高品質低功耗晶振藝術化進程
來源：http://m.11ed.cn 作者：金洛鑫電子 2018年09月03
如今市面上的進口晶振品質和技術都很高，可以滿足現在任何產品的需要，很多人不知道的是，在幾十年前，石英技術并不算很完善，產能和質量和現在根本沒得比，這是這只是長期斗爭的結果。那時候，甚至連AT切割方式都還沒出來，更不用說頻率微調，激光刻蝕等先進的加工技術了。
石英設備悄悄地連續標記著電視機，電腦和手表內的時間流逝。石英器件已經發展成為電子行業不可或缺的固定裝置，甚至被稱為“工業之鹽”。這些重要的石英設備的頂級制造商是愛普生晶振公司。'QMEMS（Quartz +'MEMS'）'是促進MEMS（微電子機械系統）晶體材料微加工工藝的獨特技術的名稱，是該公司業務的真正支柱。通過充分利用這項技術的優勢，可以為石英器件實現更小巧的尺寸和更好的性能。QMEMS的起源是當今世界的領先技術，可以追溯到20世紀70年代初。QMEMS技術源自30多年來工程師的嚴格努力。
1969年，在日本中部的Su訪湖畔，當地的一家公司悄然成功地將世界上第一塊石英手表變成了現實-“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。雖然機械手表當然已經存在，但這些并不精確。需要一個創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年代中后期進行無情競爭以找到一個問題。
圖2：Quartz Astron開發之前
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展的競爭對手。使Su訪Seikosha領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”的新結構解決了這個問題。新開發的'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還能夠調整水晶單元的內部結構，以便克服腕表連接在佩戴者手腕上時經常受到的振動和撞擊所引起的問題。
此時公司開發的音叉式圓柱晶振用于Suwa Seikosha內部制造的手表。因此，“我們沒有給他們一個特定的產品型號，只是通過他們的機芯名稱或手表的操作機制（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
采用新開發的音叉結構，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際應用和音叉晶體單元的開發是許多工程師流下血液，汗水和眼淚的結果。然而，這絕不是故事的結局。事實上，這只是長期艱苦斗爭的開始，直至今日。
工程師沒有時間停留在他們的成就上。雖然他們通過開發第一款石英表讓世界驚訝，但他們知道，只要商業上可行，它就會成為日常生活中的常見項目。最終用戶不斷渴望更好，更高質量的產品 - 這一現象即使在當今時代也是如此。
隨著第二年（1970年）Quartz Astron的全球發布，開發音叉表晶單元的團隊得到了高層管理人員的嚴格訂單，生產出更緊湊的設計。我們的目標是提高公司手表的產品吸引力，同時開發具有卓越抗沖擊性和提高大規模生產效率的石英手表。盡管石英天文臺是一款開創性的新產品，但其工程師認為其尺寸仍然過大。石英手表被認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，無法進一步縮小石英表的尺寸，“運動”是指手表中包含的操作機制。
工程師不懈地努力，直到他們設法將緊湊的音叉晶體單元投入實際使用。當然，如果Su訪Seikosha開發團隊的某個人宣稱“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，開發團隊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是什么？自1972年以來一直參與石英設備開發的工程師Haruo Takada先生反映了那些時代。“雖然我個人還沒有參與晶體單元的開發，但是開發團隊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。將頻率加倍會導致長度的1/√2倍。換句話說，將振蕩頻率增加到16.384kHz將導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艱巨的任務。實際上，1970年的石英鐘實際上使用了振蕩頻率為100k到200kHz的晶體單元，而廣播電臺設施使用的是兆赫級的晶體單元。
開發團隊戰略的方向已經確定。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芯內安裝水晶單元。開發團隊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。
得益于半導體技術的發展
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品吸引力會很差。開發團隊知道它必須找到降低手表功耗的方法。事實上，開發團隊原則上已經知道，在參與開發過程之前，“增加振蕩頻率會增加功耗”。對于工作頻率的任何增加，時鐘晶體單元消耗的任何功率將以2的冪指數地增加。換句話說，將振蕩頻率加倍將導致功耗增加四倍（22=4）。很明顯，它需要一些創造性思維來成功降低功耗。然而，當時還沒有其他技術可以減小晶體的尺寸。
開發團隊感到困惑。“一定有辦法。” 1971年，僵局感開始出現。然后，來自海洋的好消息傳來，美國的某個半導體制造商已經開發出一種新的創新型半導體技術。開發團隊堅持這個消息，好像這是他們最后的希望。實際上，他們逐漸意識到需要調查和分析負責振蕩和時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。切換到新的半導體技術確實可以降低功耗。
負責該項目的人立即飛往美國。一旦在外國土地上，他們發現自己面臨一種全新的技術。這是CMOS集成電路（IC）技術。目前，CMOS IC是一種相當常見的技術，但當時它確實是開創性的。與組合雙極芯片的傳統混合電路相比，功耗可以大幅降低。該團隊的工程師立即感覺到他們已經找到了答案。
此后的發展穩步推進，他們自然采用了新的半導體技術。在技術評估上花費了合理的時間。但是，沒有出現阻礙發展的重大問題。因此，在1971年，該團隊成功開發了較小的“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，實現了更小巧的尺寸。新晶體單元于1971年開發，尺寸為直徑4.3mm×長度14.7mm。
石英設備悄悄地連續標記著電視機，電腦和手表內的時間流逝。石英器件已經發展成為電子行業不可或缺的固定裝置，甚至被稱為“工業之鹽”。這些重要的石英設備的頂級制造商是愛普生晶振公司。'QMEMS（Quartz +'MEMS'）'是促進MEMS（微電子機械系統）晶體材料微加工工藝的獨特技術的名稱，是該公司業務的真正支柱。通過充分利用這項技術的優勢，可以為石英器件實現更小巧的尺寸和更好的性能。QMEMS的起源是當今世界的領先技術，可以追溯到20世紀70年代初。QMEMS技術源自30多年來工程師的嚴格努力。
1969年，在日本中部的Su訪湖畔，當地的一家公司悄然成功地將世界上第一塊石英手表變成了現實-“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。雖然機械手表當然已經存在，但這些并不精確。需要一個創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展的競爭對手。使Su訪Seikosha領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”的新結構解決了這個問題。新開發的'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還能夠調整水晶單元的內部結構，以便克服腕表連接在佩戴者手腕上時經常受到的振動和撞擊所引起的問題。
此時公司開發的音叉式圓柱晶振用于Suwa Seikosha內部制造的手表。因此，“我們沒有給他們一個特定的產品型號，只是通過他們的機芯名稱或手表的操作機制（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
采用新開發的音叉結構，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際應用和音叉晶體單元的開發是許多工程師流下血液，汗水和眼淚的結果。然而，這絕不是故事的結局。事實上，這只是長期艱苦斗爭的開始，直至今日。
工程師沒有時間停留在他們的成就上。雖然他們通過開發第一款石英表讓世界驚訝，但他們知道，只要商業上可行，它就會成為日常生活中的常見項目。最終用戶不斷渴望更好，更高質量的產品 - 這一現象即使在當今時代也是如此。
隨著第二年（1970年）Quartz Astron的全球發布，開發音叉表晶單元的團隊得到了高層管理人員的嚴格訂單，生產出更緊湊的設計。我們的目標是提高公司手表的產品吸引力，同時開發具有卓越抗沖擊性和提高大規模生產效率的石英手表。盡管石英天文臺是一款開創性的新產品，但其工程師認為其尺寸仍然過大。石英手表被認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，無法進一步縮小石英表的尺寸，“運動”是指手表中包含的操作機制。
工程師不懈地努力，直到他們設法將緊湊的音叉晶體單元投入實際使用。當然，如果Su訪Seikosha開發團隊的某個人宣稱“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，開發團隊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是什么？自1972年以來一直參與石英設備開發的工程師Haruo Takada先生反映了那些時代。“雖然我個人還沒有參與晶體單元的開發，但是開發團隊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。將頻率加倍會導致長度的1/√2倍。換句話說，將振蕩頻率增加到16.384kHz將導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艱巨的任務。實際上，1970年的石英鐘實際上使用了振蕩頻率為100k到200kHz的晶體單元，而廣播電臺設施使用的是兆赫級的晶體單元。
開發團隊戰略的方向已經確定。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芯內安裝水晶單元。開發團隊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。
得益于半導體技術的發展
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品吸引力會很差。開發團隊知道它必須找到降低手表功耗的方法。事實上，開發團隊原則上已經知道，在參與開發過程之前，“增加振蕩頻率會增加功耗”。對于工作頻率的任何增加，時鐘晶體單元消耗的任何功率將以2的冪指數地增加。換句話說，將振蕩頻率加倍將導致功耗增加四倍（22=4）。很明顯，它需要一些創造性思維來成功降低功耗。然而，當時還沒有其他技術可以減小晶體的尺寸。
開發團隊感到困惑。“一定有辦法。” 1971年，僵局感開始出現。然后，來自海洋的好消息傳來，美國的某個半導體制造商已經開發出一種新的創新型半導體技術。開發團隊堅持這個消息，好像這是他們最后的希望。實際上，他們逐漸意識到需要調查和分析負責振蕩和時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。切換到新的半導體技術確實可以降低功耗。
負責該項目的人立即飛往美國。一旦在外國土地上，他們發現自己面臨一種全新的技術。這是CMOS集成電路（IC）技術。目前，CMOS IC是一種相當常見的技術，但當時它確實是開創性的。與組合雙極芯片的傳統混合電路相比，功耗可以大幅降低。該團隊的工程師立即感覺到他們已經找到了答案。
此后的發展穩步推進，他們自然采用了新的半導體技術。在技術評估上花費了合理的時間。但是，沒有出現阻礙發展的重大問題。因此，在1971年，該團隊成功開發了較小的“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，實現了更小巧的尺寸。新晶體單元于1971年開發，尺寸為直徑4.3mm×長度14.7mm。
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