2015/09 MEMS 時代來臨,宇田正式加入微感測器與制動器產學聯盟

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微機電系統簡介 (於 Oct. 10, 2013)

 

方維倫、李昇憲、陳榮順

 
國立清華大學動力機械工程學系及奈微所
 
MEMS 時代
 
近半個世紀以來,微電子從粗糙的單一電晶體到集有數千萬顆電晶體的微電腦晶片,人類已經享受到它所帶給我們的方便與樂趣。1956 年 Shockley 以電晶體的發明獲得諾貝爾物理獎,也為微電子技術的重要性揭開序幕,2000 年 Kilby 進一步以積體電路的發明獲得諾貝爾物理獎,更說明電晶體和積體電路不僅是一項技術的創舉,更衍生了後續人們溝通方式及生活文明革命性的改變。
 
如今,微電子產品幾乎無孔不入地滲透到生活的每一個層面,而這不過是把電子元件這一部份縮小而已。如果進一步將機械與光學等元件縮小,將為我們的生活帶來另一波的衝擊。微機電系統(MEMS)科技就是這種能縮小機械、光學等元件,以及感受聲、光、電、磁、味、冷、熱以及運動的系統科技。從另一個角度來看,若把具備計算和記憶功能的電腦類比於腦部,則微機電系統可視為感受與發出各類信息的眼、耳、鼻、舌與四肢,亦將是智慧型產品的關鍵技術。近年來以微機電系統為核心技術的微感測器,如慣性感測器、磁力計、麥克風、濕度計、壓力計等元件,已大幅應用於 Wii、智慧型裝置、手機、鐘錶等手持式與消費性電子產品。可預見未來將有更多內建微系統的產品,走入多功能、智慧、穿戴、與節能的生活中。
 
這就是 MEMS 技術
 
微機械製造(Micromachining)技術是利用半導體的製程來製造可運動或形變的微小機械元件,這些元件的尺寸甚至可小於微米(百萬分之一公尺)。1960年代中期,利用半導體製程於矽晶片上製造機械結構的可行性被驗證。1970年代中期,該技術進一步成功地實現具備機械和電子元件的半導體感測器。1980年代,各種不同的微元件、機構、感測器、致動器等等 (例如:幫浦、閥門、齒輪、馬達、夾子等等),陸續被成功地開發。隨後,此技術在美國稱為微機電系統(Microelectromechanical Systems,或簡稱MEMS),歐洲則稱之為微系統技術(Microsystems Technology,或簡稱MST)。
 
經過近50年的努力,目前這種利用平面加工技術,來製造可動或致動元件於晶片上(或基材中),然後進一步建構微生光機電系統的理念,已逐漸成熟與落實,也為半導體相關的研究和產業,注入一股新血(亦即 More Than Moore)。在追求輕薄短小的科技時代,半導體技術為電機電子領域,帶來數十年的榮景。隨著微加工技術的興起與成熟,也為機械系統的微小化,帶來契機,精微機械的範疇也將從為人熟知的鐘錶業延伸至半導體產業。
 
簡言之,MEMS技術具有下列優點或特色:
 
(1) 於晶片或其他基材(substrate)表面製造可運動或形變的微小機械結構
(2) 縮小機械元件尺寸並增高精度
(3) 可批量製造(batch fabrication)機械元件且品質均一
(4) 透過製程整合微小機械元件
(5) 可將機械結構和電子線路整合在單一晶片
 
因此MEMS技術可用來縮小感測器和致動器以及降低其成本,其中相當具有代表性的例子是德州儀器公司(TI)的數位成像晶片 DMD(Digital Micromirror Device),透過MEMS技術將數十萬組尺寸約10微米見方的微面鏡,及位於面鏡下方的微扭轉致動器和控制電路,整合在矽基材,且相鄰的微面鏡間距甚至小於1微米。DMD最成功的應用為廣為投影設備之成像。迄今,應用MEMS技術生產的商業產品包括:噴墨印表機噴頭(ink jet printer head)、壓力計、加速度計(accelerometer)、陀螺儀(Gyroscope)、麥克風、磁力計、濕度計、共振器、振盪器、濾波器(FBAR)、及可丟棄式醫療用品等等。值得一提的是,目前風風靡全球的智慧型手機、平板電腦、先進遊戲機,甚至 Google glasses 都因為內裝微致動器及微感測器,才讓這些產品具有前所未有的互動功能,也增加產品的附加價值。
 
MEMS 技術的挑戰與展望
 
近年來,隨著 Moore’s Law 即將達到其物理極限,以及智慧生活和物聯網 (Internet of Things)等需求的帶動下,更加速許多公司和人才投入微機電產業。除了廣為人知的TI和hp公司外,歐美許多微機電相關的IDM廠例如 STMicrolectronics、BOSCH、Avago、等等,以及 Fab-light 或 Fabless 公司例如 Knowles、SENSIRION、Invensense、等等,表現也十分亮眼。台灣具有完整的電子產業的產業鏈及經驗,電子產業的先驅嘗試複製過去成功的模式,來開發及經營微機電產業,然而,微機電產業除了面臨許多電子產業前所未有的技術挑戰外,例如薄膜應力、靜電吸附、溫度形變、等問題,其量少種類多的元件特色,也衍生出許多和電子產業不同的經營管理面的問題。如果能有效克服上述問題,輔以完整成熟的電子產業的產業鏈,以及結合學研界在微機電領域的積極表現和國際聲望,相信台灣可以在快速成長的微機電產業,佔有一席之地。
 

相關連結:

 

微機電系統製程平台及應用 (電子月刊,2003年1月)

 

 

微機構的元件型式與運動特性 (微系統技奈米科技協會會刊,2003年6月)

 

 

利用矽晶片製造與整合微系統的思維與架構 (電子月刊,2004年1月)

 

新型CMOS 全差動出平面加速度計 (微系統暨奈米科技協會會刊,2007年11月)

 

CMOS MEMS 微型加速度計 (科儀新知,2008年8月)

 

CMOS MEMS 製程平台於微感測器之應用 (科儀新知,2009年10月)

2015-09-01