今日的电子设备愈做愈复杂，即使是小巧可携的手持设备，其机构中也整合了面板显示、无线通讯、主处理器以及协同处理器/加速器，和周边传输介面等功能模组。在使用时，这些模组当然不能为所欲为的自我工作，而必须与所有其他模组统一动作，系统才能正常的运作。其中在系统里担任指挥角色的是时钟功能，而使时钟功能可以准确工作的则是「时脉元件」。

电子设备中的时脉元件犹如人体中的心脏，它所产生的频率则如同「脉博数」，能为设备提供一致的工作步调。利用石英的压电特性产生一定频率的元件称为石英晶体单元（Crystal Units）或谐振器（Resonator）；将石英晶体单元与振荡电路封装为单一元件，称为石英晶体振荡器（Crystal Oscillator；X 'tal OSC）；将专用于钟表上的音叉型晶体与钟表用IC封装为单一元件，则称为即时时脉（Real Time Clock；RTC）模组。以下将介绍这些元件的特性、技术趋势与应用。

《图一　石英晶体时脉元件的功能定位如同人体中的心血管系统》 資料來源：www.epsontoyocom.co.jp (资料来源：www.epsontoyocom.co.jp)

定时元件 心脏

频率 脉搏​​数

时脉 血液

各种IC 各种器官

《图二　石英晶体时脉元件类型》 www.epsontoyocom.co.jp

音叉型晶体MHz频带 AT型晶体MHz频带 SAW谐振器GHz频带

晶体单元与晶体谐振器

晶体单元＋振荡回路＝晶体振荡器

音叉型晶体＋钟表用IC＝实时时脉模组

石英晶体单元与谐振器

不同的石英晶片形状及变形振荡方式，可以产生不同的频率范围。主要的石英晶体单元及谐振器有三类，即音叉型晶体、AT型晶体和SAW谐振器，介绍如下：

音叉型石英晶体：

音叉型石英晶体具有音叉的U字外型振荡片，对它施加电压时，振荡片会左右振荡（属于弯曲振荡），产生KHz范围的中低频频率。其中最常用的元件为提供32.768KHz频率的音叉型石英晶体。此频率送到时钟IC，经由除法器运算（215=32768），就可以得到1秒的参考时间，正是所有需要时间功能的电子设备不可或缺的元件。

在元件的选择上，可以从封装尺寸、频率精度（Frequency Tolerance）、元件厚度以及特殊应用等四个角度来剖析。尺寸上目前是愈做愈小，新上市的音叉型石英晶体元件已可做到2.0×1.2mm的微小尺寸，适合蓝牙耳机、手机等小型化设计的要求。频率的精度上，音叉型石英晶体元件的精度从±10到±100ppm都有，可以视应用需求进行选择。

另外一个考量要点为石英晶体元件的厚度，在选择上从标准的1.4mm到极薄的0.6mm都可以​​提供。当然，愈薄的技术难度愈高，成本也愈高。在特殊应用上，可以分为智慧卡应用与汽车电子两大类。其中智慧卡的应用上要求比一般电子产品还要更薄，至少要做到0.48mm的厚度，新一代的元件还会更薄，能做到只有0.38mm的厚度。在汽车电子的应用上，则要求符合车用电子规范TS16949/AEC-Q200的严苛条件，例如必须做到-40℃到+125℃的工作温度范围。

AT型石英晶体

AT型石英晶体为采用AT角度切割（AT Cut）的石英晶片（对石英晶棒Z轴向旋转约35度），当施与电压时，其振荡片的上下平面会产生相反方向的振荡（属于厚度变形振荡），能产生数MHz到数百MHz的频率，而这个频率范围的应用领域最广。

AT角度切割的石英晶体具备许多优势，例如在温度特性上，相较于其他为二次曲线的切割方式，AT Cut的温度特性为三次曲线，能够在人类环境的温度范围内（25℃上下）具有较佳的温度特性，温度特性的管理也比较容易。此外，由于AT型石英晶体为厚度振荡，其振动频率由晶片的厚度所决定，因此晶片外型可以缩小。不过，当尺寸缩小时，晶体的起始频率会升高，这时可透过时脉IC来进行升降频调整。

当AT Cut的石英晶片做的更薄时，能使振动频率提高，因此AT型石英晶片可以做到高频化的需求。目前AT型石英晶体的应用主要是介于12MHz到80MHz之间。相较之下，AT Cut反而不容易满足低频的需求，因为当晶片厚度变大时，阻抗会升高，不易控制低频的输出。不过，AT型石英晶体的电容较小，只要少量的电容变化就能得到极大的频率改变，TCXO和VCXO就是利用较小的容量比特性而设计的振荡器元件。

在手机、网路卡等消费性的应用上，AT型石英晶体目前的主流尺寸为3.2×2.5mm，但市场上仍需要更小尺寸的石英晶体，例如SiP模组为了要整合更多的IC ，会要求个别晶片的尺寸愈小愈好。传统的机械制程可以做到2.6×2.0mm，但要再更小就有困难了，因此需要引进新的制程技术，如Epson Toyocom的QMEMS制程。采用QMEMS，可以做出尺寸只有2.0×1.6×0.6的微型化高频AT型石英晶体，新一代的元件更将迈向1.6×1.2mm，厚度可达0.4mm，甚至是0.36mm。 目前这些高频晶体主要采用SMD陶瓷封装，在精度的选择上，则可分为一般精度（约为±50ppm）和高精度（约为±10ppm）。处理数位讯号的装置，如时脉产生器、音讯编解码器、区域网路卡、绘图晶片等，通常使用一般精度的AT型石英晶体即可。但对于GSM/GPRS/3G、WLAN、数位电视等通讯应用来说，为了确实做到讯号的同步性，必须从讯号源就做到高度的精确性，才能确保良好的通讯品质，这时就得选用高精度的时脉元件。

SAW谐振器

表面声波（Surface Acoustic Wave；SAW）谐振器为超高频石英晶体，顾名思义，它具有只在石英振荡晶片的表面产生振荡的「表面声波」特性，主要是在数百MHz至GHz的频带内发生共振，因此可用来提供极高频的参考频率。

石英晶体振荡器

上述的石英晶体单元及谐振器，其封装内为石英晶片与电极，并有两条对外的接脚，需接上外部电路才会振荡。当把石英谐振器把振荡线路或IC整合在一个封装内，由外部提供电源电压，形成一个主动元件直接输出频率信号，就是所谓的石英晶体振荡器（Crystal Oscillator），通常有四支接脚。

《图三　石英晶体振荡器内部结构示意图》

塑料外壳 陶瓷封装晶体单元

引线缝合 IC晶片 金属脚架

不论是音叉型石英晶体、AT型石英晶体或SAW谐振器，都能做成振荡器（OSC），其中由提供32.768KHz的音叉型石英晶体与钟表用IC（振荡回路、钟表功能、日历功能、闹钟功能）等组合成一体的元件，即称为即时时脉（RTC）模组，被普遍使用于需要时间功能的各种设备当中。

相较于石英晶体和谐振器，振荡器是将振荡回路整合在一个封装当中，所以能够调校出更稳定的计时系统，因此能提供更高的时脉精度。例如透过适当的补偿线路，该振荡器可以修正因温度造成的频率偏移现象，让适用的温度范围可以更广。

《图四　透过温度补偿，振荡器可适用于更大的工作温度范围（以SG-150SCC为例）》

除了标准型（一般精度）与高精度的元件类型定位外，AT型振荡器还可整合锁相回路（Phase Lock Loop；PLL），以提供可程式化（Programmable）的功能，这有助于缩短应用产品上市的时程，也很适合用于Demo Board的设计。此外，对于高频使用中怕受到噪讯干扰，或系统中EMI问题严重时，则可选用展频振荡器（SS-OSC）。

就振荡器的精度等级及控制方式，振荡器可以区分为以下类型：

简单封装晶体振荡器（Simple Packaged Crystal Oscillator；SPXO）

这是最基本的振荡器（简称石英晶体振荡器），将石英晶体与振荡回路整合在一起，普遍应用于各种设备当中，如电脑、相机、手机、汽车、影印机、摄影机等。

电压控制石英晶体振荡器（Voltage Controlled Crystal Oscillator；VCXO）

此类振荡器（简称压控振荡器）可以经由外部的控制电压来改变频率，其振荡的频率或重覆的比例会随着直流电压的不同而改变，这个特性可以用来将调变讯号当做VCXO的输入而产生不同的调变讯号，如FM调变、PM调变、PWM调变，因此常被应用于讯号产生器、电子音乐中的变调功能、锁相回路、通讯设备中的频率合成器。

温度补偿石英晶体振荡器（Temperature Compensated Crystal Oscillator；TCXO）：

这类振荡器（简称温度补偿振荡器）透过内置的温度补偿回路来进行自动调节，以减少由温度引起的频率变化，因而能在较宽的温度范围内工作，且频率稳定性较高。经常应用于手机、GPS导航器，尤其是导航器，由于卫星讯号极微弱，需要使用精确的TCXO才能快速定位。

恒温槽控制石英晶体振荡器（Oven Controlled Crystal Oscillator；OCXO）

这类振荡器（简称恒温控制振荡器）透过恒温槽让振荡器维持在一定的工作温度下，以减少频率的变化。它通常被用来控制电波发射器、行动基地台、军事通讯设备以及量测应用中的频率控制，在这些应用中往往要求石英晶体提供的频率能有最佳的稳定性。

整合型的振荡器在成本上自然较石英晶体或谐振器来的高，因此，基于成本的考量，业者在使用上会优先考虑石英晶体或谐振器，或是在第一代的新产品中先采用振荡器，第二代以后再改用石英晶体单元或谐振器来降低成本。不过，整合型的振荡器还是具有高稳定性的优势，事实上在一些应用中也能省下物料清单（BOM）的成本。此外，振荡器在一些应用中仍占有重要地位，例如GPS定位需要用TCXO，基地台需用OCXO，调频需用VCXO。

对于日益盛行的SiP系统级封装来说，振荡器也具有石英晶体做不到的优势。在今日的SiP中，通常会有两个以上的子系统，运用振荡器可以为多个系统提供稳定的共用频率，而不用采用多个石英晶体。这是因为振荡器为主动元件，讯号推力够大而且稳定，相较于分散式晶体单元作法，整体成本也会更低。

结语

石英晶体时脉元件在今日的电子产品中扮演着如「心脏」一般的关键角色，而随着高频通讯与轻薄可携的设计趋势，这些时脉元件也朝向小型化、薄型化、高精度、可程式化与展频等特性发展。要达到这些目标，必须仰赖创新的QMEMS制程技术。

在一些特定的应用领域中，时脉元件被要求提供更多加值的功能或特性，例如运用在车载电子中，必须满足严苛的工作条件；运用在智慧卡中，则必须做的更薄，还得兼顾安全性的设计要求。此外，选择振荡器能够提供更高的精度并降低设计的难度，但为了降低成本，业者偏好选择石英晶体或谐振器方案。此时，外加的振荡线路设计与认证就成了设计案的成功关键。下篇文章将接续此议题，介绍新兴的时脉元件应用与振荡线路的设计要领，敬请期待。

---作者任职于台湾爱普生科技电子零件事业群---