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解读“产业之盐”——电子系统不可或缺的晶体器件

2014-12-11 21:47:34      点击:
开门七件事:“柴米油盐酱醋茶”,盐是人们生活中的必需品,而在电子科技领域,晶体元器件则被称为“产业之盐”,可见晶体元器件在电子技术领域的重要性。然而,“玉不琢不成器”,石英晶体必须经过非常精密的加工才能为电路系统提供精准的时钟,而占据了世界晶体元器件市场超过1/5份额的精工EPSON(爱普生)公司无疑是雕刻石英晶体的能人巨匠。


从业界巨头看“产业之盐”现状


“就像比利时的钻石切工名扬四海一样,EPSON的石英晶体技术在全球也是处于领导者地位。EPSON拥有自己的晶棒工厂,而全球只有3家晶体元器件厂商 拥有自己的晶棒工厂,从最开始的人工晶棒培育,到切割,打磨……EPSON掌握了石英晶体加工的整个流程。此外,EPSON也是全球唯一一家既可以生产晶 体,又可以制作IC的厂商。” EPSON中国核心代理商世强产品经理张永龙先生表示。


毫无疑问,EPSON是世界上最大的晶体产品供应商。公司产品线包括几乎所有的石英晶体器件,主要产品包括:无源晶体、有源晶振、TCXO、VCXO、 SAW振荡器、OCXO、原子钟、实时时钟RTC、角速度传感、LCD控制器、LCD驱动等,频率覆盖范围则从KHz至GHz全覆盖。


“在中国成熟的市场上,如手机市场、钟表市场、电表市场,EPSON的晶体元器件凭借其高精度、高可靠性、稳定的供货在市场上受到广泛好评,赢得了许多客户的青睐。” 张永龙指出。


例如在电力系统中,由于电网负荷的不同决定了电价的不等,从而需要时钟芯片在电表中计时。EPSON时钟芯片可保障电力系统分时分段计时,其内置晶体的实 时时钟模块(RTC)依靠精确的时间及特有的温度补偿功能,能够满足国家电网对时钟精度的要求。据悉,EPSON电表实时时钟RX8025T已经写入电表 国家标准中,成为行业标杆。


“EPSON在中国的手机和电表市场大获成功,不过,他并没有就此停下前进的脚步。2012年EPSON授权世强为其中国区代理商,依托世强在工业和通信 等领域所积累的深厚的客户资源及技术优势,世强有责任和能力将EPSON先进的晶体元器件技术带给中国工业、通信、汽车等领域的厂商,以帮助客户取得成 功。” 张永龙表示。


工业、通信、医疗应用之“盐”——内置32.768KHz晶体的RTC


RX8025T是专门适用于电表的RTC,而EPSON最新内置晶体的实时时钟芯片RX8010SJ则非常适合于视频监控,各种网络通信设备、工业控制系统、医疗设备、办公设备、测量仪器等各种有时间保持要求的工业和消费产品中。


“例如,智能三表(水表、气表、热表)、便携式医疗设备(例如血氧夹)、中央空调的控制器等生产厂家,现在非常需要EPSON低功耗的实时时钟模块(RTC)为其提供记时功能。” 张永龙指出。


与分立式方案相比,EPSON 实时时钟模块是在同一封装内集成了音叉型晶体(32.768KHz的时钟)和钟表用IC(具有振荡电路、时钟、日历、报警等功能)的模块。这带来许多好处,例如:减小了PCB面积,功耗仅为分立方案的1/3,由于内置晶体是在真空管中填充惰性气体,因此音叉不易受冷凝效应的影响,精度稳定性更高。


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图1. EPSON 实时时钟模块是在同一封装中内集成了音叉型晶体(32.768KHz的时钟)和钟表用IC(具有振荡电路、时钟、日历、报警等功能)的模块


RX8010SJ将32.768KHz的晶体和时钟IC组合在一个封装中,并在出厂时进行时钟精度调整。采用PKG SOP 8 小型化封装,引脚兼容NXP,Maxim/Dallas等多家RTC, 用户可在现有的电路上方便的进行应用测试。


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图2. RX8010SJ将32.768KHz的晶体和时钟IC组合在一个封装中


RX8010SJ时钟精度为5+/-23PPM,由于采用内置32.768KHz晶体,故而能够减轻用户对电路匹配的负担和环境对晶体电路的影响。“RX8010SJ时钟保持功耗仅 160 nA ,约为竞争对手的一半,可以满足长期时钟保持要求并可采用小容量电池或电容,其工业级温度范围为-40 to 85 度。”张永龙进一步指出:“对于需要高端应用的客户,推荐带温度补偿的RX-8803SA。”


创新QMEMS技术——超小型、高精度、高稳定


世强代理的EPSON能够提供7050、5032全系列封装的QMEMS工艺有源晶振,这些晶振同上文所述的RTC都采用了EPSON创新的QMEMS工 艺。何谓QMEMS?如下如3所示,与以硅为材料的MEMS相对应,以石英为原料进行精微加工(光刻)并可以提供的小型化、高性能的晶体元器件被称 为:“QMEMS”=QUARTZ+MEMS。


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图3. 何谓QMEMS?


小型化、高精度和高稳定性是时钟器件不变的主题。而对电子元器件进行小型化时,通常会出现性能的劣化。但是市场需求的是既达到小型化又不改变性能的电子元器件。传统机械加工方法已接近极限。


“随着尺寸越来越小,传统机械方法在切割时,晶片有可能会断裂,一是它的稳定性不会高,另外一点是想提高精度非常困难。例如,如果要使音叉型石英晶振芯片小型化,CI值就会升高从而难于取得良好的振荡特性,这也成了小型化的瓶颈所在。”张永龙指出。


之所以选择石英晶体+类似半导体MEMS的生产制程,张永龙解释说,首先是因为石英晶体硬度及理化性质稳定,频率基本不随温度变化,由此产生的内部振荡损失也最小,非常适合精密制造。其次,区别于传统的机械式加工生产方式,QMEMS更便于批量生产。更重要的是,在保证小型化的同时把偏差限制在最小限度内,从而保证产品的稳定性和低功耗,便于工程师进行复杂设计。


作为具有丰富石英晶体生产经验的公司,EPSON能够对石英原料进行精密加工(光刻),如下图4所示为QMEMS技术的优势。“采用传统的机械研磨方法加工石英晶体,不单效率低,精准的一致性也不好,损耗也多,而采用光刻技术,不但能够获得更高的精度和一致性,更重要的是还能大大减少晶体的生产成本,一块wafer能够产出传统工艺5倍的元件。这就大大降低了成本。” 张永龙表示。


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图4. QMEMS技术的优势


采用QMEMS技术的角速度传感器——小型化、高稳定性


另外一种应用QMEMS技术的产品是角速度传感器,也就是陀螺仪。谁都知道数码相机的防抖功能,但您是否知道这项防抖技术中使用了角速度传感器的事实呢?EPSON的角速度传感器以水晶为材料,实现了小型化并达到了高度的稳定性。为此,被很多的数码相机所采用。


“EPSON的角速度传感器由于使用了水晶为原料,所以即使周围温度发生变化,其灵敏度和零点输出也能保持稳定。” 张永龙指出。如下图5所示,蓝色的线表示EPSON的角速度传感器,当周围温度发生变化时,其灵敏度与输出也保持一定,并且,停止时也能正确地检测出“停止”,所以即使是微小的动作,也能正确地测试出。


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图5. EPSON的角速度传感器由于使用了水晶为原料,所以即使周围温度发生变化,灵敏度、零点输出也能保持稳定。
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图6. 5.0×3.2mm的小型规格,是移动设备上也能搭载的规格。


现在,在汽车导航仪的航位推算功能上也使用了角速度传感器,如果装了这种角速度传感器的话,在隧道中和高层建筑中也可以非常准确地检测自己车的位置。据统计,如今一辆高级轿车的晶体元器件数量达50个之多,在汽车电子领域,角速度传感器还能感知由于急转弯或容易打滑的路面所造成的车辆的横滑,自动地对车辆进行控制。


而独轮车,汽车安全气囊等也是EPSON角速度传感器的用武之地。“此外,由于国家强制渔船接收中国中星九号卫星信号,EPSON角速度传感器还将用于渔船的卫星天线,以检测自适应调整天线角度。”张永龙透露。


本文小结


幸运的拥有了QMEMS技术,EPSON实现了超小型、高精度、高稳定的晶体元器件。并且,创新的QMEMS技术还使得EPSON晶体元器件的价格相比以前有很大幅度的降低,甚至比一些台湾的厂商更有优势,交货更快。


此外,与手机应用领域对时钟单一频率的需求不同,在工业应用领域,由于客户的产品种类繁杂,对时钟频率的需求各有不同,鉴于此,世强为广大工业领域的用户提供了型号最全,封装最全的备货,以满足不同客户对时钟的不同需求。这些都是世强代理的EPSON晶体元器件所独有的优势。LED开关电源,LED防水电源,LED防雨电源,LED防水开关电源,铝壳防雨电源,LED贴片灯带电源,LED灯条电源,LED护栏管电源