　　石英晶振設(shè)備悄悄地連續(xù)標(biāo)記著電視機(jī)，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Epson Toyocom公司。'QMEMS（Quartz +'MEMS'）'是促進(jìn)MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）晶體材料微加工工藝的獨(dú)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(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢，可以為石英器件實(shí)現(xiàn)更小巧的尺寸和更好的性能。QMEMS的起源是當(dāng)今世界的領(lǐng)先技術(shù)，可以追溯到20世紀(jì)70年代初。QMEMS技術(shù)源自30多年來工程師的嚴(yán)格努力。我們的QMEMS故事，即“藝術(shù)細(xì)化的歷史”，首先開發(fā)了導(dǎo)致QMEMS起源的技術(shù)。本文講述了努力使QMEMS栩栩如生的工程師的行動故事。第一部分將重新計(jì)算在世界上第一塊石英手表開發(fā)之后的這段時間，直到成為QME??MS基礎(chǔ)的技術(shù)發(fā)展的前夕。

Su訪湖上的一家公司悄然控制著競爭

　　1969年，在日本中部的蘇瓦湖岸邊，當(dāng)?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(shí) - “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(jī)械手表當(dāng)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(jìn)行無情競爭以找到一個問題。

圖1：世界上第一塊石英手表'精工石英Astron 35Q'
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圖2：Quartz Astron開發(fā)之前的晶體單元這是
在Quartz Astron到來之前實(shí)際使用的晶體單元
類型的一個例子。雖然看起來很大，長約50毫
米，但它實(shí)際上是當(dāng)時最小的水晶單元之一。

　　它是精工蘇瓦株式會社，蘇瓦湖岸邊，它正悄悄地控制著這個發(fā)展的競爭對手。使精工蘇瓦株式會社領(lǐng)先其競爭對手的因素之一是該公司成功地使晶體單元更加緊湊。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）。精工蘇瓦株式會社通過采用稱為“音叉晶體”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，精工蘇瓦株式會社還能夠調(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)的音叉式水晶單元用于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(jī)芯名稱或手表的操作機(jī)制（Calibre，或'Cal。'）來提及它們，”。

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)，使精工蘇瓦株式會社能夠成功制造出更小的晶體單元,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(shí)際應(yīng)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(shí)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(xiàng)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(dāng)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)水晶單元的團(tuán)隊(duì)得到了高層管理人員的嚴(yán)格訂單，生產(chǎn)出更緊湊的設(shè)計(jì)。我們的目標(biāo)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(rèn)為其尺寸仍然過大。石英手表被認(rèn)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(jìn)一步縮小石英表的尺寸，*結(jié)構(gòu)。

*'運(yùn)動'是指手表中包含的操作機(jī)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(shí)際使用。當(dāng)然，如果精工蘇瓦株式會社開發(fā)團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(jī)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(tuán)隊(duì)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使用的音叉晶體振蕩器的振蕩頻率為8.192kHz。將頻率加倍會導(dǎo)致長度的1 /√2倍。換句話說，將振蕩頻率增加到16.384kHz將導(dǎo)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(xiàng)艱巨的任務(wù)。實(shí)際上，1970年的石英鐘實(shí)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(tuán)隊(duì)?wèi)?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(jī)芯內(nèi)安裝水晶單元。開發(fā)團(tuán)隊(duì)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)。

　　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(tuán)隊(duì)知道它必須找到降低手表功耗的方法。

　　事實(shí)上，開發(fā)團(tuán)隊(duì)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，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(dǎo)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(dāng)時還沒有其他技術(shù)可以減小晶體的尺寸。

　　開發(fā)團(tuán)隊(duì)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(dǎo)體制造商已經(jīng)開發(fā)出一種新的創(chuàng)新型半導(dǎo)體技術(shù)。

　　開發(fā)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持這個消息，好像這是他們最后的希望。實(shí)際上，他們逐漸意識到需要調(diào)查和分析負(fù)責(zé)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(dǎo)體技術(shù)確實(shí)可以降低功耗。

　　負(fù)責(zé)該項(xiàng)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(dāng)常見的技術(shù)，但當(dāng)時它確實(shí)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(tuán)隊(duì)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(jìn)，他們自然采用了新的半導(dǎo)體技術(shù)。在技術(shù)評估上花費(fèi)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(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了較小的“Cal.38型”音叉式晶體單元（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(shí)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。

世界各地陸續(xù)推出日益緊湊的設(shè)備。

　　對于如何制造小型電子設(shè)備似乎沒有限制，石英設(shè)備也是如此：它們越小，對更小，更緊湊的設(shè)備的需求就越大。

　　接下來，在1973年，該公司通過將振蕩頻率加倍，實(shí)現(xiàn)了更小，更緊湊的尺寸。振蕩頻率增加到32.768kHz，而尺寸進(jìn)一步流線型直徑為3.9mm，長度為10.9mm。這預(yù)示著'57型'晶體單元的到來（圖5）。

　　再一次，問題是振蕩頻率增加兩倍導(dǎo)致功耗量增加四倍。然而，通過改進(jìn)CMOS IC以及改善電池和電動機(jī)的性能來解決這個問題。

　　請注意，32.768kHz的數(shù)字現(xiàn)在成為當(dāng)代鐘表中使用的晶體振蕩器的全球事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。換句話說，這個數(shù)字標(biāo)志著鐘表晶體單元頻率增加到達(dá)飽和點(diǎn)的時間點(diǎn)。

圖5：'Cal.57型'音叉式晶體單元
通過將'Cal.38型'的振蕩頻率加倍到相當(dāng)于32.768kHz，可以進(jìn)一
步簡化尺寸為3.9mm直徑×10.9mm長度。該產(chǎn)品于1973年開發(fā)。

　　此外，1973年標(biāo)志著'F-001'音叉晶體單元的發(fā)布，具有新的扁平形狀而不是傳統(tǒng)的圓柱形形狀（圖6）。這款新的晶體單元略大于Type Cal.57，尺寸為5.1mm×12.1mm×2.4mm。然而，其創(chuàng)新形狀極大地簡化了用于安裝電氣元件的PCB附件（封裝方法）。傳統(tǒng)的圓柱形要求將晶體單元連接到PCB上以使其垂直，因此需要額外的彎曲金屬端子然后沿著PCB放置晶體單元。同時，新的扁平設(shè)計(jì)使得晶體單元可以通過將其插入PCB而簡單地連接。

　　這種新設(shè)計(jì)像熱蛋糕一樣銷售，并逐漸在流行的小型手表以及帶液晶顯示屏的手表中采用。在帶LCD屏幕的手表中，電路必須安置在LCD面板下方。因此，新型平板形F-001晶體裝置已充分配備以滿足這些要求。

圖6：'F-001'平模式音叉晶體單元
與'Cal.57型'一樣，新款音叉晶體單元于1973年上市。與傳統(tǒng)相
比,扁平形狀使安裝變得輕而易舉圓柱形式。新的晶體單元尺寸為
5.1mm×12.1mm×2.4mm，振蕩頻率為32.768kHz。

　　發(fā)展沒有任何障礙。這是因?yàn)楣こ處熌軌蚋鶕?jù)未來進(jìn)展的愿景實(shí)現(xiàn)新的發(fā)展。商業(yè)也很好地發(fā)展。1974年加入該公司的石英晶振設(shè)備工程師反映了那些年代，他說：“在那些日子里，精工蘇瓦株式會社在各個方面都以其用于手表的音叉水晶單元壓倒了競爭對手，尺寸和更便宜的成本，直到公司豐富的產(chǎn)品陣容。

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