　　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(shí)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(dòng)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(shí)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(gè)劃時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)例子。雖然看起來很大，長約50毫
米，但它實(shí)際上是當(dāng)時(shí)最小的水晶單元之一。

　　它是精工蘇瓦株式會(huì)社，蘇瓦湖岸邊，它正悄悄地控制著這個(gè)發(fā)展的競爭對手。使精工蘇瓦株式會(huì)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(huì)社通過采用稱為“音叉晶體”的新結(jié)構(gòu)解決了這個(gè)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(huì)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(shí)經(jīng)常受到的振動(dòng)和撞擊所引起的問題。

*此時(shí)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(gè)特定的產(chǎn)品型號(hào)，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(huì)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(hào)“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(shí)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(huì)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(shí)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(shí)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(tái)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(dòng)'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(huì)社開發(fā)團(tuán)隊(duì)的某個(gè)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(dòng)。

　　他們努力推動(dòng)的動(dòng)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(shí)代。“雖然我個(gè)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(huì)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(tái)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(huì)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(gè)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(huì)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(huì)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(shí)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(gè)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(gè)消息，好像這是他們最后的希望。實(shí)際上，他們逐漸意識(shí)到需要調(diào)查和分析負(fù)責(zé)振蕩和時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)的性能來解決這個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)，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(huì)社在各個(gè)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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