QMEMS為晶體元器件性能提升提供保障
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晶體元件用途廣泛
根據Epson Toyocom公司的調查，2007年“產(chǎn)業(yè)之鹽”已經(jīng)形成了一個(gè)4510億日元（1美元兌換106日元）的巨大市場(chǎng)，以手機和數碼相機的穩定增長(cháng)為基礎，在汽車(chē)電子的拉動(dòng)下，這個(gè)市場(chǎng)到2010年將增長(cháng)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(huà)戰略部宮澤輝久科長(cháng)總結認為。
圖1 不斷擴大的晶體元器件市場(chǎng) 資料來(lái)源：Epson Toyocom公司
晶體的物理特性可以分為壓電現象，送壓電現象以及光學(xué)特性。前兩者在生活中的應用很廣泛，最具代表性的就是石英鐘表。宮澤輝久解釋說(shuō)，晶體在收到機械應力后，表面會(huì )產(chǎn)生電偶極子；相反，對晶體施以電壓，則晶體會(huì )在特定方向上會(huì )產(chǎn)生變形。如果在晶體上施加交變電場(chǎng)，則晶體結晶將產(chǎn)生機械振動(dòng)，當外加電場(chǎng)的頻率和晶體的固有振蕩頻率一致時(shí)，則出現晶體的諧振。這一特性可以用作定時(shí)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(jìn)的特性,光學(xué)元器件有時(shí)將其遮攔,有時(shí)將其反射,有時(shí)將其彎曲,改變光的狀態(tài),在電子設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。在電視機或數碼相機的圖像中,可以發(fā)現條紋的襯衫或領(lǐng)帶的模樣的閃亮很刺眼。這就是被稱(chēng)為“波紋效應”的現象,想除去這種帶狀的閃亮,忠實(shí)地表現美麗精彩的畫(huà)面時(shí)，就可以利用OLPF的“雙折射的特性”來(lái)實(shí)現。
身邊的晶體元器件
根據這三種物理特性，晶體可以用作定時(shí)、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(chē)電子、數碼相機等眾多數碼電子產(chǎn)品中。
例如在手機中就包括：
TCXO（溫度補償晶體振蕩器）：通過(guò)溫度補償回路,減少由溫度引起的頻率變化。它應用于對手機來(lái)說(shuō)最重要的無(wú)線(xiàn)回路（RF回路）或GPS回路中。所以不管在炎夏的海灘,還是在嚴冬的滑雪場(chǎng),都能使用手機。
陀螺儀傳感器：檢測手抖等運動(dòng)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(zhù)相機的,以人的關(guān)節為中心的旋轉運動(dòng)。檢測旋轉運動(dòng)的角速度,瞬間逆方向改變光學(xué)系統部品或CCD,修正圖像的抖動(dòng)。不僅是防抖補正功能,而且正在探討將來(lái)運用到運動(dòng)傳感等方面的新產(chǎn)品中去。
音叉型晶體/實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：手機的時(shí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊是在音叉型晶體上裝配了時(shí)鐘用IC的復合產(chǎn)品。當處于待機狀態(tài)等不需要高速運作時(shí),通過(guò)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(lái)自外部的控制電壓改變頻率，接收1Seg播放信號時(shí),VCXO是非常有力的助手。在A(yíng)T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(guò)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(guò),這就是聲表面波(SAW)濾波器的任務(wù)。
區別于手機的是，在數碼相機中增加了OLPF（光學(xué)低通濾波器）。在拍攝時(shí)，帶狀、網(wǎng)狀等、拍攝規律排列的物體時(shí)顯現出的線(xiàn)狀的混淆,通過(guò)帶有水晶光學(xué)特性的OLPF,就能避免數字圖像中會(huì )出現的波紋。
隨著(zhù)汽車(chē)電子化的深入，一輛汽車(chē)中所使用的晶體元器件大約有數十個(gè)至數百個(gè)之多。汽車(chē)MCU的時(shí)鐘裝置中使用AT型晶體和SPXO,無(wú)線(xiàn)回路（RF回路）或GPS回路中使用TCXO,TV調諧器中搭載了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(guò)發(fā)出或接收電波,控制上鎖等功能。由傳感器進(jìn)行診斷與監視的系統中也使用了晶體元器件，可以檢測出車(chē)輛自身的排氣裝置的故障,保有故障內容履歷的“OBD（車(chē)載式故障診斷系統）”、混合動(dòng)力車(chē)的蓄電池監視系統等中使用了實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。相比一般的應用，汽車(chē)用晶體元器件需具備有更高的信賴(lài)度。
QMEMS鞏固Epson Toyocom晶體元件市場(chǎng)的地位
在美國DEDALUS公司2007年11月的數據中，Epson Toyocom是全球最大的晶體元器件供應商，占據了23%的市場(chǎng)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(lèi)晶體器件：時(shí)鐘器件(Timing Device)、光學(xué)器件(Optical Device)和傳感器件(Sensing Device), 稱(chēng)之為3D戰略。
為了鞏固市場(chǎng)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(guò)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、高穩定附加值的設備”。Epson Toyocom從大約20年前就開(kāi)始把通過(guò)蝕刻技術(shù)進(jìn)行微加工的技法應用到水晶材料上，所以QMEMS并非什么新技術(shù)。不過(guò)公司預見(jiàn)水晶微加工技術(shù)今后的應用范圍將愈加廣泛，因此專(zhuān)門(mén)定義了這一名稱(chēng)。
圖2 通過(guò)QMEMS技術(shù)制造的“雙T”架構陀螺儀
宮澤輝久告訴記者：“QMEMS技術(shù)的誕生是因為我們日益感到，隨著(zhù)晶體芯片小型化和高精度的要求越來(lái)越高，傳統機械加工方法已接近極限。通過(guò)利用感光印刷技術(shù)對晶體實(shí)施精細加工，QMEMS能提供高精度、高穩定、高附加值的石英晶體產(chǎn)品。與機械加工相比，QMEMS大幅提升精度和穩定性的同時(shí)實(shí)現了超小型。”
目前，Epson Toyocom利用QMEMS設計除了定時(shí)和傳感2類(lèi)元器件，前者包括音叉型晶體、以基波實(shí)現高頻的HFF晶體單元和使用光刻技術(shù)實(shí)現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(lái)的頻率變化，根據角速度對電壓進(jìn)行輸出，通過(guò)濾波器和AD轉換器，把輸出電壓數字化，再用CPU計算出速度值。QMEMS螺儀傳感器采用的是“雙T”架構，由2個(gè)驅動(dòng)臂、一個(gè)固定的檢測臂和內置電路組成，實(shí)現了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(shuō)：“QMEMS螺儀傳感器的動(dòng)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，而水晶加速度傳感器只用1個(gè)就能對數g～數百g的廣泛范圍進(jìn)行檢測。”
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