QMEMS克服石英組件小型化設(shè)計瓶頸

日本有許多老字號的公司，其發(fā)展背景往往來自于傳統(tǒng)工業(yè)，并在穩(wěn)固的基礎(chǔ)下走向電子產(chǎn)業(yè)，進(jìn)而掌握舉足輕重的關(guān)鍵技術(shù)。在這次參展的廠商中，有多家以石英晶體諧振器（resonator）/振蕩器（oscillator）為核心技術(shù)的公司，包括愛普生東洋（Epson Toyocom）、Citizen、京瓷（Kyocera）、KDS、NDK等。其中Epson Toyocom的前身公司之一為Seiko Epson石英元件事業(yè)部（另一家為東洋通信），而Seiko（精工表）和Citizen（星晨表）都是歷史悠久的知名鐘表品牌，如今手表核心的石英晶體，則已成為電子設(shè)備的心臟，并朝更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

附圖 :Epson Toyocom常務(wù)取締役兼營業(yè)統(tǒng)括部長Mutsuo Hayashi

在電子產(chǎn)品中，只要有計時的功能，就會需要用到一顆32.768kHz的石英諧振器，而各個射頻系統(tǒng)（GSM、Wi-Fi、BT、GPS等）及運(yùn)算單元往往會需要個別的振蕩器，以提供系統(tǒng)頻率信號源，由此可見，石英晶體技術(shù)在電子業(yè)中說得上是無所不在。石英的重要性在于它是一種具高穩(wěn)定性及高精準(zhǔn)度等特性的晶體材料，除了應(yīng)用于計時功能外，也可以開發(fā)為感測組件（如Gyro），或光學(xué)組件（如OLPF），用途相當(dāng)廣泛。

今日的可攜式電子產(chǎn)品愈做愈輕薄短小，使得石英晶體組件也被要求做得更小。在這次的展會中，即可嗅到這場小型化的競技?xì)夥?。包括Epson Toyocom、NDK、Kyocera等公司都展出新一代2016尺寸（2.0mm × 1.6mm）的TCXO組件。Epson Toyocom甚至預(yù)展下一代1612尺寸（1.6mm x 1.2mm）的TCXO樣品，在+18℃ - 85℃時頻率溫度穩(wěn)定性能控制在±0.5ppm，此產(chǎn)品預(yù)計在2010年前投產(chǎn)。

TCXO的主要應(yīng)用市場為GPS導(dǎo)航設(shè)備，這類的產(chǎn)品為了達(dá)到精確的定位能力，需要采用高穩(wěn)定性的TCXO來提供精準(zhǔn)的頻率信號源。以Epson Toyocom這一代的TG-5025BA TCXO來說，比2520的前一代組件減少36％的表面積和43％的體積，但仍保有0.5 x 10-6的頻率溫度系數(shù)（溫度變化范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性指針），而其耗電量更可減少約30％。

當(dāng)石英組件被要求愈做愈小時，其制造技術(shù)就面臨很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上以一道道的機(jī)械加工程序來生產(chǎn)石英組件，但在微型化的發(fā)展上已出現(xiàn)極限。為了克服這些障礙，Epson Toyocom在2006年10月宣布QMEMS的生產(chǎn)概念，也就是運(yùn)用類似CMOS MEMS生產(chǎn)制程來打造新世代的石英晶體組件。

Epson Toyocom常務(wù)取締役兼營業(yè)統(tǒng)括部長Mutsuo Hayashi表示，相較于機(jī)械方式，QMEMS具有微型化、省能源、高穩(wěn)定性與高準(zhǔn)確性的特色。透過針對石英材料而改良的半導(dǎo)體制程，讓Epson Toyocom有能力生產(chǎn)更小的石英組件，而且可以從批次量產(chǎn)中提升生產(chǎn)力，并做到更小的成品形狀誤差、提升出廠組件的一致性與穩(wěn)定性，同時還能達(dá)到低功耗目標(biāo)，更適合手機(jī)及其他可攜式的設(shè)備使用。

除了TCXO外，Epson Toyocom這次也展出運(yùn)用QMEMS開發(fā)出來的GHz頻段高穩(wěn)定表面聲波（SAW）石英晶體振蕩器。Hayashi指出，高頻的產(chǎn)品最難做到高穩(wěn)定性，透過QMEMS的精密加工，可以減少GHz產(chǎn)品的噪聲，這有助于改善無線通信質(zhì)量，應(yīng)用在測儀器則可低最小測值。」

這次推出的兩款振蕩器，其核心為NS-34R石英晶體振蕩組件，因具有高Q值、低插入損失、高功率耐久性與極佳的頻率溫度系數(shù)等特性，再加入該公司的高頻率電路技術(shù)，因而能提供低相位噪聲和低抖動的性能表現(xiàn)。它們支持800MHz至2.5GHz的基本波（fundamental）頻率，并采低功率設(shè)計（3V和35mA），尤其適合通訊及量測應(yīng)用。

將石英結(jié)合MEMS的更大成就，當(dāng)屬Epson Toyocom所開發(fā)出來的Gyro角速度傳感器。從圖一可以看出，其核心是相當(dāng)復(fù)雜的雙T結(jié)構(gòu)，便是透過該公司的QMEMS制程來實現(xiàn)，由于采用石英晶體材料，因而能夠感測出極微小的角加速度變化量，而且不易受溫度影響而產(chǎn)生誤差。該公司在會場上展出多項運(yùn)用Gyro的實際案例，如對氣墊船的穩(wěn)定性控制，以及華碩最新推出的EeeStick游戲游戲桿。此外，該公司利用石英振蕩的原理還開發(fā)出絕對氣壓傳感器，未來還準(zhǔn)備發(fā)展加速度傳感器。

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