元件完成後，量測環境的建置也是實驗相當重要的一環，在本篇力感 測元件將分別作接觸力的量測與壓力環境做量測。圖5-5 為本實驗架設的接 觸力量測環境，右側為驅動電壓源(Source)和輸出量測儀器(multi meter)；元 件上方以鐵氟龍(Teflon)製作一對準中心凸塊的施力平台，在平台上放至精 準的砝碼做接觸力施力；在平台上架設一Keyece 公司的 LC-2101 雷射微距 儀(Laser Displacement Meter)，目的是測量中心凸塊撓度量，測精確度為 0.2um；除此之外，元件下方放置一可控溫的加熱板，針對元件施加溫度以 測量元件的溫度靈敏係數。
50 g
voltage source multi meter
PCB
+
+ -Teflon
block
needle
pin pin
Laser Displacement Meter
Hot Plate
圖 5-5 接觸力量測環境架設圖
除了量測接觸力外，亦需對元件做壓力部份的測試。本論文設計一簡 單的感測方式，圖5-6 為此針對壓力架設的量測環境示意圖，主要利用液體 深度與壓力正比的觀念設計。圖中右方為驅動電壓源(Source)和輸出訊號量 測儀器(multi meter)，由於我們使用比重較小的水，壓力來源比較小產生的 輸出訊號將會為µV 等級，此將難以被電壓測量儀測量，因此在輸出端使用 AD620 儀表放大器將壓力元件輸出訊號放大 1000 倍，再量測結果除回 1000 即為元件電壓實際的變化量。分別接於上元件接腳，將元件電極用高分子 材料封裝好，放至於水杯中，杯中液面高度決定元件受壓強度，此可以由 水杯上測量；除此之外，元件下方放置一可控溫的加熱板，主針對量測液 體施加溫度以測量元件的溫度效應，而水杯內亦置一溫度計監測目前量測 環境溫度。此環境有兩缺點：一、量測壓力範圍受到容器高度侷限，本論 文使用50cm 高的量桶作為水壓環境，最深水壓約為 0.71 psi，二、水式導 体，需將元件所有導電層皆用防水蠟保護住。但由於此環境只須一高容器 和加熱器，而不需架設壓力管、真空泵控制壓力和管路升溫裝置，因此亦 是一不錯的方法。
圖5-6 壓力量測環境架設圖
5.4 壓力感測元件製程結果與特性量測
完成製程、封裝與架設好量測環境後，再本節將對元件在不同環境、
不同溫度下的運作情況，量測製作結果。本節將分別對接觸力模式之特性 量測，以及元件壓力模式之特性量測二部份，分別討論結果，特別需注意 的是此壓力感測器經製程後的量測，膜厚約為100µm。
首先對於個別壓阻阻值之量測，如表5-1，其中可以明顯看出，在實作 中製作的誤差不小，四個壓阻的阻值並非相近似，這將直接影響到元件未 施力的情況下，輸出訊號在零點的位置，因此我們將在電路中加一可變電 組，用以作零點矯正如表5-1 旁之附圖。
表5-1 每一壓阻的未受力下的阻值
Vo
R1 R2 R3 R4 Ω 82.8 88.8 82.9 80.9
5.4.1 感測元件在接觸力模式下之特性量測
本論文製作的壓阻式壓力元件對接觸力模式的特性量測，利用圖 5-5 的量測環境，分別針對力、溫度對微力感測元件輸出訊號作圖，並考慮不 同驅動源產生的溫度補償效果，其將測試數據有：
(a) 固定常溫、80、135℃的溫度量測不同力的輸出變化 (b) 將電壓驅動源換成電流驅動源、重複做(a)
(c) 受到接觸力下中心凸塊的移動情況
如圖5-5，我們將完成封裝的元件置於加熱盤上，並架上鐵氟龍施力平 台，接上驅動電壓源5V 及電壓訊號量測器後，先於常溫下直接施力，由於 施力使用法碼，因此以每50gw 記錄三次，以穩定之平均值紀錄，直到 1kgw；
之後將加熱盤升溫，設定於80 度並如常溫施加法碼量測、記錄之，完成後 再將溫度深至 135 度，再以同樣方法紀錄；完成後為確保元件並未脆化，
逆向降至80 度再量測一次結果，之後再關閉加熱盤直到室溫再量測，如此 可得到圖5-7。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2.7
2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4
Voltage Source ( 5v )
output voltage (V)
weight (g.w.)
25oC 80oC 135oC
圖5-7 電壓驅動源下，不同溫度環境下受不同接觸力的輸出結果
圖中明顯看出零點偏移，此為由於製程上所導致的TCO 誤差值，約為 0.29%/℃，其中約略可以看出當溫度上升時，除了零點偏移增加外，元件受 接觸力輸出值漸緩。圖5-5 為平移後的輸出訊號曲線圖，去除 TCO 後明顯 看出輸出訊號受溫度影響而減弱，就第三章溫度係數部份描述，由式(3.70) 得電壓驅動源輸出訊號只受 TCS 所影響，由圖中計算得元件 TCS 約為 -0.39%/℃。由圖中對常溫下輸出訊號計算，本論文製作之矽型壓阻式壓力 感測器在接觸力模式下，靈敏度為 11.2mV V kgf/ / ，約只有第四章估計值
47.6573mV V kgf/ / 的14倍。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -60
-50 -40 -30 -20 -10 0
Voltage Source ( 5v )
output voltage (mV)
weight (g.w.)
25oC 80oC 135oC
圖 5-8 電壓驅動源下，溫度對電壓輸出源輸出訊號的影響
除了電壓驅動源元件外，亦可使用電流源驅動，將裝置中電壓驅動源 置換成電流源，並作如電壓源一樣的量測動作；從室溫、80℃、135℃，以 每50 顆為單位進行接觸力量測，如此可得到圖 5-5。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2.6
2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0
Currect Source ( 50mA )
output voltage (V)
weight (g.w.)
25oC 80oC 135oC
圖5-9 電流驅動源下，不同溫度環境下受不同接觸力的輸出結果
在圖5-9 中亦可看到與電壓源相似的 TCO 零點偏移，除此之外當溫度 上升時，元件受接觸力輸出值漸緩的情況較電壓輸出源小許多，將圖平移 後的輸出訊號曲線圖5-9，去除 TCO 後看出輸出訊號亦受溫度影響而減弱，
但稍較電壓輸出源小，就第三章溫度係數部份描述，由式(3.71)得知電流驅 動源輸出訊號受TCS 與 TCR 相互補償所影響，當 TCR 與 TCS 異號、甚至 值相近時使用電流驅動源可以降低元件溫度效應。其中由量測結果可估算 TCR 約為 0.16%/℃。
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001100 -80
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10
Currect Source ( 50mA )
output voltage (mV)
weight (g.w.)
25oC 80oC 135oC
圖5-10 電流驅動源下，溫度對電壓輸出源輸出訊號的影響
5.4.2 感測元件在壓力模式下之特性量測
前節深入討論壓力元件的靈敏度、薄板受力撓度、溫度效應與補償結 果，本節將針對元件壓力模式下靈敏度做量測，圖5-5 為本實驗壓力測試環 境示意圖，是運用液面深度即決定壓力強度的觀念所架設，再利用加熱水 溫方式改變環境溫度，用以測量溫度效應，並考慮不同驅動源產生的溫度 補償效應。在此量測方式中，必須將所有裸露的電極用塑酯或高分子材料
包起來，避免非純水導電性導致量測偏差，必且要徹底將中心氣室氣密封 裝，如此才能良得準確值。
元件封裝完成後，將元件接上電壓驅動源5V 與訊號量測儀器，將水注 滿，移動每水深 50mm 取得數個穩定的數據取平均值紀錄，到底後在返回 每50mm 記錄直到水面，如此得到如圖 5-10。
0 100 200 300 400 500
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Voltage Source ( 5V )
output voltage (mV)
water depth (mm)
圖5-11 壓力模式下量測輸出結果
如 此 靈 敏 度 得 到 約0.001791986 / /mV V mmH O ，2 經 壓 力 換 算 結 果 約 為
0.2524 / /mV V Psi。
第六章 結果討論與未來工作
經過本論文的推導、設計到實作，運用中心凸塊的力導引結構完成一 接觸與壓力感測兩用的矽微力感測器，在實作中背蝕刻未 KOH 做結構深蝕 刻而使用 ICP，無K+離子污染問題，此為 CMOS 製程可以接受的製程技術，
並由於其為低溫製程，可用於最後段製程，因此本論文設計的壓力元件可 以輕易的與傳統 CMOS 製程整合，再透過簡單且低廉的覆晶封裝技巧即可 達到高靈敏度、高量測範圍的力感測元件，如此將能運用自動控制或機械 手臂等接觸力上的感測。
而本論文的製程結果並非此種設計的最佳情況，在第三張理論與推導 中對於靈敏度的估計值與最後結果落差 1/4 倍以及零點偏移量過大，此誤差 的主因乃是製程精確度，此問題須靠汰換製程設備解決；此外，第三章的 溫度補償與實際補償效果也差之甚遠，主要因素可能是參考文獻的材料是 單晶矽做摻雜，而我們所使用的材料是多晶矽摻雜，導致材料溫度效應不 相同，這在未來改良元件上可以考慮的。除此之外，就文獻中使用 p-type 的單晶矽並施力於(100)方向將擁有最高的壓阻係數，若在此處從新選擇材 料與改變製程方式將可以大為提昇靈敏度。最後封裝所使用的氣密材料並 未經過長時間、高溫、高壓等情況測試，氣密度與可靠度仍須存疑，此可 參考[24]，有深入的探討，以此應用在本論文的封裝上將可以使元件完全的 應用在壓力量測上。
參考文獻
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[24] W. H. Chang, “A Study of High Temperature Piezoresistive Sensors,
“ pp.77-78, 2004
作者簡歷
1. 姓名：丁沛熙
2. 籍貫：台灣省高雄縣
3. 出生地：台中縣
4. 生日：民國六十八年三月二十日
5. 學歷：
桃園縣平鎮市立新勢國民小學 - - - - 民 國 7 4 年 9 月 至 民 國 8 0 年 6 月
桃園縣平鎮市私立復旦中學 - - - - 民 國 8 0 年 9 月 至 民 國 8 3 年 6 月
桃園縣省立楊明中學 - - - - 民 國 8 3 年 9 月 至 民 國 8 6 年 6 月
逢甲大學電子工程學系 - - - - 民 國 8 6 年 9 月 至 民 國 9 0 年 6 月
國立交通大學電子研究所碩士班 - - - - 民 國 9 0 年 9 月 至 民 國 9 3 年 6 月
碩 士 論 文
中利 心用 凸多 塊晶 結矽 構於 之絕 壓緣 力層 感之 測基 元底 件建 立
電子工程學系電子研究所
交 通 大 學
電
機 資 訊 學 院
丁 沛 熙