壓電加速規

本團隊所提出之壓電式加速規，除了有高靈敏度及好的溫度穩定性之外，更重要的是其加速規透過壓 電效應直接產生電荷、電流，大幅減少前端感測器的功耗。然而，市售的壓電加速規主要是以鋯鈦酸 鉛（Pb(Zr,Ti)O3，PZT）壓電材料為主，因其具備優良的壓電特性且合成容易，故在諸多電子元件廣 泛應用，例如：感測器（sensor）、驅動器（driver）、超音波換能器（ultrasonic transducer）、震盪器（oscillator）、 表面聲波濾波器（surface acoustic wave filter）、蜂鳴器（buzzer）、壓電式點火器（piezoelectric ignitor）

等。然而 PZT 的製備需要使用大量的含鉛化合物作為原始物料，在生產過程及廢棄後會給人類與生 態環境帶來嚴重危害，因此不論在環境保護上或是維護人類健康上，發展無鉛壓電材料是個重大意義 的課題。

「氧化鋅（zinc oxide，ZnO）」為 n 型Ⅱ-Ⅵ族半導體材料，屬於六方晶系纖鋅礦結構，具有高熔點（1975℃）

和熱穩定性，溶於酸、鹼但不溶於水、酒精；其光學能隙寬度於室溫時約為 3.37 eV，大於可見光的 能量，使得ZnO 薄膜在可見光區具有高透光度；其激子束縛能約為 60 meV，在室溫下的發光效率頗 佳。此外，ZnO 薄膜具有顯著的 c 軸優選成長取向、易於摻雜、成本低廉及環保無毒性、高壓電性等 優點，使其成為廣受注目的材料，可應用於光電、壓電、聲波等元件。因此，本計畫將選用ZnO 薄膜 作為無鉛壓電MEMS 加速規系統之主要材料，而目前本團隊已開發出最佳摻雜比例的 LZO( ZnO:Li)，

其薄膜壓電特性位居世界之冠(d33=22.85 pm/V)，但仍不及 PZT 含鉛壓電材料，因此本團隊已著手研 發LZO 摻雜 Si 及 Mg 等材料，經 PFM 壓電材料分析，新材料其壓電係數 d33已經突破LZO 之數據，

高達50 pm/V，在未來將可應用於多軸加速規。

考量近年來無人飛行載具在世界各地蓬勃發展，從原本的單純玩具性質變成可取代部分人力的工 具之一，舉凡是軍事活動、土地測繪及環境污染監測等多功能用途，但無人飛行載具的安全性備受疑 慮，導致無法更貼近民眾生活，因此本計畫想透過感測器結合物聯網系統提升無人飛行載具的飛安穩 定性，讓無人飛行載具可從事更多產業活動。考量到感測器的重量會影響到無人飛行載具的平衡性，

因此本計畫前兩年採用 MEMS 製程來製作輕型加速規感測器，並且成功以無鉛環保的 LZO(ZnO:Li) 壓電材料製作出高靈敏度的加速規，在感測器方面有重大突破。

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3.文獻探討

3.1 物理密鑰元件:

目前文獻中關於將二硫化鉬（MoS2）薄膜應用於RRAM 之研究結果如下：在塑膠（polymer）基 板首先以銀（Ag）為底電極（bottom electrode，BE），再採用溶膠凝膠法（solution-processed）沉積 MoOx/MoS2 異質接面（heterostructure），最後再以銀（Ag）為頂電極（top electrode，TE），即完成RRAM 元件製作。實驗結果顯示：MoOx/MoS2異質接面RRAM 之操作電壓小於 0.2 V、操作電流小於 0.1 A，

可有效將低元件之功率損耗（power consumption）；元件之電阻切換比（memory window）可達 10⁶、 耐久度（endurance）可達 10⁴及保存時間（retention time）超過 10⁴秒（MoOx/MoS2異質接面RRAM 元件各項特性詳見圖 五）[16]。隨著元件的尺寸不斷縮小、積密度不斷提昇，如何在微小化 current-voltage 等特性[16]

圖 六、以 ALD 沉積 HfO2於MoS2表面之AFM 表面形貌與 SEM 微結構[17]

目前文獻中關於互補式電阻開關（具有CRS 憶阻器之文獻回顧詳見表一），主要是以「金屬/固態 電解質/金屬/固態電解質/金屬」結構為主（固態電解質層亦可用半導體取代之）。實驗結果顯示：CRS 主要扮演分壓器（voltage divider）之角色，當憶阻元件 A（Memristive element A）為 LRS 而憶阻元件 B 為 HRS 時，所有電壓會被分配至憶阻元件 B 直到臨界電壓 1（Vth,1）；當電壓持續增加時，憶阻元 件B 亦會切換至 LRS，此時 CRS 被定義為「ON」（兩個憶阻元件均為LRS）；當電壓到達臨界電壓 2

(c)

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（Vth,2）時，CRS 被定義為「OFF」（兩個憶阻元件均為 HRS）；對雙極（bipolar）memristor 而言，施 加負電壓至 Vth,3與 Vth,4同樣會呈現「ON」與「OFF」狀態（單一式與互補式憶阻器之憶阻行為比較 詳見圖 七）。值得注意的是，當憶阻元件 A 與 B 僅有其中一個為 LRS（另一為 HRS），CRS 都會將 其判讀為HRS，此類似 CMOS 中逆變器（inverter）的功能，可有效將低元件之潛洩電流（sneak current）

[19]。

圖 七、單一式與互補式憶阻器之憶阻行為比較[23]

表格 一、具有 CRS 憶阻器之文獻回顧

發表年份 作者 固態電解質（半導體）材質 膜厚 文獻編號 2010 Linn et al. GeSe 25 nm [19]

2012 Yang et al. Ta2O5-x/TaOy 5/60 nm [20]

2013 Liu et al. Nb2O5-x/NbOy 5/30 nm [21]

2013 Chen et al. AlN 50 nm [22]

2014 Lee et al. TiO2/TiO2-x 4/12 nm [23]

2016 Duan et al. Cu2O 390 nm [24]

目前文獻中關於AlN 薄膜應用於 RRAM 之研究結果顯示元件可在極短時間內（±3V/10ns）切換 電阻，並將 set/reset 電流降至 2μA/ 5 nA 且元件之電阻切換比（memory window）可達 10²、耐久度

（endurance）可達 10⁷次及保存時間在85℃的環境下（retention time）超過 10⁸秒(如圖 八所示)。

圖 八、(a)AlN RRAM I-V 特性曲線(b)在 25 和 85 環境下 Ti/AlN/Pt 保存時間測試[25]

3.2 壓電加速規

8 加速規是Leadless chip carrier（LCC，無引腳晶片載體），必須安裝在電路板搭配電容以隔絕電源端雜 訊，為了方便客戶測試，Analog Devices 提供了 evaluation board，研提計畫前，我們先做了 MEMS 加 速規的靈敏度頻譜特性初期研究，選擇Analog Devices 的 ADXL001-500 MEMS 加速規，並與 Endevco 的752A13 做比對，752A13 先前曾送去國家標準實驗室校正，靈敏度頻譜與廠商宣稱值十分接近，圖 九 (b)是實驗架構，圖 九 (c)是兩者比對結果，紅色水平線是 Analog Devices 宣稱的靈敏度 3.3 mV/g，

綠色線是ADXL001-500 MEMS 加速規的靈敏度頻譜，可看出 MEMS 加速規的靈敏度頻譜不夠平坦，

與廠商宣稱的單顆MEMS 加速規特性有些差異。我們初步推測是 evaluation board 面積過大、剛性不 足、或者是安裝固定方式不夠牢固等因素且售價也偏高(US$159 元/每顆)。

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圖 九、(a)Analog Devices ADXL001 之靈敏度頻譜圖(廠商提供之規格資料) (b) ADXL001 MEMS 加 速規之現成電路板套件商品靈敏度與頻寬測試(c)紅色水平線是 Analog Devices 宣稱的靈敏度 3.3

mV/g；綠色線是 ADXL001-500 MEMS 加速規的靈敏度頻譜

目前 MEMS 加速規主要為壓阻式及電容式，且已經被廣泛的研究，其擁有容易結合 CMOS 製程，直 關感測元件。其中以美國紐約的 PCB Piezotronics, Inc.最負盛名，尤其於壓電積體電路（integrated electronic piezoelectric，IEPE）領域中成果非凡。該公司目前開發的 MEMS 加速規僅有可變電容與壓 阻式（如圖 十(a)及(b)所示），MEMS 壓電式加速規尚未有實際產品。此外，至今市面上常見的壓電

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圖 十、(a)3741E12100G 可變電容式加速規(b)3503C202KG 壓阻式加速規

11 的電流限制（current compliance，CC）。但 CRS 則不施加電流限制，因為本身內部串聯的兩顆元 件就彼此互相限制對方的電流，若施加電流限制反而會使CRS 內部的元件無法 Reset，導致 CRS 無法運作。圖 十一(a)為五層 CRS 結構示意圖及圖 十一(b)量測設備 Agilent 4155C 及探針座相 片。

圖 十一、(a)五層 CRS 結構示意圖；(b)量測設備 Agilent 4155C 及探針座