通過精密工程技術,以硅、聚合物和金屬為載體,將微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源集于一體,這就是我們熟知的“微機 電系統”(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)。目前,MEMS器件已大量出現在我們的日常生活中,各種MESMS加速器、傳感器、陀螺儀、消費電子、手機麥克風都能看見其身影。除此之外,MEMS器件還可用于車輛控制與安全、GPS航位推算、打印機列印等方面。

作為具有豐富石英晶體生產經驗公司,日本愛普生拓優科夢公司(Epson Toyocom)又在產品線中新增了一種類別,稱為QMEMS。該公司商品企劃戰略部課長宮澤輝久表示,所謂QMEMS是指那些對石英原料使用精密加工(光刻)技術,集結了機械、電子、光學、化學等相關的各種功能,具備高精度,高穩定性等附加價值的晶體元器件。目前,Epson Toyocom的QMEMS器件陣容分為三類:定時元器件,包括音叉型晶體、HFF(High Frequency Fundamental)晶體單元和印刷蝕刻工藝；傳感元器件,包括陀螺儀傳感器；光學元器件

圖1 QMEMS印刷蝕刻工藝的優點

Epson Toyocom是精工愛普生公司(Seiko Epson)旗下的石英組件事業部與東洋通信公司(Toyo Communication Equipment )合并而成。之前,Toyocom具有將近80年的石英晶體生產經驗,擅長制造特殊規格的高精度AT-Cut 石英晶體組件。而Epson則致力于利用平版印刷技術生產音叉型石英晶體組件()。美國DEDALUS公司2007年11月數據顯示,Epson Toyocom晶體元器件全球市場占有率為23%。

圖2 音叉尺寸的推移

之所以選擇石英晶體+類似半導體MEMS的生產制程,宮澤輝久解釋說,首先是因為石英晶體硬度及理化性質穩定,頻率基本不隨溫度變化,由此產生的內部振蕩損失也最小,非常適合精密制造。其次,區別于傳統的機械式加工生產方式,改良的制程更便于批量生產。更重要的是,這將使Epson Toyocom有能力實現更加精密的器件制造,保證小型化的同時把偏差限制在最小限度內,從而保證產品的穩定性和低功耗,便于工程師進行復雜設計。

除了制程工藝的改進,Epson Toyocom工程師和Epson 軟件設計工程師還共同合作開發一套計算機仿真程序,該程序能在生產高精度QMEMS產品時,以虛擬的方式達到工程師所尋求的參數目標。

以傳統機械加工的音叉型晶體組件為例。由于其設計為2D結構,如果單純追求器件的小型化,它的電極面積就會變小,同時導致石英原料CI值增加,并同時存在著難以取得良好發振特性的小型化界限。而采用掩模、蝕刻、光刻等三維空間平版印刷(3D photolithographic processing)工藝,則能夠通過形成H型槽的構造,讓工程師對音叉型晶體組件或其它組件進行3D設計,既確保了電極的面積,又提高了電解效率,在縮減組件體積的同時并有效仰制CI值增加。據該公司稱,今年1月開始出貨的FC-13F是業界最薄的音叉型晶體組件,最大厚度只有,厚度僅為上一代產品的2/3。

再來看另一種典型應用-陀螺儀傳感器。據介紹,由于Epson Toyocom采用音叉型晶體單元芯片,并應用了光刻技術加工錘頭和H槽結構,從而實現了2 × 2mm超小型單元“雙T構造”,成就了小型并且具有高敏感度的陀螺儀傳感器。該構造可使陀螺儀兩側振動臂相對照進行振動,再由檢測臂準確檢測出是否存在振動或轉動。相比傳統MEMS陀螺儀檢測范圍限制在+/-2g左右的狀況,QMEMS陀螺儀則可以將范圍擴展至數百g左右。

圖3 QMEMS陀螺儀溫度特性

宮澤輝久同時強調說,硅MEMS振蕩器結構非常復雜,包括了AD轉換器,溫度補償電路,偏流電路等等,它最大的薄弱環節就在于其溫度特性變化非常劇烈,盡管硅基MEMS器件采用相應電路對其進行了補正。因此MEMS振蕩器對于追求高精度,高穩定性的電子設備是不適用的。

但也有業內人士對此持不同意見。據Wicht Technologie Consulting(WTC)介紹,在消費電子和自動化電子產品微型化生產及在單CMOS芯片上多振蕩器片上系統MEMS的驅動下,MEMS振蕩器正以120%的年增長率代替石英振蕩器。現有的250萬美元的MEMS振蕩器市場在2012年將增長到1億4千萬美元。2012年之后,MEMS振蕩器將在手機定時芯片方面達到10億美元的市場價值。

“OEM必須為微型化生產的石英振蕩器預付費,比如Toyocom的QMEMS。”Discera公司市場副總裁Venkat Bahl說,“和石英晶體相比,這反而提高了我們MEMS振蕩器的價值,因為MEMS振蕩器已經采用了小型化封裝,在價格方面與QMEMS非常接近,但后者的供應量卻明顯不足。”

作者:邵樂峰