國內外高端頻率控制器件的技術(shù)比較

0 引言

近年來(lái)，通信業(yè)頻率源的大量需求以及軍工方面對頻率源廣泛應用，加之精密導航定位對參考時(shí)間的依賴(lài)，作為程控交換設備的一級銣原子頻標的價(jià)格和體積都逐漸接近了高穩定度振蕩器。另一方面目前市場(chǎng)用量最大的各種石英晶體諧振器和振蕩器的需求量每過(guò)4年左右就翻一番。從1999年到2004年，石英晶體諧振器和振蕩器的市場(chǎng)需求量分別由13.2億和24.7億美元發(fā)展到27.7億和52.6億美元?？梢?jiàn)，頻率源作為各種高精度通訊及信息傳遞設備的核心器件，其潛在的發(fā)展前景是穩定增長(cháng)的，只是其價(jià)格會(huì )進(jìn)一步下降。此外，GPS的各種應用技術(shù)和裝置的發(fā)展，各類(lèi)加工業(yè)、機電產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)、軍用裝備、汽車(chē)電子應用設備、新型家電等對信息技術(shù)的聯(lián)系和依賴(lài)，也將為晶體和振蕩器提供更加廣泛的市場(chǎng)。 1 高端頻控器件的市場(chǎng)狀態(tài)

中國的晶體行業(yè)規模和技術(shù)也同時(shí)得到了長(cháng)足的發(fā)展。目前，國內廠(chǎng)家生產(chǎn)的晶體數量已經(jīng)列在了晶體生產(chǎn)大國的前二位。但是，作為精密頻率控制器件，其高端的原子振蕩器和精密晶體振蕩器的技術(shù)差距，使得我們在晶體器件的進(jìn)出口方面一直處于逆差狀況。2003年，中國出口的低端頻控器件有5.3億美元，而進(jìn)口的高質(zhì)量或高端頻控器件為9.8億美元；2005年，上述兩個(gè)數字分別為7.1億美元和13.85億美元。進(jìn)口的頻控器件主要用于通訊、航空航天和軍事科技方面。而且，國外對高端頻率控制器件的某些限制也對國內的用戶(hù)產(chǎn)生了一定的影響。

通過(guò)筆者和美國、歐洲以及日本不少同行技術(shù)人員進(jìn)行的接觸和交流。美國和歐洲的專(zhuān)家對中國的市場(chǎng)發(fā)展很感興趣，而對本地區的狀況則多少有些憂(yōu)慮?？梢哉f(shuō)，由于市場(chǎng)等方面的原因，一些國家高端頻控器件的發(fā)展前景并不樂(lè )觀(guān)。新的需求牽引、國際間的合作成為本行業(yè)發(fā)展的重要契機。這也是大家需要進(jìn)一步關(guān)注的。

為了了解信息和發(fā)現問(wèn)題，除了從國外的刊物和會(huì )議上收集大量的論文外，作者也曾訪(fǎng)問(wèn)了美國的CINOX、PTI、EDC，歐洲的OSA、TEMEX日本的EPSON、川崎等公司和一些大學(xué)。這些信息構成了本文的基礎。

2 國內外高端頻控器件的技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

近年來(lái)，就技術(shù)的原創(chuàng )性、關(guān)鍵技術(shù)及其支持系統的特點(diǎn)、工藝與管理、公司運作格式、人員背景差異來(lái)說(shuō)，本行業(yè)產(chǎn)品的國際技術(shù)與國內狀況相比，均存在一定的差異。

2.1技術(shù)的原創(chuàng )性特點(diǎn)

從居里夫婦發(fā)現壓電效應到Cady根據這一原理制造出最初的頻控器件，可以說(shuō)，這是本行業(yè)最重要的原創(chuàng )性技術(shù)突破。為了表彰本領(lǐng)域的原創(chuàng )性貢獻，IEEE設立了IEEE Cady獎，每年頒發(fā)一人次。近年來(lái)，先后有歐美和日本的學(xué)者因為新切型晶體、MEMS基礎的頻率控制器件、高穩定度晶體振蕩器技術(shù)等獲獎。而中國在這方面還沒(méi)有人問(wèn)津。作者之一作為該獎的評審專(zhuān)家參加了多次評獎過(guò)程。作為一個(gè)行業(yè)的長(cháng)期發(fā)展和競爭者，我們除了考慮眼前的經(jīng)濟效益外，在原創(chuàng )性技術(shù)探索及其可能帶來(lái)的影響和效果也應給予充分的重視。而且必須從國家行為的角度給以關(guān)注。這不但是一種必要的行業(yè)文化，對于行業(yè)的戰略發(fā)展也會(huì )起到重要的作用。

2.2關(guān)鍵技術(shù)投入及其支持系統

根據筆者了解，一些公司(如PTI、EPSON、OSA、TEMAX等)在高端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研制方面均有足夠的力量，而且部分產(chǎn)品正是由國有單位和院校投資完成的科研成果。PTI公司的主要技術(shù)負責人就是因為高端產(chǎn)品的研制成果而成為IEEE的FELLOW。HP公司的Jack Kusters則因為SC切晶體的研究成功獲得了IEEE Cady獎。在美國和日本，院校只承擔基礎研究工作，和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相關(guān)的一切高技術(shù)含量的工作全由公司完成。國家協(xié)調、公司投資把兩方面很好地結合在一起。為了企業(yè)的長(cháng)遠發(fā)展，他們技術(shù)的投入所占成本的比例明顯大于我國。

近年來(lái)，隨著(zhù)移動(dòng)通訊的室外基站和軍工方面對高精度振蕩器的大量需求，能夠在-55～+85℃工作且具有優(yōu)良的頻率溫度穩定性的OCXO已經(jīng)大量在市場(chǎng)上應用。國外雙層控溫的晶體振蕩器已可實(shí)現-20~C～+70％范圍內110-10的頻率溫度穩定性。BVA精密晶體更以其最優(yōu)良的老化和穩定度指標而成為高精度晶體頻標的穩頻器件。目前，采用這種精密晶體的OCXO的最高頻率穩定度已可達到710-14／秒，而老化率指標也進(jìn)入了10-12／日量級，個(gè)別振蕩器還能夠達到510-13／日的老化率指標。有的國外公司還聲稱(chēng)，在許多場(chǎng)合下，他們的超高穩定度精密晶體振蕩器也能替代銣原子頻標。

俄羅斯研制的新型小尺寸雙層恒溫高穩定度晶體振蕩器使用的是增加二級恒溫的熱增益方法，同時(shí)采用減小外層恒溫槽溫度梯度的方法以及減少內外層恒溫槽之間熱聯(lián)結的材料等來(lái)獲得好的溫度穩定度。這樣的高穩定度晶體振蕩器能夠在多種頻率下實(shí)現-40～+70℃和110-10的頻率溫度穩定度、110-10／日的老化率、110-12／秒的頻率穩定度，并具有小于3 W的功耗和50.850.825.4 mm的外型尺寸。

日本企業(yè)Nihon Dempa Kogyo Co.，Ltd報道了他們在雙模SC切晶體振蕩器方面的基礎研究工作。他們采用對B模和C模信號在寬頻率范圍內進(jìn)行線(xiàn)性相位濾波和差分放大消除了這類(lèi)振蕩器中的搖擺不定的效應。通過(guò)一系列的技術(shù)處理，他們可在-20～+70℃范圍內使SC切晶體的溫度被鎖定在+0.002度之內。

頻率源的技術(shù)指標要求不僅僅表現在精度方面，還表現在信號的頻率范圍、頻率源工作的溫度、加速度等環(huán)境條件、尺寸、功率消耗等。為了適應市場(chǎng)，尤其是移動(dòng)設備、移動(dòng)通訊和手機市場(chǎng)的要求，精密晶體振蕩器最明顯的一個(gè)特點(diǎn)是全集成化的OCXO和TCXO的發(fā)展。美國賓西法尼亞州立大學(xué)推出了在一個(gè)CMOS芯片上構成的OCXO。他們把振蕩線(xiàn)路、加熱電路、溫度傳感器和運算放大器等集成在這個(gè)芯片上，芯片尺寸僅為5 mm2，使用3.3 V電壓的OCXO在室溫下不經(jīng)任何熱絕緣的功耗為363 mW(典型商用OCXO為1～2 W)，且其頻率溫度穩定度還在繼續改進(jìn)。

不少?lài)蚁嗬^推出了全集成化的溫度補償晶體振蕩器。它把除晶體之外的所有線(xiàn)路全部集成在一個(gè)集成線(xiàn)路之中。并在TCXO的生產(chǎn)中包含有存儲器部分的數據寫(xiě)入，可表現出寬溫度范圍內1 ppm的較高補償精度，從而對傳統的TCXO構成了很大威脅。這種全集成化的TCXO中沒(méi)有熱敏電阻，而是采用半導體PN結作為溫度傳感器，并通過(guò)運算放大器組構成的三次函數電壓發(fā)生器來(lái)與被補償的晶體振蕩器的補償電壓-溫度特性相擬合，從而達到溫度補償的目的。由于采用了這樣的補償方式，對TCXO的開(kāi)發(fā)實(shí)驗過(guò)程也可以得到簡(jiǎn)化。而對于未補償的振蕩器的溫度特性實(shí)驗，只要在其全溫度范圍內均勻地實(shí)驗5個(gè)溫度點(diǎn)的數據即可，其中2個(gè)點(diǎn)是在溫度的最高和最低處。封裝好的振蕩器外形尺寸最小可以達到3.05.141.6 mm3，同時(shí)也可采用線(xiàn)路的芯片進(jìn)行靈活和更小尺寸的封裝。YCXO的進(jìn)一步發(fā)展趨勢是應用數量還會(huì )大量增加，但其價(jià)格也會(huì )進(jìn)一步下降。繼續發(fā)展新原理的TCXO仍然是該方向上不斷進(jìn)行的工作之一。

微機補償晶體振蕩器(MCXO)在所有的溫度補償型晶體振蕩器中仍然是補償精度最高的。目前，以SC切晶體的雙模振蕩器為基礎的溫度補償晶體振蕩器在-55～+85℃溫度范圍內可以獲得210-8的頻率溫度穩定度。如果采用軟件補償方法且僅用于測量目的，還可以獲得更高的補償精度。與基于A(yíng)T切晶體的溫度補償型晶體振蕩器在原理上不同的是，基于SC切晶體的MCXO一方面使用了穩定性更好的泛音晶體，另一方面，這樣的MCXO不是采用對振蕩器壓控調節的方法，而是使用頻率合成方法產(chǎn)生輸出信號。所以，這樣的MCXO具有更高的穩定度和老化指標，但其結構也更復雜。

與國內相比，國外在各種振蕩器設計和生產(chǎn)方面和我們的最大區別在于，許多外國的公司和院校都非常注重振蕩器設計的專(zhuān)用軟件的應用和開(kāi)發(fā)。而我國則主要借助于技術(shù)人員的理論知識的掌握、實(shí)驗和經(jīng)驗的積累。美國、日本相應的晶體振蕩器設計軟件(如CODA和專(zhuān)用SPICE，對控溫裝置熱設計的專(zhuān)用軟件等)通過(guò)把更豐富的團體知識和經(jīng)驗的積累軟件化來(lái)指導設計取得了更好的效果。采用振蕩器設計的專(zhuān)用軟件，首先要作的是把對振蕩器的頻率及性能要求以參數的形式輸入相應的計算機，然后通過(guò)人機對話(huà)和軟件運行來(lái)由計算機選擇對應的線(xiàn)路和線(xiàn)路參數。隨著(zhù)軟件的進(jìn)一步豐富，振蕩器的結構也可以被方便地設計，而且一些更特殊的要求也可以得到滿(mǎn)足和改進(jìn)。對于要求不高的OCXO，常常通過(guò)一次軟件處理就可以完成設計任務(wù)。這樣，晶體和關(guān)鍵線(xiàn)路器件的制作完全可以在計算機軟件設計以后進(jìn)行，從而節省時(shí)間和費用。而借助于實(shí)驗和經(jīng)驗的設計方法則需要消耗更多的時(shí)間和器件，已經(jīng)不能適應用戶(hù)對晶體振蕩器在指標、品種、數量和供貨期等方面的更高要求了。雖然這方面的信息早已為國內所知，但是幾乎沒(méi)有在設計等方面得到應用。其原因不僅僅是對單一軟件的掌握問(wèn)題。

國外的企業(yè)主正是考慮到人員的更替和技術(shù)競爭等多方面的因素，他們才對產(chǎn)品的設計和技術(shù)發(fā)展大量采用專(zhuān)用軟件操作。他們將公司的技術(shù)發(fā)展細節、產(chǎn)品設計的全部線(xiàn)路、結構和實(shí)驗結果相對應，并將技術(shù)人員的經(jīng)驗積累等都存儲起來(lái)。這些軟件不僅僅可以起到數據庫的作用，而且能夠作為設計等技術(shù)決策的操作軟件。這種科學(xué)的資源管理方式起到了明顯的效果。

2.3公司工藝與管理模式

在與晶體相關(guān)的產(chǎn)業(yè)中，無(wú)論是生產(chǎn)企業(yè)還是用戶(hù)，都應該意識到一點(diǎn)：頻控器件需要一個(gè)相對比較長(cháng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行相關(guān)的各種測試、考核和老化，以確保產(chǎn)品在實(shí)際應用中的效果。在TEMEX公司，除了直接面對生產(chǎn)線(xiàn)的員工，一部分人員還必須進(jìn)行產(chǎn)品測試。其中生產(chǎn)的每臺銣鐘和晶體頻標都要逐個(gè)進(jìn)行嚴格的產(chǎn)品測試。一般銣原子頻標的生產(chǎn)周期為半年，其中80％的時(shí)間是用于各種實(shí)驗和老化。根據產(chǎn)品的差異可采用不同的實(shí)驗時(shí)間，比如銣泡就要在80攝氏度的溫度下進(jìn)行6周到兩個(gè)月的老化和測試。而用于航空航天和軍用星載銣原子頻標則需要一年的時(shí)間來(lái)完成整個(gè)生產(chǎn)周期。確保質(zhì)量的這些措施可有效的把產(chǎn)品返修率維持在1％左右。OSA生產(chǎn)的超高穩定度的OCXO中，晶體的生產(chǎn)周期為半年，振蕩器的生產(chǎn)周期也是半年。保證高精度的手段主要是生產(chǎn)工藝的精細、高精度的檢測手段和生產(chǎn)過(guò)程中不同環(huán)節的反復測試。而保證可靠性的手段則主要是長(cháng)期高溫下的實(shí)驗和老化。

筆者所接觸的大量國外企業(yè)幾乎全是面對國際市場(chǎng)的。因此，他們也把我國的市場(chǎng)作為自己的發(fā)展機會(huì )。廣泛收集世界各地的市場(chǎng)信息是他們強于國內同行的地方。

2.4人員背景的差異

市場(chǎng)競爭的另一方面也是人才的競爭。國外的不少企業(yè)的設計和管理人員都具有博士學(xué)位，他們能更好的將許多先進(jìn)的工具和知識運用于晶體和振蕩器的設計和開(kāi)發(fā)。他們善于用計算機和工具軟件來(lái)保存團隊的工作積累，并進(jìn)一步指導產(chǎn)品的設計。這和我國主要依靠個(gè)人的經(jīng)驗積累形成了鮮明的對比。

2.5新型技術(shù)競爭的苗頭

近年來(lái)，對精密晶體振蕩器具有競爭技術(shù)的有片式結構的原子振蕩器、MEMS器件等。美國的微型原子頻率標準的尺小僅有9.5立方毫米，75mW功耗，其秒級頻率穩定度為310-10。最近幾年，頻率穩定度指標又有了大幅度提高?？梢韵胂?，這種小尺寸的原子頻率標準對于頻標的大量推廣，尤其是在軍事中的應用具有很重要的價(jià)值。原子頻標的發(fā)展不僅僅表現在高精度方面，而且還注重小型化、低價(jià)格、更廣泛的普及率等。美國Symmetricom生產(chǎn)的商用銣原子頻標在保證高精度的情況下，價(jià)格已經(jīng)接近1000美元。而且有更小的體積。這反映了在高技術(shù)領(lǐng)域，國外更注重多方面競爭力的發(fā)展。也同時(shí)說(shuō)明了在價(jià)格競爭中技術(shù)進(jìn)步的重要性。

基于頻率量的傳感器(包括化學(xué)和物理傳感器)在相當廣泛的測量技術(shù)領(lǐng)域中都得到了應用。這類(lèi)傳感器的測量對象很廣泛，而且檢測的分辨率很高，是國際上近年來(lái)傳感器和測量技術(shù)發(fā)展的方向之一。這方面的代表技術(shù)有用于多水環(huán)境監測的高靈敏度引導型SH-SAW化學(xué)傳感器。該傳感器使用LiTaO3上的雙延遲線(xiàn)幾何圖形方式設計，可用來(lái)校正環(huán)境條件(如溫度起伏)變化的參考線(xiàn)用聚合物波導層鍍敷。傳感線(xiàn)可用功能象波導層與化學(xué)傳感層的聚合物來(lái)鍍敷，也可在特殊的化學(xué)傳感層下面鍍敷聚合物波導層。實(shí)驗測量表明，在傳感線(xiàn)上，對于給定的聚合物總的厚度，其3層模式提供了比4層模式更高的靈敏度。然而，實(shí)驗還證明，4層模式噪聲低、更穩定。理論和實(shí)驗方面的大量工作對于進(jìn)一步傳感器的發(fā)展提供了有用的基礎。

對材料特性的基礎研究一直是許多研究機構不斷進(jìn)行的工作。這方面的探索有利于基本的頻率控制器件(如晶體、晶體振蕩器以及聲表面波器件)的性能提高。臺灣的學(xué)者進(jìn)行了晶體的頻率一溫度特性隨各種切角以及金屬電極厚度的變化研究。聲表面波器件SAW工作在幾百MHz幾GHz的頻率范圍內時(shí)，它們表現出優(yōu)良的溫度特性和較高的質(zhì)量因數，且比泛音晶體諧振器具有更低的抖動(dòng)和相位噪聲。對于振蕩線(xiàn)路。其頻率溫度系數和零溫度系數點(diǎn)是兩個(gè)關(guān)鍵參數，它們主要取決于SAW諧振器的溫度性能?？偟膩?lái)說(shuō)，SAW諧振器的頻率溫度系數和零溫度系數點(diǎn)取決于基底的切角、波的傳播方向和金屬電極的厚度。因此，重要的是選擇水晶材料，它能以不同的金屬電極厚度得到SAW諧振器的合適溫度性能。在實(shí)際的SAW諧振器的設計中，為了獲得優(yōu)良的溫度性能，常常使用不同于ST-X切的基底，并使電極的金屬厚度超過(guò)2％以產(chǎn)生好的反射?；姿Р牧弦部赏ㄟ^(guò)實(shí)驗的方法優(yōu)選。實(shí)驗結果表明，當基底的切角或金屬電機厚度增加時(shí)，其頻率溫度系數和零溫度系數點(diǎn)今線(xiàn)性減小。

3我國的高端頻率控制器件技術(shù)

近年來(lái)，我國國內通過(guò)企業(yè)與院校結合、國外設備和技術(shù)的引進(jìn)、相應部門(mén)的投入加大(科技部、自然科學(xué)基金委、部委技改費等)，以及來(lái)自通訊業(yè)和軍工部門(mén)的需求牽引，我國高端頻率控制器件的技術(shù)獲得了較快的發(fā)展。并正在經(jīng)歷從數量增加逐步發(fā)展成水平和質(zhì)量進(jìn)步的過(guò)程。我們需要的不是單一的技術(shù)突破，而是要求全面的設計思路、生產(chǎn)工藝、材料發(fā)展、檢測技術(shù)的考慮。目前。我國在大規模、較高水平以及更具有競爭成本的OCXO生產(chǎn)技術(shù)方面已經(jīng)有一些股干企業(yè)表現出了很大的優(yōu)勢。相信這對于國內的高端頻率控制器件的技術(shù)進(jìn)步能夠起到帶頭作用。目前，在技術(shù)方面能引起國外重視的技術(shù)主要集中在低成本、高質(zhì)量的批量振蕩器生產(chǎn)技術(shù)。例如。電阻焊真空封裝的中精度晶體和低成本的中高檔晶體片等。

4結束語(yǔ)

在科技發(fā)展不斷深化的過(guò)程中，高端頻率控制器件的發(fā)展和應用呈現出越來(lái)越強勁的勢頭，并與所服務(wù)的科技、產(chǎn)業(yè)和國防建設相互依存和互相促進(jìn)。企業(yè)在市場(chǎng)競爭的同時(shí)，全面了解和掌握當前的科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求是很有必要的，因為它將有力地促進(jìn)我國高端頻率控制器件的發(fā)展，提高我國信息產(chǎn)業(yè)的整體水平。