今日的電子設備愈做愈複雜，即使是小巧可攜的手持設備，其機構中也整合了面板顯示、無線通訊、主處理器以及協同處理器/加速器，和週邊傳輸介面等功能模組。在使用時，這些模組當然不能為所欲為的自我工作，而必須與所有其他模組統一動作，系統才能正常的運作。其中在系統裡擔任指揮角色的是時鐘功能，而使時鐘功能可以準確工作的則是「時脈元件」。

電子設備中的時脈元件猶如人體中的心臟，它所產生的頻率則如同「脈博數」，能為設備提供一致的工作步調。利用石英的壓電特性產生一定頻率的元件稱為石英晶體單元（Crystal Units）或諧振器（Resonator）；將石英晶體單元與振盪電路封裝為單一元件，稱為石英晶體振盪器（Crystal Oscillator；X’tal OSC）；將專用於鐘錶上的音叉型晶體與鐘錶用IC封裝為單一元件，則稱為即時時脈（Real Time Clock；RTC）模組。以下將介紹這些元件的特性、技術趨勢與應用。

《圖一　石英晶體時脈元件的功能定位如同人體中的心血管系統》 資料來源：www.epsontoyocom.co.jp

定時元件 心臟

頻率 脈搏數

時脈 血液

各種IC 各種器官

《圖二　石英晶體時脈元件類型》 www.epsontoyocom.co.jp

音叉型晶體KHz頻帶 AT型晶體MHz頻帶 SAW諧振器GHz頻帶

晶體單元與晶體諧振器

晶體單元＋振盪回路＝晶體振盪器

音叉型晶體＋鐘錶用IC＝實時時脈模組

石英晶體單元與諧振器

不同的石英晶片形狀及變形振盪方式，可以產生不同的頻率範圍。主要的石英晶體單元及諧振器有三類，即音叉型晶體、AT型晶體和SAW諧振器，介紹如下：

音叉型石英晶體：

音叉型石英晶體具有音叉的U字外型振盪片，對它施加電壓時，振盪片會左右振盪（屬於彎曲振盪），產生KHz範圍的中低頻頻率。其中最常用的元件為提供32.768KHz頻率的音叉型石英晶體。此頻率送到時鐘IC，經由除法器運算（215=32768），就可以得到1秒的參考時間，正是所有需要時間功能的電子設備不可或缺的元件。

在元件的選擇上，可以從封裝尺寸、頻率精度（Frequency Tolerance）、元件厚度以及特殊應用等四個角度來剖析。尺寸上目前是愈做愈小，新上市的音叉型石英晶體元件已可做到2.0×1.2mm的微小尺寸，適合藍牙耳機、手機等小型化設計的要求。頻率的精度上，音叉型石英晶體元件的精度從±10到±100ppm都有，可以視應用需求進行選擇。

另外一個考量要點為石英晶體元件的厚度，在選擇上從標準的1.4mm到極薄的0.6mm都可以提供。當然，愈薄的技術難度愈高，成本也愈高。在特殊應用上，可以分為智慧卡應用與汽車電子兩大類。其中智慧卡的應用上要求比一般電子產品還要更薄，至少要做到0.48mm的厚度，新一代的元件還會更薄，能做到只有0.38mm的厚度。在汽車電子的應用上，則要求符合車用電子規範TS16949/AEC-Q200的嚴苛條件，例如必須做到-40℃到+125℃的工作溫度範圍。

AT型石英晶體

AT型石英晶體為採用AT角度切割（AT Cut）的石英晶片（對石英晶棒Z軸向旋轉約35度），當施與電壓時，其振盪片的上下平面會產生相反方向的振盪（屬於厚度變形振盪），能產生數MHz到數百MHz的頻率，而這個頻率範圍的應用領域最廣。

AT角度切割的石英晶體具備許多優勢，例如在溫度特性上，相較於其他為二次曲線的切割方式，AT Cut的溫度特性為三次曲線，能夠在人類環境的溫度範圍內（25℃上下）具有較佳的溫度特性，溫度特性的管理也比較容易。此外，由於AT型石英晶體為厚度振盪，其振動頻率由晶片的厚度所決定，因此晶片外型可以縮小。不過，當尺寸縮小時，晶體的起始頻率會升高，這時可透過時脈IC來進行升降頻調整。

當AT Cut的石英晶片做的更薄時，能使振動頻率提高，因此AT型石英晶片可以做到高頻化的需求。目前AT型石英晶體的應用主要是介於12MHz到80MHz之間。相較之下，AT Cut反而不容易滿足低頻的需求，因為當晶片厚度變大時，阻抗會升高，不易控制低頻的輸出。不過，AT型石英晶體的電容較小，只要少量的電容變化就能得到極大的頻率改變，TCXO和VCXO就是利用較小的容量比特性而設計的振盪器元件。

在手機、網路卡等消費性的應用上，AT型石英晶體目前的主流尺寸為3.2×2.5mm，但市場上仍需要更小尺寸的石英晶體，例如SiP模組為了要整合更多的IC，會要求個別晶片的尺寸愈小愈好。傳統的機械製程可以做到2.6×2.0mm，但要再更小就有困難了，因此需要引進新的製程技術，如Epson Toyocom的QMEMS製程。採用QMEMS，可以做出尺寸只有2.0×1.6×0.6的微型化高頻AT型石英晶體，新一代的元件更將邁向1.6×1.2mm，厚度可達0.4mm，甚至是0.36mm。 目前這些高頻晶體主要採用SMD陶瓷封裝，在精度的選擇上，則可分為一般精度（約為±50ppm）和高精度（約為±10ppm）。處理數位訊號的裝置，如時脈產生器、音訊編解碼器、區域網路卡、繪圖晶片等，通常使用一般精度的AT型石英晶體即可。但對於GSM/GPRS/3G、WLAN、數位電視等通訊應用來說，為了確實做到訊號的同步性，必須從訊號源就做到高度的精確性，才能確保良好的通訊品質，這時就得選用高精度的時脈元件。

SAW諧振器

表面聲波（Surface Acoustic Wave；SAW）諧振器為超高頻石英晶體，顧名思義，它具有只在石英振盪晶片的表面產生振盪的「表面聲波」特性，主要是在數百MHz至GHz的頻帶內發生共振，因此可用來提供極高頻的參考頻率。

石英晶體振盪器

上述的石英晶體單元及諧振器，其封裝內為石英晶片與電極，並有兩條對外的接腳，需接上外部電路才會振盪。當把石英諧振器把振盪線路或IC整合在一個封裝內，由外部提供電源電壓，形成一個主動元件直接輸出頻率信號，就是所謂的石英晶體振盪器（Crystal Oscillator），通常有四支接腳。

《圖三　石英晶體振盪器內部結構示意圖》

塑料外殼 陶瓷封裝晶體單元

引線縫合 IC晶片 金屬腳架

不論是音叉型石英晶體、AT型石英晶體或SAW諧振器，都能做成振盪器（OSC），其中由提供32.768KHz的音叉型石英晶體與鐘錶用IC（振盪回路、鐘錶功能、日曆功能、鬧鐘功能）等組合成一體的元件，即稱為即時時脈（RTC）模組，被普遍使用於需要時間功能的各種設備當中。

相較於石英晶體和諧振器，振盪器是將振盪迴路整合在一個封裝當中，所以能夠調校出更穩定的計時系統，因此能提供更高的時脈精度。例如透過適當的補償線路，該振盪器可以修正因溫度造成的頻率偏移現象，讓適用的溫度範圍可以更廣。

《圖四　透過溫度補償，振盪器可適用於更大的工作溫度範圍（以SG-150SCC為例）》

除了標準型（一般精度）與高精度的元件類型定位外，AT型振盪器還可整合鎖相迴路（Phase Lock Loop；PLL），以提供可程式化（Programmable）的功能，這有助於縮短應用產品上市的時程，也很適合用於Demo Board的設計。此外，對於高頻使用中怕受到噪訊干擾，或系統中EMI問題嚴重時，則可選用展頻振盪器（SS-OSC）。

就振盪器的精度等級及控制方式，振盪器可以區分為以下類型：

簡單封裝晶體振盪器（Simple Packaged Crystal Oscillator；SPXO）

這是最基本的振盪器（簡稱石英晶體振盪器），將石英晶體與振盪回路整合在一起，普遍應用於各種設備當中，如電腦、相機、手機、汽車、影印機、攝影機等。

電壓控制石英晶體振盪器（Voltage Controlled Crystal Oscillator；VCXO）

此類振盪器（簡稱壓控振盪器）可以經由外部的控制電壓來改變頻率，其振盪的頻率或重覆的比例會隨著直流電壓的不同而改變，這個特性可以用來將調變訊號當做VCXO的輸入而產生不同的調變訊號，如FM調變、PM調變、PWM調變，因此常被應用於訊號產生器、電子音樂中的變調功能、鎖相迴路、通訊設備中的頻率合成器。

溫度補償石英晶體振盪器（Temperature Compensated Crystal Oscillator；TCXO）：

這類振盪器（簡稱溫度補償振盪器）透過內置的溫度補償回路來進行自動調節，以減少由溫度引起的頻率變化，因而能在較寬的溫度範圍內工作，且頻率穩定性較高。經常應用於手機、GPS導航器，尤其是導航器，由於衛星訊號極微弱，需要使用精確的TCXO才能快速定位。

恆溫槽控制石英晶體振盪器（Oven Controlled Crystal Oscillator；OCXO）

這類振盪器（簡稱恆溫控制振盪器）透過恒溫槽讓振盪器維持在一定的工作溫度下，以減少頻率的變化。它通常被用來控制電波發射器、行動基地台、軍事通訊設備以及量測應用中的頻率控制，在這些應用中往往要求石英晶體提供的頻率能有最佳的穩定性。

整合型的振盪器在成本上自然較石英晶體或諧振器來的高，因此，基於成本的考量，業者在使用上會優先考慮石英晶體或諧振器，或是在第一代的新產品中先採用振盪器，第二代以後再改用石英晶體單元或諧振器來降低成本。不過，整合型的振盪器還是具有高穩定性的優勢，事實上在一些應用中也能省下物料清單（BOM）的成本。此外，振盪器在一些應用中仍佔有重要地位，例如GPS定位需要用TCXO，基地台需用OCXO，調頻需用VCXO。

對於日益盛行的SiP系統級封裝來說，振盪器也具有石英晶體做不到的優勢。在今日的SiP中，通常會有兩個以上的子系統，運用振盪器可以為多個系統提供穩定的共用頻率，而不用採用多個石英晶體。這是因為振盪器為主動元件，訊號推力夠大而且穩定，相較於分散式晶體單元作法，整體成本也會更低。

結語

石英晶體時脈元件在今日的電子產品中扮演著如「心臟」一般的關鍵角色，而隨著高頻通訊與輕薄可攜的設計趨勢，這些時脈元件也朝向小型化、薄型化、高精度、可程式化與展頻等特性發展。要達到這些目標，必須仰賴創新的QMEMS製程技術。

在一些特定的應用領域中，時脈元件被要求提供更多加值的功能或特性，例如運用在車載電子中，必須滿足嚴苛的工作條件；運用在智慧卡中，則必須做的更薄，還得兼顧安全性的設計要求。此外，選擇振盪器能夠提供更高的精度並降低設計的難度，但為了降低成本，業者偏好選擇石英晶體或諧振器方案。此時，外加的振盪線路設計與認證就成了設計案的成功關鍵。下篇文章將接續此議題，介紹新興的時脈元件應用與振盪線路的設計要領，敬請期待。

---作者任職於台灣愛普生科技電子零件事業群---