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電子產品當中不可或缺的時脈元件

作者：

林志遠

石英元件具有穩定的壓電特性，能夠提供精準且寬廣的參考頻率、時脈控制、定時功

能與過濾雜訊等功能。此外，石英元件也能做為運動及壓力等感測器，以及重要的光

學元件。因此，對於電子產品而言，石英元件扮演著舉足輕重的地位。介紹了石英晶體

的特性、石英元件的製程演進與應用領域之後，本篇文章將接著介紹石英晶體時脈元

件的產品類型與技術現況。

經過 120 多年的演進，具有壓電效應的石英元件已由一般的石英鐘錶，被衍生應用於涵蓋通訊、資

訊、消費性、工業、軍事、醫療等各個領域，為產品

提供時脈 /定時、光學特性、運動 /壓力感測等功能。在上文中已介紹了石英晶體的特性、製程演進與應

用領域，接著我們將進一步剖析石英晶體時脈元件

的類型與技術發展趨勢。

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（RTC）模組。以下將介紹這些元件的特性、技術趨勢與應用。

石英元件技術系列二

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

定時元件 心 臟

脈搏數

血 液

各種器官

頻率

時 脈

各種 IC

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圖二　石英晶體時脈元件類型

音叉型晶體kHz頻帶

音叉型晶體

即時時脈模組

AT型晶體MHz頻帶

晶體振盪器

晶體單元與晶體諧振器

振盪回路

鐘錶用 IC

晶體單元

＋

＝

＝

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、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，適合藍芽耳機、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。

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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

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（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。

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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

圖三　石英晶體振盪器內部結構示意圖

偏移現象，讓適用的溫度範圍可以更廣。

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（PLL），以提供可程式化的功能，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（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（VCXO）

此類振盪器（簡稱壓控振盪器）可以經由外部的控

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）

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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（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（OCXO）

這類振盪器（簡稱恆溫控制振盪器）透過恆溫槽讓

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。

振盪器類型 精度範圍 應用領域

SPXO±15ppm~±100ppm

電腦、相機、手機、汽車、影印機、攝影機等各種領域

VCXO±15ppm~±100ppm

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

TCXO±0.5~±2ppm

手機、GPS 導航器

OCXO±5×10-10~±1×10-7

電波發射器、行動基地台、軍事通訊設備以及量測應用

表一 振盪器類型與應用領域