电子电路是产品在开发制造过程中,重要的组成部分,虽然说现在是智能化时代,但智能的前身是电子,前提也是电子电路.在电子电路中,石英晶体是非常重要的’角色’,而EPSON晶振公司是研发和制造晶体的主要制造商,几十年来EPSON公司的技术不断升级,并且创新了属于自己的工艺技术,晶体的切割方式通常都是采用AT切割.今天金洛鑫电子带大家了解一下,EPSON Crystal公司其中一种晶体制造工艺—倒置台面.
之前的文章解释了如何使用倍频电路,PLL电路和表面声波(SAW)谐振器来获得高频输出.这些方法中的每一种都产生稳定的高频,但它们各自都有其优点和缺点.例如,虽然PLL电路提供了灵活性,但它们使振荡电路设计复杂化并对相位噪声特性产生不利影响.同时,SAW谐振器具有电路设计简单,相位噪声特性好的优点,但随着温度的变化,其输出频率会发生显着波动.
一般而言,晶振厂家比上述选择更经常使用AT切割晶体.原因是(a)它们在室温附近具有拐点并且在很宽的温度范围内具有频率稳定性;(b)它们涵盖范围广泛的高频;(c)它们可以比其他晶体产品小,因为输出频率不依赖于晶体芯片的垂直和水平尺寸(也称为“空白”),但可以仅由芯片厚度控制;(d)晶体芯片制造容易,因为可以简单地通过从Z轴旋转来获得切割.如果AT切割的晶体可以在高频下直接振荡,那将是很好的,但是获得高频率需要使晶体芯片更薄.此外,由于加工中的问题以及薄晶体的机械弱点,可以获得有多高的基频.
本技术说明描述了一种从具有反向台面设计的AT切割晶体获得稳定的高频参考信号的方法,其中仅使用Epson的QMEMS技术减薄晶体的振荡部分.
1.倒置台面AT晶体
台面是一块土地,有陡峭的墙壁和平顶.诸如晶体管的半导体产品通常被称为“台面结构”,其被处理成当在横截面中观察时它们具有梯形形状.倒置台面AT晶体同样是一种晶体,其中通过形成梯形空洞使板的振荡部分变薄(图1).
晶体芯片越薄,频率越高.然而,通常认为约50MHz的基频是在使用机械研磨(芯片厚度约为30微米)的稳定的大规模生产过程中可获得的最高频率.为了获得比AT石英晶振更高的频率,通常使用更高阶振动模式(通常是第三泛音)(以获得50MHz至150MHz的频率).
然而,需要复杂的电路来控制第三泛音或其他振动模式以获得高频.然而,爱普生通过使用QMEMS光刻工艺在基模中获得高频振动,以将芯片的振荡部分的厚度减小到几微米,同时使周围更厚以保持机械强度.

2.QMEMS技术
“QMEMS”是“石英”的组合,“石英”是一种具有优异特性的晶体材料,包括高频稳定性和高精度,以及“MEMS”(微机电系统).QMEMS器件通过微加工工艺在石英材料上而不是像MEMS这样的半导体材料上生产,在紧凑的封装中提供高性能.除倒置台面AT晶体单元外,QMEMS技术还用于几种晶体单元.例如,它用于微调谐时钟晶体单元上的凹槽结构.它还用于制造具有台面结构的AT晶体单元.下面,我以制作以台面结构为例的AT晶体单元作为例子来解释QMEMS处理技术.
理想情况下,表现出厚度剪切振动的晶体如AT晶体应仅在芯片的中心振荡;周围区域不应振荡.对于某些MHzAT切割晶体单元,尤其是那些以低频振荡的晶体单元,通过斜切晶体芯片的边缘使得边缘和中心具有不同的厚度,可以获得这种效果.图2示意性地总结了传统的机械加工和QMEMS光刻加工.在机械加工中,晶体芯片通过它们自身的重量进行加工,因此当晶振芯片变小时,加工变得更加困难并且变化增加,从而影响特性.相比之下,无论芯片尺寸如何,QMEMS光刻处理都能够实现尺寸和形状均匀的芯片.即使对于极小的芯片也可以使变化最小化,此外,可以获得优异的温度特性(图3).
QMEMS技术同样可以用于创建反向台面结构,如图1所示.这种结构可以在基模中实现高频振荡,同时保持芯片的机械强度,从而产生具有稳定性能的产品.

图2.杂散特性的比较(频谱分析仪测量)
基模中直接高频振荡的优势非常明显,反向台面AT晶体很可能成为即将建成的基础设施的重要组成部分.高频参考信号源对于当今的通信设备和网络设备至关重要,但是有多种电子元件可以产生高频输出,以满足客户的应用或所需的规格.
在这个由三部分组成的系列文章中,以下方法讨论了电子元件如何提供高频输出:
(1)方便的可编程晶振,可编程输出所需频率;
(2)低相位抖动SAW振荡器;
(3)AT切割石英晶体振荡器具有良好的温度特性,可直接在基模上振动.每种产品都有不同的特性,但所有产品都是相同的,因为它们利用了石英晶体的稳定性和准确性.爱普生提供多种水晶产品,几乎可满足任何应用需求.这些技术说明的目的是充分解释石英晶体元件的高稳定性,并希望在试图为一个应用选择最佳电子元件时使用.
使用PLL电路或乘法器电路来获得高频率的缺点之一是由于来自除主信号之外的其他源(杂散)的噪声导致的抖动特性的恶化.如果使用反向台面AT晶振(图2,右图),可以实现低抖动,因为早期产品中不存在杂散元件,因为高频振荡处于基模.

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