日本有许多老字号的公司,其发展背景往往来自于传统工业,并在稳固的基础下走向电子产业,进而掌握举足轻重的关键技术。在这次参展的厂商中,有多家以石英晶体谐振器(resonator)/振荡器(oscillator)为核心技术的公司,包括爱普生东洋(Epson Toyocom)、Citizen、京瓷(Kyocera)、KDS、NDK等。其中Epson Toyocom的前身公司之一为Seiko Epson石英元件事业部(另一家为东洋通信),而Seiko(精工表)和Citizen(星晨表)都是历史悠久的知名钟表品牌,如今手表核心的石英晶体,则已成为电子设备的心脏,并朝更广泛的应用领域发展。

Epson Toyocom常务取缔役兼营业统括部长Mutsuo Hayashi
Epson Toyocom常务取缔役兼营业统括部长Mutsuo Hayashi

在电子产品中,只要有计时的功能,就会需要用到一颗32.768kHz的石英谐振器,而各个射频系统(GSM、Wi-Fi、BT、GPS等)及运算单元往往会需要个别的振荡器,以提供系统频率信号源,由此可见,石英晶体技术在电子业中说得上是无所不在。石英的重要性在于它是一种具高稳定性及高精准度等特性的晶体材料,除了应用于计时功能外,也可以开发为感测组件(如Gyro),或光学组件(如OLPF),用途相当广泛。

今日的可携式电子产品愈做愈轻薄短小,使得石英晶体组件也被要求做得更小。在这次的展会中,即可嗅到这场小型化的竞技气氛。包括Epson Toyocom、NDK、Kyocera等公司都展出新一代2016尺寸(2.0mm × 1.6mm)的TCXO组件。Epson Toyocom甚至预展下一代1612尺寸(1.6mm x 1.2mm)的TCXO样品,在+18℃ - 85℃时频率温度稳定性能控制在±0.5ppm,此产品预计在2010年前投产。

TCXO的主要应用市场为GPS导航设备,这类的产品为了达到精确的定位能力,需要采用高稳定性的TCXO来提供精准的频率信号源。以Epson Toyocom这一代的TG-5025BA TCXO来说,比2520的前一代组件减少36%的表面积和43%的体积,但仍保有0.5 x 10-6的频率温度系数(温度变化范围内的频率稳定性指针),而其耗电量更可减少约30%。

当石英组件被要求愈做愈小时,其制造技术就面临很大的挑战。传统上以一道道的机械加工程序来生产石英组件,但在微型化的发展上已出现极限。为了克服这些障碍,Epson Toyocom在2006年10月宣布QMEMS的生产概念,也就是运用类似CMOS MEMS生产制程来打造新世代的石英晶体组件。

Epson Toyocom常务取缔役兼营业统括部长Mutsuo Hayashi表示,相较于机械方式,QMEMS具有微型化、省能源、高稳定性与高准确性的特色。透过针对石英材料而改良的半导体制程,让Epson Toyocom有能力生产更小的石英组件,而且可以从批次量产中提升生产力,并做到更小的成品形状误差、提升出厂组件的一致性与稳定性,同时还能达到低功耗目标,更适合手机及其他可携式的设备使用。

除了TCXO外,Epson Toyocom这次也展出运用QMEMS开发出来的GHz频段高稳定表面声波(SAW)石英晶体振荡器。Hayashi指出,高频的产品最难做到高稳定性,透过QMEMS的精密加工,可以减少GHz产品的噪声,这有助于改善无线通信质量,应用在测量仪器则可降低最小测量值。」

这次推出的两款振荡器,其核心为NS-34R石英晶体振荡组件,因具有高Q值、低插入损失、高功率耐久性与极佳的频率温度系数等特性,再加入该公司的高频率电路技术,因而能提供低相位噪声和低抖动的性能表现。它们支持800MHz至2.5GHz的基本波(fundamental)频率,并采低功率设计(3V和35mA),尤其适合通讯及量测应用。

将石英结合MEMS的更大成就,当属Epson Toyocom所开发出来的Gyro角速度传感器。从图一可以看出,其核心是相当复杂的双T结构,便是透过该公司的QMEMS制程来实现,由于采用石英晶体材料,因而能够感测出极微小的角加速度变化量,而且不易受温度影响而产生误差。该公司在会场上展出多项运用Gyro的实际案例,如对气垫船的稳定性控制,以及华硕最新推出的EeeStick游戏游戏杆。此外,该公司利用石英振荡的原理还开发出绝对气压传感器,未来还准备发展加速度传感器。