電子電路是產(chǎn)品在開發(fā)制造過程中,重要的組成部分,雖然說現(xiàn)在是智能化時代,但智能的前身是電子,前提也是電子電路.在電子電路中,石英晶體是非常重要的’角色’,而EPSON晶振公司是研發(fā)和制造晶體的主要制造商,幾十年來EPSON公司的技術(shù)不斷升級,并且創(chuàng)新了屬于自己的工藝技術(shù),晶體的切割方式通常都是采用AT切割.今天金洛鑫電子帶大家了解一下,EPSON Crystal公司其中一種晶體制造工藝—倒置臺面.
之前的文章解釋了如何使用倍頻電路,PLL電路和表面聲波(SAW)諧振器來獲得高頻輸出.這些方法中的每一種都產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻,但它們各自都有其優(yōu)點和缺點.例如,雖然PLL電路提供了靈活性,但它們使振蕩電路設(shè)計復(fù)雜化并對相位噪聲特性產(chǎn)生不利影響.同時,SAW諧振器具有電路設(shè)計簡單,相位噪聲特性好的優(yōu)點,但隨著溫度的變化,其輸出頻率會發(fā)生顯著波動.
一般而言,晶振廠家比上述選擇更經(jīng)常使用AT切割晶體.原因是(a)它們在室溫附近具有拐點并且在很寬的溫度范圍內(nèi)具有頻率穩(wěn)定性;(b)它們涵蓋范圍廣泛的高頻;(c)它們可以比其他晶體產(chǎn)品小,因為輸出頻率不依賴于晶體芯片的垂直和水平尺寸(也稱為“空白”),但可以僅由芯片厚度控制;(d)晶體芯片制造容易,因為可以簡單地通過從Z軸旋轉(zhuǎn)來獲得切割.如果AT切割的晶體可以在高頻下直接振蕩,那將是很好的,但是獲得高頻率需要使晶體芯片更薄.此外,由于加工中的問題以及薄晶體的機械弱點,可以獲得有多高的基頻.
本技術(shù)說明描述了一種從具有反向臺面設(shè)計的AT切割晶體獲得穩(wěn)定的高頻參考信號的方法,其中僅使用Epson的QMEMS技術(shù)減薄晶體的振蕩部分.
1.倒置臺面AT晶體
臺面是一塊土地,有陡峭的墻壁和平頂.諸如晶體管的半導(dǎo)體產(chǎn)品通常被稱為“臺面結(jié)構(gòu)”,其被處理成當(dāng)在橫截面中觀察時它們具有梯形形狀.倒置臺面AT晶體同樣是一種晶體,其中通過形成梯形空洞使板的振蕩部分變薄(圖1).
晶體芯片越薄,頻率越高.然而,通常認(rèn)為約50MHz的基頻是在使用機械研磨(芯片厚度約為30微米)的穩(wěn)定的大規(guī)模生產(chǎn)過程中可獲得的最高頻率.為了獲得比AT石英晶振更高的頻率,通常使用更高階振動模式(通常是第三泛音)(以獲得50MHz至150MHz的頻率).
然而,需要復(fù)雜的電路來控制第三泛音或其他振動模式以獲得高頻.然而,愛普生通過使用QMEMS光刻工藝在基模中獲得高頻振動,以將芯片的振蕩部分的厚度減小到幾微米,同時使周圍更厚以保持機械強度.

2.QMEMS技術(shù)
“QMEMS”是“石英”的組合,“石英”是一種具有優(yōu)異特性的晶體材料,包括高頻穩(wěn)定性和高精度,以及“MEMS”(微機電系統(tǒng)).QMEMS器件通過微加工工藝在石英材料上而不是像MEMS這樣的半導(dǎo)體材料上生產(chǎn),在緊湊的封裝中提供高性能.除倒置臺面AT晶體單元外,QMEMS技術(shù)還用于幾種晶體單元.例如,它用于微調(diào)諧時鐘晶體單元上的凹槽結(jié)構(gòu).它還用于制造具有臺面結(jié)構(gòu)的AT晶體單元.下面,我以制作以臺面結(jié)構(gòu)為例的AT晶體單元作為例子來解釋QMEMS處理技術(shù).
理想情況下,表現(xiàn)出厚度剪切振動的晶體如AT晶體應(yīng)僅在芯片的中心振蕩;周圍區(qū)域不應(yīng)振蕩.對于某些MHzAT切割晶體單元,尤其是那些以低頻振蕩的晶體單元,通過斜切晶體芯片的邊緣使得邊緣和中心具有不同的厚度,可以獲得這種效果.圖2示意性地總結(jié)了傳統(tǒng)的機械加工和QMEMS光刻加工.在機械加工中,晶體芯片通過它們自身的重量進(jìn)行加工,因此當(dāng)晶振芯片變小時,加工變得更加困難并且變化增加,從而影響特性.相比之下,無論芯片尺寸如何,QMEMS光刻處理都能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸和形狀均勻的芯片.即使對于極小的芯片也可以使變化最小化,此外,可以獲得優(yōu)異的溫度特性(圖3).
QMEMS技術(shù)同樣可以用于創(chuàng)建反向臺面結(jié)構(gòu),如圖1所示.這種結(jié)構(gòu)可以在基模中實現(xiàn)高頻振蕩,同時保持芯片的機械強度,從而產(chǎn)生具有穩(wěn)定性能的產(chǎn)品.

圖2.雜散特性的比較(頻譜分析儀測量)
基模中直接高頻振蕩的優(yōu)勢非常明顯,反向臺面AT晶體很可能成為即將建成的基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分.高頻參考信號源對于當(dāng)今的通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備至關(guān)重要,但是有多種電子元件可以產(chǎn)生高頻輸出,以滿足客戶的應(yīng)用或所需的規(guī)格.
在這個由三部分組成的系列文章中,以下方法討論了電子元件如何提供高頻輸出:
(1)方便的可編程晶振,可編程輸出所需頻率;
(2)低相位抖動SAW振蕩器;
(3)AT切割石英晶體振蕩器具有良好的溫度特性,可直接在基模上振動.每種產(chǎn)品都有不同的特性,但所有產(chǎn)品都是相同的,因為它們利用了石英晶體的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性.愛普生提供多種水晶產(chǎn)品,幾乎可滿足任何應(yīng)用需求.這些技術(shù)說明的目的是充分解釋石英晶體元件的高穩(wěn)定性,并希望在試圖為一個應(yīng)用選擇最佳電子元件時使用.
使用PLL電路或乘法器電路來獲得高頻率的缺點之一是由于來自除主信號之外的其他源(雜散)的噪聲導(dǎo)致的抖動特性的惡化.如果使用反向臺面AT晶振(圖2,右圖),可以實現(xiàn)低抖動,因為早期產(chǎn)品中不存在雜散元件,因為高頻振蕩處于基模.

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