通過(guò)精密工程技術(shù),以硅、聚合物和金屬為載體,將微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)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(jī) 電系統(tǒng)”(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)。目前,MEMS器件已大量出現(xiàn)在我們的日常生活中,各種MESMS加速器、傳感器、陀螺儀、消費(fèi)電子、手機(jī)麥克風(fēng)都能看見(jiàn)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(jī)列印等方面。
作為具有豐富石英晶體生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)公司,日本愛(ài)普生拓優(yōu)科夢(mèng)公司(Epson Toyocom)又在產(chǎn)品線中新增了一種類別,稱為QMEMS。該公司商品企劃戰(zhàn)略部課長(zhǎng)宮澤輝久表示,所謂QMEMS是指那些對(duì)石英原料使用精密加工(光刻)技術(shù),集結(jié)了機(jī)械、電子、光學(xué)、化學(xué)等相關(guān)的各種功能,具備高精度,高穩(wěn)定性等附加價(jià)值的晶體元器件。目前,Epson Toyocom的QMEMS器件陣容分為三類:定時(shí)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(xué)元器件
圖1 QMEMS印刷蝕刻工藝的優(yōu)點(diǎn)
Epson Toyocom是精工愛(ài)普生公司(Seiko Epson)旗下的石英組件事業(yè)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(chǎn)經(jīng)驗(yàn),擅長(zhǎng)制造特殊規(guī)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(shù)生產(chǎn)音叉型石英晶體組件()。美國(guó)DEDALUS公司2007年11月數(shù)據(jù)顯示,Epson Toyocom晶體元器件全球市場(chǎng)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(dǎo)體MEMS的生產(chǎn)制程,宮澤輝久解釋說(shuō),首先是因?yàn)槭⒕w硬度及理化性質(zhì)穩(wěn)定,頻率基本不隨溫度變化,由此產(chǎn)生的內(nèi)部振蕩損失也最小,非常適合精密制造。其次,區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械式加工生產(chǎn)方式,改良的制程更便于批量生產(chǎn)。更重要的是,這將使Epson Toyocom有能力實(shí)現(xiàn)更加精密的器件制造,保證小型化的同時(shí)把偏差限制在最小限度內(nèi),從而保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和低功耗,便于工程師進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)。
除了制程工藝的改進(jìn),Epson Toyocom工程師和Epson 軟件設(shè)計(jì)工程師還共同合作開(kāi)發(fā)一套計(jì)算機(jī)仿真程序,該程序能在生產(chǎn)高精度QMEMS產(chǎn)品時(shí),以虛擬的方式達(dá)到工程師所尋求的參數(shù)目標(biāo)。
以傳統(tǒng)機(jī)械加工的音叉型晶體組件為例。由于其設(shè)計(jì)為2D結(jié)構(gòu),如果單純追求器件的小型化,它的電極面積就會(huì)變小,同時(shí)導(dǎo)致石英原料CI值增加,并同時(shí)存在著難以取得良好發(fā)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(guò)形成H型槽的構(gòu)造,讓工程師對(duì)音叉型晶體組件或其它組件進(jìn)行3D設(shè)計(jì),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(shí)并有效仰制CI值增加。據(jù)該公司稱,今年1月開(kāi)始出貨的FC-13F是業(yè)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(chǎn)品的2/3。
再來(lái)看另一種典型應(yīng)用-陀螺儀傳感器。據(jù)介紹,由于Epson Toyocom采用音叉型晶體單元芯片,并應(yīng)用了光刻技術(shù)加工錘頭和H槽結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)了2 × 2mm超小型單元“雙T構(gòu)造”,成就了小型并且具有高敏感度的陀螺儀傳感器。該構(gòu)造可使陀螺儀兩側(cè)振動(dòng)臂相對(duì)照進(jìn)行振動(dòng),再由檢測(cè)臂準(zhǔn)確檢測(cè)出是否存在振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。相比傳統(tǒng)MEMS陀螺儀檢測(cè)范圍限制在+/-2g左右的狀況,QMEMS陀螺儀則可以將范圍擴(kuò)展至數(shù)百g左右。
圖3 QMEMS陀螺儀溫度特性
宮澤輝久同時(shí)強(qiáng)調(diào)說(shuō),硅MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,包括了AD轉(zhuǎn)換器,溫度補(bǔ)償電路,偏流電路等等,它最大的薄弱環(huán)節(jié)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(yīng)電路對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)正。因此MEMS振蕩器對(duì)于追求高精度,高穩(wěn)定性的電子設(shè)備是不適用的。
但也有業(yè)內(nèi)人士對(duì)此持不同意見(jiàn)。據(jù)Wicht Technologie Consulting(WTC)介紹,在消費(fèi)電子和自動(dòng)化電子產(chǎn)品微型化生產(chǎn)及在單CMOS芯片上多振蕩器片上系統(tǒng)MEMS的驅(qū)動(dòng)下,MEMS振蕩器正以120%的年增長(zhǎng)率代替石英振蕩器。現(xiàn)有的250萬(wàn)美元的MEMS振蕩器市場(chǎng)在2012年將增長(zhǎng)到1億4千萬(wàn)美元。2012年之后,MEMS振蕩器將在手機(jī)定時(shí)芯片方面達(dá)到10億美元的市場(chǎng)價(jià)值。
“OEM必須為微型化生產(chǎn)的石英振蕩器預(yù)付費(fèi),比如Toyocom的QMEMS。”Discera公司市場(chǎng)副總裁Venkat Bahl說(shuō),“和石英晶體相比,這反而提高了我們MEMS振蕩器的價(jià)值,因?yàn)镸EMS振蕩器已經(jīng)采用了小型化封裝,在價(jià)格方面與QMEMS非常接近,但后者的供應(yīng)量卻明顯不足。”
作者:邵樂(lè)峰
