- 移動設備中的振蕩器技術發(fā)展
- 石英晶體的小型化
- 溫度補償晶體振蕩器
多年來，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、商業(yè)、工業(yè)及軍工產(chǎn)品的重要時鐘源。自2000至2001年的互聯(lián)網(wǎng)市場衰退之后，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。
2008年，石英晶體振蕩器的市場規(guī)模超過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備中都能找到這些石英晶體及晶體振蕩器，其中一個很好的范例就是手機。
在早期，典型的GSM手機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。
后來，直接變頻技術的成功研發(fā)淘汰了許多GSM手機里的中頻聲表面波濾波器。幾年前，具有片上數(shù)字補償晶體振蕩器(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，手機似乎不再需要變得更小，因為它們已經(jīng)相當小了。事實上，一些手機正在變大，以提供消費者所需的更多功能，如多頻帶、多模式、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、MP3、GPS、因特網(wǎng)接入、藍牙和數(shù)字電視等。
與早前認為的片外石英晶體、晶體振蕩器，SAW元件的需求隨時間推移將越來越少的設想正好相反，如今，手機具有更多這些元件，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，以滿足手機設計人員日益嚴格的要求。
在有線與無線市場迅猛增長的推動下，石英晶體及其高頻版SAW器件正廣泛用于各個領域，小到電子玩具中簡單的無源石英晶體，大到用于最先進的電信網(wǎng)絡骨干網(wǎng)定時的復雜同步定時模塊（STM)，如表1所示。
過去幾年里，面向娛樂、游戲、便攜式市場的電子設備的巨大增長，將石英晶體與晶體振蕩器向越來越小型發(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?，F(xiàn)在正在力爭將這些晶體音叉的厚度壓縮至0.4mm或更薄，以達到薄型應用的要求。需要如此小尺寸石英晶體(1.6mm×1.0mm與1.0mm×0.8mm)的應用預期將在今后數(shù)年內(nèi)出現(xiàn)，并且石英晶體供應商正為此作準備。
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商應用于實現(xiàn)超小尺寸石英晶體與低兆赫石英晶體。該方法將會成為那些只依賴傳統(tǒng)研磨法處理石英晶體的供應商將石英晶體進一步小型化的主要技術障礙。
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行，且更小的2mm×1.6mm與1.6mm×1.0mm版本也處于樣片或開發(fā)階段。2.5V的供電電壓如今仍然是標準配置，同時，1.8V或更低的供電電壓的市場正在開始興起。
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，石英晶體是在無任何補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，可采用溫度補償晶體振蕩器（TCXO）。AT切晶體的頻率與溫度為三次方關系。TCXO振蕩器電路具有電壓頻率上拉功能，用于以模擬或數(shù)字的方式在整個溫度范圍內(nèi)將三次方的頻率溫度變化補償至低于10×10-6水平，其中補償以非常低的頻率變化梯度進行。
對于今天的手機應用而言，為了提供頻率合成的精確參考時鐘，需要優(yōu)于±2.5×10-6的頻率穩(wěn)定性。對于GPS設備，需要小于±1.0×10-6或±0.5×10-6的TCXO。例如，愛普生Toyocom公司針對上述應用提供了微型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，以及金刻蝕保護等。
實際上，與許多硅基的MEMS工藝相比，這些復雜的處理步驟，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上更加具有挑戰(zhàn)性。愛普生Toyocom公司在數(shù)年前為了強調(diào)石英與MEMS技術對下一代石英晶體器件的重要性，提出了“QMEMS”這個術語。
總的來說，在過去10年中，石英晶體與晶體振蕩器供應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)被認為是不可能實現(xiàn)的，尤其是在沒有降低性能或增加成本的前提下。每年越來越多的石英晶體器件被組裝，成熟產(chǎn)品的平均售價持續(xù)下降。
該行業(yè)經(jīng)過過去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、新應用開發(fā)，以及性能、易用性與穩(wěn)定性的改進。所有這些都為了保持其在電子行業(yè)中的“時鐘解決方案”的地位。其推動力是提供性能最好且性價比最高的石英解決方案，從而使消費者沒有理由去選擇其他技術。
