QMEMS為晶體元器件性能提升提供保障

移動通信、數(shù)字消費、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、汽車電子、機器人以及電子標(biāo)簽等等，這些托起半導(dǎo)體一個又一個發(fā)展波峰的應(yīng)用同樣成就了一個龐大的晶體元件市場。在日本，人們把半導(dǎo)體(IC)稱作“產(chǎn)業(yè)之米”，晶體元件則被當(dāng)作“產(chǎn)業(yè)之鹽”。鹽不但是調(diào)味品，也是人體必需的的物質(zhì)，晶體元件在電子器件中同樣不可缺。

晶體元件用途廣泛

根據(jù)Epson Toyocom公司的調(diào)查，2007年“產(chǎn)業(yè)之鹽”已經(jīng)形成了一個4510億日元（1美元兌換106日元）的巨大市場，以手機和數(shù)碼相機的穩(wěn)定增長為基礎(chǔ)，在汽車電子的拉動下，這個市場到2010年將增長到6490億日元。“晶體元件的用途廣泛，能夠覆蓋所有的電子器件，根本因素是因為晶體的物理特性。” Epson Toyocom 商品企畫戰(zhàn)略部宮澤輝久科長總結(jié)認(rèn)為。

圖1 不斷擴大的晶體元器件市場 資料來源：Epson Toyocom公司

晶體的物理特性可以分為壓電現(xiàn)象，送壓電現(xiàn)象以及光學(xué)特性。前兩者在生活中的應(yīng)用很廣泛，最具代表性的就是石英鐘表。宮澤輝久解釋說，晶體在收到機械應(yīng)力后，表面會產(chǎn)生電偶極子；相反，對晶體施以電壓，則晶體會在特定方向上會產(chǎn)生變形。如果在晶體上施加交變電場，則晶體結(jié)晶將產(chǎn)生機械振動，當(dāng)外加電場的頻率和晶體的固有振蕩頻率一致時，則出現(xiàn)晶體的諧振。這一特性可以用作定時和傳感元器件。
光學(xué)元器件是指利用了水晶或玻璃等所具有的光學(xué)方面的特性的元器件。通常光具有速度快、直進的特性,光學(xué)元器件有時將其遮攔,有時將其反射,有時將其彎曲,改變光的狀態(tài),在電子設(shè)備中得到了多彩地利用。OLPF（Optical Low Pass Filter）是使用水晶的十分具有代表性的元器件。在電視機或數(shù)碼相機的圖像中,可以發(fā)現(xiàn)條紋的襯衫或領(lǐng)帶的模樣的閃亮很刺眼。這就是被稱為“波紋效應(yīng)”的現(xiàn)象,想除去這種帶狀的閃亮,忠實地表現(xiàn)美麗精彩的畫面時，就可以利用OLPF的“雙折射的特性”來實現(xiàn)。

身邊的晶體元器件

根據(jù)這三種物理特性，晶體可以用作定時、傳感和光學(xué)元器件。這些晶體元器件已經(jīng)被大量的用在手機，汽車電子、數(shù)碼相機等眾多數(shù)碼電子產(chǎn)品中。
例如在手機中就包括：

TCXO（溫度補償晶體振蕩器）：通過溫度補償回路,減少由溫度引起的頻率變化。它應(yīng)用于對手機來說最重要的無線回路（RF回路）或GPS回路中。所以不管在炎夏的海灘,還是在嚴(yán)冬的滑雪場,都能使用手機。

陀螺儀傳感器：檢測手抖等運動傳感，捕捉角度的變化是陀螺儀傳感器的重要任務(wù)。“手”是指拿著相機的,以人的關(guān)節(jié)為中心的旋轉(zhuǎn)運動。檢測旋轉(zhuǎn)運動的角速度,瞬間逆方向改變光學(xué)系統(tǒng)部品或CCD,修正圖像的抖動。不僅是防抖補正功能,而且正在探討將來運用到運動傳感等方面的新產(chǎn)品中去。

音叉型晶體/實時時鐘模塊：手機的時鐘功能是利用音叉型晶體發(fā)出的正確的頻率的工作原理。實時時鐘模塊是在音叉型晶體上裝配了時鐘用IC的復(fù)合產(chǎn)品。當(dāng)處于待機狀態(tài)等不需要高速運作時,通過使用音叉型晶體,降低手機整體的消耗電流。

VCXO（壓控晶體振蕩器）：由來自外部的控制電壓改變頻率，接收1Seg播放信號時,VCXO是非常有力的助手。在AT型晶體單元中附加了振蕩回路和電壓控制功能的振蕩器可通過控制電壓改變振蕩頻率。不斷地追蹤基地發(fā)出的電波的偏離,起到與基地的頻率保持同期的作用。

SAW（聲表面波濾波器）：手機的內(nèi)部外部有各種各樣的電波，在各種電波中,只讓想使用的頻率通過,這就是聲表面波(SAW)濾波器的任務(wù)。

區(qū)別于手機的是，在數(shù)碼相機中增加了OLPF（光學(xué)低通濾波器）。在拍攝時，帶狀、網(wǎng)狀等、拍攝規(guī)律排列的物體時顯現(xiàn)出的線狀的混淆,通過帶有水晶光學(xué)特性的OLPF,就能避免數(shù)字圖像中會出現(xiàn)的波紋。

隨著汽車電子化的深入，一輛汽車中所使用的晶體元器件大約有數(shù)十個至數(shù)百個之多。汽車MCU的時鐘裝置中使用AT型晶體和SPXO,無線回路（RF回路）或GPS回路中使用TCXO,TV調(diào)諧器中搭載了VCXO。在“遙控鎖”中使用了蝕刻型晶體、SAW諧振器、聲表面波(SAW)濾波器,通過發(fā)出或接收電波,控制上鎖等功能。由傳感器進行診斷與監(jiān)視的系統(tǒng)中也使用了晶體元器件，可以檢測出車輛自身的排氣裝置的故障,保有故障內(nèi)容履歷的“OBD（車載式故障診斷系統(tǒng)）”、混合動力車的蓄電池監(jiān)視系統(tǒng)等中使用了實時時鐘模塊。相比一般的應(yīng)用，汽車用晶體元器件需具備有更高的信賴度。


QMEMS鞏固Epson Toyocom晶體元件市場的地位

在美國DEDALUS公司2007年11月的數(shù)據(jù)中，Epson Toyocom是全球最大的晶體元器件供應(yīng)商，占據(jù)了23%的市場份額。Epson Toyocom由Seiko Epson的石英器件事業(yè)部和Toyocom于2005年10月合并而成，提供三大類晶體器件：時鐘器件(Timing Device)、光學(xué)器件(Optical Device)和傳感器件(Sensing Device), 稱之為3D戰(zhàn)略。

為了鞏固市場地位，除了3D策略，Epson Toyocom還在2006年推出了QMEMS技術(shù)。公司為QMEMS下的定義是：“通過微加工技術(shù)，使水晶原材料具備機械、電子、光學(xué)、化學(xué)等方面的性能，并增加高精度、高穩(wěn)定附加值的設(shè)備”。Epson Toyocom從大約20年前就開始把通過蝕刻技術(shù)進行微加工的技法應(yīng)用到水晶材料上，所以QMEMS并非什么新技術(shù)。不過公司預(yù)見水晶微加工技術(shù)今后的應(yīng)用范圍將愈加廣泛，因此專門定義了這一名稱。

圖2 通過QMEMS技術(shù)制造的“雙T”架構(gòu)陀螺儀

宮澤輝久告訴記者：“QMEMS技術(shù)的誕生是因為我們?nèi)找娓械?，隨著晶體芯片小型化和高精度的要求越來越高，傳統(tǒng)機械加工方法已接近極限。通過利用感光印刷技術(shù)對晶體實施精細(xì)加工，QMEMS能提供高精度、高穩(wěn)定、高附加值的石英晶體產(chǎn)品。與機械加工相比，QMEMS大幅提升精度和穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)了超小型。”

目前，Epson Toyocom利用QMEMS設(shè)計除了定時和傳感2類元器件，前者包括音叉型晶體、以基波實現(xiàn)高頻的HFF晶體單元和使用光刻技術(shù)實現(xiàn)的小型化蝕刻型晶體與振蕩器；后者包括陀螺儀傳感器（角速度傳感器）和壓力傳感器。

陀螺儀傳感器可檢測出水晶振子的加速度帶來的頻率變化，根據(jù)角速度對電壓進行輸出，通過濾波器和AD轉(zhuǎn)換器，把輸出電壓數(shù)字化，再用CPU計算出速度值。QMEMS螺儀傳感器采用的是“雙T”架構(gòu)，由2個驅(qū)動臂、一個固定的檢測臂和內(nèi)置電路組成，實現(xiàn)了2mm × 2mm的超小體積。采用水晶制作的QMEMS螺儀傳感器在溫度特性和靈敏度上相比更具優(yōu)勢，宮澤輝久介紹說：“QMEMS螺儀傳感器的動態(tài)檢測范圍比使用硅質(zhì)的傳感器大，硅制螺儀傳感器的檢測范圍被限定在±2g的狹窄范圍內(nèi)，而水晶加速度傳感器只用1個就能對數(shù)g～數(shù)百g的廣泛范圍進行檢測。”