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電子系統不可或缺的晶體器件的解讀 [2014/12/18]

開門七件事:“柴米油鹽醬醋茶”,鹽是人們生活中的必需品,而在電子科技領域,晶體元器件則被稱為“産業之鹽”,可見液位計液位變送器晶體元器件在電子技術領域的重要性。然而,“玉不琢不成器”,石英晶體必須經過非常精密的加工才能為電路系統提供精準的時鐘,而占據了世界晶體元器件市場超過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。

從業界巨頭看“産業之鹽”現狀

“就像比利時的鑽石切工名揚四海一樣,epson的石英晶體技術在全球也是處于領導者地位。epson擁有自己的晶棒工廠,而全球隻有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流程。此外,epson也是全球唯一一家既可以生産晶體,又可以制作ic的廠商。” epson中國核心代理商世強産品經理張永龍先生表示。

毫無疑問,epson是世界上最大的晶體産品供應商。公司産品線包括幾乎所有的石英晶體器件,主要産品包括:無源晶體、有源晶振、tcxo、vcxo、 saw振蕩器、ocxo、原子鐘、實時時鐘rtc、角速度傳感、lcd控制器、lcd驅動等,頻率覆蓋範圍則從khz至ghz全覆蓋。

“在中國成熟的市場上,如手機市場、鐘表市場、電表市場,epson的晶體元器件憑借其高精度、高可靠性、穩定的供貨在市場上受到廣泛好評,赢得了許多客戶的青睐。” 張永龍指出。

例如在電力系統中,由于電網負荷的不同決定了電價的不等,從而需要時鐘芯片在電表中計時。epson時鐘芯片可保障電力系統分時分段計時,其内置晶體的實時時鐘模塊(rtc)依靠精确的時間及特有的溫度補償功能,能夠滿足國家電網對時鐘精度的要求。據悉,epson電表實時時鐘rx8025t已經寫入電表國家标準中,成為行業标杆。

“epson在中國的手機和電表市場大獲成功,不過,他并沒有就此停下前進的腳步。2012年epson授權世強為其中國區代理商,依托世強在工業和通信等領域所積累的深厚的客戶資源及技術優勢,世強有責任和能力将epson先進的晶體元器件技術帶給中國工業、通信、汽車等領域的廠商,以幫助客戶取得成功。” 張永龍表示。

工業、通信、醫療應用之“鹽”——内置32.768khz晶體的rtc

rx8025t是專門适用于電表的rtc,而epson最新内置晶體的實時時鐘芯片rx8010sj則非常适合于視頻監控,各種網絡通信設備、工業控制系統、醫療設備、辦公設備、測量儀器等各種有時間保持要求的工業和消費産品中。

“例如,智能表(水表、氣表、熱表)、便攜式醫療設備(例如血氧夾)、中央空調的控制器等生産廠家,現在非常需要epson低功耗的實時時鐘模塊(rtc)為其提供記時功能。”張永龍指出。

與分立式方案相比,epson 實時時鐘模塊是在同一封裝内集成了音叉型晶體(32.768khz的時鐘)和鐘表用ic(具有振蕩電路、時鐘、日曆、報警等功能)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,由于内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的影響,精度穩定性更高。
    epson 實時時鐘模塊是在同一封裝中内集成了音叉型晶體(32.768khz的時鐘)和鐘表用ic(具有振蕩電路、時鐘、日曆、報警等功能)的模塊

rx8010sj将32.768khz的晶體和時鐘ic組合在一個封裝中,并在出廠時進行時鐘精度調整。采用pkg sop 8 小型化封裝,引腳兼容nxp,maxim/dallas等多家rtc,用戶可在現有電容式液位計電容式液位變送器的電路上方便的進行應用測試。

rx8010sj時鐘精度為5+/-23ppm,由于采用内置32.768khz晶體,故而能夠減輕用戶對電路匹配的負擔和環境對晶體電路的影響。“rx8010sj時鐘保持功耗僅 160 na,約為競争對手的一半,可以滿足長期時鐘保持要求并可采用小容量電池或電容,其工業級溫度範圍為-40 to 85 度。”張永龍進一步指出:“對于需要高端應用的客戶,推薦帶溫度補償的rx-8803sa。”

創新qmems技術——超小型、高精度、高穩定

世強代理的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創新的qmems工藝。何謂qmems?如下如3所示,與以矽為材料的mems相對應,以石英為原料進行精微加工(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。

小型化、高精度和高穩定性是時鐘器件不變的主題。而對電子元器件進行小型化時,通常會出現性能的劣化。但是市場需求的是既達到小型化又不改變性能的電子元器件。傳統機械加工方法已接近極限。

“随着尺寸越來越小,傳統機械方法在切割時,晶片有可能會斷裂,一是它的穩定性不會高,另外一點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+類似半導體mems的生産制程,張永龍解釋說,首先是因為石英晶體硬度及理化性質穩定,頻率基本不随溫度變化,由此産生的内部振蕩損失也最小,非常适合精密制造。其次,區别于傳統的機械式加工生産方式,qmems更便于批量生産。更重要的是,在保證小型化的同時把偏差限制在最小限度内,從而保證産品的穩定性和低功耗,便于工程師進行複雜設計。

作為具有豐富石英晶體生産經驗的公司,epson能夠對石英原料進行精密加工(光刻),如下圖4所示為qmems技術的優勢。“采用傳統的機械研磨方法加工石英晶體,不單效率低,精準的一緻性也不好,損耗也多,而采用光刻技術,不但能夠獲得更高的精度和一緻性,更重要的是還能大大減少晶體的生産成本,一塊wafer能夠産出傳統工藝5倍的元件。這就大大降低了成本。”張永龍表示。

采用qmems技術的角速度傳感器——小型化、高穩定性

另外一種應用qmems技術的産品是角速度傳感器,也就是陀螺儀。誰都知道數碼相機的防抖功能,但您是否知道這項防抖技術中使用了角速度傳感器的事實呢?epson的角速度傳感器以水晶為材料,實現了小型化并達到了高度的穩定性。為此,被很多的數碼相機所采用。

“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生變化,其靈敏度和零點輸出也能保持穩定。”張永龍指出。如下圖5所示,藍色的線表示epson的角速度傳感器,當周圍溫度發生變化時,其靈敏度與輸出也保持一定,并且,停止時也能正确地檢測出“停止”,所以即使是微小的動作,也能正确地測試出。

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生變化,靈敏度、零點輸出也能保持穩定。

現在,在汽車導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,在隧道中和高層建築中也可以非常準确地檢測自己車的位置。據統計,如今一輛高級轎車的晶體元器件數量達50個之多,在汽車電子領域,角速度傳感器還能感知由于急轉彎或容易打滑的路面所造成的車輛的橫滑,自動地對車輛進行控制。

而獨輪車,汽車安全氣囊等也是epson角速度傳感器的用武之地。“此外,由于國家強制漁船接收中國中星九号衛星信号,epson角速度傳感器還将用于漁船的衛星天線,以檢測自适應調整天線角度。”張永龍透露。

幸運的擁有了qmems技術,epson實現了超小型、高精度、高穩定的晶體元器件。并且,創新的qmems技術還使得epson晶體元器件的價格相比以前有很大幅度的降低,甚至比一些台灣的廠商更有優勢,交貨更快。

此外,與手機應用領域對時鐘單一頻率的需求不同,在工業應用領域,由于客戶的産品種類繁雜,對時鐘頻率的需求各有不同,鑒于此,世強為廣大工業領域的用戶提供了型号最全,封裝最全的備貨,以滿足不同客戶對時鐘的不同需求。

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