獲得高頻輸出的方法（第三部：反向臺形 AT 型石英晶體）

反向臺形 AT 型石英晶體的概況與特性介紹

【序文】

上次為止，我們介紹了使用倍頻電路和鎖相環電路，或者使用彈性表面波 SAW（Surface Acoustic Wave）諧振器獲得高頻輸出的方法。使用這些方法雖然可以獲得穩定的高頻，但各具弱點。例如，鎖相環電路能夠提供靈活性的同時，振蕩電路設計較為復雜，從而導致相位噪音特性惡化；使用 SAW 的方法電路設計較為簡單且相位噪音特性較好，但元件自身具有頻率隨溫度的變化量大的特點。通常，石英晶體制造商更多使用 AT 型石英晶體，理由如下：①在常溫范圍內有拐點，頻率在較寬的溫度范圍內保持穩定；②覆蓋的高頻范圍較寬；③與石英片的長寬尺寸無關，只需控制石英片厚度就能獲得所需高頻，因此適于小型化；④只需旋轉 Z 軸就能進行石英片切割，便于生產。但是，若要從 AT 型石英晶體直接起振高頻，則需將石英片加工得很薄。這在加工方法和機械性強度等方面存在著制約。

這次，我們將介紹應用愛普生的“QMEMS”技術，生產出只將振蕩部分加工變薄的反向臺形 AT 型石英晶

體，由此產生高頻、穩定的基準信號的方法。

【1】關于反向臺形 AT 型石英晶體

英語名稱中的“Mesa”這個詞起源于西班牙語，意思是“周圍是懸崖峭壁的臺形地貌”，通常把截面加工成

臺形的半導體晶體管等稱為“臺形結構”。反向臺形 AT 型石英晶體指把 AT 切割石英片的一部分（振蕩部分）切割成凹陷的臺形的結構（與臺形結構相反）。反向臺形 AT 型石英晶體的結構如圖 1 所示。AT 型石英晶體的石英片越薄，所起振的頻率越高。但是，通常機械性研磨實現批量、穩定生產的頻率限度為以基波起振 50MHz左右（石英片厚度為約 30μm）。如果需要使用 AT 型石英晶體獲得大于上述限度的頻率，經常使用高次振動的振動模式（三次諧波）達到 50MHz 至 150MHz。因此，為了獲得高頻，就需要使用復雜的電路控制三次諧波等振動模式。愛普生應用進行光刻加工的 QMEMS 技術，生產出只將激勵部分加工成幾微米的反向臺結構，既保證了芯片的強度又能以基波起振高頻，以此解決上述問題。

【2】關于 QMEMS 技術

“QMEMS”是具有高穩定、高精度等優越性能的石英材料“QUARTZ”和“MEMS（Micro Electro Mechanical

System，精密加工技術）”組合成的造詞。與以硅為材料的“MEMS”相對應，以石英為原料進行精密加工（光刻加工）而提供的小型化、高性能晶體元器件被稱為“QMEMS”。應用 QMEMS 技術的產品除了本次介紹的反向臺形 AT 型石英晶體以外，還應用于音叉型晶體單元振動槽的精密加工和 AT 型石英晶體的臺形結構加工等方面。本次，我們以 AT 型石英晶體的臺形結構加工為例，說明 QMEMS 技術。

AT 型石英晶體的振蕩是典型的厚度變形振蕩，其理想的振蕩狀態是只在中央部分振蕩，而周圍部分不產生振蕩。對于 MHz 頻帶中較低頻帶的 AT 型石英晶體，大多使用倒角加工，使石英片的中央部分與周圍的厚度不同，從而獲得該效果。圖 2 表示原來的機械加工方式和使用了光刻加工的 QMEMS 方式的概略。由于機械加工利用石英芯片自身重量進行加工，所以石英芯片越小，加工難度越大，偏差也隨之增加并影響特性。與此相比，QMEMS 技術的光刻加工不受石英芯片大小的影響，可使石英片的形狀保持均一，即便是超小型的石英芯片，也能達到比機械加工更小的偏差，從而實現圖 3 所示的優越的溫度特性。

綜上所述，在高頻領域，也能夠使用 QMEMS 技術生產出圖 1 所示的反向臺結構，既保持石英芯片的強度，又能以基波起振高頻，以此提供具有穩定性能的產品。

【3】使用反向臺形 AT 型石英晶體的產品及其特征

在愛普生的產品中，使用以 QMEMS 技術實現基波起振高頻的反向臺形 AT 型石英晶體的產品如下：

①SPXO（Simple Packaged Crystal Oscillator，石英晶體振蕩器）中的 SG-210S*H、SG-770***/SG-771***；

②VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator，壓控晶體振蕩器）中的 VG-45**系列。

VCXO 的頻率隨外部施加的控制電壓而變化，主要應用于基站和光傳送設備。近年，由于數據通信不斷趨向高速化及大容量化，市場對高頻與穩定信號源的需求日益增加。因此，具有高頻、良好的溫度特性及優越的噪音特性的 AT 型石英晶體已成為備受矚目的存在。

圖 4 表示使用反向臺形 AT 型石英晶體的 VCXO 產品 VG-4513CB 與本公司原有產品（倍頻型）的失真成分比較。

圖 4：失真特性的比較

為獲得高頻而使用鎖相環或倍頻電路時（圖 4 左），其缺點是將產生信號以外的噪音（失真成分）導致抖動特性下降。使用反向臺形 AT 型石英晶體時（圖 4 右）能以基波起振高頻，因此不會產生類似以前產品的失真成分，實現低抖動特性。以基波直接起振高頻的優勢大，我們認為它將成為不斷增加的基礎設備的不可或缺的關鍵部件。

【4】后序

高頻的基準信號源在近年的通信設備及網絡設備中必不可缺，而滿足顧客所使用的應用和要求規格的高頻輸出的電子部件的品種眾多。

愛普生分三次介紹了獲得高頻輸出的電子部件，包括實現可獲得任意頻率的方便性的程控石英晶體振蕩器、實現低相位抖動的 SAW 振蕩器和具有良好的溫度特性并以基波直接起振的 AT 型石英晶體。上述產品各具特色，但每款產品均發揮了石英本身所具有的高穩定與高精度的特性，相信能根據顧客用途提供更大的選擇余地。我們希望通過本次技術說明，能讓顧客更多理解石英產品所具有的高穩定性，在廣大顧客選擇各種應用程序的電子部件時助一臂之力。