- 移動(dòng)設(shè)備中的振蕩器技術(shù)發(fā)展
- 石英晶體的小型化
- 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器
多年來(lái)，鑒于其高Q值和穩(wěn)定的溫度特性，石英晶體振蕩器已成為消費(fèi)、商業(yè)、工業(yè)及軍工產(chǎn)品的重要時(shí)鐘源。自2000至2001年的互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)衰退之后，石英晶體與晶體振蕩器的需求每年以4%～10%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。
2008年，石英晶體振蕩器的市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)41億美元。而這一年正是石英振蕩器誕生90周年。在我們身邊的幾乎所有便攜式與固定電子設(shè)備中都能找到這些石英晶體及晶體振蕩器，其中一個(gè)很好的范例就是手機(jī)。
在早期，典型的GSM手機(jī)有四套不同的壓電式頻率控制與發(fā)生元件：射頻聲表面波(RFSAW)濾波器(900MHz～2GHz，采用壓電式鉭酸鋰或鈮酸鋰)，用于天線與收發(fā)器芯片組之間濾波的發(fā)射與接收；如果采用超外差下變頻，則具有中頻聲表面波(IFSAW)濾波器(50～400MHz，主要采用石英)；溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）(13/26MHz，采用石英晶體)，在收發(fā)器合成器中作為時(shí)鐘參考用于信道化；音叉(32.768kHz，采用石英晶體)用于基帶部分的備用定時(shí)。
后來(lái)，直接變頻技術(shù)的成功研發(fā)淘汰了許多GSM手機(jī)里的中頻聲表面波濾波器。幾年前，具有片上數(shù)字補(bǔ)償晶體振蕩器(DCXO)電路的GSM收發(fā)器芯片組不再需要TCXO。然而，它仍需要片外的石英晶體振蕩器。
如今，手機(jī)似乎不再需要變得更小，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)相當(dāng)小了。事實(shí)上，一些手機(jī)正在變大，以提供消費(fèi)者所需的更多功能，如多頻帶、多模式、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、MP3、GPS、因特網(wǎng)接入、藍(lán)牙和數(shù)字電視等。
與早前認(rèn)為的片外石英晶體、晶體振蕩器，SAW元件的需求隨時(shí)間推移將越來(lái)越少的設(shè)想正好相反，如今，手機(jī)具有更多這些元件，需要石英音叉、石英晶體振蕩器、晶體振蕩器、壓控晶體振蕩器（VCXO）、TCXO與射頻聲表面波/薄膜體聲波諧振器(FBAR)濾波器/雙工器。雖然這些元件的獨(dú)特制造與封裝要求使得它們幾乎不可能被集成到了成熟的硅基集成電路（IC）平臺(tái)中，但它們已經(jīng)變得非常小，并且能夠提供良好的頻率控制和發(fā)生功能，以滿足手機(jī)設(shè)計(jì)人員日益嚴(yán)格的要求。
在有線與無(wú)線市場(chǎng)迅猛增長(zhǎng)的推動(dòng)下，石英晶體及其高頻版SAW器件正廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，小到電子玩具中簡(jiǎn)單的無(wú)源石英晶體，大到用于最先進(jìn)的電信網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)定時(shí)的復(fù)雜同步定時(shí)模塊（STM)，如表1所示。
過(guò)去幾年里，面向娛樂(lè)、游戲、便攜式市場(chǎng)的電子設(shè)備的巨大增長(zhǎng)，將石英晶體與晶體振蕩器向越來(lái)越小型發(fā)展的需求推到了空前水平。如今兆赫茲石英晶體的體積已經(jīng)小到2.0mm×1.6mm，且能夠批量組裝，這在幾年前是難以想象的。至于帶金屬管封裝的32.768kHz石英音叉注塑模型從多年前起就可獲得。
目前，采用傳統(tǒng)兆赫茲晶體封裝方法的石英音叉可提供4.1mm×1.5mm、3.2mm×1.5mm及2.0mm×1.2mm的小尺寸型。現(xiàn)在正在力爭(zhēng)將這些晶體音叉的厚度壓縮至0.4mm或更薄，以達(dá)到薄型應(yīng)用的要求。需要如此小尺寸石英晶體(1.6mm×1.0mm與1.0mm×0.8mm)的應(yīng)用預(yù)期將在今后數(shù)年內(nèi)出現(xiàn)，并且石英晶體供應(yīng)商正為此作準(zhǔn)備。
由于尺寸小于5mm×3.2mm，石英晶體一般需要在真空中密封以保持阻抗不受損。低兆赫小尺寸石英晶體片也需要斜削(修磨石英晶體邊緣)，以實(shí)現(xiàn)有效的能陷。
處理石英音叉中采用的光刻方法被大部分有能力的供應(yīng)商應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)超小尺寸石英晶體與低兆赫石英晶體。該方法將會(huì)成為那些只依賴傳統(tǒng)研磨法處理石英晶體的供應(yīng)商將石英晶體進(jìn)一步小型化的主要技術(shù)障礙。
至于晶體振蕩器，2.5mm×2mmCMOS固定頻率晶體振蕩器的組裝正在全力進(jìn)行，且更小的2mm×1.6mm與1.6mm×1.0mm版本也處于樣片或開(kāi)發(fā)階段。2.5V的供電電壓如今仍然是標(biāo)準(zhǔn)配置，同時(shí)，1.8V或更低的供電電壓的市場(chǎng)正在開(kāi)始興起。
根據(jù)工作溫度范圍，上述兆赫茲石英晶體與晶體振蕩器在各種溫度下的頻率穩(wěn)定性通常規(guī)定小于±25×10-6、±50×10-6及±100×10-6。因此，石英晶體是在無(wú)任何補(bǔ)償情況可提供此種穩(wěn)定性的唯一已知的諧振元件。
為提供更高的頻率穩(wěn)定性，可采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）。AT切晶體的頻率與溫度為三次方關(guān)系。TCXO振蕩器電路具有電壓頻率上拉功能，用于以模擬或數(shù)字的方式在整個(gè)溫度范圍內(nèi)將三次方的頻率溫度變化補(bǔ)償至低于10×10-6水平，其中補(bǔ)償以非常低的頻率變化梯度進(jìn)行。
對(duì)于今天的手機(jī)應(yīng)用而言，為了提供頻率合成的精確參考時(shí)鐘，需要優(yōu)于±2.5×10-6的頻率穩(wěn)定性。對(duì)于GPS設(shè)備，需要小于±1.0×10-6或±0.5×10-6的TCXO。例如，愛(ài)普生Toyocom公司針對(duì)上述應(yīng)用提供了微型TCXO(2mm×1.6mm)。
很多人并不知道，不少的石英產(chǎn)品(石英晶體、石英音叉和石英陀螺傳感器等)是利用一些微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝步驟生產(chǎn)的，如光刻、金屬化、蝕刻、犧牲層的沉積與去除，以及金刻蝕保護(hù)等。
實(shí)際上，與許多硅基的MEMS工藝相比，這些復(fù)雜的處理步驟，如非平面金屬化方案(用于石英音叉)、抗石英晶體硬度引起的蝕刻、高度各向異性石英晶體的不同蝕刻程度等，使得石英晶體產(chǎn)品小型化處理在技術(shù)上更加具有挑戰(zhàn)性。愛(ài)普生Toyocom公司在數(shù)年前為了強(qiáng)調(diào)石英與MEMS技術(shù)對(duì)下一代石英晶體器件的重要性，提出了“QMEMS”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。
總的來(lái)說(shuō)，在過(guò)去10年中，石英晶體與晶體振蕩器供應(yīng)商做到了將石英晶體振蕩器、晶體振蕩器、VCXO及TCXO的尺寸縮小至目前水平，這曾經(jīng)被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的，尤其是在沒(méi)有降低性能或增加成本的前提下。每年越來(lái)越多的石英晶體器件被組裝，成熟產(chǎn)品的平均售價(jià)持續(xù)下降。
該行業(yè)經(jīng)過(guò)過(guò)去10年努力已經(jīng)取得成功，且仍將繼續(xù)發(fā)展。這包括創(chuàng)新、小型化、成本降低、新應(yīng)用開(kāi)發(fā)，以及性能、易用性與穩(wěn)定性的改進(jìn)。所有這些都為了保持其在電子行業(yè)中的“時(shí)鐘解決方案”的地位。其推動(dòng)力是提供性能最好且性價(jià)比最高的石英解決方案，從而使消費(fèi)者沒(méi)有理由去選擇其他技術(shù)。
