高品質(zhì)低功耗晶振藝術(shù)化進程
來源:http://netflixyz.com 作者:金洛鑫電子 2018年09月03
如今市面上的進口晶振品質(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),激光刻蝕等先進的加工技術(shù)了。
石英設(shè)備悄悄地連續(xù)標記著電視機,電腦和手表內(nèi)的時間流逝。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MEMS(微電子機械系統(tǒng))晶體材料微加工工藝的獨特技術(shù)的名稱,是該公司業(yè)務(wù)的真正支柱。通過充分利用這項技術(shù)的優(yōu)勢,可以為石英器件實現(xiàn)更小巧的尺寸和更好的性能。QMEMS的起源是當今世界的領(lǐng)先技術(shù),可以追溯到20世紀70年代初。QMEMS技術(shù)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?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-“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(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經(jīng)常受到的振動和撞擊所引起的問題。
此時公司開發(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(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際應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(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)象即使在當今時代也是如此。
隨著第二年(1970年)Quartz Astron的全球發(fā)布,開發(fā)音叉表晶單元的團隊得到了高層管理人員的嚴格訂單,生產(chǎn)出更緊湊的設(shè)計。我們的目標是提高公司手表的產(chǎn)品吸引力,同時開發(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(shè)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(fā)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(fā)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(shè)備開發(fā)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(fā),但是開發(fā)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(wù)。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(shè)施使用的是兆赫級的晶體單元。
開發(fā)團隊戰(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芯內(nèi)安裝水晶單元。開發(fā)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(zhàn)。
得益于半導體技術(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)團隊知道它必須找到降低手表功耗的方法。事實上,開發(fā)團隊原則上已經(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,當時還沒有其他技術(shù)可以減小晶體的尺寸。
開發(fā)團隊感到困惑。“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,美國的某個半導體制造商已經(jīng)開發(fā)出一種新的創(chuàng)新型半導體技術(shù)。開發(fā)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(diào)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(nèi)部的電子電路是混合電路,包括雙極芯片的組合。切換到新的半導體技術(shù)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(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是一種相當常見的技術(shù),但當時它確實是開創(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。該團隊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,他們自然采用了新的半導體技術(shù)。在技術(shù)評估上花費了合理的時間。但是,沒有出現(xiàn)阻礙發(fā)展的重大問題。因此,在1971年,該團隊成功開發(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)標記著電視機,電腦和手表內(nèi)的時間流逝。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MEMS(微電子機械系統(tǒng))晶體材料微加工工藝的獨特技術(shù)的名稱,是該公司業(yè)務(wù)的真正支柱。通過充分利用這項技術(shù)的優(yōu)勢,可以為石英器件實現(xiàn)更小巧的尺寸和更好的性能。QMEMS的起源是當今世界的領(lǐng)先技術(shù),可以追溯到20世紀70年代初。QMEMS技術(shù)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?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-“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(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經(jīng)常受到的振動和撞擊所引起的問題。
此時公司開發(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(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際應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(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)象即使在當今時代也是如此。
隨著第二年(1970年)Quartz Astron的全球發(fā)布,開發(fā)音叉表晶單元的團隊得到了高層管理人員的嚴格訂單,生產(chǎn)出更緊湊的設(shè)計。我們的目標是提高公司手表的產(chǎn)品吸引力,同時開發(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(shè)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(fā)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(fā)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(shè)備開發(fā)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(fā),但是開發(fā)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(wù)。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(shè)施使用的是兆赫級的晶體單元。
開發(fā)團隊戰(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芯內(nèi)安裝水晶單元。開發(fā)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(zhàn)。
得益于半導體技術(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)團隊知道它必須找到降低手表功耗的方法。事實上,開發(fā)團隊原則上已經(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,當時還沒有其他技術(shù)可以減小晶體的尺寸。
開發(fā)團隊感到困惑。“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,美國的某個半導體制造商已經(jīng)開發(fā)出一種新的創(chuàng)新型半導體技術(shù)。開發(fā)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(diào)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(nèi)部的電子電路是混合電路,包括雙極芯片的組合。切換到新的半導體技術(shù)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(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是一種相當常見的技術(shù),但當時它確實是開創(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。該團隊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,他們自然采用了新的半導體技術(shù)。在技術(shù)評估上花費了合理的時間。但是,沒有出現(xiàn)阻礙發(fā)展的重大問題。因此,在1971年,該團隊成功開發(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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