解讀“產(chǎn)業(yè)之鹽”——電子系統(tǒng)不可或缺的晶體器件

開門七件事：“柴米油鹽醬醋茶”，鹽是人們生活中的必需品，而在電子科技領(lǐng)域，晶體元器件則被稱為“產(chǎn)業(yè)之鹽”，可見晶體元器件在電子技術(shù)領(lǐng)域的重要性。然而，“玉不琢不成器”，石英晶體必須經(jīng)過非常精密的加工才能為電路系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘，而占據(jù)了世界晶體元器件市場(chǎng)超過1/5份額的精工EPSON(愛普生)公司無疑是雕刻石英晶體的能人巨匠。

從業(yè)界巨頭看“產(chǎn)業(yè)之鹽”現(xiàn)狀

“就像比利時(shí)的鉆石切工名揚(yáng)四海一樣，EPSON的石英晶體技術(shù)在全球也是處于領(lǐng)導(dǎo)者地位。EPSON擁有自己的晶棒工廠，而全球只有3家晶體元器件廠商擁有自己的晶棒工廠，從最開始的人工晶棒培育，到切割，打磨……EPSON掌握了石英晶體加工的整個(gè)流程。此外，EPSON也是全球唯一一家既可以生產(chǎn)晶體，又可以制作IC的廠商。” EPSON中國(guó)核心代理商世強(qiáng)產(chǎn)品經(jīng)理張永龍先生表示。

毫無疑問，EPSON是世界上最大的晶體產(chǎn)品供應(yīng)商。公司產(chǎn)品線包括幾乎所有的石英晶體器件，主要產(chǎn)品包括：無源晶體、有源晶振、TCXO、VCXO、 SAW振蕩器、OCXO、原子鐘、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、角速度傳感、LCD控制器、LCD驅(qū)動(dòng)等，頻率覆蓋范圍則從KHz至GHz全覆蓋。

“在中國(guó)成熟的市場(chǎng)上，如手機(jī)市場(chǎng)、鐘表市場(chǎng)、電表市場(chǎng)，EPSON的晶體元器件憑借其高精度、高可靠性、穩(wěn)定的供貨在市場(chǎng)上受到廣泛好評(píng)，贏得了許多客戶的青睞。” 張永龍指出。

例如在電力系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)負(fù)荷的不同決定了電價(jià)的不等，從而需要時(shí)鐘芯片在電表中計(jì)時(shí)。EPSON時(shí)鐘芯片可保障電力系統(tǒng)分時(shí)分段計(jì)時(shí)，其內(nèi)置晶體的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊(RTC)依靠精確的時(shí)間及特有的溫度補(bǔ)償功能，能夠滿足國(guó)家電網(wǎng)對(duì)時(shí)鐘精度的要求。據(jù)悉，EPSON電表實(shí)時(shí)時(shí)鐘RX8025T已經(jīng)寫入電表國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，成為行業(yè)標(biāo)桿。

“EPSON在中國(guó)的手機(jī)和電表市場(chǎng)大獲成功，不過，他并沒有就此停下前進(jìn)的腳步。2012年EPSON授權(quán)世強(qiáng)為其中國(guó)區(qū)代理商，依托世強(qiáng)在工業(yè)和通信等領(lǐng)域所積累的深厚的客戶資源及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，世強(qiáng)有責(zé)任和能力將EPSON先進(jìn)的晶體元器件技術(shù)帶給中國(guó)工業(yè)、通信、汽車等領(lǐng)域的廠商，以幫助客戶取得成功。” 張永龍表示。

工業(yè)、通信、醫(yī)療應(yīng)用之“鹽”——內(nèi)置32.768KHz晶體的RTC

RX8025T是專門適用于電表的RTC，而EPSON最新內(nèi)置晶體的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RX8010SJ則非常適合于視頻監(jiān)控，各種網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、辦公設(shè)備、測(cè)量?jī)x器等各種有時(shí)間保持要求的工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品中。

“例如，智能三表(水表、氣表、熱表)、便攜式醫(yī)療設(shè)備(例如血氧夾)、中央空調(diào)的控制器等生產(chǎn)廠家，現(xiàn)在非常需要EPSON低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊(RTC)為其提供記時(shí)功能。”張永龍指出。

與分立式方案相比，EPSON 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊是在同一封裝內(nèi)集成了音叉型晶體(32.768KHz的時(shí)鐘)和鐘表用IC(具有振蕩電路、時(shí)鐘、日歷、報(bào)警等功能)的模塊。這帶來許多好處，例如：減小了PCB面積，功耗僅為分立方案的1/3，由于內(nèi)置晶體是在真空管中填充惰性氣體，因此音叉不易受冷凝效應(yīng)的影響，精度穩(wěn)定性更高。

圖1. EPSON 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊是在同一封裝中內(nèi)集成了音叉型晶體(32.768KHz的時(shí)鐘)和鐘表用IC(具有振蕩電路、時(shí)鐘、日歷、報(bào)警等功能)的模塊

RX8010SJ將32.768KHz的晶體和時(shí)鐘IC組合在一個(gè)封裝中，并在出廠時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘精度調(diào)整。采用PKG SOP 8 小型化封裝，引腳兼容NXP，Maxim/Dallas等多家RTC，用戶可在現(xiàn)有的電路上方便的進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。

圖2. RX8010SJ將32.768KHz的晶體和時(shí)鐘IC組合在一個(gè)封裝中

RX8010SJ時(shí)鐘精度為5+/-23PPM，由于采用內(nèi)置32.768KHz晶體，故而能夠減輕用戶對(duì)電路匹配的負(fù)擔(dān)和環(huán)境對(duì)晶體電路的影響。“RX8010SJ時(shí)鐘保持功耗僅 160 nA，約為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的一半，可以滿足長(zhǎng)期時(shí)鐘保持要求并可采用小容量電池或電容，其工業(yè)級(jí)溫度范圍為-40 to 85 度。”張永龍進(jìn)一步指出：“對(duì)于需要高端應(yīng)用的客戶，推薦帶溫度補(bǔ)償?shù)腞X-8803SA。”

創(chuàng)新QMEMS技術(shù)——超小型、高精度、高穩(wěn)定

世強(qiáng)代理的EPSON能夠提供7050、5032全系列封裝的QMEMS工藝有源晶振，這些晶振同上文所述的RTC都采用了EPSON創(chuàng)新的QMEMS工藝。何謂QMEMS?如下如3所示，與以硅為材料的MEMS相對(duì)應(yīng)，以石英為原料進(jìn)行精微加工(光刻)并可以提供的小型化、高性能的晶體元器件被稱為：“QMEMS”=QUARTZ+MEMS。

圖3. 何謂QMEMS?

小型化、高精度和高穩(wěn)定性是時(shí)鐘器件不變的主題。而對(duì)電子元器件進(jìn)行小型化時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)性能的劣化。但是市場(chǎng)需求的是既達(dá)到小型化又不改變性能的電子元器件。傳統(tǒng)機(jī)械加工方法已接近極限。

“隨著尺寸越來越小，傳統(tǒng)機(jī)械方法在切割時(shí)，晶片有可能會(huì)斷裂，一是它的穩(wěn)定性不會(huì)高，另外一點(diǎn)是想提高精度非常困難。例如，如果要使音叉型石英晶振芯片小型化，CI值就會(huì)升高從而難于取得良好的振蕩特性，這也成了小型化的瓶頸所在。”張永龍指出。

之所以選擇石英晶體+類似半導(dǎo)體MEMS的生產(chǎn)制程，張永龍解釋說，首先是因?yàn)槭⒕w硬度及理化性質(zhì)穩(wěn)定，頻率基本不隨溫度變化，由此產(chǎn)生的內(nèi)部振蕩損失也最小，非常適合精密制造。其次，區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械式加工生產(chǎn)方式，QMEMS更便于批量生產(chǎn)。更重要的是，在保證小型化的同時(shí)把偏差限制在最小限度內(nèi)，從而保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和低功耗，便于工程師進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)。

作為具有豐富石英晶體生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的公司，EPSON能夠?qū)κ⒃线M(jìn)行精密加工(光刻)，如下圖4所示為QMEMS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。“采用傳統(tǒng)的機(jī)械研磨方法加工石英晶體，不單效率低，精準(zhǔn)的一致性也不好，損耗也多，而采用光刻技術(shù)，不但能夠獲得更高的精度和一致性，更重要的是還能大大減少晶體的生產(chǎn)成本，一塊wafer能夠產(chǎn)出傳統(tǒng)工藝5倍的元件。這就大大降低了成本。”張永龍表示。

圖4. QMEMS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

采用QMEMS技術(shù)的角速度傳感器——小型化、高穩(wěn)定性

另外一種應(yīng)用QMEMS技術(shù)的產(chǎn)品是角速度傳感器，也就是陀螺儀。誰都知道數(shù)碼相機(jī)的防抖功能，但您是否知道這項(xiàng)防抖技術(shù)中使用了角速度傳感器的事實(shí)呢?EPSON的角速度傳感器以水晶為材料，實(shí)現(xiàn)了小型化并達(dá)到了高度的穩(wěn)定性。為此，被很多的數(shù)碼相機(jī)所采用。

“EPSON的角速度傳感器由于使用了水晶為原料，所以即使周圍溫度發(fā)生變化，其靈敏度和零點(diǎn)輸出也能保持穩(wěn)定。”張永龍指出。如下圖5所示，藍(lán)色的線表示EPSON的角速度傳感器，當(dāng)周圍溫度發(fā)生變化時(shí)，其靈敏度與輸出也保持一定，并且，停止時(shí)也能正確地檢測(cè)出“停止”，所以即使是微小的動(dòng)作，也能正確地測(cè)試出。

圖5. EPSON的角速度傳感器由于使用了水晶為原料，所以即使周圍溫度發(fā)生變化，靈敏度、零點(diǎn)輸出也能保持穩(wěn)定。

圖6. 5.0×3.2mm的小型規(guī)格，是移動(dòng)設(shè)備上也能搭載的規(guī)格。

現(xiàn)在，在汽車導(dǎo)航儀的航位推算功能上也使用了角速度傳感器，如果裝了這種角速度傳感器的話，在隧道中和高層建筑中也可以非常準(zhǔn)確地檢測(cè)自己車的位置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如今一輛高級(jí)轎車的晶體元器件數(shù)量達(dá)50個(gè)之多，在汽車電子領(lǐng)域，角速度傳感器還能感知由于急轉(zhuǎn)彎或容易打滑的路面所造成的車輛的橫滑，自動(dòng)地對(duì)車輛進(jìn)行控制。

而獨(dú)輪車，汽車安全氣囊等也是EPSON角速度傳感器的用武之地。“此外，由于國(guó)家強(qiáng)制漁船接收中國(guó)中星九號(hào)衛(wèi)星信號(hào)，EPSON角速度傳感器還將用于漁船的衛(wèi)星天線，以檢測(cè)自適應(yīng)調(diào)整天線角度。”張永龍透露。

本文小結(jié)

幸運(yùn)的擁有了QMEMS技術(shù)，EPSON實(shí)現(xiàn)了超小型、高精度、高穩(wěn)定的晶體元器件。并且，創(chuàng)新的QMEMS技術(shù)還使得EPSON晶體元器件的價(jià)格相比以前有很大幅度的降低，甚至比一些臺(tái)灣的廠商更有優(yōu)勢(shì)，交貨更快。

此外，與手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)r(shí)鐘單一頻率的需求不同，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，由于客戶的產(chǎn)品種類繁雜，對(duì)時(shí)鐘頻率的需求各有不同，鑒于此，世強(qiáng)為廣大工業(yè)領(lǐng)域的用戶提供了型號(hào)最全，封裝最全的備貨，以滿足不同客戶對(duì)時(shí)鐘的不同需求。這些都是世強(qiáng)代理的EPSON晶體元器件所獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。