QMEMS技术推动高精度石英器件的新发展

      通过精密工程技术，以硅、聚合物和金属为载体，将微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源集于一体，这就是我们熟知的“微机电系统”(Micro－Electro－Mechanical System,MEMS)。目前，MEMS器件已大量出现在我们的日常生活中，各种MESMS加速器、传感器、陀螺仪、消费电子、手机麦克风都能看见其身影。除此之外，MEMS器件还可用于车辆控制与安全、GPS航位推算、打印机列印等方面。

      作为具有丰富石英晶体生产经验公司，日本爱普生拓优科梦公司(Epson Toyocom)又在产品线中新增了一种类别，称为QMEMS。该公司商品企划战略部课长宫泽辉久表示，所谓QMEMS是指那些对石英原料使用精密加工(光刻)技术，集结了机械、电子、光学、化学等相关的各种功能，具备高精度，高稳定性等附加价值的晶体元器件。目前，Epson Toyocom的QMEMS器件阵容分为三类：定时元器件，包括音叉型晶体、HFF(High Frequency Fundamental)晶体单元和印刷蚀刻工艺；传感元器件，包括陀螺仪传感器；光学元器件。

图1：QMEMS印刷蚀刻工艺的优点。

       Epson Toyocom是精工爱普生公司(Seiko Epson)旗下的石英组件事业部与东洋通信公司(Toyo Communication Equipment)合并而成。之前，Toyocom具有将近80年的石英晶体生产经验，擅长制造特殊规格的高精度AT-Cut石英晶体组件。而 Epson则致力于利用平版印刷技术生产音叉型石英晶体组件(32.768kHz)。美国DEDALUS公司2007年11月数据显示，Epson Toyocom晶体元器件全球市场占有率为23％。

图2：音叉芯片尺寸的推移。

       之所以选择石英晶体＋类似半导体MEMS的生产制程，宫泽辉久解释说，首先是因为石英晶体硬度及理化性质稳定，频率基本不随温度变化，由此产生的内部振荡损失也最小，非常适合精密制造。其次，区别于传统的机械式加工生产方式，改良的制程更便于批量生产。更重要的是，这将使Epson Toyocom有能力实现更加精密的器件制造，保证小型化的同时把偏差限制在最小限度内，从而保证产品的稳定性和低功耗，便于工程师进行复杂设计。

      除了制程工艺的改进，Epson Toyocom工程师和Epson软件设计工程师还共同合作开发一套计算机仿真程序，该程序能在生产高精度QMEMS产品时，以虚拟的方式达到工程师所寻求的参数目标。

图3：QMEMS陀螺仪温度特性。

       以传统机械加工的音叉型晶体组件(手表、计算机和手机内定时器使用)为例。由于其设计为2D结构，如果单纯追求晶体元器件的小型化，它的电极面积就会变小，同时导致石英原料CI值(石英振荡损失的基准)增加，并同时存在着难以取得良好发振特性的小型化界限。而采用掩模、蚀刻、光刻等三维空间平版印刷(3D photolithographic processing)工艺，则能够通过形成H型槽的构造，让工程师对音叉型晶体组件或其它组件进行3D设计，既确保了电极的面积，又提高了电解效率，在缩减组件体积的同时并有效仰制CI值增加。据该公司称，今年1月开始出货的FC-13F是业界最薄的音叉型晶体组件，最大厚度只有0.6mm，厚度仅为上一代产品的2/3。

       再来看另一种典型应用－陀螺仪传感器。据介绍，由于Epson Toyocom采用音叉型晶体单元芯片，并应用了光刻技术加工锤头和H槽结构，从而实现了2×2mm超小型单元“双T构造”，成就了小型并且具有高敏感度的陀螺仪传感器。该构造可使陀螺仪两侧振动臂相对照进行振动，再由检测臂准确检测出是否存在振动或转动。相比传统MEMS陀螺仪检测范围限制在±2g左右的状况，QMEMS陀螺仪则可以将范围扩展至数百g左右。

      宫泽辉久同时强调说，硅MEMS振荡器结构非常复杂，包括了AD转换器，温度补偿电路，偏流电路等等，它最大的薄弱环节就在于其温度特性变化非常剧烈，尽管硅基MEMS器件采用相应电路对其进行了补正。因此MEMS振荡器对于追求高精度，高稳定性的电子设备是不适用的。

      但也有业内人士对此持不同意见。据Wicht Technologie Consulting(WTC)介绍，在消费电子和自动化电子产品微型化生产及在单CMOS芯片上多振荡器片上系统MEMS的驱动下，MEMS振荡器正以 120％的年增长率代替石英振荡器。现有的250万美元的MEMS振荡器市场在2012年将增长到1亿4千万美元。2012年之后，MEMS振荡器将在手机定时芯片方面达到10亿美元的市场价值。