第四章 量測結果與討論
4.1 量測設置
本章將介紹實驗量測設置與實驗量測結果，分別對傳統 SDA 與 LVSDA 的驅動電壓 與輸出力做分析討論，並將 LVSDA 效能與傳統 SDA 做評比，最後對量測時可能產生的 誤差進行討論。
4.1 量測設置
在實驗量測架設上(圖 4‐1)，首先分別將兩組探針(probe)接觸到試片上的 SDA 元件 電極與矽基材上，接上訊號產生器(Function generator)來產生方波訊號，頻率設為 500Hz，經由手動切換調整所需的電壓大小值，輸入訊號傳入放大器放大 20 倍，經由 探針導入元件中，同時可在輸入元件迴路上串連一個三用電表，觀察電壓大小做監控，
輸入電壓訊號時元件開始作動，影像畫面藉由 CCD 回傳影像，直接在螢幕上觀察。
(a)
的原因，多少會造成尺寸上的誤差，就量測尺寸結果可得：SDA 板寬 W=65μm、厚度 t 與爪高 h 均為 2μm。當開始輸入電壓時，經由 CCD 可明顯看出主板失焦(圖 4‐3)，可 得知 SDA 主板被往下吸附。
(a)
(b) 圖 4‐2 SDA 驅動電壓測試 (a)未施加電壓前 (b)施加電壓作動後
(a) (b) 圖 4‐3 單一 SDA 結構 (a)起始未施加電壓前 (b)施加電壓後主板被吸附
傳統 SDA 板長從 65μm 每 5μm 為單位逐漸增加到 85μm，共 5 種尺寸，實驗量測 分別對各種尺寸的元件做 5~9 次量測並取平均，當 Lp=65μm 在 200V 以內無法量得驅 動電壓，剩下四種板長與驅動電壓的關係如圖 4‐4 所示，可看出當 Lp=80μm 其驅動電
壓需要 84V，較小的驅動電壓在 Lp=85μm 為 78V，因此傳統 SDA 隨著板長增加，所需 的驅動電壓有逐漸下降的趨勢。
圖 4‐4 四種板長與驅動電壓關係圖
接著量測 LVSDA 的驅動電壓，將板長 Lp 固定為 80μm、板寬 W=65μm、厚度 t 與 爪高 h 均為 2μm，量測方式與傳統 SDA 都一樣，由於 LVSDA 多了撓性接頭的設計，主 板被分隔成三個部分，分別有四個重要參數：抓爬樑長度 Ls、摩擦樑長度 Lf、撓性接 頭長度 Lj 與寬度 Wj。因為影響 LVSDA 性能參數很多，想要概略了解此種設計的驅動 電壓範圍，只能先固定一項參數來做分析，在此分別只對固定 Wj=3μm 與 Wj=6μm 兩 組數據作量測，當 Wj 固定為 6μm，Ls 固定為 15μm，Lj 從 15μm 每 5μm 增加至 35μm，
相對的 Lf 從 50μm 遞減至 30μm，將這五種 Lj 尺寸對驅動電壓關係，做成如圖 4‐3(a) 所示，從圖可得知所有尺寸大約 54V 以下就能驅動，最小驅動電壓有量到 36V。
當 Wj 固定為 3μm，在其他參數相同情況下，所量得的五種 Lj 尺寸對驅動電壓的 關係如圖 4‐3(b)所示，從圖得知所有尺寸大約 52V 以下就能驅動，最小驅動電壓有量
100
92
84
78
70 75 80 85 90 95 100 105 110
65 70 75 80 85 90
電壓V
板長Lp(µm) 傳統SDA
到 4
4
4.
圖 4‐8 傳統 SDA 輸出力與板長關係圖
(Linderman and Bright, 2001 , Sensors and Actuators.)
圖 4‐9 操作電壓 100V 下傳統 SDA 輸出力與板長關係圖
LVSDA 輸出力在相同板長下，板長 Lp=80μm、板寬 W=65μm、厚度 t 與爪高 h 均 為 2μm，固定 Lj=20μm 與 Wj=6μm，當尺寸 Ls=10μm、Lf=50μm，電壓由 50V 每 10V 為單位增加至 120V，可畫出一條趨勢線，分別再增加 Ls=15μm、Lf=45μm 與 Ls=20μm、
Lf=40μm 兩種尺寸的趨勢線，得到三種尺寸輸出力與操作電壓關係圖如 4‐10(a)所示。
從量測結果發現 Ls 越短，即撓性接頭越靠近前爪，有較大的輸出力，且各個尺寸似乎 有較大輸出力在 60~70V 之間，而超過 100V 輸出力不再有大幅增減，趨於穩定值。
18.13
16.63
15.80
14.25
10 14 18 22
65 70 75 80 85 90
輸出力(μN)
板長Lp(μm) 電壓100V
為了想要了解 LVSDA 撓性接頭寬對輸出力的影響，因此將撓性接頭寬度 Wj 從 6μm 改為 3μm，其他尺寸皆不變，一樣可得電壓與輸出力關係圖如圖 4‐10(b)所示。其量測 結果與圖 4‐10(a)可得到相似的結論，Ls 位置越短即撓性接頭越靠近前爪，有較大的輸 出力，且各個尺寸似乎都有較大輸出力在 70V，而超過 100V 輸出力不再有大幅增減，
趨於穩定值。
(a)
(b) 圖 4‐10 三種尺寸輸出力與操作電壓圖 (a)Wj=6μm (b)Wj=3μm
接著將圖 4‐10(a)、(b)相同尺寸下，LVSDA 撓性接頭 Wj 分別為 6μm 與 3μm 做比較，
把此二條線各自會成圖表 4‐11(a)、(b)和(c)，發現撓性接頭 Wj=6μm 相較 Wj=3μm 有較
5 10 15 20
50 60 70 80 90 100 110 120
輸出力(µN)
電壓V
Ls=10µm Ls=15µm Ls=20µm
5 10 15 20
50 60 70 80 90 100 110 120
輸出力(µN)
電壓V
Ls=10µm Ls=15µm Ls=20µm
大輸出力，可說明當撓性接頭寬度越大能產生較大的輸出力。
(a)
(b)
(c) 圖 4‐11 撓性接頭寬度 Wj=6μm 與 3μm 輸出力與電壓關係圖 (a) Ls=10μm、Lf=50μm (b) Ls=15μm、Lf=45μm (c) Ls=20μm、Lf=40μm
5 10 15 20
50 60 70 80 90 100 110 120
輸出力(µN)
電壓V
Wj=6um Wj=3um
5 10 15 20
50 60 70 80 90 100 110 120
輸出力(µN)
電壓V
Wj=6um Wj=3um
5 10 15 20
50 60 70 80 90 100 110 120
輸出力(µN)
電壓V
Wj=6um Wj=3um
了解撓性接頭寬度對輸出力的影響後，接著探討撓性接頭長度對 LVSDA 輸出力的 影響，在此固定撓性接頭寬度 Wj=6μm，將原本撓性接頭 Lj 長度從 20μm 改成 15μm，
當尺寸 Ls=10μm、Lf=55μm，電壓由 50V 每 10V 為單位增加至 120V，可畫出一條趨勢 線，分別再增加 Ls=15μm、Lf=50μm 與 Ls=20μm、Lf=45μm 兩種尺寸的趨勢線，一樣得 到三種尺寸輸出力與電壓關係如圖 4‐12 所示，從圖也可看出 Ls 越短即撓性接頭越靠 近前爪，有較大的輸出力。所以從 4‐10(a)、(b)與 4‐12 這三張圖，皆可證實 LVSDA 若 想要較大的輸出力，可將撓性接頭往前爪的位置靠近。
圖 4‐12 種尺寸輸出力與操作電壓圖
4.2.3 LVSDA 與傳統 SDA 性能比較
最後將 LVSDA 與傳統 SDA 性能做評比，針對 LVSDA 一組尺寸(圖 4‐10a)，板長 Lp=80μm、板寬 W=65μm、厚度 t 與爪高 h 均為 2μm，固定 Lj=20μm 與 Wj=6μm，與 傳統 SDA 板長為 80μm 做比較，如圖 4‐13 所示，可整理以下幾點結論：
1. 相同板長下(Lp=80 µm)，傳統 SDA 需要較大的驅動電壓，約 80V 以上；而 LVSDA 只
5 10 15 20
50 60 70 80 90 100 110 120
輸出力(µN)
電壓V
Ls=10µm Ls=15µm Ls=20µm
需要 50V 左右就能驅動。
2. 傳統 SDA 在 80V 以下無法提供輸出力，而 LVSDA 在 50~80V 範圍內即能提供輸出力。
3. 在同樣約 20 µN 的輸出力，傳統 SDA 需要電壓 110V；而對 LVSDA 只需要 70 V，即 可達到同等輸出力，就電壓需求來看降低將近 36 %。
4. 操作電壓約超過 95V，LVSDA 輸出力無法超越傳統 SDA，所以較佳應用範圍為 95V 以內。
圖 4‐13 LVSDA 與傳統 SDA 輸出力與電壓關係圖
4.3 量測誤差
1. 在元件實做上，由於黃光製程光罩的對準與電鍍製程厚度的控制等，造成尺寸上 的誤差。
2. 元件製造過程中，釋放元件時很容易造成沾黏，導致結構黏附在基板上。
5 10 15 20 25 30
40 60 80 100 120
輸出力(µN)
電壓V
Ls=10µm Ls=15µm Ls=20µm Lj=0µm
3. 施加操作電壓時，因靜電力的影響，彈簧容易被吸附底貼到基板上，導致彈簧拉 動不易，影響量測輸出力的準確性。
4. 長時間操作下，會有電荷累積的問題產生，影響結構性能。
5. 在實做元件時，結構沒釋放乾淨與後續量測造成表面的汙染，導致基板表面磨擦 力上升，影響 SDA 爬行距離。
6. LVSDA 的撓性接頭應力集中與磨耗的影響，都會影響 SDA 的效能。
在此希望能盡量避免這些問題產生，有問題的元件也盡量不去使用量測它，實驗 值也多量測幾次數據來做平均，來改善實驗所造成的誤差。
第五章 總結與未來規劃
5.1 總結
雖然抓爬式微致動器發展時間並不長，但由於精密的步進尺寸、微牛頓的輸出力 且製程簡易，使得 SDA 在微致動器中相當具有潛力、前景看好。就傳統 SDA 效能來看，
其輸出力隨著板長縮短而增加，但所需的驅動電壓上升，這與前人的文獻有相同的實 驗結果。在本論文重點提出新式低電壓驅動 SDA 的設計，經實驗證明能有效降低驅動 電壓，但輸出力未必會比傳統 SDA 來的好，對低電壓而言 95V 以下，相較傳統 SDA 有 較佳的輸出力，且傳統 SDA 在 50~80V 甚至還不能驅動，根本無法提供輸出力，因此 我們可得到較佳的使用範圍區域，約 50~95V 之間。
在實驗過程中，輸入電壓頻率也是影響 SDA 很重要的一項參數，目前文獻操作頻 率約在 100~10k 赫茲不等，在這裡我們使用 500Hz 的輸出頻率，頻率太低(約為幾十赫 茲以下)結構反應太慢，主板或摩擦樑無法持續貼底，與基板之間摩擦力不夠，很容易 就被彈簧給拉回原點，無法向前作動；頻率太高(約到達 50k 赫茲)結構反應快，SDA 有停在原地震動或是大弧度的扭曲的現象，這種扭曲震動會造成 SDA 元件的損傷，應 盡量避免。
5.2 近期改善工作
1. 建立 SDA 模擬並與實驗結果做比較，證實數據的準確性。
2. 改善光罩設計，加入 dimple 結構，防止彈簧元件黏底。
3. 在實做元件時，改善釋放元件試片的潔淨度。
5.3 未來工作
低驅動電壓 SDA 因為撓性接頭的設計，可降低摩擦板貼底反曲電壓，撓性接頭會 對 LVSDA 驅動電壓與輸出力等效能造成影響，在本論文已討論了一些尺寸設計對 LVSDA 效能的影響，但還有許多參數並尚未做討論，如板長的變化、頻率改變對 LVSDA 的影 響等，在未來可針對主板長度、撓性接頭位置、尺寸，甚至形狀做最佳設計；還有輸 入訊號頻率的變化明顯影響 SDA 效能，似乎有一個最佳的使用頻率範圍，在哪些頻率 範圍能使 SDA 發揮最佳的效能，在未來都將會對這些參數做探討。
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