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《穿戴式系列報導四》
淺談MEMS科技
林士強/北美智權 教育訓練處 資深研發創新顧問
2014.06.17
「微機電系統」(MEMS)是一種將是將微電子技術與機械工程融合的一種工業技術,早已應用在智慧手機及平板電腦上;而現在穿戴式裝置當紅,穿戴式裝置配備的眾多感測器,都是MEMS的應用範圍。未來MEMS科技更將包山包海,讓我們一起透過這篇文章來認識它的神奇之處。

筆者九十一歲的老爸開始把玩桌上的平板電腦,發覺原本略嫌小的生日全家福相片,在那片「平板」旋轉九十度之後,照片也因為跟著旋轉到比較好的角度,並且因此而放大,他的臉上露出一副驚奇而滿意的表情… 

筆者父親是上海復旦大學土木系畢業,算起來也是六十年前的優秀理工科系青年,絕非等閒之輩。當筆者回答他這是一顆「陀螺儀」在那部平板電腦中所產生的效果時,他卻是一副疑惑的眼神,「陀螺儀?」,不是該有個「陀螺」嗎?不就是裝在飛機上保持飛機姿態的玩意嗎?「陀螺」如何做的那麼小,又能放到平板電腦中呢?其實我相信有相同疑惑的人一定不少,但是悶在心裡,又不好意思詢問,希望這篇短文,能夠一解各位心頭的疑惑。

這一切,都是有賴聰明又有創意的科學家,以及生產製造技術進步之賜,一種通稱為「微機電系統」(MicroElectroMechanical System,下稱MEMS)的技術,造就了這些相關產品,也造福了人類。

MEMS定義

MEMS是一種將是將微電子技術與機械工程融合的一種工業技術,目前它的操作範圍通常在微米(micrometer,符號µm)範圍內。所以比它更小的,在奈米(nanometer,符號 nm)範圍的類似的技術有人稱為「奈機電系統」。MEMS在日本被稱作「微機械」(micro-machines),在歐洲被稱作「微系統」(microsystems),也有人也稱它為「微系統技術」(Micro System Technology,MST)。其實名稱不重要,了解它的能力才是比較重要的。

根據維基百科中的敘述,MEMS由尺寸大致為1至100微米(0.001至0.1 mm)的部件組成,而微機電設備的尺寸通常介於0.02mm到1mm之間。它們內部通常包含一個微處理器和若干獲取外界信息的微型感測器。而在這種尺寸範圍下,古典物理基本定律有時候(奈米範圍)並不適用。

MEMS的加工技術由半導體加工技術改造而來,其加工方式包含了機械加工如「成型和電鍍」(Molding and Plating),「濕式蝕刻」(註1)(例如使用氫氧化鉀KOH或氫氧化四甲基銨 Tetramethylammonium hydroxide, TMAH等溶液),「乾式蝕刻」(註2) (例如反應式離子蝕刻RIE 和深反應式離子蝕刻 DRIE),「放電加工」 (EDM),和其他一些能夠製造微小裝置(例如:蛋白質工程)的加工技術(請參考表一)。

(表一)

範圍

觀測法

製造技術

1~10 mm

目視

機械加工

1 um~ 1 mm

光學顯微鏡

Si蝕刻

1 nm~ 1 um

電子/探針顯微鏡

蛋白質工程

圖一及圖二是兩種典型的MEMS,圖一是一個微感應致動器(俗稱煞車),圖二是一個微小齒輪組,但是人們喜歡拿出來展示技術能力的,通常是圖三 - 一些MEMS裝置,外加一隻塵螨的玉照。

(圖一) 圖片來源:www.mems-exchange.org  (圖二) 圖片來源:www.memx.com/
   
(圖三) 圖片來源:mems.sandia.gov

關於MEMS的組成元件,圖四是一個很好的概念圖,其中包含有微結構,微感應器,微電子以及微致動器等。


(圖四) 圖片來源:www.mems-exchange.org

因為裝置體積超小,一般人看到MEMS裝置會以為是純電子產品,其實只答對了一半,因為事實上MEMS產品的設計,顧名思義都幾乎帶有一半的機械裝置。通常這些透過機械裝置所發生的「物理效果」(例如:位移),要先轉換成「電子訊號」並數位化後,經過微電腦的計算,才會做出適當的反應或產生所要的效果。以馬上要為各位介紹的加速器為例,其當然含有IC晶片,但是主要的結構還是微型的機械構造,靠著量測該機械構造的微小位移,經過複雜計算後,才能得到想要知道的結果。

MEMS有兩種基本的運作方式,筆者利用其應用範例,分別介紹如下:

1. 加速計

「加速計」顧名思義,就是偵測物體的加速度(線性速率的變化),物體的加速度知道之後,代入基本的物理公式(F=m.a;距離S=1/2.a.t^2 ),很容易計算出距離以及力量等,所以,經常被使用來測量距離及衝擊力。圖五代表加速計的工作原理:電位計電位的輸出,乃由彈簧之間的物體位置決定,所以當有加速度發生的時候,彈簧間物體的位置會改變,電壓輸出(方向及大小)也跟著改變,則「線性速率的變化」(即加速度)就可以因此得到。

一般「加速計」由兩部分組成:(1)MEMS傳感器與(2)訊號處理晶片。


(圖五) 圖片來源:i3w55.pixnet.net

真正的MEMS傳感器,其設計如圖六所示,中間的物體與兩邊有彈簧作用的線,因加速度的產生而相對移動,傳感器收集到的「物理位移」類比訊號,經過A/D轉換與訊號處理晶片的計算,就能讓裝置知道加速度的大小。圖七則代表一典型「加速計」的整體構造,有質量塊、彈簧、錨定(固定部)等。

(圖六)  圖片來源:i3w55.pixnet.net (圖七) 圖片來源:i3w55.pixnet.net

2. 陀螺儀

上面介紹的「加速計」,它的原理很簡單,底下要介紹的MEMS「陀螺儀」就比較複雜了。已經公開的MEMS「陀螺儀」設計,是利用振動物體傳感角速度的概念,經由科氏力(Coriolis force)進行驅動件與感測件之間機械能的轉換。該科氏力的取得,係來自於以下的公式計算所得:

Fc = m.a = -2m(w.V)    Fc – 科氏力
m - 物體的質量
w - 載具座標系旋轉的角速度
V- 物體的速度向量   

其中「V」以及「m」是MEMS設計時的已知量,如果能得到感測質量塊上的科氏力加速度,然後結合振動速度,進行同步解調,就可以測出旋轉角速度,進而計算出物體移動的角度。以電視游樂器「Wii」的體感搖桿當作例子,「陀螺儀」可用來計算搖桿傾斜的角度,而三軸「加速計」就能計算出搖桿搖晃的劇烈程度,進而對使用者的姿態作出適當的反應。

因為MEMS「陀螺儀」原理比較複雜,各位倒不用記得那麼多,只要記得其中有一個叫科氏力(Coriolis force)的量測裝置,可測出角速度,以及其中有一個高速震盪元件,但並沒有真實的轉動元件,也就可以了。

底下筆者用圖八至圖十一,來表示MEMS「陀螺儀」的實體構造,那些細細如髮梳的部分,便是占了「一半」功能的機械裝置,而透過該等機械裝置所發生的「物理量改變」等類比效果(例如:科氏力),經轉換成「數位訊號」,再經過微電腦晶片的計算,就能解算出裝置本身的姿勢及位置等資訊了。


(圖八)

(圖九)

(圖十)

(圖十一)
圖片來源:bbs.ednchina.com

MEMS微機電裝置,當然不只「加速器」及「陀螺儀」這兩種而已,另外還有「壓力計」、「微麥克風」、「微馬達」等,端看用戶的需求以及各廠家的設計功力了。

底下的圖十二,就表示了裝置在汽車上的一大堆MEMS裝置,絕對不僅是「加速器」及「陀螺儀」,就可以應付得了的。


(圖十二) 圖片來源:www.wtc-consult.de

MEMS製程

製作MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微電子技術的主要內容有:氧化層生長、光罩製作、光刻選擇摻雜(遮罩擴散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線製作等。利用微電子技術可製造所需的積體電路。而微加工技術的主要內容有:矽表面微加工和矽體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、製作高深寬比結構的LIGA技術等。微加工技術很適合於製作某些壓力感測器、加速度感測器、微泵、微閥、微溝槽、微機械等,兩者結合就能充分發揮成熟的IC製程的優勢,利用矽晶蝕刻轉印製造技術,大批量、低成本地製造高可靠性的MEMS裝置。

MEMS簡單的製程,與IC製程有些雷同,分為以下的步驟:

1. 光罩製作
2.  光阻
3. 清洗晶圓
4. 光阻塗佈
5. 軟烤
6. 曝光
7. 曝後烤
8. 顯影
9. 硬烤
10.  PDMS(聚二甲基矽氧烷,通常稱為有機矽、矽氧樹脂,亦有稱為矽酮(polymerized siloxanes或polysiloxanes))成形

與IC製程不一樣的地方,IC晶片的一層又一層金屬氧化層間,應該是緊密結合的,而MEMS裝置中不少的部分是應該可以活動的機械結構,所以如何設計活動部分於適當的位置,可以使兩活動部之間的化合物可以在製程中清洗乾淨,使活動部分運動無礙,應該就要看MEMS第一線的設計人員的功力了。

MEMS應用

如果想用「包山包海」來形容MEMS的應用範圍,其實也不為過,MEMS的應用範圍,隨著大眾對產品要求的不斷提高,持續的擴張。例如:從「智慧手機」及「平板電腦」位置與姿態的判定,到產業界的明日之星,「穿戴式裝置」所配備的眾多感測器等,都是MEMS的應用例。

如果換個角度看,如果MEMS的技術沒有即時跟上,上面那些「智慧裝置」即使「智慧」,但是看上去一定「笨重」。

底下的圖十三,是筆者所知道的MEMS應用簡單圖示,一定還有其他的應用領域,就讓聰明的各位自己去發掘了!


(圖十三)

MEMS市場

MEMS的市場有多大呢?這應該可以從表二,2012前二十大MEMS的供應商的營業狀況,看出一些端倪。

筆者觀察到一個有趣的現象是,其中前四大廠商,與5至20名的廠商,差距其實都蠻大的,但是好消息是,這二十家廠商沒有一家業績衰退。而德國的Bosch這幾年異軍突起,不讓那些美國廠商(TI、HP),與法國公司(ST Micro)專美於前。MEMS前20大廠商,其2012年的營業額,總和為8,342百萬美元,相信仍然有很大的成長空間。特別是令人望穿秋水的穿戴式科技,例如iWatch等,若推出後造成其業績成長的大爆發,相關MEMS裝置的業績成長,則有望也躍進一大步。


(表二)

「MEMS」在「穿戴式裝置」上的應用,是下一期專文的重點,敬請期待。

備註

  1. 「濕式蝕刻技術」(Wet etching),是使用含有水份的化學藥品(水溶液)來與材料產生化學反應,使材料中不需要的部分溶解掉,因為含有水份,故稱為「濕式(Wet)」。
  2. 「乾式蝕刻技術」(Dry etching),是使用氣體離子(電漿)來與材料產生化學反應,使材料中不需要的部分因為化學反應而去除掉,因為不含水份,故稱為「乾式(Dry)」。

 

 
作者: 林士強
現任: 北美智權 教育訓練處 資深研發創新顧問
經歷: 法商台灣康旭 研發工程處 專案經理
中科院飛彈製造中心 專案工程師
聖荷西州立大學機械研究所碩士
專長: 機械、供應鏈管理、專案管理

 


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