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微微感測感測器原理與應用技術器原理與應用技術

Principle of Microsensors and its Applications

楊啟榮 博士

教 授

國立台灣師範大學 機電科技學系Department of Mechatronic Technology

National Taiwan Normal UniversityTel 02-7734-3506

E-mailycrntnuedutw

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綱綱 要要

認識感測器的角色與功能

微感測材料之特性

微感測器原理與應用

力感測器熱感測器流量感測器微麥克風微加速度計生物感測器

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感測器的角色感測器的角色

例電風扇例電風扇

例冷氣例冷氣

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致動器

actuators致動器

actuators

感測器陣列

sensors array感測器陣列

sensors array

微處理器

microprocessor

微處理器

microprocessor輸入輸出

inputoutput

輸入輸出

inputoutput

內部匯流排internal bus

外部

匯流排

exte

rnal

bus

微系統應用晶片模組

感測訊號物理 Physical化學 Chemical生化 Biochemical

能源 Energy熱能 Thermal機械 Mechanical流體 Fluidic光學 Optical電能 Electrical

情報資料電氣 Electrical光學 Optical聲學 Acoustic

致動訊號消費性電子生化醫療自動化 半導體化工通訊與資訊環保與安全 紡織

微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖

運動能量

訊息其他

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整合感測器致動器及電子電路的微機電元件整合感測器致動器及電子電路的微機電元件

感測器sensors

致動器actuators

電子電路circuits

微結構microstructure

致動器actuators

驅動迴路driver

力感測器force sensor

電子電路circuits

雷射偵測器laser detector

訊息控制迴路communication

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感測原理感測原理

將一物理量(力位移角度振動音波流量溫度)或化學量(化學成份pH值濃度鹽度黏度密度比重)的變化轉換成電性輸出如將力位移或角度的變化轉變成電壓電容或電阻的變化量

環境中的物理量或化學量

電性訊號轉換成可讀性物理或化學量

數位式溫度計

pH值量測計

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生物感測器示意圖生物感測器示意圖

量測血糖濃度之生醫感測器量測血糖濃度之生醫感測器((電化學式電化學式))示意圖示意圖

電化學氧化-還原反應分為氧化與還原兩個步驟前者是使葡萄糖失去電子變成葡萄糖酸後者則由氧氣得到電子還原成水

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微感測材料之特性微感測材料之特性

一般外界環境之影響不外乎是熱電磁輻射機械與化學等六大類刺激感測材料是對此六大類中之一種或多種刺激具有特別好的反應其反應亦不外乎此六大類刺激與反應之間的關係即為其效應(effect)

在現今積體電路發達的時代如果一種材料可以直接將非電參數轉變(感測) 成電的信號那麼在控制電路或資料的處理上將最為省事成本最低如機rarr電的壓電效應壓阻效應與電阻效應(應變規)熱rarr電的熱電效應與焦電效應磁rarr電的霍耳效應與磁阻效應輻射rarr電的光伏效應 (photovoltaic effect) 與光導效應 (photoconductive effect)化學rarr電的位能效應與化學場效效應(chemFET) 等最被普遍使用其中大部分已經有商業化產品

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黑格曼關係圖(Heckmann diagram)指出晶體之各種物理性質關係

所謂焦電性是指當周圍溫度變化時材料本身會產生表面電荷而形成電壓或電流以表示溫度變化的一種現象焦電現象係一種熱能轉換為電能的現象是經由外界溫度的變化所造成材料本身自發極化量 (Spontaneous Polarization)的改變進而誘導表面電荷累積的現象

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各物理特性之代表性材料各物理特性之代表性材料

光電效應

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電光效應(EO effect Electrical optical effect)「電光效應(EO effectElectrical Optical effect)」是指外加電壓會使材料的光學性質(折射率)發生改變的一種物理現象科學家發現某些特別的晶體例如鈮酸鋰(LiNbO3)鉭酸鋰(TaNbO3)在外加電壓時會使波導的折射率增加或減少金屬電極的正下方波導的折射率會因為外加電壓而變大或變小

聲光效應(AO effect Acoustic optical effect)「聲光效應(AO effect Acoustic Optical effect)」是以指叉狀電極外加電場使固體晶格原子振動產生聲波聲波使光產生散射而改變前進的方向而改變指叉狀電極的間隔距離可控制光前進的方向

電光效應與聲光效應電光效應與聲光效應

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Mechanical pressure sensorsMechanical pressure sensors

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-- 應變計應變計

全橋片 玫瑰型應變片菊型應變片直片

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當轉換機械量如力扭力和壓力到電子量時應變片(應變計應變規)因其低廉的價格和優異的性能是很好的選擇方案

應變計應變計應變規應變規

Pipe specimen made of carbon-fiber reinforced plastic in torsion fracture test

以應變片(應變計應變規)進行測量時

最普通的方法是黏貼到測量物體上故需

要清潔劑黏貼材料保護層接線材料

接線端子電纜和信號線等材料由於

輸出訊號很小必須加裝訊號放大器最

後進行訊號校正 (黏貼方向會影響實驗

結果的正確性)

httpwwwhbmcomtwproductallphp

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-- 應變計的電阻應變計的電阻

R LA

=ρ

R 壓阻的電阻ρ 材料的阻值(resistivity)L 壓阻的長度A 壓阻的截面積

Fig p142

電阻變化率

Δ Δ Δ ΔRR

LL

AA

= + minusρρ

Δ Δ ΔAA

ww

hh

= +

金屬膜應變規對壓力所產生的電阻變化很小量規因子(gauge factor) 只在2 左右在小應力的應用上靈敏度不夠訊雜比(signalnoise ratio) 很低感測上的誤差過高

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彈性力學

壓阻效應

壓阻效應

幾何形狀改變

電阻值改變

應變

應力 電阻率改變

dR RGε

equiv計測因數

53asympG

150~30asympG

ISO Elastic合金

壓阻材料

Semiconductor gageSemiconductor gage

Smith 在1954 年首先使用摻雜過的單晶鍺(Ge) 和矽(Si) 的桿狀試樣在單軸上施加應力然後測量垂直軸上的電阻變化也發現了矽半導體的壓阻效應遠大於金屬片

(量規因子(gauge factor))

壓阻效應指材料的電阻係數受到施加在材料上的應力變化而改變

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壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻配合惠氏電橋靈敏度高精確度及穩定性亦不錯最重要的是其製作成本低但易受外界應力影響且較耗電

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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感測器的角色感測器的角色

例電風扇例電風扇

例冷氣例冷氣

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致動器

actuators致動器

actuators

感測器陣列

sensors array感測器陣列

sensors array

微處理器

microprocessor

微處理器

microprocessor輸入輸出

inputoutput

輸入輸出

inputoutput

內部匯流排internal bus

外部

匯流排

exte

rnal

bus

微系統應用晶片模組

感測訊號物理 Physical化學 Chemical生化 Biochemical

能源 Energy熱能 Thermal機械 Mechanical流體 Fluidic光學 Optical電能 Electrical

情報資料電氣 Electrical光學 Optical聲學 Acoustic

致動訊號消費性電子生化醫療自動化 半導體化工通訊與資訊環保與安全 紡織

微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖

運動能量

訊息其他

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整合感測器致動器及電子電路的微機電元件整合感測器致動器及電子電路的微機電元件

感測器sensors

致動器actuators

電子電路circuits

微結構microstructure

致動器actuators

驅動迴路driver

力感測器force sensor

電子電路circuits

雷射偵測器laser detector

訊息控制迴路communication

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感測原理感測原理

將一物理量(力位移角度振動音波流量溫度)或化學量(化學成份pH值濃度鹽度黏度密度比重)的變化轉換成電性輸出如將力位移或角度的變化轉變成電壓電容或電阻的變化量

環境中的物理量或化學量

電性訊號轉換成可讀性物理或化學量

數位式溫度計

pH值量測計

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生物感測器示意圖生物感測器示意圖

量測血糖濃度之生醫感測器量測血糖濃度之生醫感測器((電化學式電化學式))示意圖示意圖

電化學氧化-還原反應分為氧化與還原兩個步驟前者是使葡萄糖失去電子變成葡萄糖酸後者則由氧氣得到電子還原成水

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微感測材料之特性微感測材料之特性

一般外界環境之影響不外乎是熱電磁輻射機械與化學等六大類刺激感測材料是對此六大類中之一種或多種刺激具有特別好的反應其反應亦不外乎此六大類刺激與反應之間的關係即為其效應(effect)

在現今積體電路發達的時代如果一種材料可以直接將非電參數轉變(感測) 成電的信號那麼在控制電路或資料的處理上將最為省事成本最低如機rarr電的壓電效應壓阻效應與電阻效應(應變規)熱rarr電的熱電效應與焦電效應磁rarr電的霍耳效應與磁阻效應輻射rarr電的光伏效應 (photovoltaic effect) 與光導效應 (photoconductive effect)化學rarr電的位能效應與化學場效效應(chemFET) 等最被普遍使用其中大部分已經有商業化產品

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黑格曼關係圖(Heckmann diagram)指出晶體之各種物理性質關係

所謂焦電性是指當周圍溫度變化時材料本身會產生表面電荷而形成電壓或電流以表示溫度變化的一種現象焦電現象係一種熱能轉換為電能的現象是經由外界溫度的變化所造成材料本身自發極化量 (Spontaneous Polarization)的改變進而誘導表面電荷累積的現象

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各物理特性之代表性材料各物理特性之代表性材料

光電效應

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電光效應(EO effect Electrical optical effect)「電光效應(EO effectElectrical Optical effect)」是指外加電壓會使材料的光學性質(折射率)發生改變的一種物理現象科學家發現某些特別的晶體例如鈮酸鋰(LiNbO3)鉭酸鋰(TaNbO3)在外加電壓時會使波導的折射率增加或減少金屬電極的正下方波導的折射率會因為外加電壓而變大或變小

聲光效應(AO effect Acoustic optical effect)「聲光效應(AO effect Acoustic Optical effect)」是以指叉狀電極外加電場使固體晶格原子振動產生聲波聲波使光產生散射而改變前進的方向而改變指叉狀電極的間隔距離可控制光前進的方向

電光效應與聲光效應電光效應與聲光效應

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Mechanical pressure sensorsMechanical pressure sensors

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-- 應變計應變計

全橋片 玫瑰型應變片菊型應變片直片

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當轉換機械量如力扭力和壓力到電子量時應變片(應變計應變規)因其低廉的價格和優異的性能是很好的選擇方案

應變計應變計應變規應變規

Pipe specimen made of carbon-fiber reinforced plastic in torsion fracture test

以應變片(應變計應變規)進行測量時

最普通的方法是黏貼到測量物體上故需

要清潔劑黏貼材料保護層接線材料

接線端子電纜和信號線等材料由於

輸出訊號很小必須加裝訊號放大器最

後進行訊號校正 (黏貼方向會影響實驗

結果的正確性)

httpwwwhbmcomtwproductallphp

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-- 應變計的電阻應變計的電阻

R LA

=ρ

R 壓阻的電阻ρ 材料的阻值(resistivity)L 壓阻的長度A 壓阻的截面積

Fig p142

電阻變化率

Δ Δ Δ ΔRR

LL

AA

= + minusρρ

Δ Δ ΔAA

ww

hh

= +

金屬膜應變規對壓力所產生的電阻變化很小量規因子(gauge factor) 只在2 左右在小應力的應用上靈敏度不夠訊雜比(signalnoise ratio) 很低感測上的誤差過高

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彈性力學

壓阻效應

壓阻效應

幾何形狀改變

電阻值改變

應變

應力 電阻率改變

dR RGε

equiv計測因數

53asympG

150~30asympG

ISO Elastic合金

壓阻材料

Semiconductor gageSemiconductor gage

Smith 在1954 年首先使用摻雜過的單晶鍺(Ge) 和矽(Si) 的桿狀試樣在單軸上施加應力然後測量垂直軸上的電阻變化也發現了矽半導體的壓阻效應遠大於金屬片

(量規因子(gauge factor))

壓阻效應指材料的電阻係數受到施加在材料上的應力變化而改變

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壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻配合惠氏電橋靈敏度高精確度及穩定性亦不錯最重要的是其製作成本低但易受外界應力影響且較耗電

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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整合感測器致動器及電子電路的微機電元件整合感測器致動器及電子電路的微機電元件

感測器sensors

致動器actuators

電子電路circuits

微結構microstructure

致動器actuators

驅動迴路driver

力感測器force sensor

電子電路circuits

雷射偵測器laser detector

訊息控制迴路communication

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感測原理感測原理

將一物理量(力位移角度振動音波流量溫度)或化學量(化學成份pH值濃度鹽度黏度密度比重)的變化轉換成電性輸出如將力位移或角度的變化轉變成電壓電容或電阻的變化量

環境中的物理量或化學量

電性訊號轉換成可讀性物理或化學量

數位式溫度計

pH值量測計

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生物感測器示意圖生物感測器示意圖

量測血糖濃度之生醫感測器量測血糖濃度之生醫感測器((電化學式電化學式))示意圖示意圖

電化學氧化-還原反應分為氧化與還原兩個步驟前者是使葡萄糖失去電子變成葡萄糖酸後者則由氧氣得到電子還原成水

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微感測材料之特性微感測材料之特性

一般外界環境之影響不外乎是熱電磁輻射機械與化學等六大類刺激感測材料是對此六大類中之一種或多種刺激具有特別好的反應其反應亦不外乎此六大類刺激與反應之間的關係即為其效應(effect)

在現今積體電路發達的時代如果一種材料可以直接將非電參數轉變(感測) 成電的信號那麼在控制電路或資料的處理上將最為省事成本最低如機rarr電的壓電效應壓阻效應與電阻效應(應變規)熱rarr電的熱電效應與焦電效應磁rarr電的霍耳效應與磁阻效應輻射rarr電的光伏效應 (photovoltaic effect) 與光導效應 (photoconductive effect)化學rarr電的位能效應與化學場效效應(chemFET) 等最被普遍使用其中大部分已經有商業化產品

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黑格曼關係圖(Heckmann diagram)指出晶體之各種物理性質關係

所謂焦電性是指當周圍溫度變化時材料本身會產生表面電荷而形成電壓或電流以表示溫度變化的一種現象焦電現象係一種熱能轉換為電能的現象是經由外界溫度的變化所造成材料本身自發極化量 (Spontaneous Polarization)的改變進而誘導表面電荷累積的現象

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各物理特性之代表性材料各物理特性之代表性材料

光電效應

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電光效應(EO effect Electrical optical effect)「電光效應(EO effectElectrical Optical effect)」是指外加電壓會使材料的光學性質(折射率)發生改變的一種物理現象科學家發現某些特別的晶體例如鈮酸鋰(LiNbO3)鉭酸鋰(TaNbO3)在外加電壓時會使波導的折射率增加或減少金屬電極的正下方波導的折射率會因為外加電壓而變大或變小

聲光效應(AO effect Acoustic optical effect)「聲光效應(AO effect Acoustic Optical effect)」是以指叉狀電極外加電場使固體晶格原子振動產生聲波聲波使光產生散射而改變前進的方向而改變指叉狀電極的間隔距離可控制光前進的方向

電光效應與聲光效應電光效應與聲光效應

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Mechanical pressure sensorsMechanical pressure sensors

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-- 應變計應變計

全橋片 玫瑰型應變片菊型應變片直片

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當轉換機械量如力扭力和壓力到電子量時應變片(應變計應變規)因其低廉的價格和優異的性能是很好的選擇方案

應變計應變計應變規應變規

Pipe specimen made of carbon-fiber reinforced plastic in torsion fracture test

以應變片(應變計應變規)進行測量時

最普通的方法是黏貼到測量物體上故需

要清潔劑黏貼材料保護層接線材料

接線端子電纜和信號線等材料由於

輸出訊號很小必須加裝訊號放大器最

後進行訊號校正 (黏貼方向會影響實驗

結果的正確性)

httpwwwhbmcomtwproductallphp

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-- 應變計的電阻應變計的電阻

R LA

=ρ

R 壓阻的電阻ρ 材料的阻值(resistivity)L 壓阻的長度A 壓阻的截面積

Fig p142

電阻變化率

Δ Δ Δ ΔRR

LL

AA

= + minusρρ

Δ Δ ΔAA

ww

hh

= +

金屬膜應變規對壓力所產生的電阻變化很小量規因子(gauge factor) 只在2 左右在小應力的應用上靈敏度不夠訊雜比(signalnoise ratio) 很低感測上的誤差過高

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彈性力學

壓阻效應

壓阻效應

幾何形狀改變

電阻值改變

應變

應力 電阻率改變

dR RGε

equiv計測因數

53asympG

150~30asympG

ISO Elastic合金

壓阻材料

Semiconductor gageSemiconductor gage

Smith 在1954 年首先使用摻雜過的單晶鍺(Ge) 和矽(Si) 的桿狀試樣在單軸上施加應力然後測量垂直軸上的電阻變化也發現了矽半導體的壓阻效應遠大於金屬片

(量規因子(gauge factor))

壓阻效應指材料的電阻係數受到施加在材料上的應力變化而改變

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壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻配合惠氏電橋靈敏度高精確度及穩定性亦不錯最重要的是其製作成本低但易受外界應力影響且較耗電

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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生物感測器示意圖生物感測器示意圖

量測血糖濃度之生醫感測器量測血糖濃度之生醫感測器((電化學式電化學式))示意圖示意圖

電化學氧化-還原反應分為氧化與還原兩個步驟前者是使葡萄糖失去電子變成葡萄糖酸後者則由氧氣得到電子還原成水

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微感測材料之特性微感測材料之特性

一般外界環境之影響不外乎是熱電磁輻射機械與化學等六大類刺激感測材料是對此六大類中之一種或多種刺激具有特別好的反應其反應亦不外乎此六大類刺激與反應之間的關係即為其效應(effect)

在現今積體電路發達的時代如果一種材料可以直接將非電參數轉變(感測) 成電的信號那麼在控制電路或資料的處理上將最為省事成本最低如機rarr電的壓電效應壓阻效應與電阻效應(應變規)熱rarr電的熱電效應與焦電效應磁rarr電的霍耳效應與磁阻效應輻射rarr電的光伏效應 (photovoltaic effect) 與光導效應 (photoconductive effect)化學rarr電的位能效應與化學場效效應(chemFET) 等最被普遍使用其中大部分已經有商業化產品

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黑格曼關係圖(Heckmann diagram)指出晶體之各種物理性質關係

所謂焦電性是指當周圍溫度變化時材料本身會產生表面電荷而形成電壓或電流以表示溫度變化的一種現象焦電現象係一種熱能轉換為電能的現象是經由外界溫度的變化所造成材料本身自發極化量 (Spontaneous Polarization)的改變進而誘導表面電荷累積的現象

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各物理特性之代表性材料各物理特性之代表性材料

光電效應

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電光效應(EO effect Electrical optical effect)「電光效應(EO effectElectrical Optical effect)」是指外加電壓會使材料的光學性質(折射率)發生改變的一種物理現象科學家發現某些特別的晶體例如鈮酸鋰(LiNbO3)鉭酸鋰(TaNbO3)在外加電壓時會使波導的折射率增加或減少金屬電極的正下方波導的折射率會因為外加電壓而變大或變小

聲光效應(AO effect Acoustic optical effect)「聲光效應(AO effect Acoustic Optical effect)」是以指叉狀電極外加電場使固體晶格原子振動產生聲波聲波使光產生散射而改變前進的方向而改變指叉狀電極的間隔距離可控制光前進的方向

電光效應與聲光效應電光效應與聲光效應

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Mechanical pressure sensorsMechanical pressure sensors

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-- 應變計應變計

全橋片 玫瑰型應變片菊型應變片直片

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當轉換機械量如力扭力和壓力到電子量時應變片(應變計應變規)因其低廉的價格和優異的性能是很好的選擇方案

應變計應變計應變規應變規

Pipe specimen made of carbon-fiber reinforced plastic in torsion fracture test

以應變片(應變計應變規)進行測量時

最普通的方法是黏貼到測量物體上故需

要清潔劑黏貼材料保護層接線材料

接線端子電纜和信號線等材料由於

輸出訊號很小必須加裝訊號放大器最

後進行訊號校正 (黏貼方向會影響實驗

結果的正確性)

httpwwwhbmcomtwproductallphp

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-- 應變計的電阻應變計的電阻

R LA

=ρ

R 壓阻的電阻ρ 材料的阻值(resistivity)L 壓阻的長度A 壓阻的截面積

Fig p142

電阻變化率

Δ Δ Δ ΔRR

LL

AA

= + minusρρ

Δ Δ ΔAA

ww

hh

= +

金屬膜應變規對壓力所產生的電阻變化很小量規因子(gauge factor) 只在2 左右在小應力的應用上靈敏度不夠訊雜比(signalnoise ratio) 很低感測上的誤差過高

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彈性力學

壓阻效應

壓阻效應

幾何形狀改變

電阻值改變

應變

應力 電阻率改變

dR RGε

equiv計測因數

53asympG

150~30asympG

ISO Elastic合金

壓阻材料

Semiconductor gageSemiconductor gage

Smith 在1954 年首先使用摻雜過的單晶鍺(Ge) 和矽(Si) 的桿狀試樣在單軸上施加應力然後測量垂直軸上的電阻變化也發現了矽半導體的壓阻效應遠大於金屬片

(量規因子(gauge factor))

壓阻效應指材料的電阻係數受到施加在材料上的應力變化而改變

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壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻配合惠氏電橋靈敏度高精確度及穩定性亦不錯最重要的是其製作成本低但易受外界應力影響且較耗電

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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黑格曼關係圖(Heckmann diagram)指出晶體之各種物理性質關係

所謂焦電性是指當周圍溫度變化時材料本身會產生表面電荷而形成電壓或電流以表示溫度變化的一種現象焦電現象係一種熱能轉換為電能的現象是經由外界溫度的變化所造成材料本身自發極化量 (Spontaneous Polarization)的改變進而誘導表面電荷累積的現象

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各物理特性之代表性材料各物理特性之代表性材料

光電效應

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電光效應(EO effect Electrical optical effect)「電光效應(EO effectElectrical Optical effect)」是指外加電壓會使材料的光學性質(折射率)發生改變的一種物理現象科學家發現某些特別的晶體例如鈮酸鋰(LiNbO3)鉭酸鋰(TaNbO3)在外加電壓時會使波導的折射率增加或減少金屬電極的正下方波導的折射率會因為外加電壓而變大或變小

聲光效應(AO effect Acoustic optical effect)「聲光效應(AO effect Acoustic Optical effect)」是以指叉狀電極外加電場使固體晶格原子振動產生聲波聲波使光產生散射而改變前進的方向而改變指叉狀電極的間隔距離可控制光前進的方向

電光效應與聲光效應電光效應與聲光效應

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Mechanical pressure sensorsMechanical pressure sensors

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-- 應變計應變計

全橋片 玫瑰型應變片菊型應變片直片

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當轉換機械量如力扭力和壓力到電子量時應變片(應變計應變規)因其低廉的價格和優異的性能是很好的選擇方案

應變計應變計應變規應變規

Pipe specimen made of carbon-fiber reinforced plastic in torsion fracture test

以應變片(應變計應變規)進行測量時

最普通的方法是黏貼到測量物體上故需

要清潔劑黏貼材料保護層接線材料

接線端子電纜和信號線等材料由於

輸出訊號很小必須加裝訊號放大器最

後進行訊號校正 (黏貼方向會影響實驗

結果的正確性)

httpwwwhbmcomtwproductallphp

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-- 應變計的電阻應變計的電阻

R LA

=ρ

R 壓阻的電阻ρ 材料的阻值(resistivity)L 壓阻的長度A 壓阻的截面積

Fig p142

電阻變化率

Δ Δ Δ ΔRR

LL

AA

= + minusρρ

Δ Δ ΔAA

ww

hh

= +

金屬膜應變規對壓力所產生的電阻變化很小量規因子(gauge factor) 只在2 左右在小應力的應用上靈敏度不夠訊雜比(signalnoise ratio) 很低感測上的誤差過高

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彈性力學

壓阻效應

壓阻效應

幾何形狀改變

電阻值改變

應變

應力 電阻率改變

dR RGε

equiv計測因數

53asympG

150~30asympG

ISO Elastic合金

壓阻材料

Semiconductor gageSemiconductor gage

Smith 在1954 年首先使用摻雜過的單晶鍺(Ge) 和矽(Si) 的桿狀試樣在單軸上施加應力然後測量垂直軸上的電阻變化也發現了矽半導體的壓阻效應遠大於金屬片

(量規因子(gauge factor))

壓阻效應指材料的電阻係數受到施加在材料上的應力變化而改變

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壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻配合惠氏電橋靈敏度高精確度及穩定性亦不錯最重要的是其製作成本低但易受外界應力影響且較耗電

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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各物理特性之代表性材料各物理特性之代表性材料

光電效應

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電光效應(EO effect Electrical optical effect)「電光效應(EO effectElectrical Optical effect)」是指外加電壓會使材料的光學性質(折射率)發生改變的一種物理現象科學家發現某些特別的晶體例如鈮酸鋰(LiNbO3)鉭酸鋰(TaNbO3)在外加電壓時會使波導的折射率增加或減少金屬電極的正下方波導的折射率會因為外加電壓而變大或變小

聲光效應(AO effect Acoustic optical effect)「聲光效應(AO effect Acoustic Optical effect)」是以指叉狀電極外加電場使固體晶格原子振動產生聲波聲波使光產生散射而改變前進的方向而改變指叉狀電極的間隔距離可控制光前進的方向

電光效應與聲光效應電光效應與聲光效應

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Mechanical pressure sensorsMechanical pressure sensors

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-- 應變計應變計

全橋片 玫瑰型應變片菊型應變片直片

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當轉換機械量如力扭力和壓力到電子量時應變片(應變計應變規)因其低廉的價格和優異的性能是很好的選擇方案

應變計應變計應變規應變規

Pipe specimen made of carbon-fiber reinforced plastic in torsion fracture test

以應變片(應變計應變規)進行測量時

最普通的方法是黏貼到測量物體上故需

要清潔劑黏貼材料保護層接線材料

接線端子電纜和信號線等材料由於

輸出訊號很小必須加裝訊號放大器最

後進行訊號校正 (黏貼方向會影響實驗

結果的正確性)

httpwwwhbmcomtwproductallphp

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-- 應變計的電阻應變計的電阻

R LA

=ρ

R 壓阻的電阻ρ 材料的阻值(resistivity)L 壓阻的長度A 壓阻的截面積

Fig p142

電阻變化率

Δ Δ Δ ΔRR

LL

AA

= + minusρρ

Δ Δ ΔAA

ww

hh

= +

金屬膜應變規對壓力所產生的電阻變化很小量規因子(gauge factor) 只在2 左右在小應力的應用上靈敏度不夠訊雜比(signalnoise ratio) 很低感測上的誤差過高

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彈性力學

壓阻效應

壓阻效應

幾何形狀改變

電阻值改變

應變

應力 電阻率改變

dR RGε

equiv計測因數

53asympG

150~30asympG

ISO Elastic合金

壓阻材料

Semiconductor gageSemiconductor gage

Smith 在1954 年首先使用摻雜過的單晶鍺(Ge) 和矽(Si) 的桿狀試樣在單軸上施加應力然後測量垂直軸上的電阻變化也發現了矽半導體的壓阻效應遠大於金屬片

(量規因子(gauge factor))

壓阻效應指材料的電阻係數受到施加在材料上的應力變化而改變

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壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻配合惠氏電橋靈敏度高精確度及穩定性亦不錯最重要的是其製作成本低但易受外界應力影響且較耗電

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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Mechanical pressure sensorsMechanical pressure sensors

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-- 應變計應變計

全橋片 玫瑰型應變片菊型應變片直片

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當轉換機械量如力扭力和壓力到電子量時應變片(應變計應變規)因其低廉的價格和優異的性能是很好的選擇方案

應變計應變計應變規應變規

Pipe specimen made of carbon-fiber reinforced plastic in torsion fracture test

以應變片(應變計應變規)進行測量時

最普通的方法是黏貼到測量物體上故需

要清潔劑黏貼材料保護層接線材料

接線端子電纜和信號線等材料由於

輸出訊號很小必須加裝訊號放大器最

後進行訊號校正 (黏貼方向會影響實驗

結果的正確性)

httpwwwhbmcomtwproductallphp

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-- 應變計的電阻應變計的電阻

R LA

=ρ

R 壓阻的電阻ρ 材料的阻值(resistivity)L 壓阻的長度A 壓阻的截面積

Fig p142

電阻變化率

Δ Δ Δ ΔRR

LL

AA

= + minusρρ

Δ Δ ΔAA

ww

hh

= +

金屬膜應變規對壓力所產生的電阻變化很小量規因子(gauge factor) 只在2 左右在小應力的應用上靈敏度不夠訊雜比(signalnoise ratio) 很低感測上的誤差過高

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彈性力學

壓阻效應

壓阻效應

幾何形狀改變

電阻值改變

應變

應力 電阻率改變

dR RGε

equiv計測因數

53asympG

150~30asympG

ISO Elastic合金

壓阻材料

Semiconductor gageSemiconductor gage

Smith 在1954 年首先使用摻雜過的單晶鍺(Ge) 和矽(Si) 的桿狀試樣在單軸上施加應力然後測量垂直軸上的電阻變化也發現了矽半導體的壓阻效應遠大於金屬片

(量規因子(gauge factor))

壓阻效應指材料的電阻係數受到施加在材料上的應力變化而改變

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壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻配合惠氏電橋靈敏度高精確度及穩定性亦不錯最重要的是其製作成本低但易受外界應力影響且較耗電

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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-86-

微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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當轉換機械量如力扭力和壓力到電子量時應變片(應變計應變規)因其低廉的價格和優異的性能是很好的選擇方案

應變計應變計應變規應變規

Pipe specimen made of carbon-fiber reinforced plastic in torsion fracture test

以應變片(應變計應變規)進行測量時

最普通的方法是黏貼到測量物體上故需

要清潔劑黏貼材料保護層接線材料

接線端子電纜和信號線等材料由於

輸出訊號很小必須加裝訊號放大器最

後進行訊號校正 (黏貼方向會影響實驗

結果的正確性)

httpwwwhbmcomtwproductallphp

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-- 應變計的電阻應變計的電阻

R LA

=ρ

R 壓阻的電阻ρ 材料的阻值(resistivity)L 壓阻的長度A 壓阻的截面積

Fig p142

電阻變化率

Δ Δ Δ ΔRR

LL

AA

= + minusρρ

Δ Δ ΔAA

ww

hh

= +

金屬膜應變規對壓力所產生的電阻變化很小量規因子(gauge factor) 只在2 左右在小應力的應用上靈敏度不夠訊雜比(signalnoise ratio) 很低感測上的誤差過高

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彈性力學

壓阻效應

壓阻效應

幾何形狀改變

電阻值改變

應變

應力 電阻率改變

dR RGε

equiv計測因數

53asympG

150~30asympG

ISO Elastic合金

壓阻材料

Semiconductor gageSemiconductor gage

Smith 在1954 年首先使用摻雜過的單晶鍺(Ge) 和矽(Si) 的桿狀試樣在單軸上施加應力然後測量垂直軸上的電阻變化也發現了矽半導體的壓阻效應遠大於金屬片

(量規因子(gauge factor))

壓阻效應指材料的電阻係數受到施加在材料上的應力變化而改變

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壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻配合惠氏電橋靈敏度高精確度及穩定性亦不錯最重要的是其製作成本低但易受外界應力影響且較耗電

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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彈性力學

壓阻效應

壓阻效應

幾何形狀改變

電阻值改變

應變

應力 電阻率改變

dR RGε

equiv計測因數

53asympG

150~30asympG

ISO Elastic合金

壓阻材料

Semiconductor gageSemiconductor gage

Smith 在1954 年首先使用摻雜過的單晶鍺(Ge) 和矽(Si) 的桿狀試樣在單軸上施加應力然後測量垂直軸上的電阻變化也發現了矽半導體的壓阻效應遠大於金屬片

(量規因子(gauge factor))

壓阻效應指材料的電阻係數受到施加在材料上的應力變化而改變

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壓阻式壓力計壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻配合惠氏電橋靈敏度高精確度及穩定性亦不錯最重要的是其製作成本低但易受外界應力影響且較耗電

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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利用一般IC MOS 製程在矽基板之正面製作壓阻及導線之後以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技術由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)接著晶背以RIE 除去當做蝕刻遮罩之nitrideoxide 後進行陽極晶片接合接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱應力除此可以在接合時在真空環境下進行藉此製作絕對壓力計

(Brysek et al Silicon Sensors and Microstructures Nova sensor 1990 )

(Lee et al Transducers (Lee et al Transducers rsquorsquo95 37995 379--C9 1995) C9 1995)

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((體型矽微加工技術體型矽微加工技術))

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S Sugiyama K Shimaoka and O Tabata 1991

壓阻式壓力計的製作壓阻式壓力計的製作((面型矽微加工技術面型矽微加工技術))

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al 1992a)

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史其主要是偵測位移量受應力之變化故較不受外界溫度之干擾靈敏度相當高且較不耗電但是由於響應的非線性及易受寄生電容影響最好搭配校正電路一起設計

電容式壓力感測器電容式壓力感測器

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(能承受的)過壓力

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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Temperature SensorsTemperature Sensors各種熱感測器與其感測原理各種熱感測器與其感測原理 接觸型傳導或對流

非接觸型熱輻射

(愈靈敏者星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈溫度愈高電阻變小

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感測器性能參數感測器性能參數 (I)(I)

響應度(responsivity)定義為感測器接收到每單位輻射功率Pd 所產生的訊號電壓Vs 或電流is且不計雜訊的大小電壓響應度Rv 與電流響應度Ri分別表示如下

此處Hd 為落在感測器面積Ad 上的輻射照度(irradiance)Rv 一般為波長之函數當考慮波長因素時稱其為光譜響應度(spectral responsivity)又Rv 代表感測器的能量轉換效率其值愈高則輸出愈高

當感測器檢知物體的熱輻射後必須轉換成可讀取訊號進行後續處理處理的難易或快慢端賴此轉換訊號的好壞因此訊號的轉換特性是感測器性能的評估準則以下四個參數即為評估的要素

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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雜訊等效功率(noise equivalent power NEP)此參數的物理意義為感測器所能檢知的最小輻射功率亦即當感測器的輸出訊號等於其電壓雜訊Vn 或電流雜訊in (訊雜比等於1) 時所接收到的輻射功率即

感測器性能參數感測器性能參數 (II)(II)

感測器之雜訊有許多來源包括物理本質的材料的與製程產生的等等皆與頻率有關故通常以雜訊的功率頻譜(power spectrum) 表示

(SNR= Signal Noise)

響應度

(單位W)

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感測度(detectivity D)定義感測度D 為雜訊等效功率NEP 的倒數使其與感測器的性能成正比關係以符合一般習慣

感測器性能參數感測器性能參數 (III)(III)

歸一化感測度(normalized detectivity D)由於大多數感測器的雜訊電壓正比於感測器面積Ad 與電路頻寬Δf 的平方根因此可再定義一元件參數如下式

使得感測度無關於感測器面積與測試時的電路頻寬可用來比較不同元件材料於製作時之優值

1 v i

n n

R RDNEP V i

= = = (單位1W)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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紅外線熱型感測器紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類一般自然界物體所發出的熱輻射大都集中於紅外線區域(遠紅外區域(6ndash15 μm far infrared (FIR)近紅外(075ndash3 μm near IR (NIR)) 或中紅外(3ndash6 μm middle IR (MIR))這也是感測熱輻射的元件通常被稱為紅外線感測器的原因

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後經由光電轉換產生傳導電子或電洞(載子遷移)(光電效應)或同時產生電子-電洞對而引起電性的改變由於材料的能隙可決定光電效率因此其響應對波長有選擇性

熱型(thermal)(又可分成熱阻熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射產生元件的溫升因而引發感測材料物性改變並得以由儀器測量出訊號其響應與表面材料吸收輻射之效率有關與波長關係僅由此材料之特性決定若為黑體薄膜如金黑碳黑或石墨等則反應波長範圍十分廣且平坦與波長幾無關係

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光電效應光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最

低頻率(臨閾頻率)則金屬表面會

射出電子射出的電子數與光的強

度成正比但射出電子的能量與光

的強度無關當頻率低於臨閾值時

不論光多強都沒有電子射出

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫其兩支撐腳細且長可減少熱流經由支撐腳的固體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P0 與一調制頻率ω且造成的溫升為ΔT則由能量守恆原理吸收的能量等於內能的增加與熱散失量之和因此熱流方程式為

HG 與ε各代表檢知器的熱容熱導以及吸收率(absorptivity)

式中τ = HG為感測器的熱響應時間(thermal response time)或稱為熱時間常數(thermal time constant)

解得

內能增加 熱散失 入射吸收能量

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典型的單一熱阻型元件結構

熱阻熱阻((ThermoresistiveThermoresistive) ) 元件元件 原溫度為T0 的元件吸收紅外輻射後升溫造成原電阻R0 有一小變化dR電阻溫度 係 數 (temperature coefficient of resistance TCR) α可表示為

α為一正值簡稱PTCR (金屬材料)(溫度升高電阻增加導電率下降)α為一負值簡稱NTCR (半導體材料)(溫度升高電阻下降導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流ib輸出電壓可寫成Vs = ib ΔR= ib αRΔT因此響應度可表示為

TCR α的定義α= (R R ) T R是電阻的變化T 是溫度的變化R 是第一點之參考電阻值

(前頁Po代入)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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熱阻型元件常用的半導體製程材料熱阻型元件常用的半導體製程材料

熱阻型元件常用的半導體製程材料其熱導係數比熱與密度代入元件

每一層的結構尺寸加總後即可計算出支撐腳的總固體熱導與元件熱容

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白金感測元件的熱導與熱容計算白金感測元件的熱導與熱容計算

HG 各代表感測器的熱容熱導

G H

18

截面積 體積

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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-84-

電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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由以下的熱阻型元件響應度公式可以歸納出下面幾個元件設計重點(1) 低熱導與低熱容

(2) 高TCR 的材料(3) 高吸收率的表面鍍膜(4) 高固定偏流下操作(5) 高電阻值等

這五項其實都併隨著系統的考慮因素關係錯綜複雜如太高的阻值會造成電路的RC時間

常數增加高偏流或偏壓的操作將影響元件設計準則或增加消耗功率以及高TCR 材料的

雜訊可能亦高等在實際製作的可行性考慮下整體設計的理念應該是經由元件的熱感

測分析選擇適當的結構與材料設計低雜訊的讀取電路以達到所需的響應度與感測度

而在製程方面則須充分考慮高良率與標準CMOS IC 的相容性

由前頁表的數據可計算出支撐腳的總熱導達2336 times 10ndash7 WK若白金的TCR = 025degC表面鍍膜的吸收率為06元件電阻1 kW當定電流源為4 mA利用上式可算出於直

流下操作的響應度僅為2568 VW此響應度是否足夠要視目標的偵測需求與系統的其他

規格而定系統所收集的目標輻射功率必須大於檢知器的NEP並且根據既定的訊雜比

(SN) 來估算所需的輸出電壓

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(a) 焦電型元件感測原理(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射

變化時於外部電路會存在一暫態電流

焦電焦電((PyroelectricPyroelectric) ) 元件元件

(來自於空氣中)焦電材料會不斷產生電荷於晶體表面形成電偶極矩其具有一自發性極化強度引發內在電場效應

任何的溫度變化ΔT 皆能引起正離子的擾動而改變整體的極化強度此改變非常快速使得原先與其抵銷的表面電荷不及反應而重新出現一電場

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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焦電效應焦電效應 ((PyroelectricPyroelectric Effect)Effect)

圖A 焦電效應說明圖 圖B 焦電材料吸收熱源與產生訊號對應圖

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httpchemtfchiba-ujpgacb09kenkyukonnnapyropyro_Ehtml

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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(a) 熱電型元件感測原理(b) 熱電型元件的半導體製程結構

熱電熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件元件熱電元件主要是利用熱電效應連結兩種熱電功率不同的金屬材料在兩端點會產生電壓電壓大小正比於接點處溫度的高低且其值與材料有關

為了做室溫補償接點有兩個一個進行感測另一個遮蔽並製作於基板上當串連n個此種元件即構成熱電堆(thermopile)其輸出電壓將加倍即

s1 與s2 為兩材料的熱電係數

響應度

因

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典型的單一熱阻型元件結構(a) 單層(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板主要是利用矽微細加工

中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術分

別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋兩者各有其優缺點當單一元件面積小至60 times60 μm2為了提高填充比(fill factor)大都使用後者將多工掃描器的MOS開關製作於

感測元薄板下方

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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單一白金熱阻感測元件製作流程

LTO層保護白金

NiCr

Lift-off白金電阻形成蛇狀圖樣白金厚度可依所需阻值而改變

增加紅外輻射能量的吸收率

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白金感測元白金感測元IC IC 之之CMOS CMOS 相容整合製程相容整合製程對於紅外線面陣列感測元件(infrared focal plane array IRFPA)若將感測元與讀取電路IC 整合製作於同一晶片上不僅可減少雜訊亦省去接合與封裝的繁複程序性能與成本皆具優勢

長CMOS 標準製程的LOCOS (local oxidation of silicon) 與做為浮板用的氮化矽

形成氮化矽浮板圖樣長MOS 所需的薄氧化層

製作多晶矽閘並以離子佈植完成源極與汲極然後以BPSG 保護

打開接觸區連接金屬線再以氮化矽保護金屬

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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去除蝕刻窗處的氧化層與氮化矽進行白金電阻薄膜濺鍍

長氧化層保護白金電阻薄膜

鍍上黑體薄膜

打開蝕刻窗進行矽非等向性蝕刻

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白金感測元IC面陣列元件中單一像素的布局與實際製作完成的晶片多工器之MOS 開關設計於感測元旁單一像素尺寸為60 times 60 μm2

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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流量感測器流量感測器

熱式流量感測器熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature sensor) 所組成之感測器利用流體流動帶走加熱元件的熱量造成加熱

元件週遭溫度的改變或加熱功率的變化而可測量流體的流速或流量之

感測器依照感測器操作原理的不同熱式流量感測器可歸納有熱線熱膜型流速計 (hot wire hot film anemometer)熱量計型流量計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)

當熱線與氣流的溫度差固定時量測電功率的變化即可得知流體的流

速此種量測方式稱為定溫控制模式另一種量測方式則是控制電源功

率的提供經由量測溫度的改變將可測得流體的速度此種量測方式

稱為定電源控制模式

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當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對

流(force convection)的方式帶走

1 假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量

的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由

簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定電源控

制模式)

2 另一種操作模式則是控制加熱絲的供給熱量固定加熱絲與氣流之

溫度差則隨著流體流速的增加加熱功率也隨之提升再經由定

溫電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出(定溫控制模式)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

傳統熱線型流速計(hot wire anemometer)主要量測結構為一熱阻式加熱絲一般為白金熱阻絲尺寸約為直徑10 μm長1 mm當熱線型流速計置入流場中加熱絲的熱量將被流體以強制熱對流(force convection)的方式帶走假若加熱絲供給的熱量控制為固定時隨著流體流速與被帶走熱量的增加加熱絲的溫度將隨之下降再利用熱敏電阻的特性經由簡單的定電源電路的設計則可將流速轉換成電訊號輸出熱線型流速計就是利用熱線的熱量消逝速率(thermal energy dissipation rate) 與流體的流速成正相關而設計之流速感測器

Ts時之電阻溫度係數

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產品特色

1 耐溫100degC耐壓689 bar2 屋外耐候型NEMA4 (IP65) 3 可調整16種不同流速範圍0-125mps

至75mps (米秒) 4 4-20 mA電流輸出可有或無數字顯示

5 可偵測低流速

6 精準度+-3 FS(0-50 Deg C) +-4 FS(50-100 Deg C)

7 風速管可選購6121824吋長641系列數字型風速傳送器(熱線式)wwwsinomcomtwprodut_image641jpg

傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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傳統式熱線型流速計傳統式熱線型流速計

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Span (input)A dynamic range of stimuli (刺激) which may be converted by a sensor Also called input full scale (FS) It represents the highest possible input value which can be applied to the sensor without causing unacceptably large inaccuracy

For broad band and nonlinear response the dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels (分貝)

1

2log10PPdB = P power

1

2log20ssdB = s force current or voltage

for example P2P1=100 =gt 20dB s2s1=10 =gt 20 dB

Full scale output (FSO)The difference between the output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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AccuracyAccuracyA ratio of the highest deviation of a value represented by the sensor to the ideal value

It can be in terms of 1 Directly measured value (Δ)2 In of input span (full scale)3 In terms of output signal

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For example

FSOirFSO SSS )(100() minus=ε

Si ideal value Sr real value FSO full scale of output

The difference between Permissive limits and ideal transfer function plusmnΔThe difference between real and ideal functions plusmnδ

Accuracy is affected by part-to-part variation (Reproducibility)(零件變異) hysteresis (滯後現象) dead band calibration and repeatability errors Use worst-case analysis to determine the worst possible performance of the system (最劣狀況值分析)

To reduce the error from part-to-part variation a multiple-point calibration is required as shown in the right hand side figure of previouspage Thus the permissive limits become narrower

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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利用微機電系統技術可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上而製作成熱線熱膜型流速計加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件一般常用白金作為加熱絲與熱敏電阻當然如前一節熱感測器的介紹溫度量測有多種方法如熱阻式(thermoresistive) 熱 電 偶 式 (thermocouple) 熱 電 堆 式 (thermopiles) 熱 電力式(thermalelectric)熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等皆可應於熱式微型流量計的溫度感測

微型熱線型流速計微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題微型熱線流速計必須注意到熱散失問題helliphellip

方法一

加熱電極和支撐的基座之間設計絕熱層減少熱傳導發生

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支撐基材經熱傳導而流失基材的熱容與熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間進而影響流速量測的反應時間 (response time) 及量測的靈敏度因此設計微型熱線流速計必須注意到熱傳問題

多孔矽(porous silicon)氧化成30 μm 厚度的SiO2

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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方法三將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面hellip並整合微流道

方法二加熱電極製作於懸浮薄膜上hellip並製作真空腔

真空腔提供了非常良好的熱絕緣進而大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度

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熱量計型微流量計熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元而其中一個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)當欲測物質接觸感測器時由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出造成其中一個溫度單元溫度升高經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產出此即為熱量計感測器

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器則稱為熱量計型流量計圖 (a) 為傳統熱量計型流量計設計示意圖微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及一組加熱電阻絲加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體當流體靜止時加熱電組絲兩側的溫度成對稱分布如圖 (b)當流體流動時則溫度分布將隨流速的不同而改變因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較則可以得到一溫度差與流量關係圖而構成一流量感測器

靜止

高流速

低流速

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微型質流量感測器微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布再藉由溫度分布的量測則可得到流體的速度而熱經由熱擴散至流體其擴散能力又和流體的熱容(heat capacity mCp) 及熱擴散係數成一正相關其中熱容又與流體的質量相關因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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傳統兩線式熱量計型流量計之設計兩組加熱電阻絲同時做為溫度感測之用

微機電技術所設計製造之兩線式熱量計型流量感測器

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Honeywell Honeywell 公司開發公司開發之微型流量計之微型流量計

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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隨著流速的增加輸出電壓(相當於加熱絲上下游溫度差) 一開始和流速呈現正相關的關係到了一臨界速度點後流速的增加反而降低了輸出電壓(加熱絲提供的熱量將來不及擴散至微管道中)因此一般使用熱量計型微流量計或質量流量計時皆操作於微管道內且低流量的使用環境不同於熱線型流速感測器可直接應用於外流場與高速流場熱量計型微流量感測器常需要搭配旁通管路(bypass) 的設計以放大速度量測範圍

微型質流量感測器使用上需注意事項微型質流量感測器使用上需注意事項

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熱脈衝型流量計熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖熱脈衝溫度分布與時間關係圖

利用熱脈衝(heat pulse) 隨流體的傳遞量測熱脈衝行進的速度(LΔt)則可計算流體的速度此種流體感測器的設計必須確定熱脈衝行進的速度是取決於流體的行進速度而不是熱擴散速度因此量測距離與熱擴散速率的不同將影響速度量測範圍

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長流速太慢或熱擴散速度太大時將造成感測不到訊號(如前頁圖t3 之訊號)為了解決此一問題因此多數的熱脈衝型流量計會於加熱器下游不同距離處設計多個溫度感測器

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點但也由於多個訊號的同時監控或輪流監控造成時序控制邏輯電路的設計不易另外靜止流場與流場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難

多線式熱脈衝型流量計多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出然而在某些特殊流場熱式流量計並不適用尤其與生物相關之流體由於熱的產生會破壞生物流體的生化特性因此熱式微型流量感測器並不適用

非熱式流量感測器非熱式流量感測器

Pyrex平板

Pyrex平板

感測晶片

流阻式微型液體流量計流阻式微型液體流量計利用流體對懸臂樑(cantilever)的阻力(drag force) 造成懸臂樑彎曲再經由壓阻式應變計(piezo resistor strain gauge) 的量測可得到對應的流量值

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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-87-

麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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昆蟲毛髮風速計昆蟲毛髮風速計利用人造毛髮因氣體流過而施力於毛髮的支撐基座同樣經由應變計的量測可以測出風的速度與方向

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壓力式微型流量計壓力式微型流量計

孔口板式微型流量孔口板式微型流量

當流體流過孔口板當流體流過孔口板(orifice)(orifice)時時流體因突張而有一極劇的壓力流體因突張而有一極劇的壓力下 降 孔 口 板 的 膜 片下 降 孔 口 板 的 膜 片(diaphragm) (diaphragm) 因上下游的壓力因上下游的壓力差而變形最後再經由壓阻式差而變形最後再經由壓阻式應變計量測膜片的形變可量應變計量測膜片的形變可量出對應的流量出對應的流量

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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皮托管(Pitot tube) 為大尺度流場常用的簡易型流速計利用全壓(total pressure) 和靜壓(static pressure) 的量測可推算出流體的流速

流體由晶片的側方流入形成全壓推動晶片下方的膜片晶片的外側則受到流體靜壓的推擠膜片最後會因流體動壓( ρV22) 與膜片形變阻力的平衡而達到一個力平衡點最後經由電容式感測電極量測膜片位移量則電容值與流速可得到一關係式因此可做為流速量測

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壓差式微型流量感測器壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生因此經由流道中壓力差的量測則可量出流量上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流量感測器而其壓力的量測則是採用電容式壓力計

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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Microphones (Microphones (微型麥克風微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器包含麥克風及揚聲器其中麥克風主要是作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音之轉換器

微機電麥克風特性及可能應用

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麥克風之頻寬及動態響應範圍必須接近人耳人耳所能感知的音波

其頻率約在20 Hz 至20 kHz 之間即所謂的聲音頻率超過此範圍

的音波稱為超音波人類可聽到的聲壓程度可描述如下頁圖所示

其中下曲線為人類聽力的極限值(threshold of audibility)亦即人類

無法聽見在此之下的聲壓由圖中可知此極限值依頻率不同會有

極大不同當聲音是幾kHz 時人耳是最敏感的而聲音在此範圍

之外時靈敏度逐漸下降除此之外聲壓太大亦會造成人體生理

上不舒服通常造成此種不舒服聲壓的最小值稱為苦痛極限

(threshold of pain)而通常我們說話及音樂的範圍便是落在此一極

限值之內另外可從圖上發現音樂的頻率及大小範圍皆比言語的範

圍要大

人類聽覺的生理特性人類聽覺的生理特性

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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人類聽覺區人類聽覺區

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為了解決聲音大小差異過大問題及配合人類耳朵感受特性一般將聲

壓以相對的物理量音壓位準(sound pressure level SPL) 定義其定義

為

其中Prms 為微小的壓力變化的均方根值在空氣傳播的參考值為Pref

= 2 times 10ndash5 Pa (此值為人聽力極限)因為聲音通常包括不同頻率的波

而非一完美的正弦波形故使用均方根值來描述其振幅

音壓位準音壓位準(sound pressure level SPL)(sound pressure level SPL)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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一般常見聲音來源的音壓位準大小一般常見聲音來源的音壓位準大小

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評鑑麥克風性能的幾個重要指標評鑑麥克風性能的幾個重要指標

(1)靈敏度(M) 感測器對所要感測的物理量敏感的程度對麥克風而言靈敏度單位為mVPa表示在受到1 Pa 音壓時所能產生之電壓訊號輸出

其中U 表示輸出電壓P 為輸入聲壓

(2) 線性響應頻率

在某一頻率範圍內理想麥克風的頻率響應為線性線性響應的低頻限與高頻限間為麥克風適合操作的頻域超出此頻域後麥克風的輸出會有失真(distortion) 的現象

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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(3) 自生雜訊及等效雜訊位準

即使在絕對安靜的環境中聲音感測器也會產生輸出此即自生雜訊(self-noise)此雜訊來自電阻等熱振動及前級放大器等內部干擾一般而言前級放大器雜訊為主要自生雜訊來源如果要偵測一聲音源則其能量必須大於背景的自生雜訊能量此時通常以等效雜訊位準(equivalent noise level ENL) 來表示此種能量

其中Unoise 是麥克風及前級放大器之雜訊輸出M 是麥克風靈敏度而Pref = 20 μPa一般低頻下限通常由等效雜訊位準來決定上限則決定於非線性失真

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(4) 訊雜比

由於整合IC 製程麥克風(如壓電或電容式) 都是高輸出阻抗需要一匹配的前級放大器才能得到低阻抗的輸出但是前級放大器也會產生雜訊若是訊雜比太小則雜訊亦隨著放大器而放大即使得到很大的訊號輸出亦無價值故感測器設計應儘量使其能有高訊雜比一般雜訊來自熱擾動(thermal agitation) 及前級放大器其中放大器的雜訊通常較大尤其在1 kHz 頻率以下時只有當聲音的訊號大於等效雜訊位準時才能被偵測到訊雜比則定義為

單位為dB其中U (1 kHz94 dB) 是麥克風在頻率f =1 kHz音壓位準Lp= 94 dB 之平面諧波(harmonic plane wave) 作用下所產生之輸出電壓

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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(5) 操作最大音壓

麥克風的薄膜受到太大音壓之後會使材料的應力與應變關係進入非線性範圍因此會發生非線性響應超出最大壓力後甚至會破壞麥克風薄膜使麥克風失效

(6) 方向性

因聲波有反射和繞射等現象麥克風對不同入射角度的聲波響應程度有所不同此特性不僅與麥克風的型式有關麥克風封裝的外形也會對方向性有影響理想中的麥克風封裝大小必須小於聲波波長(最好小於波長的十分之一)如下頁圖所示則麥克風的輸出較不受音源方向的影響

根據上述的評鑑指標一般助聽器的規格為大於10-15 mVPa 的靈敏度最大可量測之聲壓在105 dB同時可容許之失真為05線性響應範圍為100 Hz-10 kHz必須維持在3 dB 變異範圍內等效雜訊位準不可超過22 dB

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麥克風的輸出與封裝大小及音源方向的關係

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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壓阻式麥克風壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓阻式微壓力感測器

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風其大小為1times 1 mm2times 1 mm靈敏度為25 μVPa可操作頻率於100 Hz－5 kHz等效雜訊位準為60 dB其最大優點為製作簡單且輸出為低阻抗但輸出低雜訊大如要提高輸出則需耗費相當能源

早期電話中多採用石墨填充之麥克風當隔膜受到聲壓影響時石墨密度隨之改變(阻抗改變) 而使得輸出隨之改變這是最早的壓阻式產品此種方式雖然易於製造但是呈現高度非線性且等效雜訊位準相當大已逐漸被淘汰

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(b) Converse piezoelectric effect(b) Converse piezoelectric effect( Electric field ( Electric field rarrrarr Deformation )Deformation )

(a) Direct piezoelectric effect(a) Direct piezoelectric effect( Stress ( Stress rarrrarr Electric charge )Electric charge )

Piezoelectric effectPiezoelectric effect

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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壓電式麥克風壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導機構將隔膜上之振動傳導至壓電板上或利用壓電高分子材料同時作為隔膜及壓電轉換材料

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊位準相當高(比電容式麥克風)且通常必須搭配前級放大器以減少等效雜訊位準及輸出阻抗

傳統典型之壓電式麥克風

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1983 年Royer 等人利用3 μm 厚氧化鋅(ZnO) 在直徑3 mm厚30 μm 的隔膜上製出第一個微機電麥克風其零敏度為025 mVPa操作頻率可達10 kHz但是等效雜訊位準高達66 dB

(3μm)

(30μm)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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-108-

(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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矽壓電式聲音傳感器矽壓電式聲音傳感器

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ParyleneParylene ((壓電高分子材料壓電高分子材料))麥克風麥克風

ParyleneParylene 揚聲器與其輸出訊號揚聲器與其輸出訊號

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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-84-

電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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-92-

助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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-99-

高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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-100-

WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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-102-

(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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-104-

Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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-108-

(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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電容式麥克風的基本結構電容式麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體其中一平行板即為感測隔膜而另一隔膜(通常稱為背板(back plate)) 通常固定住當聲壓影響隔膜時其輸出電容隨之改變在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道以避免隔膜兩面形成靜態壓力造成隔膜承受過大壓力而破掉此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態除此在背板下方通常預留背室(back chamber)以形成Helmholtz (赫姆霍茲)共振腔此共振腔可以用來調整聲音阻抗及頻率響應此種方式可以提供相當高的靈敏度較低的雜訊相當平的頻率響應低失真且對於環境影響較不敏感

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-84-

電容式麥克風電容式麥克風

為了求取其電容值C我們必須提供其電荷量Q0然後量測所導致的電壓U = Q0C依照電荷提供的方式電容式麥克風又可分為凝縮式(condenser) 及駐極體式(electret) 兩種凝縮式麥克風的極化電壓是利用外接之電壓源加上一電阻提供此電阻通常不會太小以提供較大的時間常數駐極體式麥克風的極化電壓則是由內部具有永久性電荷之材料層所提供此種材料稱為駐極體材料目前電容式麥克風可說是微細加工之麥克風中最成功的產品

凝縮式麥克風及其搭配電路

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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-113-

Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-115-

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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-131-

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-132-

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-133-

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-134-

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-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-136-

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-85-駐極體式麥克風及其搭配電路

駐極體材料是指一種可以永久維持電極化的介電材料其具有永久性電偶極(dipole) 排列當在一面平行板加上電極後介電材料中所捕捉之電荷將可提供靜電場如下圖所示傳統上使用的駐極體材料為稱為鐵氟龍(Teflon) 的PTFE 或FEP屬於聚合物薄膜鐵氟龍具有良好長期穩定性但對溫度之抵抗力相當差然而此種有機駐極體式材料仍為駐極體式麥克風主流主要因為無機材料無法提供良好長期穩定性

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-86-

微細加工凝縮式麥克風微細加工凝縮式麥克風

微細加工方式製作之凝縮式麥克風皆使用兩片晶片其中一片用來製作隔膜另一片則用來製作背板再以鍵合方式接合起來由於中間空隙大為縮小其流體流動抗力將遠比傳統式為大可藉著開孔密度及大小來調整其抗力上圖所示為Bergqvist 等人於1990 年發表的凝縮式麥克風其大小為2times2 mm2 times 5-8 μm靈敏度可達14 mVPa操作頻率可達16 kHz等效雜訊位準只有315 dB其電容約為35 pF

由於微細加工可以提供非常小之間隙所以比起傳統式麥克風電容值會較高因此也造成搭配之前級放大器雜訊非常低相對寄生電容效應亦較低但是此小間隙也使其易受灰塵等影響

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-87-

麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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-88-

對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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-89-

加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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-90-

貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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-91-

揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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-92-

助聽器揚聲器之需求

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-93-

電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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-94-

丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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-95-

麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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-96-

- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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-97-

MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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-98-

1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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-99-

高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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-100-

WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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-101-

MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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-102-

(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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-104-

Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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-106-

Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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-107-

Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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-108-

(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-110-

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

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(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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麥克風大小2 times 2 mm2其中隔膜直徑為08 mm製程整合包含標準低電壓CMOS 製程犧牲層材料為鋁最後再以體型微加工製作背室目前性能方面1 kHz 的靈敏度可達10 mVPa操作頻率從100 Hz 到50 kHz等雜訊位準35 dB

(a) Emkay 凝縮式麥克風(b) 其頻率響

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對以矽基材製作之微加工駐極體式麥克風而言亦有無機及有機駐極體材料兩種研發路線無機材料通常使用SiO2 或Si3N4 等薄膜材料此種方式最大好處為與一般IC 製程相容可忍受高溫具有良好之電機及機械特性但長期穩定性尚待驗證目前尚未有可商業化的產品有機材料中最常用的當屬鐵氟龍但是在矽基材上普遍表現出低附著性不容易達到小於1 μm 的厚度且不容易以標準微影製程完成所需圖案但卻具有良好的電荷儲存特性如前所述由於等效之高電壓使得其間隙不用太小(通常靜電吸引力決定其下限而電荷容量決定其上限)此也使得駐極體式麥克風較不受灰塵等影響目前報導微機電製作之駐極體式麥克風平均之開路靈敏度(Soc) 約為02-25 mVPa

微細加工駐極體式麥克風微細加工駐極體式麥克風

加州理工學院駐極體式麥克風

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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加州理工學院駐極體式麥克風製程

大小為8 times 8 mm2性能方面靈敏度可達45 mVPa操作頻率從100Hz 到10 kHz動態範圍為30－110 dB其製程相當簡單主要難度在掌握鐵氟龍植入電荷之能力及隔膜應力之控制

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念利用面型微加工方式製作金字塔式立體結構以模擬蒼蠅的收音構造如圖 (a) 所示一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處但是由於犧牲層製作之極限造成間隙過小而阻尼變大之缺點而具有此種結構將可克服上述缺點此麥克風大小為300 times 300 μm2可以忍受超過1000 g 的力量其頻率響應亦相當不錯如圖 (b) 所示可以達到50 mVPa 以上表現非常突出

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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-92-

助聽器揚聲器之需求

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-93-

電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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-94-

丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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-95-

麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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-96-

- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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-97-

MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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-98-

1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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-99-

高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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-100-

WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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-101-

MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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-102-

(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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-104-

Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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-106-

Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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-107-

Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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-108-

(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-110-

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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-113-

Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-115-

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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-131-

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-133-

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-134-

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-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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揚聲器揚聲器(Loudspeaker)(Loudspeaker)

揚聲器是日常生活中最常見的傳感器揚聲器微小化的需求來自手機通訊系統縮小的趨勢揚聲器的目的是將電的能量轉換成聲音的能量微小化對於驅動音頻訊號(人可聽頻率範圍20 Hz－20 kHz) 相當具有挑戰性因為系統微小化伴隨著可運動振幅變小而空氣音阻 (radiation impedance) 與頻率成正比低頻訊號不容易傳送到空氣中因此微揚聲器只適合於耳機(earphone) 的應用微揚聲器的高附加價值應用是助聽器市場目前助聽器製造商正積極研發微機電技術來製作揚聲器以真正整合成單一助聽器其需求參見下表所示設計時必須考慮揚聲器及耳道的體積但是計算耳內容積及所需推動之隔膜振幅目前可能仍以電磁式驅動方式較佳但是如果採取外加電磁勢必體積將無法縮小且無法有效利用批次生產方式來降低成本目前所發表的研究論文相當少主要原因包含有傳統電磁感應結構不易用平面微加工方式製作且許多電磁薄膜新材料及特性都在研究中離實際應用尚有段距離

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助聽器揚聲器之需求

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電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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-131-

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-132-

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-133-

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-134-

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-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-136-

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-93-

電磁式微揚聲器電磁式微揚聲器

Cheng 提出一矽微加工電磁式揚聲器利用彈性聚亞醯胺作為聲音產生源通入電流時勞倫玆力會帶動面板產生位移進而壓縮耳道空氣產生聲壓其工作電壓15 V在體積2 cm3 腔體測試可得聲壓達95 dB (相對於20mPa)

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-94-

丹麥的Microtronic AS 公司其嘗試採取軟磁性材料FeSi (鐵磁材料ferromagnetic) 作為晶圓基材在其上製作出所需之驅動結構多層感應平面線圈及隔離塊等

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-95-

麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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-96-

- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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-97-

MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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-98-

1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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-99-

高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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-100-

WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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-101-

MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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-102-

(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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-104-

Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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-107-

Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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-108-

(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-110-

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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-113-

Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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麥克風與揚聲器單元結語麥克風與揚聲器單元結語

過去麥克風製作多由機械出身的人員從事但需要聲學(振動)背景的人員後來由於需放大器及與電子系統整合等需求電子相關人員逐漸進入形成所謂電聲產品但是展望未來藉由微機電技術之引入勢必有另一波之革命未來的聲音傳感器將是什麼型態及其帶來之影響皆有待觀察但是其研發與製造所需人才及背景勢必將越來越多樣化除了傳統機械電機人員以後勢必要有IC 設計微機電設計與製程無線通訊甚至生物背景人員參與未來研發與製造將由以往傳統科技跳躍至高科技

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- 加速度計的原理

自由振動(free vibration)運動方程式

微型加速度計微型加速度計Micromachined Inertial Sensors

( ) ( ) 0

( ) 0

mx c x y k x ySet z y xm y z cz kzmz cz kz my maa y the acceleration to be measured

+ minus + minus == minusminus minus minus =+ + = =

=

Refer to ldquoMicromachined Inertial Sensorsrdquo Proceedings of the IEEE Vol 86 No 8 August 1998 pp 1640-1659

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-97-

MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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-98-

1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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-99-

高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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-100-

WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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-101-

MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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-102-

(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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-104-

Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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-106-

Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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-107-

Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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-108-

(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-110-

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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-113-

Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-115-

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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-131-

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-133-

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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MEMSMEMS機械式微陀螺儀機械式微陀螺儀((量測科氏加速度改變量測科氏加速度改變))

p++p++p++

PECVDNitride layer

Si-substrate

RIEDeep

trenches

LPCVDPoly layer

LPCVDsacrificial oxide

EDP etch pitSacrifical

oxide

CrAu

Sense padSense electrode

Polysiliconspring

PolysiliconPolysilicon Ring GyroscopeRing GyroscopeSource F Ayazi et al IEEE-MEMSprime98 (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter 3μm wide and 35μm tall

All vibratory gyroscopes are based on the transfer of energy between two vibration modes of a structure caused by Coriolis acceleration

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1 姿勢輸入取代遊戲機的開關按鈕滾輪搖桿hellip等搖控產品

2 影像穩定用於攝錄影機數位相機hellip等產品(防手震)3 顯示器定位用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)4 硬碟磁頭損毀保護用於具硬碟裝置的電子產品

5 導航用於GPS電子羅盤hellip等產品(早期應用於導彈控制機器人無人飛機等軍事用途)

6 生物監測用於計步器血壓監測器hellip等醫療運動產品

7 振動感測用於汽車安全氣囊感測器傾斜感測器以及防鎖死系統hellip等汽車安全監控洗衣(碗)機或烘衣(碗)機hellip等家用產品

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

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高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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-100-

WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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-101-

MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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-102-

(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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-104-

Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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-106-

Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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-107-

Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

台灣師範大學機電科技學系

C R Yang NTNU MT

-131-

台灣師範大學機電科技學系

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-132-

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-133-

台灣師範大學機電科技學系

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-134-

台灣師範大學機電科技學系

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-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

台灣師範大學機電科技學系

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-136-

台灣師範大學機電科技學系

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-99-

高階數位相機中鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震效果較光學式防手震為佳

如果沒有MEMSiPhone螢幕就無法垂直旋轉成水平顯示

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-100-

WiiWii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

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-101-

MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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-102-

(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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-104-

Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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-106-

Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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-107-

Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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-108-

(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-110-

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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-113-

Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-115-

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

台灣師範大學機電科技學系

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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-131-

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-132-

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-133-

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-136-

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-101-

MEMS 3MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片WiiWii利用加速度當作輸入方式利用加速度當作輸入方式((多軸動作感應技術多軸動作感應技術))

原相科技任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

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-102-

(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations Made by silicon wafer and 7740pyrex glass Size 2times3times06 mm Detection accelerometer down to 0001g full scale plusmn200g sensitivity of 50 μV(gVsupply) off axis sensitivity 10 piezoresistiveeffect temp coefficient of ndash02 to -03degC resonant frequency of 2330 Hz

StrainStrain--gauge Accelerometersgauge Accelerometers

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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-104-

Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-115-

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

台灣師範大學機電科技學系

C R Yang NTNU MT

-131-

台灣師範大學機電科技學系

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-132-

台灣師範大學機電科技學系

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-133-

台灣師範大學機電科技學系

C R Yang NTNU MT

-134-

台灣師範大學機電科技學系

C R Yang NTNU MT

-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-136-

台灣師範大學機電科技學系

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

台灣師範大學機電科技學系

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-103-

(b) Silicon fusion bonding design for overrange and damping optimized strain-gauge positioning self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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-104-

Piezoelectric AccelerometerPiezoelectric Accelerometer

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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-106-

Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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-107-

Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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-108-

(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-110-

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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-113-

Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-115-

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

台灣師範大學機電科技學系

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-105-

ADXL-50 (Analog Devices Inc Norweed MA for air bag application)a Surface micromachined BiMOS signal processing circuit integrated electrostatic force

balancedb Chip size 3times3mm 06mm2 for sensors response to 10kHz 66mg mechanical resonance

~24 kHz Q of 3-4 applied signal 1 MHz 02 and 34 V for each electrode

Force balanced accelerometerForce balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc)Accelerometer Chip (ADI Inc)

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Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

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(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

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HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

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生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-107-

Open loop sensor (Silicon Designs Inc WA)

a Nonlinear response electroplated asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration

b Sensing element 1times06mmtimes5μm thick 150 fF sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device 8 μm wide 100 μm long and 5 μm thick)

Capacitive AccelerometerCapacitive Accelerometer

Note single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate

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-108-

(IMM Germany)

LIGA process

Capacitive accelerometerCapacitive accelerometer

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-110-

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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-113-

Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-115-

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

台灣師範大學機電科技學系

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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-131-

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-132-

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-133-

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-134-

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-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-136-

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-109-

a Sensing subnanometer level Very nonlinear Require close loop control Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current

b Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c Potential for long term drift Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise

Tunneling Accelerometers

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-110-

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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-112-

Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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-113-

Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-115-

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

台灣師範大學機電科技學系

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-111-

低交互靈敏度

- 有一個與感測方向剛體模態類似的彈性模態- 此彈性模態具有最低的固有頻率- 第二模態固有頻率遠較第一模態固有頻率為高- 信號拾取裝置對高頻模態變形不靈敏

高線性度

- 避免二次效應

加速度計機械設計應注意的一些原則加速度計機械設計應注意的一些原則

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Biosensors (Biosensors (生物感測器生物感測器))

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Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

台灣師範大學機電科技學系

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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-131-

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-132-

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-133-

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-134-

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-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

台灣師範大學機電科技學系

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-136-

台灣師範大學機電科技學系

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

台灣師範大學機電科技學系

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-113-

Basic Types of Bio SensorsBasic Types of Bio Sensors

Four possible modes of physically coupling the biomolecules to the basic sensor

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-114-

雷利波之質點位移示意圖雷利波之質點位移示意圖

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-115-

台灣師範大學機電科技學系

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-116-

Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

台灣師範大學機電科技學系

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-117-

雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

台灣師範大學機電科技學系

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

台灣師範大學機電科技學系

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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-121-

台灣師範大學機電科技學系

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

台灣師範大學機電科技學系

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

台灣師範大學機電科技學系

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

台灣師範大學機電科技學系

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

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container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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Resonant sensorsResonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)(表面聲波) (聲波平板式 )(厚度剪切模態)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

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container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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雷利波感測元件之質量靈敏度Sm以下式表示

(cm2g)

其中為K(σ)與蒲松比(Poisson ratio)有關之係數典型 σ是基板的密度 λ為波長

( )λρσ

KSm minus=

( ) 2K1 ltσlt

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-118-

(a)雷利波有垂直方向之位移會因液體的阻尼效應使聲波能量有巨大的損失

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移能減少聲波能量的損失

(a)

(b)

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-119-

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

台灣師範大學機電科技學系

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-121-

台灣師範大學機電科技學系

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-122-

(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

台灣師範大學機電科技學系

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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-125-

(拉福波(Love wave)感測器 )

台灣師範大學機電科技學系

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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-131-

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-132-

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-133-

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-134-

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-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-136-

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-120-

(彎曲平板波)

彎曲平板波元件應用於氣體辨識

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(聲波平板式 )

(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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-123-

(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

Baer et al IEEE Ultrasonics symposium 1 293-298 1992

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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-126-

拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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(a)微組織癒合度感測器封裝完成圖(b)相位與組織細胞增生時間的關係圖

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(表面橫向波)

(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

能陷柵欄(energy trapping grating)結構

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-124-

The attenuation due to the gasket alone is about 7dBAlcohol has high dielectric dissipation factor at those frequencies

rarr Sensitivity is not improved easily

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

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Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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(表面飛掠塊體波 )不同老鼠IgG稀釋濃度之頻率響應圖

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

台灣師範大學機電科技學系

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-127-

壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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-128-

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-129-

(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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-130-

(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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-131-

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-132-

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-133-

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-134-

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-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-136-

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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(拉福波(Love wave)感測器 )

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拉福波存在條件必須滿足下式Vs2lt Vs1其中Vs1為壓電基板的剪向聲波速度(shear acoustic velocity)Vs2為波導層的剪向聲波速度

若要提升拉福波元件的質量靈敏度波導層需具備下列條件之一(1) 低剪向聲波速度(2) 低密度(3) 好的彈性性質(有較低的聲波吸收)

常見的波導層材料為聚 甲 基 丙 烯 酸 酯(polymethylmethacrylate PMMA)和二氧化矽PMMA密度約為118 kgm3剪向聲波速度為1100 ms而濺

鍍之二氧化矽密度約為23 kgm3剪向聲波速度為2850 ms一般而言高

分子(polymer)類之材料大多具有較低的剪向聲波速度和密度PMMA即屬

於高分子材料具有較低的剪向聲波速度密度但PMMA作為波導層之

質量靈敏度普遍比二氧化矽差這是因為二氧化矽有較小之聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)若以PMMA及二氧化矽雙層波導層可提升其質量靈

敏度比覆蓋單層PMMA或二氧化矽的質量靈敏度還高

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

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Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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壓電材料種類與特性參數表壓電材料種類與特性參數表

--183610600IDTLiTaO3diamond

--259011900IDTLiNbO3diamond

--01410000SiO2IDT ZnO diamond

--0059000SiO2ZnOIDTdiamond

--301111600IDT ZnO diamond

--301510500ZnOIDTdiamond

--35505500ZnOsapphire

4435072325477degY Z LiTaO3

5075533992128degY Z LiTaO3

4694453488Y Z LiNbO3

05500113158ST-cut quartz

Capacitance per unit length of finger pairs ( pFcm)

TCF(ppmdegC)

K2 ()Velocity(ms)

Piezoelectric material

一般在選擇壓電塊材或壓電薄膜必須考慮聲波傳遞速度機電耦合係數(electromechanical coupling factor K2)及頻率溫度係數 (temperature coefficient of frequency TCF)等因素

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

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Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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(a) 表面聲波波長

表面聲波感測器的中心頻率取決於指叉狀電極電極寬度及表面聲波速度中心頻率f可由下式表示V = ftimesλ其中λ為表面聲波波長 V為表面聲波速度f 為中心頻率

一般設計λ =4d (d為電極寬度) 決定了壓電材料及中心頻率後即決定了V和f則可由換算得知指叉狀電極的寬度

(b) 指叉狀電極對數

會影響輸入端激發或輸出端接收的能力若使用低機電耦合係數壓電材料要提升激發與接收表面聲波之能力可以增加指叉狀電極對數來降低元件之插入損失但是會使元件體積變大

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(c) 聲波孔徑

聲波孔徑W即指叉狀電極重疊長度會影響元件輸出時信號振幅的大小重疊長度愈長其振幅愈大可降低插入損失但輻射電導(radiation conductance)也會愈大反之重疊長度愈短其振幅愈小插入損失大嚴重時會造成訊號量不出來一般而言聲波孔徑在30λ~ 100 λ之間

(d) 聲波傳遞距離

聲波傳遞距離與聲波的相位有密切之關係距離太遠會造成訊號插入損失大而距離太近會造成電磁饋通(electromagnetic feedthrough)

(e) 金屬厚度

指叉狀電極金屬本身之重量會降低表面聲波的波傳速度進而使所設計之中心頻率產生偏移為了降低其影響通常會選擇密度小低電阻之鋁作為指叉狀電極材料一般鋁金屬之厚度約為500 Aring ~ 2500 Aring當金屬膜厚比hλ (film thickness ratio)ltlt 1 則鋁產生質量負載效應之影響可以忽略其中h為金屬厚度 λ為表面聲波波長

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Computer Frequency counter

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生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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金屬氧化半導體場效電晶體

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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layer

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生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

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-137-

Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

台灣師範大學機電科技學系

C R Yang NTNU MT

-138-

Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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-139-

ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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-140-

ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

S D

Gate

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-141-

Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

台灣師範大學機電科技學系

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-142-

SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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-143-

表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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-133-

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-134-

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-135-

Computer Frequency counter

Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

Remnants

Flow cellBuffer

container

生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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-136-

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

Calorimeters

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

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Gate

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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Inlet OutletSample loop

Rotaryvalve

Injectionsyringe

HPLC pump

Amplifier

Love mode sensorSensitive

layer

Remnants

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Flow cellBuffer

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生化感測量測系統示意圖生化感測量測系統示意圖

HPLC高效液相層析儀High-performance Liquid Chromatography

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

Electrochemiluminescence (ECL)(電化學發光) when electrical current is passed through an appropriate mixture of compounds light is emitted at an amplitude related to the concentration of a luminescence (發光) cell for the detection of fluorescently (螢光) labeled samples

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

Metal-Oxide-Silicon Field Effect TransistorMOSFET

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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Optical detection sensorsOptical detection sensors

Optical diffraction antibody-antigen binding area shows diffraction grating Using latex (乳液) or colloidal (膠狀物) goldto increase the effective size of the bound analyte (分析物) to amplify signal

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Fiber optical biosensorsFiber optical biosensors

The fluorescence (螢光) resulting from sample excitation by the evanescent wave (衰減波 ) generated in the near-field region of the fiber-core surface is detected by a photomultiplier tube (光電倍增管 ) placed perpendicularly to the fiber wall axis This allows the fluorescence signal to be collected more efficiently

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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ThermalThermal--detection biosensorsdetection biosensors

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ISFET biosensors (ISFET biosensors (CHEMFETsCHEMFETs))ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)離子感測式場效電晶體

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Hybrid Biosensors Hybrid Biosensors Neurons coupling to open gate

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SPR (Surface Plasmon Resonance)SPR (Surface Plasmon Resonance)

SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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SPR生物感測器因具有無須標記高速化專一性靈敏度以及可大量平行篩檢等優點故可以即時動態地研究在表面之生物分子間交互作用（bio-molecular interaction analysis BIA）其應用範圍包括化學氣體檢測廢水溶液污染監控免疫醫學疾病篩選等研究

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表面電漿子共振原理吸附在金膜表面的化合物有其特徵的共振角只有在此共振角之下入射光全部沿金屬表面進行反射光消失

SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

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表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)

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SPR乃偵測照射在金屬薄膜隨著入射角改變的反射強度在一特定的入射共振角之下誘發金屬表面的自由電子共振使入射光全由金屬表面行進全反射減少到最低

金屬薄膜一般為厚度僅50 nm的金或銀共振角和吸附在金屬表面物質的折射係數有一定的關係其靈敏度可偵測低於單層分子的吸附

表面電漿子共振表面電漿子共振(surface (surface plasmonplasmon resonance SPR)resonance SPR)