下面介绍一种由集成电路构成的石英电子表。

第一部分 数字电子表原理

下面的资料参见《电子手表原理使用维修》李建邦，周孟奇，朱和编著，电子工业出版社1984年出版。资料下载网址：

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集成电路石英电子表

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数字式电子表的工作原理如图1-1所示。由石英谐振器，振荡器，微调电容和CMOS集成电路中的振荡电路中的振荡电路组成稳定的CMOS石英振荡器，产生32768赫的振荡信号作为基准频率，然后把这一基准频率信号输入到分频电路。分频电路由15级相互连接的二分频电路组成。输入分频电路的32768赫的基准信号每经过1级二分频电路，就将其频率减半（即除以2），连续经过15级二分频电路，其频率信号就变为1赫的方波信号（即秒信号）。再将此信号送到秒、分、时、日、周、月等时间计数电路进行时间累计，然后把累计结果送入到译码电路，译码电路又将累计结果转换成七段数字显示所需的信号，此信号又去控制液晶驱动电路，最后在液晶显示器上正确显示出时间。

5.驱动电路

为了确保液晶显示器的使用寿命，液晶显示器必须用交流信号驱动，而译码器输出的信号是直流信号，通常需要把译码电路输出的信号转换成能够驱动液晶显示的32赫的方波信号，才能用以驱动液晶显示器。这个直流到交流的转换任务是由驱动电路来完成的。驱动电路的类型较多，现以传输门构成的驱动电路为例来说明其工作原理。如图2-16所示，液晶显示器的公共电极接32赫的方波信号，字划a的电极与传输门T0a`和T0a``的输出端相接，T0a``的输入端与公共电极相连，T0a`输入端的驱动方波与公共电极的驱动方波的相位相反。当七段译码器的输出端A为“1”时，传输门TGa`导通、TGa``截止，给a字划电极施加的驱动方波信号与公共电极驱动方波信号反相，则字划a显示。当A端输出为“0”时，传输门T0a``导通，T0a`截止，a字划电极所施加的驱动方波信号与公共电极驱动方波同相，则a字划不显示，其余六段字划的驱动电路和工作原理都和a段字划相同。

这样对液晶显示器就实现了32赫的交流驱动，并且液晶字划的显示与否完全由译码器的输出信号来控制，这就满足了数字式电子表的要求。

6.升压电路与电平转换电路

在电子表中，一般仅用一个扣式电池（1.5伏）作为能源，液晶显示器需要3伏以上的交流电压来驱动，对于电源电压只有1.5伏的电子手表来说，就必须采用升压电路来升高电压。在早期的电子手表中，一般采用变压器升压电路，因为早期电子手表采用的液晶显示器属于动态散射型，它的工作电压为15伏，一个变压器一次升压就可满足该种液晶显示器的工作要求。由于目前电子手表中所采用的液晶显示器属于场效应扭曲型，其工作电压为3-6伏，因此在目前的电子手表中大都采用电容二倍压整流电路或CMOS升压电路。

(1)电容二倍压整流电路

它是由两个电容（升压电容C1、滤波电容C2）及二极管D1、D2组成的，如图2-17所示。输入端接触发器的Q和Q端。触发器输出-1.5伏、512赫的方波。该电路电源正极接地。滤波电容C2一端接地，另一端是输出端。电路的工作原理如下：

当Q端是-1.5伏，Q端是0伏时，二极管D1加正向电压而导通，此时升压电容C1充电，充电过程是：Q→C1→D1→Q。C1两端电压被充为1.5伏，电压极性如图所示，此时A点对地电压是-1.5伏，D2两端加的是反向电压因而不导通。当Q端是0伏，Q端是-1.5伏时，由于电容C1两端的电压不能突变，因此使A点的电压变为-3伏。D1两端加的是反向电压因而不导通，升压电容C1向滤波电容C2放电，即C2被充电，其回路是：地→C2→D2→C1→Q。触发器的状态不断变化，C2上的电压就被充为-3伏。电路中的二极管可制作在CMOS集成电路里，电容C1、C2是外接的。

（2）CMOS升压电路，如图2-18所示的二倍压电路是目前采用较多的一种升压电路，其外部也只能配用两个电容，而且转换效率较高。此电路中，F1,F2,F3为倒相器，N1,N2相当于控制开关，C1为升压电容，C2为滤波电容，现对该电路的工作原理介绍如下：

A点信号为连线的0~-1.5伏的512赫兹的方波。当A点为-1.5伏，经过倒相器F1后，B点为0伏，经过倒相器F1后C点为0伏，再经过F2倒相器后，D点为-1.5伏。由于C点为0伏，N1管导通，E点电压为-1.5伏。由于D点为-1.5伏，所以N2管截止，不能对电容C2充电。当A点为0伏，经过倒相器F1后，B点为-1.5伏，由于C1两端电位不能突变，所以使E点电位变为-3伏，同时经过F1.F3的倒相，使C点变为-1.5伏，D点变为0伏，因此使N1管由导通变为截止，N2由截止变为导通。由于N2管的导通而使F点变为-3伏（因E点电压为-3伏），于是电容C1就被充上-3伏电压，如此周而复始，升压电路就在A信号的控制下，不断向C2充电。因为电路的功耗极小，所以只要选择适当的C1,C2,从C2上就能获得-3伏的电压输出，从而满足了液晶显示器所需要的驱动电压。因为电路的功耗极小，所以只要选择适当的C1,C2,从C2上就能获得-3伏的电压输出，从而满足了液晶显示器所需要的驱动电压。为了既保证液晶驱动等电路的需要，又要减小电子手表的功能，因而在电子表中的CMOS石英振荡电路及第一至第六级二分频电路中，都采用1.5伏电压供电，而第七级以后的其它电路采用3伏电压供电，因此在第六级与第七级二分频电路之间设有一个电平转换电路，从而保证了级间的相互配合。而第七级以后的其它电路采用3伏电压供电，因此在第六级与第七级二分频电路之间设有一个电平转换电路，从而保证了级间的相互配合。

下面的资料参见《石英电子手表原理及维修》刘令祥，谷宜德编著，江苏科学技术出版社1982年出版

2.秒钟信号的产生

CMOS石英振荡电路中产生的基准频率信号是32KHZ或4.2MHZ，要使这样高的频率信号变成秒钟信号就必须用一种分频电路的电路来降低这个频率，直到得到秒钟信号及某些二针的薄型表中低于1HZ的频率信号。直到得到秒钟信号及某些二针的薄型表中低于1HZ的频率信号。图2-11（a）为石英电子表用CMOS集成电路中经常采用的二分频电路。它是由CMOS倒相器、传输门组成的D型触发器。传输门（1），（2），倒相器F1,F2组成主触发器，传输门（3）、（4），倒相器F3,F4组成从触发器。从波形图[图2-11（b）]可见，每输入二个脉冲信号该电路输出一个脉冲信号，实现了二分频作用。二分频电路的种类甚多，但基本原理大同小异。指针式石英电子表用的CMOS电路一般采用16级相互级联的二分频电路，二针薄型表中的CMOS电路采用的级数更多。数字式石英表用的CMOS电路一般采用16级。如果是4.2MHZ的高频石英表其级数需22级或更多。一旦某一级二分频电路出故障，石英电子表就会出现成倍的快或成倍的慢这一故障。

3.驱动步进马达的窄脉冲信号的形成

在一般的指针式石英表中，石英振荡电路产生的32.768HZ的标准频率信号经过16级二分频电路后得到的是0.5HZ的方波信号，这样的信号即不能直接驱动步进马达又不省电，目前广泛采用的是经过功率放大的正负交替、脉宽为7.8ms（毫秒）的脉冲信号。这样的脉冲信号，即能驱动步进马达不停的转动，又仅需用原来1/128的能量（因为一秒钟的时间里马达线圈里只有1128秒即7.8ms有电流通过）。这一脉冲信号是由集成电路中的窄脉冲形成电路和驱动电路来产生的。窄脉冲形成电路有多种形式。如图2-12是采用R-S触发器等电路组成的窄脉冲电路的逻辑图和波形图。图中Q9,Q15,Q16,Q16分别表示第9级、15级、16级二分频电路输出端。从图2-12可以清楚的分析出窄脉冲形成的过程。利用上述电路在h\g端就可以得到交替输出的其脉宽为7.8ms，时间间隔为1秒的正脉冲信号。从h,g输出的脉冲信号，由于输出阻抗很高，故仍不能驱动马达。为了获得足够的功率以驱动步进马达，常采用图2-13的电路来进行功率放大。驱动电路一旦顺坏，出来的脉冲信号有时为单脉冲，或脉冲正负不对称，或输出阻抗仍然大，这样的脉冲信号是不能保证步进马达的可靠工作的，表就会出现走慢、停走等现象。

4.计数电路

指针式石英表与机械表一样，其时间的累计是靠轮系来实现的，而数字式石英表是靠集成电路中的计数电路来实现的。为了把从分频电路中出来的1HZ的标准秒信号累计出时、分、秒、上下午、月、日、周等时间，在数字式石英表的集成电路中设有各样的计数电路。有六十进位的秒、分计数器，有十二或二十四进位的时计数器，有七进位的星期计数器等等。这些计数器实际上都是由数级二分频电路加上适当的门电路组成，因此不同进位制的计数器实际上就是一种不同分频比的分频器。如图2-14是一个三级二分频电路连接在一起，加上一个三端与非门组成的六进计数电路。如果采用四级二分频电路，则在 不加与门控制的情况下是十六进制计数器，但加上一定的与门控制就可成为十进制或十二进制计数器。因此，用增加或减少级联的二分频电路和安排适当的门电路就组成我们所需的一切计数电路。数字式石英表就靠这些名目繁多的计数电路来实现其正确的时间累计，数字式石英表就靠这些名目繁多的计数电路来实现其正确的时间累计，一旦某个计数器损坏，其累计的结果就是不正确的。

5.译码电路

根据表2-1及“反译码”的原则可以得到如下的逻辑表达式：

a  =DCB  A  +AB  C

b   =   C   B    A+   C    B   A

c    =C   B    A

d   =BCD  A  +AB   C   +  A   B   C

e   =   A   +   C   B

f   =   A   B   C   +CD  B  +CD  A

g   =CDB+  C   B   A

数字式石英表在调校过程中除调校项外，其余各项均不显示，所以，液晶数码管熄灭状态应用较多。为了能使液晶数码管通过一个简单的控制就能熄灭，在译码电路中采用加入一个控制参量x来实现。当x=1，则译码电路输出的七个控制字段的输出端均为“0”，各字段都熄灭。因此，实际逻辑表达式中还应加上x。如图2-16所示为实际译码电路的逻辑图。

7.控制电路

数字式石英表，依靠外壳上装有的与电池正极相连的按钮就可顺利实现其功能的变换，时间的调校等工作，这些都靠集成电路中的控制电路来实现。现在我们以调校的逻辑控制电路为例来说明控制电路的工作原理。

（1）调校程序的概念

一只具有秒、分、时、日、星期、月六种指示功能的数字式石英表，为了使表能对这六种功能分别进行调校，必须使表按照日常的调校次序：月、日、周、时、分、秒处于六种不同的调校状态，还要加上一个正常走时的状态（非调校状态）共计七种状态，所以，所谓调校程序就是指上述依次的七种不同的状态。

（2）调校程序的产生

调校程序的产生是采用三级级联的二分频组成的七进计数电路来实现。

当表壳上的调校按钮每按一次，集成电路中与按钮相通的单脉冲发生器就产生一个脉冲，而且这一脉冲就进入调校程序计数器，使计数器从一种状态变为另一种状态。每按动一次按钮，计数器的状态就变化一次，其状态变化如表2-2中所示，表中QA,QB,QC分别表示组成调校程序计数器的三级二分频电路，CP为该计数器输入端。

当调校程序计数器处于某一状态，就可用另一置数按钮进行置数。每按动一次就向相应的计数器送入一个脉冲，有的表按住按钮不松开，单脉冲电路会自动向相应的计数器进数，直到所需调校的数字为止。在调校过程中还得封锁后级向前级进位，故实际电路中还需加入其他控制参数。总的来说控制电路是非常复杂的，这儿简单的叙述其工作原理，目的是帮组掌握数字石英表的调校。还可以利用半导体存储电路将数字石英表的计数信号存储起来，当需要校正日期时，只需要改变存储电路里面的计数器信号，即可。也可以用单片机控调整时间，用脉冲电路控制计数器。

下面内容可参见《集成电路入门》，[日]田渊诚一等著，《国外电子技术》编辑部译，科学出版社1970年出版P139

第二部分石英电子表

振荡器的频率受石英晶体控制，当标称频率32768HZ发生微小的频率偏移时，可以向相应的方向转动微调电容器，以进行控制调整。此时振荡器，便将准确而且稳定的频率信号传递给分频器。分频器的作用，是将振荡器的高频信号分频到机械传动系统适应的频率。分频器的两种互补输出是用来确定两个双稳触发器FF1和FF2的状态。双稳触发器，由一个脉冲触发后进入导通状态，当下一个脉冲到达时，便复位为截止状态，在FF1动作后一秒钟，FF2开始动作。假设15.6毫秒时，可由第九级分频器输出的脉冲将其复位。因此FF1的输出脉冲是矩形波，脉冲宽度15.6毫秒，脉冲重复周期为2秒钟（见图2）。

FF2的输出，相对于FF1的输出脉冲向后移位1秒钟，FF1和FF2两者的输出正负脉冲推动A1和A2两个放大器，向马达线圈馈送脉冲电流，在线圈上就得到正负脉冲电流推动。总而言之，石英指针式手表的电子部件中的集成电路，主要由三部分电路组成。第一部分电路，是连接石英振荡器而组成的振荡电路；第二部分电路，是把从振荡电路输入的振荡信号

              16        

32768HZ进行2   次分频的分频电路；第三部分电路，是把分频电路输出的1秒钟1个脉冲信号进行放大，以推动步进马达。其它还有如复位功能等。整个电路由500-800个晶体管组成。

2.集成电路

在显微镜下，我们可以观察到集成电路表面有一层银白色的斑纹，它是一层很有规则的图形，这就是连接电路元器件构成电路的金属铝引线。再仔细观察，还会发现在铝引线下面有很多不同颜色的亮晶晶的区域，这些就是集成电路中的元器件，如电阻、电容、晶体管等。但是它们已经失去了原来单个元件的形状，而是紧凑地排列在这硅片内了（见图3）。

石英电子手表所采用的集成电路是C-MOS-LSI电路，这种电路的突出优点是输入阻抗高、稳定性好、可靠性高、功耗低、开关速度快，而且设计简单。

3.变换器。

石英指针式手表中的变换器，现在普遍采用步进马达进行变换。步进马达的结构，如图1-15所示。它的转子磁性很强，由高娇顽力的钐钴或铂钴磁钢制造，定子是充磁材料（如坡莫合金）制造的，要求剩磁要少。转子通过轴套安装在转子轴上，安装时，一般都是利用机械压合式实现固定（见图1-16）。

步进马达的基本工作过程是：马达驱动线圈一经流过电流，在定子上感应的磁极和转子磁极产生引力和斥力。如果流经驱动线圈的电流每次变换方向，则定子上感应的磁极方向也随之变换。那么就在一定方向上每次旋转180度，如图1-17所示。

转子与定子的距离比较小，如果转子吸了铁粉屑等金属，就会影响转子转动。

二、液晶显示器

1.LCD的种类

LCD是一种有机结晶体，它介于液体和晶体之间，外界温度的变化，可使它向晶体和液体转化。液晶有很多种类，根据其分子排列形态和构造，可大致分为：近晶相、向列相、胆甾相三种。这三大类液晶，由于它们的晶格构造不同，它的光学性质也不同。由于向列相液晶对外力（如电场、磁场、声波等）是敏感的，特别是它能产生多种光电效应。因此，无论在电子表和计算机中一般都采用向列相液晶显示器。在向列相液晶中，还可以分为动态散射型(简称DSM)、场效应扭曲向列型（简称FE），畸变排列型（简称DAP）以及电场定向排列型和参数型。但可用于电子表，目前只有动态散射型（DSM）和扭绞型（FE），其他几种仍处于探索和开发阶段。早期电子表使用DSM型，其显字为洁白色。FE型显字为黑色，实践证明，FE型液晶比DSM型效果要好得多。通过下表对比，我们可以判断，所以目前都采用粗曲向列型(FE）。

表2，DSM型特点

液晶结构简单，驱动电压高（10~30伏），消耗电流大（1~0.1毫瓦/平方厘米），显示对比不

                    4              

太好，工作寿命短10   小时

FE型特点

液晶结构较复杂，驱动电压较低（2~10伏），消耗电流小（1毫瓦/平方厘米），显示对比很

                      4      

好，工作寿命较长2*10   小时

2.LCD的组成

LCD(FE)显示器是由上偏光板、上玻璃板、透明字划电极、液晶体、透明公共电极、下玻璃板、下偏光板、反光板组成（见图1-21).LCD的玻璃板采用硼硅玻璃板，制作中要对LCD进行配向处理，即对公共电极和字划电极进行特殊处理，以使液晶分子的排列互成90度。

制字形可分为光刻法和印刷法两种，其中印刷法比较简单，制作中使字体略为倾斜，以使观看能舒适些。字划电极分为七段，有七条引出线。公共电极为负极的，有一条引出线（如图1-22）。

注入液晶后的封合，对LCD寿命的影响很大。有采用金属封口和环氧树脂封合及玻璃封合等不同方法。偏光板采用高分子材料的塑料膜，放在碘溶液中浸渍，慢慢的拉出。这样，在塑料膜上就形成了碘的披膜。然后干燥，最后按要求的外形落料即成为偏光板。塑料膜的透明度要求很高。

3.LCD的寿命

LCD的确切寿命无法说明，它因制造工艺的不同和使用不同等原因而异。理论上的寿命可达十年，但一般为保险起见，各个厂家一般只说可用五年。经实践发现，一般LCD的失效与偏光板有很大关系，因为偏光板的抗湿性很差，当液晶板受潮后，偏光板劣化，则LCD失效。同时LCD还受温度的制约，一般温度范围在-10℃~60℃之间，温度过高过低，对LCD均有影响。紫外线的长期照射对液晶也有影响。因此，要提高液晶显示器的寿命，就要在提高液晶纯度，改进偏光板材料等方面下功夫。当然，使用者也应加强保护，以延长手表寿命。

4.液晶的驱动

LCD用直流驱动，效果不好，而且寿命很好，故一般采用交流驱动。作为电子表，一般驱动LCD采用频率32赫兹的交流电压，选用32赫兹的频率是由液晶反映速度决定的。如果频率低（低于25赫兹），LCD显示的字就会发生闪动，频率过高，LCD的反应速度跟不上，看不到一个准确时间，所以一般采用32赫兹的交流电压驱动LCD。

5.液晶板的工作原理

由于在制作LCD时对它进行了定向处理，所以，当把液晶注入到液晶盒中时，液晶分子便按所处理的方向排列（见图1-21），从上玻璃板到下玻璃板的液晶分子刚好被扭转了90度。上偏光板与上玻璃板的处理方向相同，而下偏光板则与下玻璃板处理方向相同，这样上偏光板只允许与其处理方向一致的振动光通过，因此，当在字划电极和公共电极之间没有施加电压时，光线以水平方向进入上偏光板及玻璃后被液晶扭转了90度，又以垂直方向穿过下玻璃板及偏光板落在反射板上，反射板又将光线反射回去，这样我们看到的LCD为透明无显示的。而当在字划电极与公共电极之间施加下，液晶分子便改变了原来的排列顺序，而变成与电场方向一致的垂直排列，这时以水平方向射入的光线，穿过上偏光板与玻璃板，不能被液晶扭转90度变成与下玻璃板处理方向一致的光通过落到反射板上，只能停止在下偏光板上。这时，我们看到的LCD（在通电的部分）便为黑色，由于C=MOS按照特定的逻辑给字划电极供电，所以，我们便能够得到一组标准时间的程式数字显示。原理如图1-25.

6.LCD的质量特性。

（1）LCD易受外界水分等污染，所以封口必须良好，否则会因泄露而变黑。

（2）LCD会因紫外线的照射而劣化，故不宜长时间暴晒在阳光下，保存要用黑纸包好，放在避光之地。

（3）偏光板易因湿气而脱落而劣化，要干燥保存。

（4）LCD因电场而起作用，故冬天会使LCD暂时变黑，要采用防静电措施。

（5）直流电会使LCD劣化，要用交流电驱动。

（6）LCD因制造者不同而有不同的反应时间，反应时间在走马式的显示中非常重要。

（7）高温会使劣化LCD，存放地温度不超过60℃。

（8）工作中要带手指套。

（9）LCD的耗电量约0.5毫安。

三、石英晶体振子

1.负载电容要与电路配合。

负载电容（振荡电容）是影响振荡频率的，故必须符合产品说明书的要求，石英晶体又要与C=MOS配合，否则会有间歇振动或停振现象。

2，机械振动过强会造成晶体的暂时或长期破坏，影响精度。

3.在石英晶体的焊接中，注意不要用温度过高的电烙铁；焊接时间也不要过长，焊接时过热会使晶体永久破坏，石英晶体在电路中用符号来表示。

四、电容器

LCD电子表中一般使用3~4个固定小型磁介电容器，其中两个砖红色分别为稳压用电容器和升压用电容器，其容量在0.02~0.1微法范围内。同石英表指针式手表一样，还有一个白色的为振荡器槽路电容器，容量在十几到二十几微微法范围内，和一个供调快慢用的微调电容器，它的容量在5~55微微法范围内调节，它们的作用分别如下：

1.升压电容器。由于数字表采用LCD指示时间，但驱动LCD的电压要3伏，而手表使用电池的电压才1.55伏，因此单凭电池电压是不能驱动LCD的，需要用介质电容与C-MOS组成升压电路，以提高电压驱动LCD工作。如果没有升压电容器，则LCD显示暗淡，视野不好。

2.稳压电容器。LCD有一个特点要交流驱动，在电子表中驱动LCD的是一个32赫兹的交变电压，如果没有稳压电容器，LCD显示的字划是闪动的。因此要用稳压电容器与C-MOS组成稳压电容器，使输给LCD的电压变得平稳些，这一点是靠电容的充放电作用完成的。

3.振荡电容。振荡电容又名补偿电容，是对石英晶体的振动频率加以补偿。以致频率适应微调电容的调整范围，这一点与机械表的游丝定长是极为相似的。

4.微调电容。在电子表中，它起调整频率的作用，通过其容量的变化，来改变石英振子的振荡频率。达到调整快慢的目的，从而保证表有较高的走时精度。升压电容、稳压电容和振荡电容在使用中不分正负极性。微调电容的动片必须接地，否则在调整时会出现机上调好，一松手就会改变的现象。电容器在电路图中用              的符号表示，微调电容用                                              

符号表示。

五、照明灯泡

为了在夜间或黑暗处读取时间，LCD数字表附加了照明装置。这个照明装置采用1.5伏直径1毫米左右的微型灯泡。它的电耗约为10毫安左右，其寿命一般为20~24小时。如果按每天点灯5秒钟，最低使用寿命为40年左右（灯泡寿命）。照明灯泡的效果与照明效果关系很大，灯过低（指灯在基板上的位置），不易看清时间，过高浪费光度，一般高度与LCD玻璃板相近即可。使用时照明灯不分正反。在电路中，灯泡一般用          表示。

六、导电橡胶连接器

导电橡胶连接器在电子表中起联接LCD与C-MOS引线的作用，为长条形，它由两种橡胶组成（如图1-24）。

透明部分是绝缘的，黑色部分含碳（C）为导体，电流可以通过，这种黑色部分把LCD和C-MOS引线联通，使C-MOS的输出电压激发LCD工作。导电橡胶做成一阶一阶的是为了使LCD和与之对应的C-MOS引线每一个组都处于完全独立，互不干扰，保证LCD按C-MOS指令显示正确的数字表示时间。LCD应用导电橡胶连接器的优点是，当高压缩时为组件起了衬垫作用。它比常规连接方法生产减少大量劳动力消耗。由于它是以导电层和硅橡胶绝缘层相互间隔构成，所以又称之为斑纹导电橡胶连接器。它每层的厚度约为0.005英寸，为了实现可靠的连接，一般采用0.2到0.3毫米的压缩量。导电橡胶一般不易老化，清洗可用酒精或橡皮泥擦。导电橡胶的清洁与否，同LCD的正常显示关系极大，要特别注意。

七、电路基板与簧片和其它元器件的连接

目前，电子表的电路基板都普遍采用玻璃纤维印刷电路基板，和陶瓷印刷电路基板。C-MOS焊接后用环氧树脂封闭，振荡电容、升压电容、稳压电容器则采用银浆粘接，石英振子、微调电容、各个按钮簧片、照明灯泡、蜂鸣振荡线圈、三极管和电阻器均用锡焊。如果C-MOS损坏，则整个电路基板也就报废，因为C-MOS是不可单独更换的，而其他零部件则可以单独换接，电路基板的引线是镀金的。表中的按钮簧片外面镀金，焊接方便，同时不容易因氧化而造成接触不良。正极压簧为刚性材料冲压成型，外表没有镀层，受潮易生锈，影响使用，值得注意。

下面的资料参见《电子手表原理使用维修》李建邦，周孟奇，朱和编著，电子工业出版社1984年出版

第一节石英振荡器和酒石酸钾钠振荡器

石英振荡器是构成电子手表CMOS石英振荡电路的主要元件。石英振荡器中的石英晶体片是由石英晶体切削而成的。石英晶体是一种透明晶体，俗称：水晶“，它的化学成分是二氧化硅（SIO2）。石英晶体有天然和人工制造的两种。也可以使用酒石酸钾钠作压电材料制造振荡器。可以在酒石酸钾钠水溶液中冷却结晶形成酒石酸钾钠晶体。具有压电效应的材料有很多，如电气石，水晶，酒石酸钾钠，磷酸二氢氨，酒石酸化乙二胺及钛酸钡等，他们可以用来做振荡器。

详细内容可见《物理学报》1955年第一期中的论文《天然水晶的压电振荡性能》，中国科学院应用物理研究所，刘民治著。

关于石英片制造工艺可参见苏联A.A.丘里巴诺夫著《石英片制造工艺》一书，国防工业出版社1959年出版

一、石英谐振器的种类

表用石英谐振器按构成它的石英晶体片的形状，可将其分为三大类：棒型、音叉型和薄圆片型。早期使用的棒型石英谐振器，由于它的体积大，固定工艺困难且易受外界条件影响，因此已逐渐为音叉石英谐振器所取代。音叉型石英谐振器和棒型相比，具有体积小、性能可靠、功耗小、机械强度及品质因数高等优点，因而更适宜于电子表向小型化、薄型化、高精度化方向发展。所以，目前音叉型石英谐振器在电子表中得到了广泛的应用。其性能标准见表2.1

表2.1石英谐振器的标准   （单位：毫米）

项目                               标准

额定频率                            32768KHZ

允许的频率偏差                      ±20ppm

最大振荡功率                         1微瓦

最大等效电阻                          40KΩ

品质因数Q                                 3

                                     ≥4*10  

拐点温度                             25℃±5℃

工作温度范围                         -10℃~+60℃

储存温度范围                         -30℃~+70℃

振动所致的频率变化                   ≤±3ppm

老化                                 ≤±3ppm/年

注：此标准是1975年6月在东京召开的国际电器标准会议上制订的。

圆薄片型石英晶体具有良好的频率温度特性及较高的压电活动性和频率稳定性。在电子表中，4.2MHZ的石英谐振器采用的就是这种圆薄片型石英晶体片。但随着频率的提高，CMOS电路的功耗及成本都要提高，故目前不多采用。

二、石英谐振器的结构

石英晶体片的频率、Q值等会受外界环境条件的影响而发生变化，因此，一般都密封在容器内使用。发展初期采用玻璃容器封装，但这种封装，耐冲击性不好，并且高温条件下玻璃熔接法不适用于小型化， 由于这些原因，现已广泛采用金属密封器。这种容器的外形有两种：一种是圆柱形的金属外壳，适用于音叉型晶体片；另一种是扁平型的金属外壳，适用于棒型和音叉型。

表用音叉型石英谐振器的一般外部形状为圆柱式和扁平式（现多采用圆柱式），如图2-1所示。圆柱式音叉型石英谐振器是由金属外壳、石英晶体片及带有引出线的底座等所组成的，如图2-2所示。

金属外壳起密封和保护作用，底座起密封和支承石英晶体片的作用。晶体片被固定封装在底座上，容器的封装对气密性要求很高，要长期保证高真空度，其目的是减少石英晶体片的磨擦损失，改善其性能。

三、石英谐振器的工作原理

1.石英晶体的压电效应及压电谐振

石英晶体在没有受到外加电场或外界的机械力的作用时，电性能是中性的，见图2-3（a）。如图2-3（b）所示，当沿X方向施加机械力压缩石英晶体片时，晶体片的晶格在机械力的作用下就发生形变。正电荷1挤入负电荷2与6之间，而负电荷4挤入正电荷3和5之间，这就在晶体片的上下表面上产生了数量相等但极性相反的电荷（±q），其数值与机械压力所产生的机械形变（位移）x成正比，即：

                   q=k   x

                       1

式中k   为常数

      1

如果对石英晶体片施以拉力，则在其上下两表面上所产生的电荷的符号与受压时相反，如图2-3（c）所示。这种对石英晶体片施以机械力时，就会产生电荷的效应称为正压电效应。如果将石英晶体置于电路中，施以交变电压，石英晶体即开始振动，时而伸长，时而收缩，收缩与伸长的变化量（位移）x与电场强度成正比：

              x=k  E

                 2

式中k   为常数

      2

这种对石英晶体片施以交变电压，就会产生振动的效应称为逆压电效应。石英晶体的正、逆压电效应是石英晶体振动的最基本原理。石英晶体有固有的振动频率，当石英晶体片的固有振动频率与外加的交变电压的频率相同时，石英晶体片的振动幅度最大，同时由压电效应所产生的电荷数量最多，这种现象叫做压电谐振。压电谐振决定着谐振器的选频特性，使石英谐振器的工作频率稳定。利用这个原理就可做成石英振荡器。

2.音叉型石英晶体片的振动过程

图2-4为音叉型石英晶体片的电极分步及弯曲振动示意图，它的电极必须相反配制，同时要把两臂相同的电极连在一起。当加上电场E后，石英音叉左臂内的场强分布如图2-5（a)所示，它又可以分解为沿x轴方向的分量±E1以及z`方向的分量±E2，如图2-5（b）、（c）所示。由于石英晶体各个方向上的物理性质各不相同，沿z`方向的分量对石英晶体片的弯曲振动无影响，在沿x轴方向的分量±E1的作用下，音叉左臂的左、右两部分产生了互为异性的压电效应，从而使一部分伸长，另一部分收缩，结果使音叉左臂发生弯曲。由于石英音叉右臂的场强方向正好和左臂相反，因此右臂的弯曲方向和左臂的弯曲方向也正好相反。当对石英音叉加上交变电压时，石英音叉的两臂就将产生相对相向或背向运动，也就是说两臂将随交变电压频率的变化而发生不停的机械振动，同时向外侧弯曲，或同时向内侧弯曲。当施加的交变电压的频率和石英音叉的固有振动频率相同时，就发生压电谐振。

四、石英谐振器的特性

1.石英谐振器的等效电路

在石英振荡电路中，石英谐振器一般是作为一个机电转换元件接入电子线路的，为了便于分析研究，一般采用如图2-6所示的等效电路来表示它的电特性。其中L1为等效电感，C1为串联等效电容，其值由石英晶体片和电极的尺寸形状以及晶体片的切型来确定。R1为串联等效电阻，是影响石英谐振器品质因数（Q值）的主要因素，它不仅与切型、尺寸等有关，而且加工条件，装架方法等，对它也有很大影响。C0为静态电容，当石英谐振器中的晶体片不振动时，晶体片就相当于一个平板电容器。

在等效电路中，L1、C1组成串联谐振电路，由于R1值很小，对谐振频率的影响可忽略不计，因此，其串联谐振频率为：

                              1      

               f    =

                s          

                        2π     L   C

                                  1   1  

式中，f  为串联谐振频率,而L1、C1与C0组成并联谐振回路，其并联谐振频率为：

       s  

                              1      

               f    =

                p                     C   C    

                        2π     L       0   1      

                                  1   C   +C  

                                        0     1    

式中，f   为并联谐振频率

        P

如果忽略R1（值很小）的影响，则石英谐振器的阻抗频率特性曲线如图2-7所示。当工作频率f<f   或f>f   时，阻抗Z是负值，呈容性；当工作频率在f   和f  之间时。

        s      p                                          s     p

在电子表的CMOS石英振荡电路中，石英谐振器时作为感性元件来使用的，即工作在串联谐振频率f   和并联谐振频率f   之间。如图2-7所示，在f   和f   之间，电抗曲线的斜率

         s                 p                       s      p                  

很陡，这样，较大的电抗变化△x仅能引起较小的频率变化△f，提高了频率的稳定性。

2.石英谐振器的品质因数（Q值）

石英谐振器的品质因数（Q值）是一个很重要的参数，它和石英振荡器的频率稳定性有着密切的关系，品质因数越高，则频率稳定性越好。石英谐振器的品质因数由它的动态参数所决定。谐振回路品质因数的定义是：

                   回路内储存的能量    

           Q=2π                                （2-1）

                   每周期内消耗的能量        

     在等效电路中,R1、L1、C1为动态参数。由式（2-1）推导出：

                        ωL

                            1

          品质因数Q=                                （2-2）

                         R

                            1      

式中，ω为石英谐振器的角频率，以ω=2πf   代入式（2-2），可得，

                                        1

                        2πf   L

                            1    1

                  Q=                                

                          R

                            1      

因为,

                              1      

               f    =

                1          

                        2π     L   C

                                  1   1  

所以,

                                 L    

                    1              1

              Q=                                     （2-3）

                   R            R

                     1             1

上式中，R1代表了回路损耗，R1越小，损耗越小，Q值越高；R1越大，则Q值越低。通常L1很大，而C1和R1很小，因此石英谐振器的品质因数很高，可以达到几万甚至几百万的数量级，所以利用它组成的石英振荡器，可以获得很高的频率稳定度。在电子表中，一般都

                                        5

采用中等精度的石英谐振器（其Q值约为10   数量级），可使手表日差保持在±0.5秒以内。

3.石英谐振器的频率温度特性

石英谐振器随着环境温度的变化，它的谐振频率也要发生一定的变化，所以温度对手表走时精度的影响是一个很重要的问题。图2-8是石英谐振器的温度特性曲线。从图中可以看出，在不同的环境温度下，曲线的变化斜率是不同的。在某一温度下（如在25℃附近），曲线的变化比较平坦，而大于或小于这个温度的曲线的斜率都比较大，通常把这个温度称为：”拐点温度“，在这个温度附近，频率比较稳定。电子表的拐点温度选定是由环境温度和人体温度综合决定的，一般都设置在25℃（25℃±5℃）。

为了在较宽的温度范围内保证电子表的精度，就要对CMOS石英振荡电路进行温度补偿。补偿的办法一般是将振荡电路中的振荡电容作成温度补偿电容（可用某些磁性材料作介质的电容，它的温度特性和石英的相反），利用它的容量的变化来补偿由于温度变化而造成CMOS石英振荡电路频率的变化。图2-8中的虚线为经温度补偿后的石英谐振器的频率温度特性曲线。利用它的容量的变化来补偿由于温度变化而造成CMOS石英振荡电路频率的变化。图2-8中的虚线为经温度补偿后的石英谐振器的频率温度特性曲线。该曲线在较大的温度范围内比较平坦，这就改变了振荡电路的温度特性，提高了手表的走时精度。这种补偿方法可使表的走时日误差在±0.3秒内。注意事项：清洗去污时，不要长时间放在三氯乙烯溶液中，以免影响气密性。石英谐振器管壳的气密性不好而漏气，这将促使晶体片老化并增大晶体片的振动磨擦，从而引起振荡频率漂移，严重时会使CMOS石英振荡电路停振。因此管壳漏气会造成手表走时变慢甚至出现不显示故障。

三、导电橡胶的作用原理

数字式电子表中的导电橡胶，其主要作用是传递笔划电极的工作信号。各笔划电极的显示与否，都受CMOS集成电路输出信号的控制。以最常见的三位半液晶显示器“18：88“形式为例，它有24个笔划电极，加上电路基板上与它对应的CMOS控制信号的电极，总计48个细密的接点。如果采用锡焊方式来一一连接，即使工艺上能办到，也费工费时，成本昂贵。而采用导电橡胶连接，这种接触式弹性连接方法结构简单、成本较低、组装方便、防震，且有利于表芯的维修。

在表芯中，导电橡胶被装在电路基板和液晶显示器的对应电极之间。当这三个元件相互接触、对位和固定以后，各个笔划的控制信号就从电路基板接点平行传递到液晶显示器的电极接点上，从而使表出现日期和时间的正常数字显示。在装配时，只要顺次放好三元件，拧紧螺丝钉即可正常显示。理想的情况下，三元件完全对应连接，如图2-21所示。

二、液晶显示器的结构

目前在数字式电子表中应用最广泛的场效应扭曲型液晶显示器的结构如图2-22所示。它是由紫外线滤光片、液晶盒、上下偏光片及反光片等构件组成的。

液晶盒由上下两块玻璃板、液晶及封口材料组成。上玻璃板内侧制作有七段字划电极，电极材料是二氧化铟（或二氧化锡）薄膜。下玻璃板内侧制作有公共电极。这些电极的功用是使外界电场通过它们而加到液晶上去，从而使液晶分子的排列受到外界电场的控制。上、下两块玻璃板都进行了定向处理，两块玻璃板的定向方向互相垂直，因此充进液晶盒内的液晶分子的长轴在定向层的作用下就与玻璃平面平行，并使排列方向在上、下玻璃表面呈正交方向，这就使上、下两块玻璃板之间液晶分子的长轴形成了一种扭曲结构。封装时注意保证上、下电极图形重合，液晶盒周边的封口材料要求有良好的耐候性，并且不与液晶材料起反应，一般采用低融点玻璃、金属或环氧树脂进行封口。在液晶显示器表面加有一层紫外线滤光片，目的是不让紫外线照射液晶，从而延长液晶的寿命。上、下偏光片都是采用高分子材料的塑料膜在一定的工艺条件下加工而成的。自然界中的光线，按其光波振动方向可以分为自然光和偏振光，自然光是一种电磁波，具有横波特征，它的光波振动在各个方向上都有。而偏振光则不然，它仅有单一振动方向的光波。偏光片的作用就是只允许自然光中某一振动方向的光通过，从而使自然光通过它以后，成为沿一个方向振动的偏振光。液晶显示器有上、下两块偏光片，上偏光片被放置于液晶盒的上面，它将自然光变成水平方向的偏振光，下偏振光与上偏振光正交，放在液晶盒的下面，它只让垂直方向的偏振光通过而阻挡水平方向的偏振光。反光片的作用就是把到达反光片的光，按照原来的路线发射回去。

三、液晶显示器的工作原理

如前所述，液晶的分子长轴在液晶盒中形成了一种扭曲结构，当有一束水平偏振光通过这个扭曲液晶层时，其偏振方向将会沿着扭曲方向而旋转。液晶分子长轴90度的扭曲最终导致90度的旋光。当对两块玻璃板上的电极施加电压后，液晶分子就转变为垂直于上、下玻璃板表面排列，扭曲结构消失并导致旋光作用消失，这种电光效应称为扭曲效应。当液晶显示器未加电场时，到达上偏光片的自然光线经上偏光片变成水平偏振光，进入液晶盒后产生扭曲效应，被扭曲排列着的液晶分子扭转90度，变成了垂直方向的偏振光，由于该偏光片正好和下偏光片的偏振方向一致，因此可以顺利的透过下偏光片而射向反光片，被反光片发射后的偏振光，按照原来的光路顺利返回，反射回来的光进入人的眼睛时，液晶显示器就呈现透明状态而不显示字样如图2-23左半部分所示。当驱动电路把需要显示数字的信号电压加到液晶显示器的有关字划节段电极上时，液晶分子长轴带负电荷的一端靠向电场的正方向，带正电荷的一端靠向电场负方向。这样液晶分子就改变了原来的排列方向，而转变为玻璃板表面垂直（如图2=23右半部份所示），即扭曲结构被破坏，使液晶丧失了将上偏光板射进来的偏振光扭曲90度的能力，偏振光依然保持水平方向，因此无法穿过下偏光板，被下偏光板阻挡而到达不了反光片，字划就变得不透明（呈现黑色），所需要的时间数字便显示出来。

当电场撤除以后，该字划间的液晶分子又受到定向层表面力的作用而恢复到原来的排列，字划又变为透明。液晶显示器上的每一位数字由七段字划组成，如图2-24所示。如果在公共电极上加商32HZ，幅度3伏的方波信号，而在字划电极a,b,d,e,g段加上与公共电极反相的方波信号。此时，公共电极与这些电极之间就存在着绝对值为3伏的电压差，而在c,f上加与公共电极同相的方波信号，这就使a,b,d,e,g段字划变黑，而c,f段不变，于是显示器上便显示出2字

组成液晶的材料有近晶型液晶材料，例如：对氧化偶氮苯甲醚（CH3OC6H4(NO)=NC6H4OCH3)，

组成液晶的材料有胆甾相，例如：苯甲酸胆甾酶酯（C6H5COOC27H45)，

偏光片的结构组成

偏光片的基本结构包括：最中间的PVA(聚乙烯醇），两层TAC(三醋酸纤维素），PSA film(压敏胶），Release film(离型膜）Protective film(保护膜）。其中起到偏振作用的是PVA层，但是PVA极易水解，为了保护偏光膜的物理特性，因此在PVA的两侧各复合一层具有高光透过率、耐水性又有一定机械强度的TAC薄膜进行保护，这样就形成了偏光片原板。在普通TN型LCD偏光片生产中，根据不同的使用要求，需要在偏光片原板的一侧涂覆一定厚度的PSA,并复合上对PSA进行保护的隔离膜；而在另一侧要根据产品类型，分别复合保护膜、反射膜，半透半反胶层膜，由此形成偏光片成品。对STN型LCD偏光片产品，还要在PSA层一侧，根据客户的不同需要，按一定的补偿角度复合具有一定相位补偿值的位相差膜和保护膜，由此形成STN型LCD偏光片产品，这就是LCD偏光片的基本结构和作用原理。使用的压敏胶为耐高温防潮压敏胶，并对PVA进行特殊浸胶处理（燃料系列产品），所制成的偏光片即为宽温类型偏光片；在使用的压敏胶中加入阻止紫外线通过的成份，则可制成防紫外线偏光片；在透射原片上再复合上双折射光学补偿膜，则可制成STN用偏光片；在透射原片上在复合上光线转向膜，则可制成宽视角偏光片或窄视角偏光片；对使用的压敏胶、PVA膜或TAC膜着色，即为彩色偏光片。实际上随着新型的液晶显示器产品不断开发出来，偏光片的类型也越来越多。

下面的资料参见《石英电子手表原理及维修》刘令祥，谷宜德编著，江苏科学技术出版社1982年出版

银电池中又分为氧化银、过氧化银电池。在银电池中又因其所用的电解液不同又分为：氧化银钠电池、过氧化银钠电池；氧化银钾电池，过氧化银钾电池。其中氧化银和过氧化银钠电池内阻大（尤其在低温条件下），故只适用于小电流放电的指针式石英表和不带照明灯的液晶显示数字式石英表。氧化银和过氧化银钾电池内阻小，因此宜用于带微型照明灯的液晶显示和发光二极管显示的数字式石英表。要根据表的不同品种正确选用相应的电池品种，否则，氧化银钠电池用于带照明灯的液晶显示的数字式石英表上，一旦电池电压稍微低落或处于低温环境，一按照明灯就会使电池的电压明显下降，从而使表停止工作。当然，氧化银钾电池使用久后内阻也会增大，这时按照明灯也会使表停止工作。这属于正常现象，表明该换电池了。图2-28，2-29为直径11.5mm、厚5。3mm的氢氧化钠、氢氧化钾银电池内阻温度特性和闭路电压的温度特性，它直观的说明了这一点。

现在我们把这四种电池的化学成份和主要性能列于表2-3，

表2-3四种银电池性能对照表

名称      电压（V）   正极  负极  电解液  内阻  容量     适用范围

氧化银钠电池 1.55氧化银Ag2O锌Zn NaOH最大最小指针式，不带照明灯LCD石英电子表

氧化银电池 1.55氧化银Ag2O锌Zn KOH最大 最小 指针式，不带照明灯LCD石英电子表

过氧化银钠电池1.55过氧化银AgO锌Zn NaOH最大 最小指针式，不带照明灯LCD石英电子表

过氧化银钠电池1.55过氧化银AgO锌Zn KOH最大 最小指针式，不带照明灯LCD石英电子表

表用电池按其外形尺寸又可以分为多种品种，目前已系列化。我国表用电池的规格也按国际上公认的系列生产。在国内市场上流行的大都是氧化银电池，外形尺寸主要有Φ11.6*4.2m/m,Φ7.9*5.4m/m,,Φ7.9*3.6m/m三种。上海、天津、北京、广州、烟台、苏州、沈阳等地生产的男指针式石英表，一般采用Φ11.6*4.2氧化银钠电池；女表采用Φ7.9*3.6氧化银钠电池。

二、电池的结构

氧化银电池的结构如图2-30所示，它是一种小型扣式密封性结构的电池。

1.负极性

负极盖即是电池壳的组成部分，又是电池负极输出端。一般采用弹性较好的Cu-ST-Ni三层复合金属带来制作负极盖。

2.负极活性物质（负极材料）

负极活性物质通常是以60目左右的高纯度的锌粉为主。这种高纯度锌粉5%左右的汞进行汞剂化生产汞剂粉，然后加压制成饼状作为负极活性物质。电解液使用NaOH或KOH碱溶液。

3.膈膜

膈膜是一种经过特殊加工的纤维素材料组成的复合膜。膈膜的作用，是保证把正极与负极物质严格分开，同时又要保证只让带电的离子，如OH-，顺利通过，而又不许银通过。它实际上是一种分子筛。.

4.正极活性物质（正极材料）

正极活性物质是在氧化银中加入5%以下的碳组成。由于这种粉末难以成型，故在其中加入粘合剂，经充分混合后按规定的量加压成型。

5.正极壳体

正极壳体由08F不锈钢带制成。即是电池的壳体的组成部分，又是电池的正极输出端。

6.密封圈

密封圈一般由尼龙一类材料注塑而成。密封圈的重要作用在于：一、把负极盖和正极壳体绝缘，不许发生相互短路；

二、把电池放电时产生的气体能通过密封圈排放出来，而电池内的碱液又不许外漏。因此，它必须具备透气不漏液的功能。

要做成性能优异的电池，不但对壳体材料、化学试剂等有严格的要求，而且对正负极活性物质的制备、配比、封口等工序要求也十分严格。稍有不当，电池的质量就受影响，电池的质量差，就直接影响石英电子表的质量。

第三部分集成电路入门

单片集成电路，顾名思义，是在整块单晶硅片上，利用掺杂法制成晶体三极管、二极管等有源元件的电阻、电容等无源元件并在其表面布线而构成的电路。主要材料是硅（包括外延层和氧化膜）和硼、磷等外加杂质（掺杂剂），此外还有铝，金等电极材料，封装集成电路用的陶瓷、玻璃、铁、镍、钴合金等密封材料，在制造过程中，还要使用氟酸、硝酸、氢气、氮气、光致抗蚀剂等。金属-氧化物-半导体集成电路所用材料与单片集成电路大致相同，但薄膜集成电路则使用玻璃、陶瓷等作基片；镍*铬合金、钽（Ta）、二氧化锡（SnO   ）、

                                                                        2  

金属陶瓷等作电阻；二氧化硅（SiO   )，以氧化硅（SiO）、氧化镁（MgO）、

                                2                    

五氧化二钽（Ta   O   ）等氧化物作电容；金、银、铝、镍、铂等做电极。多片混合薄膜

               2   5                      

集成电路是由单片与薄膜电路组合而成。

2.1单晶生长

硅是由硅砂（SiO   ）还原而成的，但由于需要得到极高的纯度，所以要分馏精制一次，还

                 2          

原成容易蒸发的氢化物或卤化物（SiH   ，SiHCl   ，SiCl   )，然后在进行热分解或氢还原。

                                 4        3       4

提纯后的多晶硅电阻率在100欧姆/厘米以上。为了制备单晶，用高频感应加热法使多晶硅熔化后引入籽晶，边旋转边缓慢地拉晶（提拉法），或移动高频线圈使熔液慢慢移动（浮区法），以便在冷却凝固过程中使单晶沿着籽晶的晶向生长。凝固前，熔液中外加适当的杂质（掺杂），使之具有所需的导电类型和电阻率，制成的单晶为直径25~35毫米、长度20厘米左右的圆柱体晶体（图2.1）。

图2.1单晶生长法

硅是占地球上全部物质四分之一的一种元素，仅次于氧（二分之一），表2.1列出了硅的特性。

表2.1硅的特性（25℃）

原子序数                    14

原子量                      28.086

                                    22         3                    

原子密度                    4.96*10   （个/厘米    ）

                                           3    

密度                         2.238（克/厘米    ）          

介电常数                    11.7

禁带宽度                    1.115（电子伏特）

熔点                        1417（℃）

                                      2              

电子迁移率                  1350（厘米   /伏*秒）

                                      2      

空穴迁移率                  480（厘米   /伏*秒）

折射率                      3.420

导热率                       1.57（瓦/厘米*℃）

                                    -6        

热膨胀系数                   2.62*10    /℃                

                                     。  

晶格常数                     5.4307(  A    )      

2.2切割与研磨

由于金刚石在硬度、抗压强度、导热率、摩擦系数等方面均较适合，因此以其粉末作摩擦剂，使用圆锯型切片机将单晶切成200~400微米厚的薄片，这叫做切片。最近大多使用内圆型切片机（图2.2），它的刀刃镶在圆圈形金属薄片（片厚50~100微米）的内圆上。外圆同样固定在旋转轴上，与过去的外圆刃式切片机相比，它可以使用更薄的刀刃（150~200微米），因此能以较小切割耗量、较小加工余量和较高精度切出更薄的晶片（图2.3）。通常，从切割面至晶片内部可能产生50~100微米的加工余量，因此要用机械的、化学的方法将其消除。首先进行粗磨（图2.4）将硅片置于上下磨盘之间，滴入研磨液（磨料即悬浮在研磨液油中），同时，使磨盘作游星运动，磨料主要采用氧化铝粉，从粗粒开始顺次换用细粒，粒度达5~10微米（1500号~3000号）时的粗磨称为研磨。在台面晶体管开始出现以前，是用化学腐蚀法腐蚀出平坦而洁净的表面。但如腐蚀太强，则表面凹凸不平，边缘凹陷并变薄，反而达不到要求的表面平坦度和硅片平行度，就集成电路来说，为了进行外延生长、介质隔离、光刻等，对上述特性的精度要求极高。因此，对机械研磨的要求很严格，并应采用弱腐蚀的方法。

精磨（抛光）又称镜面研磨（图2-5），是将粗磨过的硅片粘附在上磨盘上，将粒度0.05~1微米的金刚砂磨膏或γ氧化铝磨料涂在下磨盘的研磨绒上并使下磨盘旋转。机械研磨厚留下的加工余量大致为最终所用磨料粒度的1~2倍，即研磨时约为10微米，抛光时约为1微米，这可用化学弱腐蚀消除。腐蚀方法原理上是用硝酸之类的氧化剂使余量部分生成氧化物，然后用氟酸溶解掉。晶体的缺陷和位错会造成不均匀扩散，使少数载流子的寿命缩短，使载流子的迁移率减小。外延基片的生长层中也有这种现象。

2.3扩散

杂质扩散指的是从高温的硅表面渗入杂质以改变硅片内部杂质浓度分布的过程，是制造pn结和电阻的最重要工序。外延生长、硅氧化物薄膜等均与扩散现象密切关系。若将硅片加热到1000~1300℃，则杂质原子就很容易在晶体中移动，与硅原子置换，并通过晶格间隙进入内部填隙。这种现象一直持续到整个硅片的总浓度达到预定值为止（正如墨水滴在静止水中的扩散那样。实际上，当pn结在预定位置形成，晶体管基区宽度确定后，降低温度，就可使扩散进入杂质固定下来）正如把已扩散了墨水的水冻结起来那样）。但金扩散的情况是特殊的，如下所述，要求在整个硅片内均匀分布。

2.3.1杂质分布

扩散原子流密度J与浓度梯度成正比。采用一维表达式，则为

                         &#1240;N                  

.                  J=-D

                         &#1240;x

式中J——杂质原子在单位时间内通过与表面平行的单位面积的流量，即扩散原子流密度；D——比例常数，称为扩散系数，其值随温度而急剧增大。式中负号表示扩散是沿高浓度到低浓度的方向进行。注：此处原书为“扩散速度f”，但其定义有误，故以扩散原子流密度J表示。——译者。图2.6表示由扩散引起的杂质流动情况。为简单起见，现将浓度梯度视为恒定不变，如每个箱内，杂质原子因热运动而以相等原子数向左右移动，则可看出扩散流I是自左指向右的。

2.3.3硅片的处理

如硅片表面有局部污染，而且晶体又有缺陷，则不能实现均匀的扩散。因为在集成电路中，所有几十个元件必须全部是合格的，故结深随pn结在硅片面上的位置不同而有差异就是一个严重的问题。必须尽可能避免硅片清洗不良，以及在扩散气氛中混入不需要的外来物质，最好是像外延生长那样，扩散前在炉内进行气相腐蚀。晶体的位错，晶格缺陷都会使杂质在其中沉积而使特性变坏。