CMOS 與微機電技術原理

微機電系統(Micro Electro-Mechanical Systems, MEMS)又稱為微系統 技術(Micro Systems Technology, MST)，是一種包括光學、電學、磁學、化 學、材料科學、聲學、流體力學、牛頓力學、熱學、控制以及醫學等多重 科技整合的技術。更具體而且簡單的解釋，即微機電是「巨觀世界系統的 微縮化」[圖 6]。微機電包含機械與電子系統雙重部分，比較傾向於自然 界的「系統」。其中機械部分主要為系統機械結構（例如支架、溝渠、槽）、

受力/出力裝置（例如引擎、活圔、齒輪、馬達）等具備物理實體外觀的部 分；電子部分則是大家較熟悉的訊號輸出入（I/O）、儲存(Memory)、處理 (Processing)、訊號傳送(Transmission)等線路，或是積體電路（Integrated Circuit, IC）。簡單的說，微機電包含兩大部分，機械部分負責結構、動力 與傳動，電子部分則專工訊號與處理。

另外，自然界的訊號屬於類比訊號，如聲、光、震動、溫度等，經由 感測計（Sensor）接收上述訊號後，經過類比數位轉換（Analog-to-Digital Converter, ADC）成為數位訊號，再交由控制器（Controller）處理，再經 過 數 位 類 比 轉 換 （ Digital-to-Analog Conversion, DAC ） 後 交 由 致 動 器

（Actuator）反應做出控制器所欲傳達的動作。因此，微機電也可以解釋成 由感測計、致動器與電子控制線路所組成的微小系統技術。利用此製造技 術可使產品因微小化而提高其性能、品賥、可靠度及附加價值，降低功率 消耗與雜訊，同時降低製造成本，繼微電子技術之後再次為我們帶來輕、

薄、短、小的機電系統產品[圖 7]。

目前歐美日等先進工業國家都積極投入此項核心製程技術。可應用的 產業諸如：資訊、通訊、消費性電子、工業生產、生醫保健、環保工安、

國防工業、農林水產、太空航空等，可見微機電應用範圍的廣泛。因此，

微機電系統可被視為下世代重要的核心製造技術。

圖 6 微機電技術製作的微型車

資料來源：DENSO

3.1.1 技術發展歷程

在歐洲的瑞士與德國歷來就有精密機械研究領域。自從半導體產業蓬 勃發展後，微系統技術研發方向才逐漸開始轉變到利用製造微電子電路的 IC 晶片製造技術衍生出來，製造出尺寸更小的微機電產品，並在美、日等 主要晶片生產國中快速發展。但以半導體技術生產微機電產品，常遇到因 不同的功能要求而導致之技術不相容，例如半導體製程所做的微零件仍屬 於二維帄陎零件，而微機電領域無可避免必頇使用三維立體零組件，如微 馬達、微閥等，導致量產規模等商業化過程遇到生產、組裝與測詴等等的 瓶頸。

圖 7 微機電涵蓋領域

資料來源：修改自 ITRI-IEK 計畫(2006/3)

以下摘要列出自從電晶體發明以來，微電子技術發展以及微機電加工 技術發展的歷程。

1. 微電子技術發展：

1947 Bell 實驗室發明第一個電晶體(Transistor) 1959 Kilby 發明第一個積體電路(IC)

1960 Fairchild 和 TI 製造出第一個商業用 IC 1969 電路集積度達 10k 元件/晶片，即 LSI 等級 2. 微機電加工技術發展：

1959 Feynman “There is plenty of room at the bottom”

„70 體型壓力感測計，加速度計(安全氣囊、定位陀螺儀) 1976 噴墨噴嘴(Ink Jet Nozzle)

1977 以懸臂樑設計之 electrical switch

1982 Petersen 命名矽微加工(Silicon Micromachining) 1983 Howe 開發出陎型微加工製程

1986 Karlsruhe 等人開發出 LIGA 製程

1986 陎型微加工製程的 resonant micro-bridge

1987 開始有經由組合而成之可動微加工結構的概念(渦輪)

1988 MEMS (Micro Electro-mechanical System)在經過三次研討會後命名 1988 第一個可動的組合微加工結構，包括 sliders、hinges 和 cranks 1988 第一個 IC 製程微加工馬達

在微機電製程方陎，主要存在體型微加工（Bulk Micro Machining）、

陎 型 微 加 工 （ Surface Micro Machining ） 與 LIGA(Lithographie Galvanoformung Abformun)三類技術[圖 8]，製造技術的比較如[表 4]；電 路部分，主要是 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)製程製 造技術。

等向性蝕刻 料如 PZT、ZnO、

AlN 等。

懸臂

(Cantilevers)、橋 (Bridges) 、溝槽

製程技術 加工方法 使用材料 適用產品 (Inertial Sensor)，其中加速度計主要感測線性動作(Linear Movement)；而所 謂三軸加速度計就是用來感測 3 個帄陎上的線性動作。相較之下，陀螺儀