獲得高頻輸出的方法（第三部：反向臺形 AT 型石英晶體）

反向臺形 AT 型石英晶體的概況與特性介紹

【序文】

上次為止，我們介紹了使用倍頻電路和鎖相環(huán)電路，或者使用彈性表面波 SAW（Surface Acoustic Wave）諧振器獲得高頻輸出的方法。使用這些方法雖然可以獲得穩(wěn)定的高頻，但各具弱點。例如，鎖相環(huán)電路能夠提供靈活性的同時，振蕩電路設(shè)計較為復(fù)雜，從而導(dǎo)致相位噪音特性惡化；使用 SAW 的方法電路設(shè)計較為簡單且相位噪音特性較好，但元件自身具有頻率隨溫度的變化量大的特點。通常，石英晶體制造商更多使用 AT 型石英晶體，理由如下：①在常溫范圍內(nèi)有拐點，頻率在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定；②覆蓋的高頻范圍較寬；③與石英片的長寬尺寸無關(guān)，只需控制石英片厚度就能獲得所需高頻，因此適于小型化；④只需旋轉(zhuǎn) Z 軸就能進行石英片切割，便于生產(chǎn)。但是，若要從 AT 型石英晶體直接起振高頻，則需將石英片加工得很薄。這在加工方法和機械性強度等方面存在著制約。

這次，我們將介紹應(yīng)用愛普生的“QMEMS”技術(shù)，生產(chǎn)出只將振蕩部分加工變薄的反向臺形 AT 型石英晶

體，由此產(chǎn)生高頻、穩(wěn)定的基準(zhǔn)信號的方法。

【1】關(guān)于反向臺形 AT 型石英晶體

英語名稱中的“Mesa”這個詞起源于西班牙語，意思是“周圍是懸崖峭壁的臺形地貌”，通常把截面加工成

臺形的半導(dǎo)體晶體管等稱為“臺形結(jié)構(gòu)”。反向臺形 AT 型石英晶體指把 AT 切割石英片的一部分（振蕩部分）切割成凹陷的臺形的結(jié)構(gòu)（與臺形結(jié)構(gòu)相反）。反向臺形 AT 型石英晶體的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。AT 型石英晶體的石英片越薄，所起振的頻率越高。但是，通常機械性研磨實現(xiàn)批量、穩(wěn)定生產(chǎn)的頻率限度為以基波起振 50MHz左右（石英片厚度為約 30μm）。如果需要使用 AT 型石英晶體獲得大于上述限度的頻率，經(jīng)常使用高次振動的振動模式（三次諧波）達到 50MHz 至 150MHz。因此，為了獲得高頻，就需要使用復(fù)雜的電路控制三次諧波等振動模式。愛普生應(yīng)用進行光刻加工的 QMEMS 技術(shù)，生產(chǎn)出只將激勵部分加工成幾微米的反向臺結(jié)構(gòu)，既保證了芯片的強度又能以基波起振高頻，以此解決上述問題。

【2】關(guān)于 QMEMS 技術(shù)

“QMEMS”是具有高穩(wěn)定、高精度等優(yōu)越性能的石英材料“QUARTZ”和“MEMS（Micro Electro Mechanical

System，精密加工技術(shù)）”組合成的造詞。與以硅為材料的“MEMS”相對應(yīng)，以石英為原料進行精密加工（光刻加工）而提供的小型化、高性能晶體元器件被稱為“QMEMS”。應(yīng)用 QMEMS 技術(shù)的產(chǎn)品除了本次介紹的反向臺形 AT 型石英晶體以外，還應(yīng)用于音叉型晶體單元振動槽的精密加工和 AT 型石英晶體的臺形結(jié)構(gòu)加工等方面。本次，我們以 AT 型石英晶體的臺形結(jié)構(gòu)加工為例，說明 QMEMS 技術(shù)。

AT 型石英晶體的振蕩是典型的厚度變形振蕩，其理想的振蕩狀態(tài)是只在中央部分振蕩，而周圍部分不產(chǎn)生振蕩。對于 MHz 頻帶中較低頻帶的 AT 型石英晶體，大多使用倒角加工，使石英片的中央部分與周圍的厚度不同，從而獲得該效果。圖 2 表示原來的機械加工方式和使用了光刻加工的 QMEMS 方式的概略。由于機械加工利用石英芯片自身重量進行加工，所以石英芯片越小，加工難度越大，偏差也隨之增加并影響特性。與此相比，QMEMS 技術(shù)的光刻加工不受石英芯片大小的影響，可使石英片的形狀保持均一，即便是超小型的石英芯片，也能達到比機械加工更小的偏差，從而實現(xiàn)圖 3 所示的優(yōu)越的溫度特性。

綜上所述，在高頻領(lǐng)域，也能夠使用 QMEMS 技術(shù)生產(chǎn)出圖 1 所示的反向臺結(jié)構(gòu)，既保持石英芯片的強度，又能以基波起振高頻，以此提供具有穩(wěn)定性能的產(chǎn)品。

【3】使用反向臺形 AT 型石英晶體的產(chǎn)品及其特征

在愛普生的產(chǎn)品中，使用以 QMEMS 技術(shù)實現(xiàn)基波起振高頻的反向臺形 AT 型石英晶體的產(chǎn)品如下：

①SPXO（Simple Packaged Crystal Oscillator，石英晶體振蕩器）中的 SG-210S*H、SG-770***/SG-771***；

②VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator，壓控晶體振蕩器）中的 VG-45**系列。

VCXO 的頻率隨外部施加的控制電壓而變化，主要應(yīng)用于基站和光傳送設(shè)備。近年，由于數(shù)據(jù)通信不斷趨向高速化及大容量化，市場對高頻與穩(wěn)定信號源的需求日益增加。因此，具有高頻、良好的溫度特性及優(yōu)越的噪音特性的 AT 型石英晶體已成為備受矚目的存在。

圖 4 表示使用反向臺形 AT 型石英晶體的 VCXO 產(chǎn)品 VG-4513CB 與本公司原有產(chǎn)品（倍頻型）的失真成分比較。

圖 4：失真特性的比較

為獲得高頻而使用鎖相環(huán)或倍頻電路時（圖 4 左），其缺點是將產(chǎn)生信號以外的噪音（失真成分）導(dǎo)致抖動特性下降。使用反向臺形 AT 型石英晶體時（圖 4 右）能以基波起振高頻，因此不會產(chǎn)生類似以前產(chǎn)品的失真成分，實現(xiàn)低抖動特性。以基波直接起振高頻的優(yōu)勢大，我們認為它將成為不斷增加的基礎(chǔ)設(shè)備的不可或缺的關(guān)鍵部件。

【4】后序

高頻的基準(zhǔn)信號源在近年的通信設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中必不可缺，而滿足顧客所使用的應(yīng)用和要求規(guī)格的高頻輸出的電子部件的品種眾多。

愛普生分三次介紹了獲得高頻輸出的電子部件，包括實現(xiàn)可獲得任意頻率的方便性的程控石英晶體振蕩器、實現(xiàn)低相位抖動的 SAW 振蕩器和具有良好的溫度特性并以基波直接起振的 AT 型石英晶體。上述產(chǎn)品各具特色，但每款產(chǎn)品均發(fā)揮了石英本身所具有的高穩(wěn)定與高精度的特性，相信能根據(jù)顧客用途提供更大的選擇余地。我們希望通過本次技術(shù)說明，能讓顧客更多理解石英產(chǎn)品所具有的高穩(wěn)定性，在廣大顧客選擇各種應(yīng)用程序的電子部件時助一臂之力。