　　石英晶振设备悄悄地连续标记着电视机，电脑和手表内的时间流逝。石英器件已经发展成为电子行业不可或缺的固定装置，甚至被称为“工业之盐”。这些重要的石英设备的顶级制造商是Epson Toyocom公司。'QMEMS（Quartz +'MEMS'）'是促进MEMS（微电子机械系统）晶体材料微加工工艺的独特技术的名称，是该公司业务的真正支柱。通过充分利用这项技术的优势，可以为石英器件实现更小巧的尺寸和更好的性能。QMEMS的起源是当今世界的领先技术，可以追溯到20世纪70年代初。QMEMS技术源自30多年来工程师的严格努力。我们的QMEMS故事，即“艺术细化的历史”，首先开发了导致QMEMS起源的技术。本文讲述了努力使QMEMS栩栩如生的工程师的行动故事。第一部分将重新计算在世界上第一块石英手表开发之后的这段时间，直到成为QME??MS基础的技术发展的前夕。

Su访湖上的一家公司悄然控制着竞争

　　1969年，在日本中部的苏瓦湖岸边，当地的一家公司悄然成功地将世界上第一块石英手表变成了现实 - “精工石英天文35Q”（图1），这一事件让世界措手不及。
　　这真是一个划时代的突破。在此之前，石英钟表虽然非常精确，但却非常大，以至于不能轻易携带，而是采用箱形钟表的形式悬挂在墙壁上。虽然机械手表当然已经存在，但这些并不精确。需要一个创新的解决方案来解决更好的精度和更紧凑的尺寸的双重问题，全球各地的公司都在1960年代中后期进行无情竞争以找到一个问题。

图1：世界上第一块石英手表'精工石英Astron 35Q'
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图2：Quartz Astron开发之前的晶体单元这是
在Quartz Astron到来之前实际使用的晶体单元
类型的一个例子。虽然看起来很大，长约50毫
米，但它实际上是当时最小的水晶单元之一。

　　它是精工苏瓦株式会社，苏瓦湖岸边，它正悄悄地控制着这个发展的竞争对手。使精工苏瓦株式会社领先其竞争对手的因素之一是该公司成功地使晶体单元更加紧凑。传统的水晶装置尺寸非常大，无法装入手表般小的东西（图2）。精工苏瓦株式会社通过采用称为“音叉晶体”的新结构解决了这个问题。新开发的'Cal.35SQ'型尺寸*晶体单元的直径为4.3mm×长度为18.5mm（图3）。此外，精工苏瓦株式会社还能够调整水晶单元的内部结构，以便克服腕表连接在佩戴者手腕上时经常受到的振动和撞击所引起的问题。

*此时公司开发的音叉式水晶单元用于Suwa Seikosha内部制造的手表。因此，“我们没有给他们一个特定的产品型号，只是通过他们的机芯名称或手表的操作机制（Calibre，或'Cal。'）来提及它们，”。

图3：Quartz Astron中使用的音叉晶体单元采用新开发的音叉
结构，使精工苏瓦株式会社能够成功制造出更小的晶体单元,半径
仅为4.3mm，长度为18.5mm。它被分配了型号“Type Cal.35SQ”
并且具有8.192kHz的正常频率。

　　世界上第一块石英表的实际应用和音叉晶体单元的开发是许多工程师流下血液，汗水和眼泪的结果。然而，这绝不是故事的结局。事实上，这只是长期艰苦斗争的开始，直至今日。

　　工程师没有时间停留在他们的成就上。虽然他们通过开发第一款石英表让世界惊讶，但他们知道，只要商业上可行，它就会成为日常生活中的常见项目。最终用户不断渴望更好，更高质量的产品 - 这一现象即使在当今时代也是如此。
　　随着第二年（1970年）Quartz Astron的全球发布，开发水晶单元的团队得到了高层管理人员的严格订单，生产出更紧凑的设计。我们的目标是提高公司手表的产品吸引力，同时开发具有卓越抗冲击性和提高大规模生产效率的石英手表。尽管石英天文台是一款开创性的新产品，但其工程师认为其尺寸仍然过大。石英手表被认为需要制造得更加紧凑，才能更好地被市场接受。然而，Cal.35SQ型晶体单元（直径4.3mm x 18.5mm）的尺寸太大，无法进一步缩小石英表的尺寸，*结构。

*'运动'是指手表中包含的操作机制。

　　工程师不懈地努力，直到他们设法将紧凑的音叉晶体单元投入实际使用。当然，如果精工苏瓦株式会社开发团队的某个人宣称“没有简单的方法可以让水晶单元变得更小”，那就不足为奇了。尽管如此，开发团队事后并未提出任何意见，而是立即采取行动。

　　他们努力推动的动机是什么？自1972年以来一直参与石英设备开发的工程师Haruo Takada先生反映了那些时代。“虽然我个人还没有参与晶体单元的开发，但是开发团队从一开始就知道如何使它们更加紧凑。他们知道为了使音叉晶体单元更小，他们必须增加振荡频率。一旦我们考虑到了原则，解决方案就很明显了。“

　　Quartz Astron使用的音叉晶体振荡器的振荡频率为8.192kHz。将频率加倍会导致长度的1 /√2倍。换句话说，将振荡频率增加到16.384kHz将导致晶体单元的尺寸减小到原始长度的大约0.7倍。增加振荡频率本身并不是一项艰巨的任务。实际上，1970年的石英钟实际上使用了振荡频率为100k到200kHz的晶体单元，而广播电台设施使用的是兆赫级的晶体单元。

　　开发团队战略的方向已经确定。它们会使振荡频率加倍并减小音叉晶体单元的尺寸。毫无疑问，这将有助于在紧凑型石英手表机芯内安装水晶单元。开发团队胜利地完成了他们的工作。然而，紧接着，他们面临着一个新的同样困难的挑战。

　　问题在于消耗的电量增加。功耗增加意味着手表的电池寿命缩短。不言而喻的是，需要频繁更换电池的石英手表的产品吸引力会很差。开发团队知道它必须找到降低手表功耗的方法。

　　事实上，开发团队原则上已经知道，在参与开发过程之前，“增加振荡频率会增加功耗”。对于工作频率的任何增加，晶体单元消耗的任何功率将以2的幂指数地增加。换句话说，将振荡频率加倍将导致功耗增加四倍（22 = 4）。很明显，它需要一些创造性思维来成功降低功耗。然而，当时还没有其他技术可以减小晶体的尺寸。

　　开发团队感到困惑。“一定有办法。” 1971年，僵局感开始出现。然后，来自海洋的好消息传来，美国的某个半导体制造商已经开发出一种新的创新型半导体技术。

　　开发团队坚持这个消息，好像这是他们最后的希望。实际上，他们逐渐意识到需要调查和分析负责振荡和时钟分频等功能的电子电路，以提高Quartz Astron的功耗能力。安装在Quartz Astron内部的电子电路是混合电路，包括双极芯片的组合。切换到新的半导体技术确实可以降低功耗。

　　负责该项目的人立即飞往美国。一旦在外国土地上，他们发现自己面临一种全新的技术。

　　这是CMOS集成电路（IC）技术。目前，CMOS IC是一种相当常见的技术，但当时它确实是开创性的。与组合双极芯片的传统混合电路相比，功耗可以大幅降低。该团队的工程师立即感觉到他们已经找到了答案。

　　此后的发展稳步推进，他们自然采用了新的半导体技术。在技术评估上花费了合理的时间。但是，没有出现阻碍发展的重大问题。因此，在1971年，该团队成功开发了较小的“Cal.38型”音叉式晶体单元（图4），振荡频率为16.384kHz，尺寸为4.3mm直径×14.7mm长。

图4：'Cal.38'型音叉晶体单元
通过将振荡频率提高到16.384Hz，实现了更小巧的尺寸。新晶体单元
于1971年开发，尺寸为直径4.3mm×长度14.7mm。

世界各地陆续推出日益紧凑的设备。

　　对于如何制造小型电子设备似乎没有限制，石英设备也是如此：它们越小，对更小，更紧凑的设备的需求就越大。

　　接下来，在1973年，该公司通过将振荡频率加倍，实现了更小，更紧凑的尺寸。振荡频率增加到32.768kHz，而尺寸进一步流线型直径为3.9mm，长度为10.9mm。这预示着'57型'晶体单元的到来（图5）。

　　再一次，问题是振荡频率增加两倍导致功耗量增加四倍。然而，通过改进CMOS IC以及改善电池和电动机的性能来解决这个问题。

　　请注意，32.768kHz的数字现在成为当代钟表中使用的晶体振荡器的全球事实标准。换句话说，这个数字标志着钟表晶体单元频率增加到达饱和点的时间点。

图5：'Cal.57型'音叉式晶体单元
通过将'Cal.38型'的振荡频率加倍到相当于32.768kHz，可以进一
步简化尺寸为3.9mm直径×10.9mm长度。该产品于1973年开发。

　　此外，1973年标志着'F-001'音叉晶体单元的发布，具有新的扁平形状而不是传统的圆柱形形状（图6）。这款新的晶体单元略大于Type Cal.57，尺寸为5.1mm×12.1mm×2.4mm。然而，其创新形状极大地简化了用于安装电气元件的PCB附件（封装方法）。传统的圆柱形要求将晶体单元连接到PCB上以使其垂直，因此需要额外的弯曲金属端子然后沿着PCB放置晶体单元。同时，新的扁平设计使得晶体单元可以通过将其插入PCB而简单地连接。

　　这种新设计像热蛋糕一样销售，并逐渐在流行的小型手表以及带液晶显示屏的手表中采用。在带LCD屏幕的手表中，电路必须安置在LCD面板下方。因此，新型平板形F-001晶体装置已充分配备以满足这些要求。

图6：'F-001'平模式音叉晶体单元
与'Cal.57型'一样，新款音叉晶体单元于1973年上市。与传统相
比,扁平形状使安装变得轻而易举圆柱形式。新的晶体单元尺寸为
5.1mm×12.1mm×2.4mm，振荡频率为32.768kHz。