說頻率微調(diào)，激光刻蝕等先進(jìn)的加工技術(shù)了。
石英設(shè)備悄悄地連續(xù)標(biāo)記著電視機(jī)，電腦和手表內(nèi)的時(shí)間流逝。石英器件已經(jīng)發(fā)展成為電子行業(yè)不可或缺的固定裝置，甚至被稱為“工業(yè)之鹽”。這些重要的石英設(shè)備的頂級制造商是愛普生晶振公司。'QMEMS（Quartz +'MEMS'）'是促進(jìn)MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）晶體材料微加工工藝的獨(dú)特技術(shù)的名稱，是該公司業(yè)務(wù)的真正支柱。通過充分利用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢，可以為石英器件實(shí)現(xiàn)更小巧的尺寸和更好的性能。QMEMS的起源是當(dāng)今世界的領(lǐng)先技術(shù)，可以追溯到20世紀(jì)70年代初。QMEMS技術(shù)源自30多年來工程師的嚴(yán)格努力。
1969年，在日本中部的Su訪湖畔，當(dāng)?shù)氐囊患夜厩娜怀晒Φ貙⑹澜缟系谝粔K石英手表變成了現(xiàn)實(shí)-“精工石英天文35Q”（圖1），這一事件讓世界措手不及。這真是一個劃時(shí)代的突破。在此之前，石英鐘表雖然非常精確，但卻非常大，以至于不能輕易攜帶，而是采用箱形鐘表的形式懸掛在墻壁上。雖然機(jī)械手表當(dāng)然已經(jīng)存在，但這些并不精確。需要一個創(chuàng)新的解決方案來解決更好的精度和更緊湊的尺寸的雙重問題，全球各地的公司都在1960年代中后期進(jìn)行無情競爭以找到一個問題。
圖2：Quartz Astron開發(fā)之前
它是Su訪制鋼株式會社，在Su訪湖的岸邊，它正悄悄地控制著這個發(fā)展的競爭對手。使Su訪Seikosha領(lǐng)先其競爭對手的因素之一是該公司成功地使石英晶體單元更加緊湊。傳統(tǒng)的水晶裝置尺寸非常大，無法裝入手表般小的東西（圖2）。Su訪Seikosha通過采用稱為“音叉”的新結(jié)構(gòu)解決了這個問題。新開發(fā)的'Cal.35SQ'型尺寸*晶體單元的直徑為4.3mm×長度為18.5mm（圖3）。此外，Su訪Seikosha還能夠調(diào)整水晶單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便克服腕表連接在佩戴者手腕上時(shí)經(jīng)常受到的振動和撞擊所引起的問題。
此時(shí)公司開發(fā)的音叉式圓柱晶振用于Suwa Seikosha內(nèi)部制造的手表。因此，“我們沒有給他們一個特定的產(chǎn)品型號，只是通過他們的機(jī)芯名稱或手表的操作機(jī)制（Calibre，或'Cal。'）來提及它們，”Mutsumi Negita說。
圖3：Quartz Astron中使用的音叉晶體單元
采用新開發(fā)的音叉結(jié)構(gòu)，使Suwa Seikosha能夠成功制造出更小的晶振，半徑僅為4.3mm，長度為18.5mm。它被分配了型號“Type Cal.35SQ”并且具有8.192kHz的正常頻率。
世界上第一塊石英表的實(shí)際應(yīng)用和音叉晶體單元的開發(fā)是許多工程師流下血液，汗水和眼淚的結(jié)果。然而，這絕不是故事的結(jié)局。事實(shí)上，這只是長期艱苦斗爭的開始，直至今日。
工程師沒有時(shí)間停留在他們的成就上。雖然他們通過開發(fā)第一款石英表讓世界驚訝，但他們知道，只要商業(yè)上可行，它就會成為日常生活中的常見項(xiàng)目。最終用戶不斷渴望更好，更高質(zhì)量的產(chǎn)品 - 這一現(xiàn)象即使在當(dāng)今時(shí)代也是如此。
隨著第二年（1970年）Quartz Astron的全球發(fā)布，開發(fā)音叉表晶單元的團(tuán)隊(duì)得到了高層管理人員的嚴(yán)格訂單，生產(chǎn)出更緊湊的設(shè)計(jì)。我們的目標(biāo)是提高公司手表的產(chǎn)品吸引力，同時(shí)開發(fā)具有卓越抗沖擊性和提高大規(guī)模生產(chǎn)效率的石英手表。盡管石英天文臺是一款開創(chuàng)性的新產(chǎn)品，但其工程師認(rèn)為其尺寸仍然過大。石英手表被認(rèn)為需要制造得更加緊湊，才能更好地被市場接受。然而，Cal.35SQ型晶體單元（直徑4.3mm x 18.5mm）的尺寸太大，無法進(jìn)一步縮小石英表的尺寸，“運(yùn)動”是指手表中包含的操作機(jī)制。
工程師不懈地努力，直到他們設(shè)法將緊湊的音叉晶體單元投入實(shí)際使用。當(dāng)然，如果Su訪Seikosha開發(fā)團(tuán)隊(duì)的某個人宣稱“沒有簡單的方法可以讓水晶單元變得更小”，那就不足為奇了。盡管如此，開發(fā)團(tuán)隊(duì)事后并未提出任何意見，而是立即采取行動。
他們努力推動的動機(jī)是什么？自1972年以來一直參與石英設(shè)備開發(fā)的工程師Haruo Takada先生反映了那些時(shí)代。“雖然我個人還沒有參與晶體單元的開發(fā)，但是開發(fā)團(tuán)隊(duì)從一開始就知道如何使它們更加緊湊。他們知道為了使音叉晶體單元更小，他們必須增加振蕩頻率。一旦我們考慮到了原則，解決方案就很明顯了。“
Quartz Astron使用的音叉石英晶體諧振器的振蕩頻率為8.192kHz。將頻率加倍會導(dǎo)致長度的1/√2倍。換句話說，將振蕩頻率增加到16.384kHz將導(dǎo)致晶體單元的尺寸減小到原始長度的大約0.7倍。增加振蕩頻率本身并不是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。實(shí)際上，1970年的石英鐘實(shí)際上使用了振蕩頻率為100k到200kHz的晶體單元，而廣播電臺設(shè)施使用的是兆赫級的晶體單元。
開發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?zhàn)略的方向已經(jīng)確定。它們會使振蕩頻率加倍并減小音叉晶體單元的尺寸。毫無疑問，這將有助于在緊湊型石英手表機(jī)芯內(nèi)安裝水晶單元。開發(fā)團(tuán)隊(duì)勝利地完成了他們的工作。然而，緊接著，他們面臨著一個新的同樣困難的挑戰(zhàn)。
得益于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展
問題在于消耗的電量增加。功耗增加意味著手表的電池壽命縮短。不言而喻的是，需要頻繁更換電池的石英手表的產(chǎn)品吸引力會很差。開發(fā)團(tuán)隊(duì)知道它必須找到降低手表功耗的方法。事實(shí)上，開發(fā)團(tuán)隊(duì)原則上已經(jīng)知道，在參與開發(fā)過程之前，“增加振蕩頻率會增加功耗”。對于工作頻率的任何增加，時(shí)鐘晶體單元消耗的任何功率將以2的冪指數(shù)地增加。換句話說，將振蕩頻率加倍將導(dǎo)致功耗增加四倍（22=4）。很明顯，它需要一些創(chuàng)造性思維來成功降低功耗。然而，當(dāng)時(shí)還沒有其他技術(shù)可以減小晶體的尺寸。
開發(fā)團(tuán)隊(duì)感到困惑。“一定有辦法。” 1971年，僵局感開始出現(xiàn)。然后，來自海洋的好消息傳來，美國的某個半導(dǎo)體制造商已經(jīng)開發(fā)出一種新的創(chuàng)新型半導(dǎo)體技術(shù)。開發(fā)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持這個消息，好像這是他們最后的希望。實(shí)際上，他們逐漸意識到需要調(diào)查和分析負(fù)責(zé)振蕩和時(shí)鐘分頻等功能的電子電路，以提高Quartz Astron的功耗能力。安裝在Quartz Astron內(nèi)部的電子電路是混合電路，包括雙極芯片的組合。切換到新的半導(dǎo)體技術(shù)確實(shí)可以降低功耗。
負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的人立即飛往美國。一旦在外國土地上，他們發(fā)現(xiàn)自己面臨一種全新的技術(shù)。這是CMOS集成電路（IC）技術(shù)。目前，CMOS IC是一種相當(dāng)常見的技術(shù)，但當(dāng)時(shí)它確實(shí)是開創(chuàng)性的。與組合雙極芯片的傳統(tǒng)混合電路相比，功耗可以大幅降低。該團(tuán)隊(duì)的工程師立即感覺到他們已經(jīng)找到了答案。
此后的發(fā)展穩(wěn)步推進(jìn)，他們自然采用了新的半導(dǎo)體技術(shù)。在技術(shù)評估上花費(fèi)了合理的時(shí)間。但是，沒有出現(xiàn)阻礙發(fā)展的重大問題。因此，在1971年，該團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了較小的“Cal.38型”音叉晶振單元（圖4），振蕩頻率為16.384kHz，尺寸為4.3mm直徑×14.7mm長。
圖4：'Cal.38'型音叉晶體單元
通過將振蕩頻率提高到16.384Hz，實(shí)現(xiàn)了更小巧的尺寸。新晶體單元于1971年開發(fā)，尺寸為直徑4.3mm×長度14.7mm。
石英設(shè)備悄悄地連續(xù)標(biāo)記著電視機(jī)，電腦和手表內(nèi)的時(shí)間流逝。石英器件已經(jīng)發(fā)展成為電子行業(yè)不可或缺的固定裝置，甚至被稱為“工業(yè)之鹽”。這些重要的石英設(shè)備的頂級制造商是愛普生晶振公司。'QMEMS（Quartz +'MEMS'）'是促進(jìn)MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）晶體材料微加工工藝的獨(dú)特技術(shù)的名稱，是該公司業(yè)務(wù)的真正支柱。通過充分利用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢，可以為石英器件實(shí)現(xiàn)更小巧的尺寸和更好的性能。QMEMS的起源是當(dāng)今世界的領(lǐng)先技術(shù)，可以追溯到20世紀(jì)70年代初。QMEMS技術(shù)源自30多年來工程師的嚴(yán)格努力。
1969年，在日本中部的Su訪湖畔，當(dāng)?shù)氐囊患夜厩娜怀晒Φ貙⑹澜缟系谝粔K石英手表變成了現(xiàn)實(shí)-“精工石英天文35Q”（圖1），這一事件讓世界措手不及。這真是一個劃時(shí)代的突破。在此之前，石英鐘表雖然非常精確，但卻非常大，以至于不能輕易攜帶，而是采用箱形鐘表的形式懸掛在墻壁上。雖然機(jī)械手表當(dāng)然已經(jīng)存在，但這些并不精確。需要一個創(chuàng)新的解決方案來解決更好的精度和更緊湊的尺寸的雙重問題，全球各地的公司都在1960年代中后期進(jìn)行無情競爭以找到一個問題。
它是Su訪制鋼株式會社，在Su訪湖的岸邊，它正悄悄地控制著這個發(fā)展的競爭對手。使Su訪Seikosha領(lǐng)先其競爭對手的因素之一是該公司成功地使石英晶體單元更加緊湊。傳統(tǒng)的水晶裝置尺寸非常大，無法裝入手表般小的東西（圖2）。Su訪Seikosha通過采用稱為“音叉”的新結(jié)構(gòu)解決了這個問題。新開發(fā)的'Cal.35SQ'型尺寸*晶體單元的直徑為4.3mm×長度為18.5mm（圖3）。此外，Su訪Seikosha還能夠調(diào)整水晶單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便克服腕表連接在佩戴者手腕上時(shí)經(jīng)常受到的振動和撞擊所引起的問題。
此時(shí)公司開發(fā)的音叉式圓柱晶振用于Suwa Seikosha內(nèi)部制造的手表。因此，“我們沒有給他們一個特定的產(chǎn)品型號，只是通過他們的機(jī)芯名稱或手表的操作機(jī)制（Calibre，或'Cal。'）來提及它們，”Mutsumi Negita說。
圖3：Quartz Astron中使用的音叉晶體單元
采用新開發(fā)的音叉結(jié)構(gòu)，使Suwa Seikosha能夠成功制造出更小的晶振，半徑僅為4.3mm，長度為18.5mm。它被分配了型號“Type Cal.35SQ”并且具有8.192kHz的正常頻率。
世界上第一塊石英表的實(shí)際應(yīng)用和音叉晶體單元的開發(fā)是許多工程師流下血液，汗水和眼淚的結(jié)果。然而，這絕不是故事的結(jié)局。事實(shí)上，這只是長期艱苦斗爭的開始，直至今日。
工程師沒有時(shí)間停留在他們的成就上。雖然他們通過開發(fā)第一款石英表讓世界驚訝，但他們知道，只要商業(yè)上可行，它就會成為日常生活中的常見項(xiàng)目。最終用戶不斷渴望更好，更高質(zhì)量的產(chǎn)品 - 這一現(xiàn)象即使在當(dāng)今時(shí)代也是如此。
隨著第二年（1970年）Quartz Astron的全球發(fā)布，開發(fā)音叉表晶單元的團(tuán)隊(duì)得到了高層管理人員的嚴(yán)格訂單，生產(chǎn)出更緊湊的設(shè)計(jì)。我們的目標(biāo)是提高公司手表的產(chǎn)品吸引力，同時(shí)開發(fā)具有卓越抗沖擊性和提高大規(guī)模生產(chǎn)效率的石英手表。盡管石英天文臺是一款開創(chuàng)性的新產(chǎn)品，但其工程師認(rèn)為其尺寸仍然過大。石英手表被認(rèn)為需要制造得更加緊湊，才能更好地被市場接受。然而，Cal.35SQ型晶體單元（直徑4.3mm x 18.5mm）的尺寸太大，無法進(jìn)一步縮小石英表的尺寸，“運(yùn)動”是指手表中包含的操作機(jī)制。
工程師不懈地努力，直到他們設(shè)法將緊湊的音叉晶體單元投入實(shí)際使用。當(dāng)然，如果Su訪Seikosha開發(fā)團(tuán)隊(duì)的某個人宣稱“沒有簡單的方法可以讓水晶單元變得更小”，那就不足為奇了。盡管如此，開發(fā)團(tuán)隊(duì)事后并未提出任何意見，而是立即采取行動。
他們努力推動的動機(jī)是什么？自1972年以來一直參與石英設(shè)備開發(fā)的工程師Haruo Takada先生反映了那些時(shí)代。“雖然我個人還沒有參與晶體單元的開發(fā)，但是開發(fā)團(tuán)隊(duì)從一開始就知道如何使它們更加緊湊。他們知道為了使音叉晶體單元更小，他們必須增加振蕩頻率。一旦我們考慮到了原則，解決方案就很明顯了。“
Quartz Astron使用的音叉石英晶體諧振器的振蕩頻率為8.192kHz。將頻率加倍會導(dǎo)致長度的1/√2倍。換句話說，將振蕩頻率增加到16.384kHz將導(dǎo)致晶體單元的尺寸減小到原始長度的大約0.7倍。增加振蕩頻率本身并不是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。實(shí)際上，1970年的石英鐘實(shí)際上使用了振蕩頻率為100k到200kHz的晶體單元，而廣播電臺設(shè)施使用的是兆赫級的晶體單元。
開發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?zhàn)略的方向已經(jīng)確定。它們會使振蕩頻率加倍并減小音叉晶體單元的尺寸。毫無疑問，這將有助于在緊湊型石英手表機(jī)芯內(nèi)安裝水晶單元。開發(fā)團(tuán)隊(duì)勝利地完成了他們的工作。然而，緊接著，他們面臨著一個新的同樣困難的挑戰(zhàn)。
得益于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展
問題在于消耗的電量增加。功耗增加意味著手表的電池壽命縮短。不言而喻的是，需要頻繁更換電池的石英手表的產(chǎn)品吸引力會很差。開發(fā)團(tuán)隊(duì)知道它必須找到降低手表功耗的方法。事實(shí)上，開發(fā)團(tuán)隊(duì)原則上已經(jīng)知道，在參與開發(fā)過程之前，“增加振蕩頻率會增加功耗”。對于工作頻率的任何增加，時(shí)鐘晶體單元消耗的任何功率將以2的冪指數(shù)地增加。換句話說，將振蕩頻率加倍將導(dǎo)致功耗增加四倍（22=4）。很明顯，它需要一些創(chuàng)造性思維來成功降低功耗。然而，當(dāng)時(shí)還沒有其他技術(shù)可以減小晶體的尺寸。
開發(fā)團(tuán)隊(duì)感到困惑。“一定有辦法。” 1971年，僵局感開始出現(xiàn)。然后，來自海洋的好消息傳來，美國的某個半導(dǎo)體制造商已經(jīng)開發(fā)出一種新的創(chuàng)新型半導(dǎo)體技術(shù)。開發(fā)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持這個消息，好像這是他們最后的希望。實(shí)際上，他們逐漸意識到需要調(diào)查和分析負(fù)責(zé)振蕩和時(shí)鐘分頻等功能的電子電路，以提高Quartz Astron的功耗能力。安裝在Quartz Astron內(nèi)部的電子電路是混合電路，包括雙極芯片的組合。切換到新的半導(dǎo)體技術(shù)確實(shí)可以降低功耗。
負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的人立即飛往美國。一旦在外國土地上，他們發(fā)現(xiàn)自己面臨一種全新的技術(shù)。這是CMOS集成電路（IC）技術(shù)。目前，CMOS IC是一種相當(dāng)常見的技術(shù)，但當(dāng)時(shí)它確實(shí)是開創(chuàng)性的。與組合雙極芯片的傳統(tǒng)混合電路相比，功耗可以大幅降低。該團(tuán)隊(duì)的工程師立即感覺到他們已經(jīng)找到了答案。
此后的發(fā)展穩(wěn)步推進(jìn)，他們自然采用了新的半導(dǎo)體技術(shù)。在技術(shù)評估上花費(fèi)了合理的時(shí)間。但是，沒有出現(xiàn)阻礙發(fā)展的重大問題。因此，在1971年，該團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了較小的“Cal.38型”音叉晶振單元（圖4），振蕩頻率為16.384kHz，尺寸為4.3mm直徑×14.7mm長。
圖4：'Cal.38'型音叉晶體單元
通過將振蕩頻率提高到16.384Hz，實(shí)現(xiàn)了更小巧的尺寸。新晶體單元于1971年開發(fā)，尺寸為直徑4.3mm×長度14.7mm。
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