日本有許多老字號的公司,其發展背景往往來自於傳統工業,並在穩固的基礎下走向電子產業,進而掌握舉足輕重的關鍵技術。在這次參展的廠商中,有多家以石英晶體諧振器(resonator)/振盪器(oscillator)為核心技術的公司,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石英元件事業部(另一家為東洋通信),而Seiko(精工錶)和Citizen(星晨錶)都是歷史悠久的知名鐘錶品牌,如今手錶核心的石英晶體,則已成為電子設備的心臟,並朝更廣泛的應用領域發展。
![Epson Toyocom常務取締役兼營業統括部長Mutsuo Hayashi](/news/2008/11/05/1731554872.gif) |
Epson Toyocom常務取締役兼營業統括部長Mutsuo Hayashi |
在電子產品中,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(GSM、Wi-Fi、BT、GPS等)及運算單元往往會需要個別的振盪器,以提供系統時脈信號源,由此可見,石英晶體技術在電子業中說得上是無所不在。石英的重要性在於它是一種具高穩定性及高精準度等特性的晶體材料,除了應用於計時功能外,也可以開發為感測元件(如Gyro),或光學元件(如OLPF),用途相當廣泛。
今日的可攜式電子產品愈做愈輕薄短小,使得石英晶體元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氣氛。包括Epson Toyocom、NDK、Kyocera等公司都展出新一代2016尺寸(2.0mm × 1.6mm)的TCXO元件。Epson Toyocom甚至預展下一代1612尺寸(1.6mm x 1.2mm)的TCXO樣品,在+18℃ - 85℃時頻率溫度穩定性能控制在±0.5ppm,此產品預計在2010年前投產。
TCXO的主要應用市場為GPS導航設備,這類的產品為了達到精確的定位能力,需要採用高穩定性的TCXO來提供精準的時脈信號源。以Epson Toyocom這一代的TG-5025BA TCXO來說,比2520的前一代元件減少36%的表面積和43%的體積,但仍保有0.5 x 10-6的頻率溫度係數(溫度變化範圍內的頻率穩定性指標),而其耗電量更可減少約30%。
當石英元件被要求愈做愈小時,其製造技術就面臨很大的挑戰。傳統上以一道道的機械加工程序來生產石英元件,但在微型化的發展上已出現極限。為了克服這些障礙,Epson Toyocom在2006年10月宣佈QMEMS的生產概念,也就是運用類似CMOS MEMS生產製程來打造新世代的石英晶體元件。
Epson Toyocom常務取締役兼營業統括部長Mutsuo Hayashi表示,相較於機械方式,QMEMS具有微型化、省能源、高穩定性與高準確性的特色。透過針對石英材料而改良的半導體製程,讓Epson Toyocom有能力生產更小的石英元件,而且可以從批次量產中提升生產力,並做到更小的成品形狀誤差、提升出廠元件的一致性與穩定性,同時還能達到低功耗目標,更適合手機及其他可攜式的設備使用。
除了TCXO外,Epson Toyocom這次也展出運用QMEMS開發出來的GHz頻段高穩定表面聲波(SAW)石英晶體振盪器。Hayashi指出,高頻的產品最難做到高穩定性,透過QMEMS的精密加工,可以減少GHz產品的雜訊,這有助於改善無線通訊品質,應用在測量儀器則可降低最小測量值。」
這次推出的兩款振盪器,其核心為NS-34R石英晶體振盪元件,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係數等特性,再加入該公司的高頻率電路技術,因而能提供低相位雜訊和低抖動的性能表現。它們支援800MHz至2.5GHz的基本波(fundamental)頻率,並採低功率設計(3V和35mA),尤其適合通訊及量測應用。
將石英結合MEMS的更大成就,當屬Epson Toyocom所開發出來的Gyro角速度感測器。從圖一可以看出,其核心是相當複雜的雙T結構,便是透過該公司的QMEMS製程來實現,由於採用石英晶體材料,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生誤差。該公司在會場上展出多項運用Gyro的實際案例,如對氣墊船的穩定性控制,以及華碩最新推出的EeeStick遊戲搖桿。此外,該公司利用石英振盪的原理還開發出絕對氣壓感測器,未來還準備發展加速度感測器。