微機電概論 Introduction to Micro-Electromechanical System

機械系 李炯達

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課程概要 何謂微機電 (MEMS or MST)

定義 , 背景及趨勢 . 微機電之應用

汽車科技 , 量度學與製造 , 醫學 , 環境與生物科技 微加工技術 (Micromachining)

面加工 , 體加工 , 矽基製造及 LIGA 技術 微致動器 (Micro-actuators) 微馬達、微輸送器 微感覺器 (Micro-sensors) 加速度器、壓力計、陀螺儀 設計及製作實例

CH1 微機電系統簡介

微系統的基本架構 , 所需技術及發展現狀

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何謂 MEMS? （ Micro-electromechanical Systems ）

微機電系統技術

多數研究者視之為微小化的感覺器、致動器及訊號處理單元之整合已達成整個系統得以感應、研判、決策及反應的技術。是一種結合機械、電子、材料、控制、物理、光學、化學、生醫等多重技術領域的整合型微小化系統製造技術。運用這些技術，可以讓產品因微小化而提高其性能、品質、可靠度及附加價值，同時降低製造成本。

其應用範圍很廣，包括生醫、汽車、度量及製造等相關產業。

微機電是目前科技界公認最具未來發展潛力及前瞻性的研究領域，也是各國公認 21世紀最具震撼力的明星產業之一。

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Sense of Size

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Size of MEMS

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Size of MEMS

•A Gear Chain with a Mite( 蟎 ) Approaching

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Linear Rack Gear Reduction Drive

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MEMS (Microelectromechanical Systems)or MST (Microsystem Technology)

1960 年代中 : 提出利用半導體製程在矽晶片上製造機械結構的概念

1970 年代中 : 利用矽基體加工成功開發機電整合的微感測器 ( 如壓力器 ) 因而稱為 MEMS

1980 年後 : 範圍不斷擴大。其目標為發展微小化的感測、致動、訊號處理及控制單元之功能整合以達成感應 , 判斷及反應之微型系統 ( 如微形機械人及微型偵察機 ) 稱 MST or MEMS.

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目的及優點 目的 :

在製造智慧型單晶或整合晶片之微系統做為感應 , 計劃 , 決策及制動之用

優點 :1. 可將機械結構和電子線路結合

2. 可批量製造使成品造價降低且品質均一 3. 尺寸縮小但精度增加

4. 可陣列化於是可靠度大增 如微加速度計 , 蚊子的血球感應器 , 微機械人 ,

微型飛機等

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基本的 MST 技術包含 1. 微技術2. 系統技術3. 材料及效應

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Applications of MEMS

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1.MST 有一個主要目標 - 仿生物 ( 如蚊子及清牙垢的毫微米機械人 ).

2.MST 的主要問題在於如何將研發之物品成功的商業化 .

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Components of a micro-system unit

MST 取代了傳統精密 CNC 機械加工之極限限制。如刀具及大量製造。

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Major Components in MEMS

Sensors: Mechanical, Thermal, Magnetic, Chemical,Biological

Actuators: Motors, Pumps, Valves, Gripper, Switches, Relays, etc.

Interface: Electric: A/D, D/A, for

energy and information interface

Optical, Thermal, Acoustic Microfluidic: substance

interface

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微技術 : 製程及相關基礎理論 層技術 : 如微影 , 蝕刻及沉積等 . 基本上為 IC 電路

製程 . 可沉積數百 um 到數 nm 。 微機械學 : 使矽能有三維的構造 ; 可直 接從矽晶圓

得高縱橫比。 微機械學 (LIGA 製程 ): 平版電鑄模造法。 1982

由德國開發其優點為材料選擇多及能製作的形狀多 . 積體光學法 : 以光學元件如調光器、開關、偶合器 光纖法 : 無雜訊、感覺器 微光學法：微小化光學影像處理元件 微流法 : 流體元件

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•Surface Micromachining

LithographyLift-OffSacrifice Layer

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Bulk Micromachining( 立體機械微加工 )Chemical wet etchingDeep RIE( 深反應式離子蝕刻 )ICP RIE (Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching 電漿離子耦合反應系統 )

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LIGA ( 平版、流電成型、模型法 )同步輻射 x 光 LIGA-like Processes( 波長 200-300nm的深紫外光、準分子雷射、反應性離子蝕刻 )

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微技術 : 相關基礎理論 微力學 微電子學 微流體力學 光學 量子力學

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系統技術 系統概念 : 定義微系統架構及介面概念 設計及模擬工具 : 只以計算機為基礎之微系

統分析 , 模擬及設計 . 如 MEMSCAD, ANSYS, Intellisuite, Comsol 等軟

體探 討製程 , 動態力學及機電整合之設計 , 模擬及 分析 .

微系統之測試及診斷 : 訊號及資訊處理 : 聯結技術 ,組裝技術及標準化

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材料及效應 生物材料 : 濃度及生物參數 ( 毒性及過敏 ) 化學材料 : 特定成分及濃度 壓電效應 :當電壓改變時晶體知尺寸會改變 , 應用於致動器 . 反之亦同 ; 可用於感測器 .

靜電力 :當在兩平行金屬板間加上電壓時有之 .

壓阻效應 :當晶體受壓力時電阻會改變 .

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承上頁 電磁式 :當電流流經導體或線圈時會產生磁場 , 多用於磁性致動器 .

磁電變性應 :鐵磁電材料在磁電場之變形 . 形狀記憶效應 : 高於特定溫度時會恢復原來形狀 .

材料：有矽 ,氧化矽 ,陶瓷 ,金屬 ,玻璃及其他材料 .

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全球的 MST活動 以美國 ,日本 , 德國及法國最領先 . 美 ,歐 ,日比例約40:35:25. 歐洲 : 大多集中於汽車工業 ( 以學院及研究機構為主 )

德國 : 在大學及研究所廣設課程並從事基礎研究案其它歐洲各國 : 多以感覺器及微機械人為主

日本 : 從事基礎研究 , 元件及系統發展 . 以製造極高精度可在很小空間操作之微小機器及儀器為主 . 如醫學導管 (1-5mm), 工業機械人及智慧型藥丸 (1cm). 生物感覺器世界領先 .( 以大公司及大學合作為主 )

美國 : 注重應用導向 ( 與歐日不同 ),並積極進行毫微米(nm) 技術 . 學校研究機構及公司多元性發展 .擁有領導性的高科技 ,軍事 , 矽晶及微電子之技術及經驗 .(企業界競爭激烈 )

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MST in Europe

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MST Groups in Europe

European Community: NEXUS, UETP, Jessi, Jamie, MUST Germany

BMBF （德國聯邦教育、科學、研究暨技術部）提倡微系統計畫(since 1990)

主要研究機構： Karlsruhe Research Center (FZK) Fraunhofer Society for Applied Research in Munich (FhG)

France( 感覺器 ) Laboratorire d’Automatique et d’Analyse des System (LAAS) Laboratorire d’Electronique, de Technologie et

d’Instrumentation (LETI) Institut des Microtechniques de Franche-Comte (IMFC) Centre Technique de l’Industrie Horlogere (CETEHOR)

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MST Groups in Europe

Switzerland( 工業界無中央支助難以有商業產品 ) CSEM (Swiss Centre for Electronics and

Microtechnology) Sensor research Micro-mechanical components Microrobots

Swiss Foundation for research in Microtechnology National Foundation for Scientific Research University of Neuchatel

Application-oriented research in Silicon based Sensors and actuators

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MST in Japan Intensive corporation between larger companies and

university University of Nagoya, Tokyo, Tohoku

Ministry of International Trade and Industry (MITI) found Micromachine Center (MMC) in 1992

MITI sponsor MST $25-35 million （約 10 億台幣） National Research Facilities

Mechanical Engineering Laboratory (MEL) Electrotechnical Laboratory (ETL) National Research Laboratory of Metrology (NRLM)

From industries: Advanced Machining Technology & Development Association (AMTDA) （來自企業贊助每年 15-25億台幣）

Focus on microsensors due to medical applications( 極高精度的微小機械人、醫學生物感覺器 )

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MST Groups in USA Very active and application-oriented( 政府支援較低以大企業

為主 ) 18 MST centers from Engineering Research Center

Program (ERC) NSF provides Solid State and Microstructures Program to

support National Nanofabrication Facility at the Cornell

University Federal level:

Chamber of Commerce and the National Institute of Standards and Technology (NIST)

Advanced Research Projects Agency (ARPA) for Military application: $8 million a year.

NASA, NHF, FCCSET

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MST Groups in USA University research

Cornell University University of California, Berkeley Massachusetts Institute of Technology (MIT) University of Wisconsin at Madison University of Michigan Case Western Reserve University at Cleveland North Carolina State University Carnegie Mellon University Louisiana Tech University

Sandia National Laboratories Institute for Molecular Manufacturing (IMM) : Focus on

Nanotechnology

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MST in USA

Industries: IBM, AT&T, Ford, Texas Instrument, Honeywell, Motorola, Nova-Sensor, HP, Analog Devices. Developing components of

microsensors and microactuators Competition among companies. Few collaborations.

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MST in TAIWAN 每年投入相關研究經費： 7 ～ 8 億台幣 工研院：共用實驗室 中科院：國防、航太應用 國科會資助的研究中心

北區奈微米中心（台大） 中區奈微米中心（清大） 南區奈微米中心（成大） 國家奈米元件實驗室（交大） 精儀中心： LIGA-like 技術 同步輻射中心（新竹工業園區）： LIGA 技術

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相關網站 MEMS ISI 技術情報交換站 ，加利福尼亞州美國

美國的技術情報交換站 http://mems.isi.edu EMSTO 德國柏林

歐洲的技術情報交換站 www.nexus-emsto.com VDI/VDE-IT 德國 Teltow

德國工程師學 www.vdivde-it.de/MST DARPA 維吉尼亞州阿靈頓市

資助美國政府的研究計畫 http://web-ext2.darpa.mil/MTO Nist 馬里蘭州 Gaitherburg

資助美國政府的研究計畫 www.atp.nist.gov

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相關網站 國防分析學院維吉尼亞州 Alexandria

www.ida.org/MEMS AIST-MITI 日本東京

日本的「微機器計畫」 www.aist.go.jp 美國 Sandia 國家實驗室

http://www.sandia.gov/ 台灣網站

北區奈微米中心 http://nscmems.iam.ntu.edu.tw/ 南區奈微米中心 http://www.ncku.edu.tw/~nckumems/ 國家奈微米實驗室 http://www.ndl.gov.tw

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1.4.4 International Market Prognoses

[2]

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微機電系統的市場 微機電技術應用產品市場變化表 [3]

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Applications in Automobiles

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最主要的五大產品領域 : 為壓力器 ,慣性感覺器 , 流體技術元件 , 光開關元件及資料記憶元件 .