誤差分析

本節針對元件電測結果與設計值偏差部分進行分析探討，由於 BPS 元件承受一大氣壓力值時，變形量已超過平板變型分析之基礎假設，元件具有非線性之輸出，因此分析果成將僅針對 TPS 和 APS 兩者進行討論。

實際在壓力感測元件的製作過程中，並非所有尺寸均能如設計值完整呈現，製程中必定有些誤差量的存在，本章節中將分析可能之製程誤差量對於元件最終輸出電壓及靈敏度之影響，製程中關鍵影響之主要因素探討包含有雙面對準誤差量影響分析、隔膜尺寸變異量分析及隔膜厚度變異量分析等，尋找出可能之分析誤差量來源 (表 5-3-1)。

表 5-3-1 實際隔膜尺寸與設計差異表

設計之對準位置

實際之對準位置水平對準誤差

垂直對準誤差

圖 5.3.1 雙面對準誤差示意圖

圖 5.3.3 雙面對準垂直誤差量與壓阻阻值變化率關係

5.3.2 隔膜尺寸變異分析

於前面章節 3.3 中曾分析平板變形應力值與隔膜尺寸有關，因此，本節中針對隔膜尺寸之變異對於元件之最終之感測電壓輸出進行模擬分析，模擬之模型如圖 5.3.4，由於製程中因 ICP 蝕刻深度的差異而會影響最終隔膜尺寸值 (表 4-2-1)，因此分析設定上 (表 5-3-1)取隔膜尺寸 510μ m 為設計值，分別求解當隔膜尺寸 ±10μ m、 ±20μ m 及 ±30μ m 時，所造成壓阻阻值變化率與全距輸出變異百分比，並分析出第一階段 ICP 蝕刻均勻度需求值。

分析結果 (表 5-3-2)上呈現，當隔膜尺寸 ±10μ m 時，壓阻阻值變化率與全距輸出變異百分比最大值為 4.7%；當隔膜尺寸 ±20μ m 時，壓阻阻值變化率與全距輸出變異百分比最大值為 10.8%；當隔膜尺寸 ±30μ m 時，壓阻阻值變化率與全距輸出變異百分比最大值為 16.6%；三者所需之第一階段 ICP 蝕刻均勻度需求分別需小於 2.4%、4.7%及 7.1%，方能滿足隔膜尺寸之製程控制能力需求。

分析 5.1 節實際所測得之隔膜尺寸，其尺寸平均值與設計值誤差量，均小於 2μ m 以內，以 TPS 為例，隔膜尺寸變異量為 +0.8μ m，估計對元件靈敏度影響程度約為 -0.304%。

設計之隔膜尺寸

實際之隔膜尺寸

隔膜尺寸變異量

圖 5.3.4 隔膜尺寸變異量示意圖

表 5-3-2 隔膜尺寸變異分析表隔膜尺寸壓阻阻值

變化率全距輸出 (mV) 變異百分比 ICP 均勻度規格 (300um)

480 0.0421 210.5 12.2% 4.7%

490 0.0400 200.0 6.6% 2.4%

500(設計 ) 0.0375 187.5 0% 0%

510 0.0361 180.5 -3.8% 2.4%

圖 5.3.5 隔膜尺寸與壓阻阻值變化率關係

5.3.3 隔膜厚度變異分析

本節中分析探討隔膜厚度的製程變異量對於壓力元件之壓阻阻值變化率影響程度，分析過程中於相同之條件下分別建立不同隔膜厚度之實體模型進行有限元素分析，求解每一組壓阻內三根壓阻之阻值變化率，取其平均值進行比較分析。

模擬分析結果如表 5-3-3，分析條件上取隔膜厚度 17μ m 為設計值，求解隔膜厚度 ±1μ m 及 ±2μ m 變異量之壓阻阻值變化率，分析結果上顯示當隔膜厚度變異量為 ± 1 μ m 之隔膜厚度變化量時，會造成元件輸出值產生 ± 13.5%變異量；當隔膜厚度變異量為 ±2μ m 之隔膜厚度變化量時，會造成元件輸出值產生 ±27.0%變異量。

以 TPS 為例，分析表 5-1-1 可發現 TPS 元件之隔膜厚度與設計值之誤

差量為 +0.3 μ m ，由表 5-3-3 可分析得其所造成之靈敏度誤差量約為 +4.83%，合併計算由對位誤差、隔膜尺寸變異量與隔膜厚度變異量三者對靈敏度之影響，結果相較於原設計尺寸之靈敏度輸出多出 4.834%，此結果與 5.2 節所測得之數據非常接近。

藉由此分析可發現隔膜厚度控制能力的優劣，會大幅度的影響同批生產之壓力感測器元件的最終元件輸出值之均勻性和設計差異度。

表 5-3-3 隔膜厚度變異量與阻值變化率分析

隔膜厚度 15um 16um 17um 18um 19um

平均阻值變化率

(△ R/R) -0.042 -0.036 -0.031 -0.028 -0.025 輸出靈敏度

(mv/v/psi) 0.42 0.36 0.31 0.28 0.25

影響程度 +35.5 +16.1 0 -9.7 -19.4

圖 5.3.6 隔膜厚度變異量與壓阻阻值變化率關係

第6章結論與未來展望

在文檔中以乾濕複合蝕刻法進行微壓力感測器微小化之研究 (頁 88-95)

設計之對準 位置

實際之對準 位置 水平對準誤差

垂直對準誤差

5.3.2 隔 膜 尺 寸 變 異 分 析

設計之隔膜 尺寸

實際之隔膜 尺寸