中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學

碩 士 論 文

題目：微機電壓力感測器電路設計分析與測試

系所別：機械與航太工程研究所碩士班 學號姓名： M09008010 陳 俊 良 指導教授： 林君明 博 士

中華民國九十三年七月

摘要

本論文的目的是設計電路以實際測試微機電式製作之壓力感測器。該壓力感 測器之應變薄板上的壓阻應變規為惠斯登電橋式結構，當薄板兩邊承受壓力差時 可將此壓力差值轉成電壓訊號。惠斯登電橋電路輸出為差動電壓，可用儀表放大 器將訊號放大。使用類比數位轉換器，將儀表放大器輸出之類比訊號轉換成數位 訊號，以方便微處理器計算。最後再將微處理器計算出的值送至 LCD 顯示器顯示 量測值。設計電路時是要具有溫度補償的功能為優先，以增加感度及減少誤差。

這在血壓計方面之診斷應用特別重要。感測器的偏壓方式又分為固定電壓和固定 電流兩種，會產生不同的溫度係數。因感測器本身並無溫度補償功能，因此必須 以外加元件的方式做補償。實際量測係採用兩種廠商之微機電技術製作的壓力感 測器，一為DIP(Dual In line Package)封裝一為 COB(Chip On Board)，並作分析比 較，並探討兩者之溫度的效應，以及實際量測時所發生的問題。這些在本論文均 有描述。

Abstract

The purpose of this research is to design a circuit for silicon pressure sensors made by MEMS technology. The sensors are made by piezo-resistance elements in a form of Wheatstone bridge on a deformable membrane. The output voltage is

delivered when pressure difference exits on the two side of the silicon membrane. The differential voltage is amplified through an instrumentation amplifier and them fed to a A/D converter to become digital signal for the subsequent micro-controller

treatment. The circuit is designed to have temperature compensation function, so that the sensitivity and measurement error can be reduce. This is especially important to bless pressure measurement instrument. Two kind of bias circuits, constant voltage and constant current types, induce different temperature coefficients, and has i/o be compensate excecually. In real experiment, two types from two uendore comparison, one with DIP, the others with COB package. The temperature effects and others problems are compared and discussed in defails in the reports.

誌謝

首先要感謝的是指導教授林君明博士，由於老師的學識廣泛，使我有問題時 能夠得到適當的解惑，不論是在專業學識或是待人處世方面，都讓我獲益良多。

同時要感謝樺晶科技股份有限公司總經理謝正雄博士及協理李文岑先生，謝老師 及李協理在研究方面給予正確的研究方向，並教導我許多新的研究方法，使的本 論文得以順利完成。

感謝實驗室的同學凱迪、宗翰、凱驛、竣元、科謀、少琪、主力等在生活及 論文上的幫助。在兩年的研究生涯中，不論是學業的切磋或是生活上給予的鼓 勵，讓我在這兩年的研究生活過的多采多姿，留下美好的回憶。

最後將此論文獻於我的家人、女友及曾幫助我關心我的朋友，在求學的過程 裡給我的關懷與鼓勵，讓我在學業上能全心全意的學習與研究，使我能順利完成 學業。

目錄

頁次 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 誌謝 Ⅲ 目錄 Ⅳ~Ⅴ 圖目錄 Ⅵ~Ⅸ 表目錄 Ⅹ~ⅩⅠ

第一章 緒論 1

1-1 前言 1

1-2 研究動機 2

1-3 文獻回顧 2

1-4 壓力感測器市場及產業分析 3

第二章 壓力感測器所牽涉材料之機械性質及感測原理 9

2-1 半導體材料之機械性質 10

2-2 彈性變形 11

2-3 塑性變形 13

2-4 薄膜應力 16

2-5 微機電的製程技術 18

2-5-1 矽基微細加工技術 19

2-5-2 表面微細加工技術 21

2-5-3 基體微細加工技術 23

2-5-4 LIGA 技術 24

2-5-5 LIGA-like 技術 26

2-5-6 靜電陽極鍵合 27

2-6 製程技術比較 28

第三章 壓阻式壓力感測器原理 39

3-1 微壓力感測器原理 39

3-2 壓阻式壓力感測器原理 40

3-3 壓阻特性 41

3-4 矽的壓阻性質 43

3-5 惠斯登電橋電路 44

第四章 壓力感測器電路設計及分析 46

4-1 壓力感測器驅動方式及溫度係數 46

4-2 壓力感測器電路設計 51

4-2-1 定電流源 52

4-2-2 放大電路 53

4-2-3 取樣保持電路 56

4-2-4 數位類比轉換器 58

第五章 壓力感測器在不同溫度不同壓力下量測結果 60

5-1 壓力感測器量測設備及環境設定簡介 63

5-2 DIP 封裝方式之壓力感測器量測結果 65

5-3 COB 封裝方式之壓力感測器量測結果 75

5-4 壓力感測器與溫度曲線擬合的關係 83

第六章 結論及未來展望 85

6-1 量測結果分析與結論 88

6-2 未來展望 90

參考文獻 93

圖目錄

頁次

圖 2-1 物體受拉伸應力後所產生的形變情形 12

圖 2-2 物體受剪應力後所發生的形變情形 13

圖 2-3 物體受力後進行形變的應力-應變曲線 13

圖 2-4 (a)與(b)顯示物體因剪應力的作用而在物體內產生邊際差排的情形 (c)邊際差排因剪應力所產生的位移現象 15

圖 2-5 因薄膜與底材間的熱膨脹係數不同，所以當薄膜由高溫降至低溫後， 底材將因薄膜與底材間所衍生的熱應力而發生彎曲的現象(b)為 Sub Film

α α

> ，而(c)為

α

_Film <

α

_Sub所產生的情形 17

圖 2-6 等向性化學蝕刻 20

圖 2-7 單晶矽的非等向性蝕刻 20

圖 2-8 犧牲層示意圖 21

圖 2-9 表面微細加工流程圖 22

圖 2-10 應用表面微細加工的微結構 22

圖 2-11 利用表面微細加工技術製作的壓力感測元件 23

圖 2-12 基體微細加工流程圖 23

圖 2-13 利用基體微細加工的微結構 24

圖 2-14 利用基體微細加工技術製作的壓力感測元件 24

圖 2-15 LIGA 製程流程圖 25

圖 2-16 德國 IMM 製作的微結構從中能看出使用 LIGA 技術所得到的結構 不但有極佳的深寬比在於表面上也相當的平滑 25

圖 2-17 陽極靜電鍵合示意圖 27

圖 2-18 基體微細加工之壓力感測器晶片剖面結構 29

圖 2-19 SOI 壓力感測器晶片之剖面結構 30

圖 2-20 美國專利公告號第 6,038,928 號之感測元件結構 31

圖 2-21 表面具有 N 型磊晶層之 P 型(100)晶片 33

圖 2-22 經習用半導體製程後，於磊晶層上具有壓阻感測元、連線及護層等 之結構 33

圖 2-23 利用深蝕刻術，在元件表面特定部分，鑿洞並貫穿至 N 型磊晶層， 下方之 P 型基座部 34

圖 2-24 利用「電化學蝕刻抑止技術」，使蝕刻液經這些洞口，將洞底之 P 型矽材去除 34

圖 2-25 在表面，以旋轉塗佈方式（spin on），覆蓋感光性 polyimide 厚膜， 並利用光阻術，去除元件線墊部之 polyimide 35

圖 2-26 將晶片背面研磨至錐形腔底之尖端，而最後在晶背形成一通氣孔， 提供測量壓力差（gauge pressure）之用途 35

圖 2-27 對 N 型磊晶層之表面進行深蝕刻製程所形成的深孔 36

圖 2-28 遠離洞口存在的區域之應力分佈 37

圖 3-1 壓力感測系統簡易架構圖 39

圖 3-2 壓阻式壓力感測器主要部分結構 40

圖 3-3 輸入壓力轉換輸出電壓 40

圖 3-4 惠斯登電橋 44

圖 3-5 壓力薄膜上壓電阻受上變形情況：(a)表示薄膜受壓力時邊緣表面都 呈現張應力；(b)表示左右兩側的電阻可等效為其縱向之壓應力 45

圖 4-1 定電壓驅動方式 47

圖 4-2 定電流驅動方式 48

圖 4-3 橋式電路圖 50

圖 4-4 定電流_脈波量測系統功能方塊圖 51

圖 4-5 定電壓_脈波量測系統功能方塊圖 51

圖 4-6 定電流_連續波量測系統功能方塊圖 52

圖 4-7 定電壓_連續波量測系統功能方塊圖 52

圖 4-8 定電流源示意圖 52

圖 4-9 定電流源及放大電路 54

圖 4-10 信號放大電路示意圖 55

圖 4-11 取樣保持電路 56

圖 4-12 定電流源、放大電路及取樣保持電路示意圖 57

圖 4-13 AD574 功能方塊圖 58

圖 4-14 脈波_定電流量測系統電路圖 59

圖 4-15 脈波_定電壓量測系統電路 60

圖 4-16 連續波_定電流量測系統電路圖 61

圖 4-17 連續波_定電壓量測系統電路圖 62

圖 5-1 Digital Pressure Indicator Druck DPI601 63

圖 5-2 恆溫加熱槽 64

圖 5-3 壓力感測器量測系統 64

圖 5-4 只有將壓力感測器放入恆溫加熱槽之量測示意圖 65

圖 5-5 全磊微機電壓力感測器外觀圖 66

圖 5-6 全磊微機電壓力感測器內部封裝打線圖 66

圖 5-7 以脈波_定電流電路測試全磊微機電壓力感測器各溫度時的 量測結果 68

圖 5-8 以脈波_定電流電路測試全磊微機電壓力感測器在不同溫度下， 相同的外加壓力時，所得到的量測結果 68

圖 5-9 以脈波_定電壓電路測試全磊微機電壓力感測器各溫度時的 量測結果 70

圖5-10 以脈波_定電壓電路測試全磊微機電壓力感測器在不同溫度下， 相同的外加壓力時，所得到的量測結果 70

圖5-11 以連續波_定電流電路測試全磊微機電壓力感測器各溫度時的 量測結果 72

圖5-12 以連續波_定電流電路測試全磊微機電壓力感測器在不同溫度下， 相同的外加壓力時，所得到的量測結果 72

圖5-13 以連續波_定電壓電路測試全磊微機電壓力感測器各溫度時的

量測結果 74 圖5-14 以連續波_定電壓電路測試全磊微機電壓力感測器在不同溫度下，

相同的外加壓力時，所得到的量測結果 74 圖5-15 矽微電子壓力感測器外觀圖 76 圖5-16 矽微電子壓力感測器內部封裝打線圖 76 圖5-17 以脈波_定電流電路測試矽微電子壓力感測器各溫度時的量測結果 77 圖5-18 以脈波_定電流電路測試矽微電子壓力感測器在不同溫度下，

相同的外加壓力時，所得到的量測結果 78 圖5-19 以脈波_定電壓電路測試矽微電子壓力感測器各溫度時的量測結果 79 圖5-20 以脈波_定電壓電路測試矽微電子壓力感測器在不同溫度下，

相同的外加壓力時，所得到的量測結果 79 圖 5-21 以連續波_定電流電路測試矽微電子壓力感測器各溫度時的量測結果 80 圖5-22 以連續波_定電流電路測試矽微電子壓力感測器在不同溫度下，

相同的外加壓力時，所得到的量測結果 81 圖5-23 以連續波_定電壓電路測試矽微電子壓力感測器各溫度時的量測結果 82 圖5-24 以連續波_定電壓電路測試矽微電子壓力感測器在不同溫度下，

相同的外加壓力時，所得到的量測結果 82 圖5-25 以壓力的觀點來看 n=1 時全磊微機電壓力感測器曲線擬合的誤差 85 圖5-26 以溫度的觀點來看 n=1 時全磊微機電壓力感測器曲線擬合的誤差 85 圖5-27 以壓力的觀點來看 n=1 時矽微電子壓力感測器曲線擬合的誤差 86 圖5-28 以溫度的觀點來看 n=1 時矽微電子壓力感測器曲線擬合的誤差 87 圖6-1 壓力感測器靈敏度與溫度的關係 89 圖6-2 IEEE 1451 智慧型感測器硬體介面模組及網路連線匹配處理器

架構示意圖 92

表目錄

頁次

表1-1 微機電系統(MEMS)市場 5

表1-2 全世界壓力感測器市場產值估計（1992~1997 年） 5

表1-3 壓力感測器產品型態之市場區隔比率(%) 5

表1-4 壓力感測器市場之地區分佈（1992~1997 年） 6

表1-5 壓力感測器應用領域的市場產值比率分佈（1992~1997 年） 6

表1-6 主要壓力感測器公司與產品型態 8

表2-1 壓力感測器所牽涉之機械性質 10

表2-2 微機電領域的各種製程技術 19

表 2-3 LIGA 與 UV-LIGA 製程的比較 26

表2-4 各種製程技術的比較 28

表2-5 微壓力感測元件之感度比較對照表 37

表3-1 當作應變規材料之 Gauge Factor 42

表3-2 在室溫中的壓阻係數值 43

表5-1 全磊微機電壓力感測器規格表 65

表5-2 全磊微機電壓力感測器使用脈波_定電流量測電路在不同溫度 及壓力下量測結果 67

表5-3 全磊微機電壓力感測器使用脈波_定電壓量測電路在不同溫度 及壓力下量測結果 69

表5-4 全磊微機電壓力感測器使用連續波_定電流量測電路在不同溫度 及壓力下量測結果 71

表5-5 全磊微機電壓力感測器使用連續波_定電壓量測電路在不同溫度 及壓力下量測結果 73

表5-6 矽微電子壓力感測器規格表 75

表5-7 矽微電子壓力感測器使用脈波_定電流量測電路在不同溫度 及壓力下量測結果 77

表5-8 矽微電子壓力感測器使用脈波_定電壓量測電路在不同溫度 及壓力下量測結果 78

表5-9 矽微電子壓力感測器使用連續波_定電流量測電路在不同溫度

及壓力下量測結果 80 表5-10 矽微電子壓力感測器使用連續波_定電壓量測電路在不同溫度

及壓力下量測結果 81 表5-11 以曲線擬合方程式與實際量測值比較所得到的誤差百分比

(全磊微機電壓力感測器使用脈波_定電流量測電路) 84 表5-12 以曲線擬合方程式與實際量測值比較所得到的誤差百分比

(矽微電子壓力感測器使用脈波_定電流量測電路) 86 表6-1 以一階線性迴歸方程式計算出其它溫度相對於 30℃的誤差 88 表6-2 全磊微機電及矽微電子使用不同量測電路所產生的溫度係數 88

第一章 緒論

1-1 前言

自於矽本身的一些機械，或是電方面的特性，再加上近年來矽在微加工技術 上的發展成熟，使它在微小、精準的需求下更為適合，所以也是一般在製造微感 測器時的絕佳材料。感測器通常都是將所欲量測的物理量，或物理訊號，經由感 測元件的轉換，而成電子訊號(如電壓、電流)。以便換算出所欲量測的物理量。

現代民生工業之市場需求為輕、薄、短、小，已儼然成為產品研發製造的趨 勢。微機電產品，將成為未來產業最具潛力之指標。MEMS 技術可分為面型微 機械加工(Surface micromachining)，和體型微機械加工(Bulk micromachining)、

LIGA 製程、接合技術(Bonding technology)，及微放電加工技術等。MEMS 本身 就具備了半導體製程可徽小化、批量製造、低材料成本，及易於創造高附加價值 籌優點。除此之外，微小化之元件具備有高精確度，高響應速度籌良好性能。

目前在 MEMS 的研究，主要為感測器(Microsensor)、微致動器 (Microactuator)、微結構(Microstructure)元件等，三大領域裡。

微感測器是一種具有感測器特性的微元件。它是將外界物理，或化學的狀態 量(如熱、磁、光、及壓力等)，轉換成電壓或電流等，容易控制與處理的訊號。

微感測器利用MEMS 製程，除了具有傳統感測元件的功能外，甚至對於傳統感 測元件所無法達到的感測功能，都可藉微小化而達到。目前的研究趨勢漸漸將微 感測元件，與微電子電路，整合在同一晶片裡，以減少雜訊干擾、增加速度、減 少體積等。已有許多微感測器利用MEMS 製程技術來製作，如壓力感測器 (Pressure sensor)、加速度計(Accerometer)、紅外線感測器(IR sensor)、溫度感測 器(Temperature sensor)、氣體感測器(Gas Sensor)、生化感測器(Biosensor)、及流 量感測器(Flow sensor)等等。

微機電技術(MEMS)的成熟發展，具備精密化與微小化的產品特色，且能整 合目前炙手可熱的半導體產業。另一方面，對於元件結構與電子電路的整合構 裝，也提供了各式各樣的製程方式，不論是體型微細加工法(bulk micromachining) 或表面微細加工法(Surface micromachining)，都能提供給製造者成本上合適的選 擇。

微系統將會有助於智慧控制方法的進步，而其它特色為物美價廉，體積小，

與低能源消耗。微細元件產品，將具有極大的經濟競爭力，它們也會由於高度的 體積化，而性能更為可靠。其中在醫學技術、環境與生物科技、汽車科技等範圍 內，將會有大量的應用與發展。

1-2 研究動機

微機電系統的發展，已漸漸從元件的設計製造，到與電子電路整合在ㄧ起的 趨勢，也赋與元件高智能化。因此現今的發展趨勢，衍生出一新名詞，即為智慧 型微系統(Intelligent Microsystems)。如可利用 MEMS 技術，來製作矽質壓力感測 器，可大幅價低成本、更加微小化，更具競爭性、衍生周邊新產品的機會，進而 可轉進工業、醫療應用等新領域。

本研究之主要目的，即在設計壓力感測器感測電路。在壓力感測器有溫度補 償的功能下，研究如何將溫度係數所造成的誤差降至最小。實際量測即是以雙排 引線式 封裝方式的壓力感測器，及 PCB 板上的直接構裝(COB，Chip-On-Board) 封裝方式的壓力感測器，探討其差異性。將量測結果加以分析，以求出壓力與溫 度的關係，並以方程式表示。以供後續在設計溫度補償時做一參考，以便將壓力 感測元件，及電子電路整合在一起，形成一單晶片系統SOC(System on a chip)，

進而提昇產品的價值及競爭力。

1-3 文獻回顧

傳統壓力感測器結構設計方面之研究，主要可分為壓阻式【1-3】、壓電式

【4-7】與電容式【8-9】。

1970年代應用微機電製程技術(MEMS)，製作出了第一代以體型微細加工 (Bulk-micromachining)方式，所製作的壓力感測器。故壓力感測器，成了最早以 微製程技術加工矽，所製造出的產品之一【10】。

1980年代出現了以面型微細加工技術(Surface micromaching)【11】，製作壓 力感測器。此面型加工壓力感測器，與體型加工壓力感測器的不同處，是面型加 工建立了一個薄膜，在薄膜之下，是一個密閉式的凹槽(Cavities)，它一般是以濕 式蝕刻方式去處理。

1990年G. S. Chung等人利用矽為基材，二氧化矽當作蝕刻停止層【12】，其 壓力感測器設計為多層結構，以KOH將矽晶片背面蝕刻出薄膜，薄膜面積為360

×1140µm²的長方形，量測壓力範圍為0.04mV/V/mm Hg–700 mm Hg。

1991年S. Susumu等人利用面型微細加工技術，製作以矽為基材的壓力感測 器【13】。其薄膜是採用氮化矽為材質，尺寸為80µm×80µm×1.6µm，並以摻雜 硼3×10¹⁵ cm^-2 的多晶矽作為應變規，靈敏度大約為10µV/V/kPa。

1997年J. Fukang等人製作出可彎曲式的剪應力感測器【14】它是以蝕刻製程 將每個感測器單元中間的矽吃穿，並以高分子Polyimide材質，黏著在感測器的 上下層，而成為可彎曲式的感測器。薄膜面積為200×200µm²，單一感測器面積 為250×250µm²。

1998年E. K. Vesten等人，利用表面微細加工技術，製作壓力感測器【15】。

它是以多晶矽作為薄膜材質，面積為103×103µm²，並以摻雜硼的多晶矽為壓阻，

整個晶片大小為100×150×1300µm，靈敏度為2.0µV/V/mm Hg，應用於血壓的量 測。

1-4 壓力感測器的市場與產業發展

根據Sensor Expo '96 Proceeding之資料，Dr. Janusz Bryzek保守估計，微機電 系統(MEMS)技術，製作之壓力感測器市場，在1995年達10億美元，到2005年可 達25億美元，如表1-1所示【16】。另外，Frost & Sullivan, Inc.於1994年所發表的 市場調查結果顯示，1992年到1997年全世界壓力感測器市場大小，如表1-2所示。

1992年間，全世界壓力感測器（含所有種類）市場約為22億美元，1992年到1997 年間之市場平均成長率，約為每年12.5%左右。壓力感測器中，各種不同形態之 壓力感測器市場分佈情況，如表1-3所示。儘管整個壓力感測器市場是以每年 12.5% 的比例成長，但是除了固態壓力感測器（或稱矽微細加工壓力感測器）以 外，所有其他型態之壓力感測器，都面臨了在整個市場中整體佔有率，逐年下降 的問題。固態壓力感測器市場逐年增加，且佔有率居半以上的主要原因，是固態 壓力感測器的日漸風行，並且能較其它傳統的壓力感測器，以更低的成本，提供 更好的性能，與量測的精度。固態壓力感測器在1992年，約佔有整個市場的42%，

且比率值是逐年上升。在1995年佔52%，約為15億美元（與Bryzek預估的相當接 近）。預估在1997年約可有58%的佔有率，年平均成長率達20%。世界市場持續 擴張的原因，據信是由於東歐市場之開放，南美洲、亞洲國家之進一步工業化，

與美國產業界近年來，自動化生產之潮流所帶來的結果。國內之壓力感測器市 場，在1992~1993 年進出口統計值約為10億元台幣，約為全世界市場值之1%左 右，與整個電子業在世界市場產值的大小比例相當；而年平均成長率則遠高於世 界平均，達每年20%左右，也顯示國內產業界之升級，和自動化生產導向，所產 生之殷切需求。

表1-1 各種微機電系統(MEMS)市場比較表(單位：億美元) 應用 1995 年 2005 年

壓力感測器 1.0 2.5

慣性感測器 0.4 0.8

流體控制 0.01 0.1 記錄媒體 N/A_ 1.0

顯示器 N/A_ 1.0 生化感測器 N/A_ 0.2

資訊 0.01 1.0 其他 0.03 0.1 MEMS 總市場 1.45 6.7

資料來源：J.Bryzek, Intelligent Microsensor Technology, Oct. 1996

表1-2 全世界壓力感測器各年度市場產值及成長率估計值（1992~1997年）

年份 產值(億美元) 成長率(%)

1992 22 10.6

1993 24 11.2

1994 27 11.9

1995 30 12.6

1996 34 13.1

1997 39 13.6

平均成長~12.5%

資料來源："Sensor Marker" 94" Frost & Sullivan, Inc.

表1-3 壓力感測器產品型態之市場區隔比率(%) 年份 巴登管

(BT)

真空壓力

計 電子式 液體式 重量張力

式 固態式 壓電式 電位計 式

LVDT 式 1992 13.3 17.0 11.5 2.7 3.4 42.5 3.0 2.3 3.3 1993 12.4 14.3 11.1 2.6 3.2 45.4 2.9 2.1 3.1 1994 11.6 15.5 10.6 2.4 3.0 48.6 2.7 2.0 2.9 1995 10.7 14.6 10.0 2.3 2.7 51.9 2.6 1.8 2.7 1996 9.8 13.7 9.4 2.1 2.5 55.2 2.4 1.6 2.5 1997 9.0 12.8 8.7 2.0 2.3 58.5 2.3 1.5 2.3

世界壓力感測市場的地理分佈，如表1-4所示。以美國為主的北美地區，占 有全世界市場的50%以上，歐洲和世界其他地區則分占1/4~1/5。現有壓力感測器 的主要應用領域分佈，如表1-5所示。石油／化學工業佔了26%，航太／軍事佔 18%，運輸／汽車佔13%。在各應用領域，壓力感測器之封裝方式及價格都有相 當大的差別。石油／化學工業、航太／軍事及其他製程工業用之壓力感測器佔有 絕大部分， 是因其高單價之壓力傳感器(Transducers)或傳送器(Transmitters)所致

（高者達上千美元）。相反的，汽車及生醫／保健等民生用品，要求單價低（低 者＜2美元），雖然量大，但產值相對卻佔較少部分。

表1-4 壓力感測器各年度市場之地區分佈（1992~1997年）對照表 年份 北美(%) 歐洲(%) 世界其它地區(%)

1992 53.4 25.4 21.2 1994 54 24.8 21.2 1995 54.4 24.5 21.1 1997 55.1 23.9 21

資料來源："Sensor Marker" 94" Frost & Sullivan, Inc.

表1-5 壓力感測器各種應用領域市場產值分佈比率（1992~1997年）的對照表 應用領域 市場產值(%)

石油/化學 26 航太/軍事 18 運輸/汽車 13

工業運用 11

能源/環保 10

生醫/保健 6

教育/研究 1

其它製程工業 15

資料來源："Sensor Marker" 94" Frost & Sullivan, Inc.

大部分壓力感測器製造廠，只專長於一~二種產品市場。理由很簡單，因不 同型態之壓力感測器，是基於不同的技術，而這一行的研發代價相當高。壓力感 測器之應用廣泛，單項產品市場之競爭性就已相當高，不要說具數種型態產品之 廠家。因此，只有少數幾家大公司，如Rosemount、Foxboro與Honeywell，在數 種型態產品之壓力感測器上競爭。因而，壓力感測器產業的一個主要特徵，是呈 現高度分割的狀況，大部分的感測器供應商，年營業額均小於2500萬美元，是屬 於中小企業形態為主的產業，和台灣電子業的產業形態相當類似。表1-6為1992 年，世界上主要壓力感測器公司與其產品型態對照表。矽微細加工壓力感測器之 主要廠家，除了表1-6的以外，主要有：Delphi（原為Delco）、Endevco、Fujikura、

Hitachi、IC Sensors、Kulite、Motorola、NEC、Nippon Denso、Nova Sensor、

Schlumberger、Sensym、Silicon Microstructures及Spectramed。其中，某些廠家專 門供應汽車工業使用。

在技術上，市場也明顯分割成兩個主要部分，一個是以做處理器、電子技術 和微細加工技術產品為主的高科技公司。另一個則是以傳統、較地區性、機械式 壓力感測器技術產品為主。高科技產品之製造商，通常亦為半導體，製程控制，

或儀器製造商。而低科技產品之市場，則由區域性製造商組成，供應一些利基及 特殊感測元件，且與客戶之關係密切。壓力感測器接觸之環境，將隨製造與製程 控制工業之自動化，而變得更為複雜。不但壓力感測元件技術，與電子有密切關 係，而且它操作的環境也變得複雜。製程控制系統，電子、電腦以及其它控制儀 器結合在一起，來改善製程使之最佳化，達到更高品質，減低廢品，改善安全，

以及達到法規之要求。這些發展，將同時是壓力感測器製造商的障礙與機會。未 來市場趨勢是以顧客應用導向、彈性生產、可迅速反應市場需求之產品技術為 主。感測器技術與感測環境，因自動化需要而增加其複雜性。加上世界市場之全 球化趨勢，可以預見的是，市場競爭將會更加激烈化，新生產者進入的障礙將更 高。另外，一些較小區域型，及特定國家型之公司，轉移至國際市場，也使得壓 力感測器市場，更具競爭性。許多歐洲及亞洲公司，很想進入北美市場，而北美

之許多公司，也想滲入歐洲及亞洲市場。成功的業者最重要的是要考慮客戶的需 求。業者之產品與技術兩者，皆需有足夠的廣泛性，以因應客戶之需要。成功的 業者還需有學習客戶的需要，處理新法規的衝擊，新技術的應用以及找出潛在問 題的能力。

表1-6 主要壓力感測器公司與產品型態對照表

公司 矽微細加

工式

光纖 式

巴登 管

真空壓 力計

電子 式

重量張 力式

壓電 式

電位 計式

LVDT 式

氣壓 式 Allen-Bradley ◆

Delco ◆

Dresser ◆

Druck ◆

Baton ◆ ◆

Foxboro-ICT ◆

Graville-Phillips ◆ Honeywell

Micro Switch ◆ ◆ ◆

Kavlico ◆ ◆

MKS ◆

Omron ◆

PCB

Piezotronics ◆

Pressure

Systems ◆ ◆

Rasemount ◆

Salter ◆

Sctra ◆

Sick-Optic ◆

Siemens ◆ ◆

Transicoil ◆

Wika ◆

資料來源："Sensor Marker" 95" Frost & Sullivan, Inc.

本文各章節的安排如下：

第一章為緒論、簡介本研究的動機及方法

第二章為壓力感測器材料機械性質及微機電製程技術 第三章為壓力感測器原理及壓阻特性簡介

第四章為壓力感測器量測電路設計及分析

第五章為壓力感測器在不同溫度不同壓力下量測結果 第六章為結論及未來展望

第二章 壓力感測器材料之機械性質及製程技術

2-1 半導體材料之機械性質

在介紹壓力感測器之前，要先討論一下半導體感測器材料之機械性質，如表 2-1 所示。其中包含屈服應力(Yield strength)、硬度(Knoop hardness)、楊氏係數 (Young’s modulus)、密度(Density)、熱傳導係數(Thermal conductivity)，與熱膨脹 係數(Thermal expansion coefficient)。我們可以試以單晶矽(Silicon)為標準，和其 他材料進行比較，可知單晶矽的機械強度、導熱性均屬優良。

表2-1 壓力感測器所牽涉之機械性質

Material

Yield strength (10⁹N/m²)

Knoop hardness (kg/mm3)

Young's modulus

(GPa)

Density (g/cm³)

Thermal conductivity

(W/cm/K)

Thermal expansion coefficient (10⁶/K)

Diamond 53 7,000 1,035 3.5 20 1

SiC 21 2,480 700 3.2 3.5 3.3

Al2O3 15.4 2,100 530 4 0.5 5.4

Si3N4 14 3,486 385 3.1 0.19 0.8

Iron 12.6 400 196 7.8 0.803 12

SiO2 8.4 820 73 2.5 0.014 0.55 Si 7 850 190 2.3 1.57 2.33 Steel

(Max strength)

4.2 1,500 210 7.9 0.97 12

W 4 485 410 19.3 1.78 4.5

Stainless

steel 2.1 660 200 7.9 0.329 17.3

Al 0.17 130 70 2.7 2.36 25

FR4 epoxy

glass

N/A N/A 34 1.9 0.0023 15.8

在材料力學上，對固態物體所施與的外力，或其本身所承受的內力，稱作應 力(Stress)。而固態物體因受應力，而在外形上所產生的形變，則稱為應變(Strain)。

物體因受外力所產生的形變，基本上可分為永久性的，與非永久性的形變。前者 在材料工程上，通稱為塑性(Plastic)形變，而後者則稱為彈性(Elastic)形變【17】。

半導體元件是由數層厚度不等，且材質互異的薄膜所構成的。因為每一層薄 膜從成長(或沈積)開始，到元件完成之間，將在製程中經歷許多不同的環境。這 些過程，會使得元件裏的每一層薄膜，所承受的機械應力發生變化。為了防止這 些薄膜因累積過多的應力，而產生永久的機械性破壞(如薄膜剝離或龜裂)，元件 裏各層薄膜間，在應力分佈上的控制，便非常的重要，以避免製程的良率(Yield) 受到影響。

2-2 彈性變形

物體受應力將產生程度不同的形變，並使物體的外形跟著產生變化。如果物 體在所承受的應力消失之後。其外形可以恢復到未受力前的尺寸與形狀，這種形 變，便稱為彈性形變。也就是說，這時物體因應力所產生的形變，是可逆式的 (Reversible)。

一般來說，所有自然界的固體物質受外應力之後，都會經歷這種彈性的形 變。進行彈性形變的物體，其應變與應力之間的關係，是呈線性的，而可以表示 為

ε

σ

_s =

E

_y⋅

(2-1)

其中

σ

_s為應力，ε 為應變，而

E 則為一個常數，又稱為楊氏係數(Young's

_y Module)。這個常數屬於材料本身的一個性質，基本上，當物體原子間的鍵結愈 強，這個代表材料特性的楊氏係數也就愈大。而(2-1)式，就是我們已耳熟能詳的 虎克定律(Hook’s Law)。

當我們對固態物質的任何一個方向施以應力，不論是屬於拉伸或是擠壓，都

會對物體在非受力的方向造成影響。假如我們對一個均勻的立方物體施以應力，

物體受應力後，在非受力方向所衍生的應變

ε

_y，與受力方向所產生的應變

ε

_x， 兩者的比值，將是一個常數，且該常數稱為泊松比(Poisson’s Ratio)，一般以

v

表 示如下式:

x

v

y

ε

−

ε

=

(2-2) 其中(2-6)式裏的負號，是因為受力方向所產生的應變，與非受力方向所衍生的應 變的情形相反所致。譬如，如果物體在x 方向上受拉伸應力，

ε

_x>0，則物體在 y 方向上所衍生的應變

ε

_y將小於0，即發生類似擠壓的情形，如圖 2-1 所示，以維 持泊松比值為一正值，通常

v

的大小約在0.25 到 0.5 之間。

圖2-1 物體受拉伸應力後所產生的形變情形

物體所受的外應力，除了有拉伸及擠壓等兩種之外，亦可能承受剪應力 (Shear Stress)的作用。剪應力是當施加於物體的兩個平行的應力，並不作用在同 一條直線上時所發生的，如圖2-2。而物體因剪應力所產生的形變，則稱為剪應 變(Shear Strain)，並以

γ

表示。其中剪應力與剪應變在彈性形變區間內的關係亦 為線性的，且可以表示為

γ

τ

=

G

_s⋅ (2-3)

其中τ 為剪應力，

G 為類似

_s

E 的一個係數，稱為剪常數(Shear Module)。

_y

圖2-2 物體受剪應力後所發生的形變情形

2-3 塑性形變

由前一小節的介紹之後，我們可以清楚的了解，任何固體材料受到應力之 後，都會經歷彈性形變。當物體進行彈性形變時，讓物體持續加大應變，所須的 應力，必須不斷的增加，且所施加的應力則與應變呈線性的關係，可以表示為(2-1) 式。當所施加的應力消除後，應變將隨之消失(變為 0)，且物體也將恢復到原來 的尺寸與外觀。這便是虎克定律所告訴我們的結果。但是，如果所施加的應力大 到，使得應力無法在外力除去之後，跟著完全的消除，使物體尺寸與外觀，無法 復原而產生永久性的形變時，這種形變，便是所謂的塑性形變。

圖2-3 物體受力後產生形變的應力-應變曲線

圖2-3 顯示一個典型的應力對應變的曲線。物體因持續增加的應力，而先後經歷 了彈性及非彈性的形變。我們通常稱讓物體從彈性形變，轉變到塑性形變，所須 施加的臨界應力大小，為屈服硬度(Yield Strength)，如圖 2-3 的

σ

_y所示。而當物 體在進行塑性形變時，其應力與應變的關係，可以表示為

n

s

A ε

σ

= ⋅ (2-4) 其中A 與 n 均為一個與材料本身材質相關的常數。

讓物體因應力，而產生永久性形變的因素有很多，其中最主要的原因是因為產生 差排(Dislocation)。圖 2-4(a)與(b)顯示物體因剪應力的影響，而產生邊際差排的 情形。因為當外力消除之後，這些因應力所產生的差排並不曾消失，所以類示圖 2-4(b)因應力所產生的應變也就不曾復原，使物體發生永久性的形變，如圖 2-4(a) 與(b)的差別。如果物體在受力時，本身已有差排等缺陷在物體內，則所有施加 的外應力(當然必須高於

σ

_y)，除了會產生新的差排以外，還會使差排在物體內進 行移動，如圖2-4(c)，且在移動的過程中，讓差排的密度增加。

讓我們把圖2-3 與圖 2-4 的結果一起加以討論。當物體所受的外應力尚低於

σ

y，時，這時因為所施加的外力，尚無法有效的使物體內的缺陷(如差排)，發生 移動或增加，因此物體所進行的形變，將是一種彈性的形變。當外力消失後，物 體會恢復原來的外形，且這時的應力與應變關係，將符合虎克定律。圖2-3 的左 側直線的斜率，就是所謂的楊氏係數。但是，如果所施加的應力強度超過

σ

_y， 則類似圖2-4(b)與(c)的現象就會發生了。因為使差排(或缺陷)產生，或移動的動 作，屬於非可逆性(Irreversible)，所以這時的形變將屬於塑性的形變。當外力消 除後，物體的外觀將無法復原，而產生永久性的應變和形變。當物體在進行塑性 形變時，因為缺陷在材料裏的密度愈來愈高，我們通常必須施加更大的應力，才 足以讓物體持續進行，應變的拉伸或擠壓(但有例外)。所以在進行非彈性形變的 的初期，所施加的應力將隨著應變的增加而增強，且可以以(2-4)式來表示，直到

最後到達一個使塑性形變產生，所需的最大應力為止，這個應力，我們稱為 "

最終拉伸應力(Ultimate Tensile Stress)"，簡稱 UTS。當物體的應力-應變曲線通過 此點之後，因為物體己不再均勻受力，部份受應力較集中區域的應變將加速，如 圖2-3(Ⅱ)所示，使讓物體進行形變所需的應力往下降，直到最後材質發生斷裂 為止，如圖2-3(Ⅲ)。

圖2-4 (a)與(b)顯示物體因剪應力的作用，而在物體內產生邊際差排的情形，(c) 邊際差排因剪應力所產生的位移現象

物體受應力之後，從彈性形變，經非彈性形變，到最後發生斷裂為止，所改 變的總應變量，便稱為該物體的延展性(Ductility)。而整個應力-應變曲線，從彈 性形變到斷裂發生，所夾的曲線下面積，便是該物體的堅韌度(Toughness)。一般 而言，金屬材料的延展性比較好，且彈性形變的區間較大;而介電材料質

(Dielectrics)的屈服強度較高，但是彈性形變與塑性形變的區間都比較小，因此比 較容易發生斷裂(如果應力夠大的話)。

2-4 薄膜應力

從前幾節的內容裡，我們可以清楚的了解到。材質內的缺陷，與施加於物體 的外力，是兩個構成物體受應力的主要來源。前者稱為內應力(Intrinsic Stress);

而後者則稱為外應力(Extrinsic Stress)。這個情形亦發生在構成半導體的薄膜 (Thin Film)上。基本上，我們可以用(2-5)式，表示薄膜所承受的總應力

σ

_s。其中 σ 與I σ ，分別代表薄膜所受的內應力與外應力。其中內應力的來源計有外來的_E 雜質，及物體本身所具有的各種缺陷;而外應力則大都來自薄膜，與其他材質問 的附著情形，如彼此不盡相同的晶格參數(Lattice Parameter)。至於

σ

_Th，則是因 為熱效應所產生的熱應力。主要的來源是不同物體間受熱後"熱膨脹係數

(Thermal Expansion Coefficient)"的差異所致。

Th E I

s

σ σ σ

σ

= + + (2-5) 熱應力是半導體薄膜最主要的應力來源，主要的原因是來自不同材料，對受 熱或冷卻後，所進行的膨脹與縮小程度不同所致。讓我們以一個例子來加以說 明，如果我們在一個理想的底材上進行薄膜沈積，如圖2-5(a)，薄膜是在一定的 沈積溫度下進行的。當沈積反應完畢，底材與薄膜的溫度，從沈積高溫降至室溫 之後，因為薄膜與底材的熱膨脹係數並不相同，兩者問的介面將產生熱應力叫

σ

Th。這個熱應力對薄膜的影響是這樣的:假如沈積薄膜的熱膨脹係數α 高於底 材，則冷卻後的底材外觀將如同圖2-5(b)所示，使薄膜承受在一個拉伸應力 (Tensile Stress)之下;反之，如果薄膜的α 低於底材，則冷卻後的整體外觀將如圖 2-5(c)所示，而薄膜所承受的將是擠壓應力(Compressive Stress)。這個因彼此熱膨 脹係數不同所產生的應力。其強度可以由(2-6)式來加以表示。

) ( _{Film Sub}

y

Th

E T α α

σ

= ⋅∆ ⋅ − (2-6)

圖2-5 因薄膜與底材間的熱膨脹係數不同，所以當薄膜由高溫降至低溫後，底 材將因薄膜與底材間，所產生的熱應力，而發生彎曲的現象。(b)為

Sub

Film

α

α

> ，而(c)為

α

_Film <

α

_Sub所產生的情形

其中

α

_Film與

α

_Sub分別為薄膜，與底材材質的熱膨脹係數， T∆ 為薄膜沈積溫度與 室溫之間的溫差，而

E 為薄膜的楊氏係數。

_y

使薄膜承受外應力(除了熱應力之外)的來源，主要有因為薄膜之間與底材間 晶格參數的差異，而在介面所造成的應力;及薄膜間因發生化學反應，而影響彼 此在介面的結構，與組成所產生的應力。除了這幾種情況之外，在半導體工業上，

還有一種因電場的作用而產生的應力，我們稱之為電致遷移(Electromigration)。

這種應力主要是發生在一些用來傳導電流的金屬材料，尤其是半導體元件最常使 用的鋁。當薄膜導線裡的原子在極高的電場下，譬如較高的傳導電流，金屬原子 會延著材質本身的晶粒邊界，往電子流動的方向移動，使得導線部份區域的原子 數量遞減，導線的截面縮小，終而導致整個導線的斷路(Open Circuit)。

基本上，不論是何種應力來源，這些應力都會對薄膜的外觀造成影響。譬如，

如果薄膜在晶片上的情況屬於圖2-5(b)，我們可以立刻知道該薄膜所承受的應力 型態為拉伸應力。也就是說，藉著薄膜與晶片的整個彎曲程度，我們可以計算出 薄膜所承受的總應力為多少。假如底材在沈積薄膜之前是絕對的平坦，而沈積之

後，底材因應力而產生彎曲約曲率半徑為R，則薄膜所承受的應力，可以表示為

) 1 (

1 6

2

v t

t R E

Film Sub Sub

s = ⋅ ⋅ −

σ

(2-7)

其中

E

_Sub為底材的楊氏係數，

t

_Sub及

t

_Film則分別是底材與薄膜的厚度。因此，我 們只要量得，底材經薄膜沈積後的厚度，及晶片的彎曲半徑，薄膜所受的應力便 可以被估算出來。

機械應力經常使薄膜累積過多的能量，而造成半導體元件的許多間題。以金 屬鋁的薄膜為例，如果薄膜所受的擠壓應力太高，薄膜的表面將產生許多的小凸 塊(Hillocks);若受太大的拉伸，則將產生許多的空隙(Voids)，或裂痕(Cracks)，這 些都會造成元件穩定性的問題。

因此，半導體薄膜所受的應力，都必須小心的加以控制，尤其是一些介電材 料。大體上來說，我們除了可以在薄膜沈積完後，藉適當的回火(Annealing)，來 調整薄膜所受的應力外，還可以在薄膜沈積時，藉適當的離子轟擊(Ion

Bombardment)，來控制它。

2-5 微機電的製程技術

要讓一個物件達到微米的範圍，要靠傳統的機械加工方式來製造，是非常困 難的。因此在於微機電領域裡，所需的製程微技術，大概可以分為三大類如表 2-2 所示。第一就是所謂應用半導體製程的矽基微加工技術，第二就是由德國首 先提出的LIGA 技術，第三是精密微機械加工，這種技術在日本相當的進步。【18】

表2-2 微機電領域的各種製程技術

2-5-1 矽基微細加工技術

蝕刻技術，顧名思義，就是利用侵蝕的方式，將欲加工的表面刻出想要有的 結構。而蝕刻液必須只能蝕刻一種材料，而不會和其他材料反應，所以需有選擇 性。而蝕刻大致上能分成兩種 :

(1) 化學濕蝕刻

濕蝕刻相當普遍地用在半導體製程，所需要製作的三維或表面的構造，只要 將欲蝕刻的物件，浸泡在選擇的蝕刻液中，蝕刻液就會溶掉欲移除的材料，而得 到想要的結構。

濕蝕刻可以分為等向性蝕刻，和非等向性蝕刻，這主要是要看選擇材料是單 晶還是複晶。假如選擇的材料是屬於複晶，則化學蝕刻總是等向性的。所謂的等 向性，就是在某點蝕刻的方向是不受限制的，如圖2-6。而若選擇的材料是屬於 單晶，在(110)的晶面上蝕刻的速率，會比垂直此面的蝕刻速率慢一百倍，因此 而侵蝕的方向，也就會沿著表面進行，也就是非等向性蝕刻，如圖2-7。

圖2-6 等向性化學蝕刻

圖2-7 單晶矽的非等向性蝕刻

在微機電中，常需要使用到濕蝕刻的技巧，比方說要在矽晶圓上，做出一個 溝或槽，則可以利用非等向性的蝕刻法。而在之後所談到的犧牲層技術，要侵蝕 掉犧牲層下的材料，也必須用到濕蝕刻，濕蝕刻可說是微機電中不可或缺的技術。

(2) 化學乾蝕刻

乾蝕刻比起濕蝕刻在於材料上的選擇，是自由許多的，幾乎都可以被使用在 微機電所包括的材料，也可以用在濕蝕刻難以使用的材料上，如鉑。乾蝕刻主要 是利用惰性氣體加速，去撞擊表面，讓基材表面上的原子鬆落，製造出細密的平 滑壁。

而乾蝕刻包含的技術有電漿蝕刻、反應性離于蝕刻(RIE)、濺散蝕刻、離子 束蝕刻等。目前比較熱門的應該是反應性離子蝕刻，主要是因為這種乾蝕刻，最 快速率能達到500nm/min，比起其他的方法快了許多。

2-5-2 表面微細加工技術

在微機電製程技術中為了能得到立體的結構，表面微細加工技術是建立在犧 牲層的蝕刻技術上，此技術可以做出我們所需的微結構的製作。在材料的選用方 面，犧牲層、結構層與保護層的材料需與蝕刻液作一配合。在考量上主要以結構 層的材料特性為主，然後再選犧牲層的材質。保護層的選用也與結構層一樣，只 是其材質的選用上不需考慮其材質特性，主要目的是在做保護功用，使其在保護 層下的結構不會被蝕刻液破壞。表面微細加工技術特有的一個優點，就是它的製 程和一般積體電路的製程是一致的，大部份都不需要再多加些額外的步驟。表面 微加工技術還可以製造出比體微加工技術還落的感測原件，因此一些電子介面、

電路的設計，都可以和質量塊整合在同一個晶片上面，不過如果感測元件太輕太 小時，便不利於我們獲得較良好的解析度，因此如何取捨就看設計以及需要而定。

圖2-8 犧牲層示意圖

以下只是其中一種懸臂的表面加工製造技術，不同的微結構，其製程就會有 所不同，但是在原理上是相同的。

圖2-9 表面微細加工流程圖

圖2-10 應用表面微細加工的微結構

圖2-11 利用表面微細加工技術製作的壓力感測元件

2-5-3 基體微細加工技術

基體微細加工係直接對矽晶本身作腐蝕加工，因為塑造立體結構之必要與效 率，通常採溼蝕刻法(wet etching)，蝕刻速度可達微米/每分鐘之等級。而溼蝕刻 又分為等向性(isotropic)與非等向性(anisotropic)兩種，前者如塩酸-硝酸-醋酸(水) 係腐蝕液，對矽晶各晶向蝕刻速率一致，適於營造圓洞、針尖等結構外形;後者 如氫氧化鉀、聯氨、乙二氨臨苯二酚腐蝕液，因在(111)、(110)、(100)等晶向之 腐蝕速率相差極大，故可飪刻出具特定交角之方槽、方台、倒金字塔、橫膜、或 質塊-懸臂等結構。在高溫爐管中所成長或沉積之二氧化矽與氮化矽材料，普遍 當作上述濕蝕刻之遮罩使用。

圖2-12 利用基體微細加工的微結構

圖2-13 基體微細加工流程圖

圖2-14 利用基體微細加工技術製作的壓力感測元件

2-5-4 LIGA 技術

LIGA 全名：Lithographie 光刻

Galvanoformung 電鍍鑄模 Abformung 模造成型

LIGA 製程使用同步輻射光 X 光來進行深光技術，這種光源具有波長短 (0.2~0.6nm)、繞射現象小、功率大、穿透力強等優點。以致微結構厚度可達到 1mm 以上，深寬比(high aspect ratio)能超過 100，表面粗糙度可達 0.03~0.05 m

µ

。 LIGA 的特性就是它可以製造出，深寬比是很大的 3D 立體原件。但缺點是 LIGA 製程所需的費用蠻高的，而且和標準的IC 製程也不太相容。

圖2-15 LIGA 製程流程圖

圖2-16 德國 IMM 製作的微結構，從中能看出使用 LIGA 技術所得到的結構，不 但有極佳的深寬比，在於表面上也相當的平滑。

2-5-5 LIGA-like 技術

在介紹完LIGA 製程之後．我們可以知道利用 LIGA 製程的技術，可以擁有 表面平滑，有高深寬比的微結構。但是由於同步輻射光源為一龐大且昂貴的設 備，非一般學術單位或私人機構能使用。而且在製作X-ray 的光罩時，不僅製程 相當的複雜，且需要極高的精度，在成本方面也相當的驚人。

因此，所謂的代替性光刻法就因而產生，其中包括了紫外光光刻技術(UV Photolithography)、準分子雷射微加工技術(Excimer Laser Micromachining)等。這

些代替性的光刻法，成本低於同步輻射X 光，然其精度也就從原本的次微米

(0.1 m

µ

)降低到微米(1 m

µ

)。但在一般微元件的應用上，其實根本不需要用到次 微米的精度，因此類似LIGA 技術，仍具有相當的發展潛力。

所謂的UV-LIGA 當然就是把原本的波長極短的同步輻射光 X 光，改為相對 於X-ray 波長較長的紫外光，當然不同的光源，光阻也會有所不同。在使用 UV 光刻所製造出的微結構，一樣擁有50 的深寬比。只是因為其需要軟烤加熱，表 面會有所膨脹，因此表面的粗糙度，以及線寬的大小都比較難控制，不過這種製 程成本上，比同步輻射光和準分子雷射都來的低。

表2-3 LIGA 與 UV-LIGA 製程諸之及性能的比較表

2-5-6 靜電陽極鍵合

矽晶與玻璃之陽極接合，是使用極為廣泛的技術，尤其在體型加工的商用壓 力計晶片製作上，已經是相當標準化的保護構裝法。其所需設備相當簡單，如圖 2-17 所示【19】，只要提供 300~500°C 的鍵合溫度 (視玻璃表面粗糙度與矽晶表 面絕緣層厚度而定)，以及 300~1000V(視玻璃厚度而定)的直流電壓差 (請注意圖 中電極的正負端極性)，即可工作。鍵合溫度用以推動玻璃中之鈉離子，是決定 鍵合與否的關鍵:溫度太低鍵合不會發生;太高則導致嚴重的熱脹冷縮的不匹配 (thermal mismatch)，接合冷卻後晶片會因此而翹曲 (warpage)。接合電壓係提供 拉近接合介面所需之靜電力，電壓太低許多位置會無法鍵合;太高則有發生電弧 放電，破壞矽晶片上元件之虞。

圖2-17 中墊在晶片底下之材質，由於必須兼顧導電、導熱與防氧化，選擇 必須謹慎，石墨是一個可接受的材質。為此，常將矽晶與玻璃事先緊貼，防止碳 粉塵進入其中。另外，玻璃上方之負電極，不見得要設計成針尖狀，或刻意加壓 頂住晶片，只需以電極自重，壓在晶片上即可，因為真正促使接合的接觸力量，

是來自靜電力。

圖2-17 陽極靜電鍵合示意圖

2-6 製程技術比較

將過前面的介紹，我們大致可以了解微機電的製作技術，表2-4 是各種微機 電製程之比較。

表2-4 各種微機電製程技術的比較

使用矽(Silicon)作為微型壓力感測器已有相當久的歷史。以種類來說又可以 分為壓阻式(piezoresistive)、壓電式(piezoelectric)及電容式(capacitive)等三種類 型，而壓阻式的使用最為廣泛。主要原因是製程容易、晶粒體積小，故業界可採 量產方式製作，所得之壓力計成本相當低廉，且可得出良好之輸出靈敏度。大部 分量產的壓阻式壓力感測器，都是使用基體微細加工技術。如圖2-18 所示，一 般的基體微細加工壓力計晶片的薄膜構型，都是由晶片背面近乎蝕穿晶片而得，

所以要犧牲掉許多{111}斜坡的晶片面積。以 4 吋晶片蝕刻深度 0.5mm 為例，若 是晶片正面之薄膜尺寸設計是0.4mm x 0.4mm，則晶片背面的蝕刻窗口至少需要 1.1mm x 1.1mm，再加上晶粒邊緣留下薄膜框架 (frame)，與金屬接點 (I/O pad) 至少各0.2mm。以及切割晶粒耗損的寬度 0.2mm，現有基體微細加工的壓力計

晶片，其最小的晶粒尺寸約略就是1.7mm x 1.7mm。

圖 2-18 基體微細加工之壓力感測器晶片剖面結構

以前並非沒有人想過如何縮小壓力計晶粒，MIT 等早已嘗試利用所謂 SOI (Silicon-On-Insulator)的技術，在佈植壓電阻與鋁質導線之前，先製備具有內藏式 壓力空穴的SOI 晶片，如圖 2-19 所示，其完全沒有{111}斜坡浪費晶片面積的缺 點，尺寸可以做的與面型加工一樣小;壓力薄膜若是 0.4mm x 0.4mm，整體晶粒 不管如何，也不曾超過1mm x 1mm。且由於利用矽晶直接鍵合，所以上方的壓 力薄膜是單晶矽，熱應力極小，性質穩定。MIT 當初的想法是大量製作廉價的 SOI 晶片，不僅縮小體型加工元件之尺寸，甚至就將 SOI 晶片當成起始的材料，

可以送入IC 晶圓廠 ，製作複雜的處理電路 ，完畢之後連後製程(post-process) 都不需要，高性能單一晶片式(monolithic)微機電元件 (如麥克風、助聽器)就已 經完成。

SOI 晶片後來沒有應用於微機電產品的原因，在於沒有人投資設立量產的 SOI 晶片廠，所以單價高達數百美金一片的 SOI wafer 與其製程，自然就乏人問 津!(不過自 2000 年起又有一些微機電的研發單位，再回過頭來試 SOI 材料。)

圖2-19 SOI 壓力感測器晶片之剖面結構

為改善此種矽材之浪費，以增加每晶圓(wafer)之產量，亦有利用正面塊體微 加工製作之結構，如美國專利公告號第6，038,928 號所述。

圖2-20 為美國專利公告號第 6，038,928 號之感測元件的結構。其製程步驟:

首先以習用之異方性蝕刻技術，在矽晶片上形成錐形腔體，再與具N 型磊晶層

之P 型晶片，以晶圓黏著技術合而為一。其後利用「電化學蝕刻抑止技術」

(Electro-Chemical-Etching-Stop Technique)，將磊晶一方之 P 型晶片底材，蝕刻去 除遺留N 型磊晶之薄板，而得一具有內部空腔之黏合晶圓。繼之，再依習用半 導體製程，製作壓阻感測元件及其金屬連線(未圖示)，得最後之壓力感測元結 構。為使錐形腔體與外部相通，在矽晶片背部再蝕刻出凹槽。此種正面塊體加工 形成所得晶粒之錐形腔體向下縮小，故感測元件周邊所需之支撐面積自然小許 多。

以例說明:若上述之薄板為正方形，每邊長為 400 m

µ

，晶圓之厚度亦為 400 m

µ

，而支撐之周邊所保留之寬度為250 m

µ

，則在傳統之背面開口元件之面 積，約大於正面開口元件265%。當然一晶圓所能產出的感測晶粒數目，亦會以 同比例降低。

雖然正面塊體加工，具有大為降低元件面積之好處，不過上述美國專利

6,038,928 之製作方法，卻必須實施昂貴之晶片黏合的製程，增加一倍之晶圓的 用量，以及執行兩次冗長之塊體蝕刻製程，不僅成本提高，且黏合產生之缺陷，

更會導致產率降低。尤有甚者，黏合後之晶圓，具有空腔結構，若再繼續進行壓 阻元件所需之高溫製程，將有相當多未可預知之製程難度。

圖2-20 美國專利公告號第 6,038,928 號之感測元件結構

因此思考如何製作尺寸小，低價位的壓力感測器晶片，以便大量使用於胎壓 計、血壓計、工業壓力表之感測部位，便是許多人努力研究的方向。本研究在參 與樺晶科技的合作計劃中，發現樺晶科技總經理謝正雄先生，於2001 年發明一 項名為”矽材壓力微感測元件及其製造方法”的專利【20】。此發明僅需單一晶片，

不須晶片黏合，而且錐形腔體之製作完全無製程上困難，並使所需之晶粒尺寸，

較習知方法元件加工者更小。以下將簡述此發明的製作方法，以供後人參考。

圖 2-21~圖 2-26 為矽材壓力微感測元件之製程例示。圖 2-21 為一表面具有 N 型磊晶層之 P 型(100)晶片；圖 2-22 為經習用半導體製程後，於磊晶層上具有 壓阻感測元、連線及護層等之結構。圖 2-23 為利用深蝕刻術，在元件表面特定 部分，鑿洞並貫穿至N 型磊晶層，下方之 P 型基座部；圖 2-24 利用「電化學蝕 刻抑止技術」，使蝕刻液經這些洞口，將洞底之P 型矽材去除。由於具異方性蝕 刻之特性，結果會形成以(111)晶面所構成之，倒金字塔形之角錐空腔體；圖 2-25 是在表面，以旋轉塗佈方式（spin on），覆蓋感光性 polyimide 厚膜，並利用光阻

術，去除元件線墊部之polyimide，以利未來之測試及打線用途。在 spin on 之過 程時，由於腔體內部含有空氣，以及 polyimide 之表面張力等因素，使塗佈之 polyimide 薄膜，不致下陷並漏失至細微的深洞下之腔體。此步驟由是可將多孔 之N 型薄板封閉，使板之上下兩方達氣密式隔離。必須提及者，上述 polyimide 之封覆材料僅為一例，亦可使用spin-on-glass（SOG）或矽膠（silicone）取代之。

在上述製程完成後，亦可將晶片背面研磨至錐形腔底之尖端，而最後在晶背形成 一通氣孔，提供測量壓力差（gauge pressure）之用途，如圖 2-26 所示者。

為了使如圖2-27 所示之錐形腔必然形成，而又能保留大部分之薄板，深洞 必須具有如下特性：1）洞必須是複數個且盡量小；2）洞口之排列足夠緊靠，使

在各洞口初生之小錐形槽（如圖虛線之部分），能彼此觸及而持續成長，擴大成

更大之錐形腔，直到形成外切於最外圍之洞口之最大單一錐形腔為止。此蝕刻擴 大之機制，乃是矽晶圓異方性蝕刻所習知之特性；3）複數洞之排列方向在（100）

晶片必須沿〈110〉之晶向，如圖 2-27 所示者，方能使蝕刻的錐形腔之各（111）

晶面彼此之間永遠呈現出鈍角，而可繼續地被蝕刻直到最大之錐形槽。此時此最 大錐形槽之（111）面間僅銳角存在，蝕刻因而被抑止。圖 2-27 為一例示結構。

其中複數洞之排列係由方形薄板之四角沿〈110〉方向對開成兩排，而中心點必 有一對稱之洞存在。

當薄板上開有許多個洞，而覆蓋其上並將之密封之polyimide 膜，又不具應 力支撐作用時，外在壓力所造成薄板應力之分佈，是否有重大影響，對此發明是 十分關鍵性的。我們可以模擬的應力分析瞭解此效應。圖 2-28 中顯示在遠離洞 口存在的區域之應力分佈，於圖 2-28 箭頭指出之薄板四個邊線之中間區，由洞 延伸之應力效果並不顯著。因此壓阻感測元應配置於此區域，而這些地點恰好與 於傳統元件的佈置相同。表2-5 為壓力感測元件、傳統背面塊體微加工感測元件 與美國專利6,038,928 中所提之微壓力感測元件之感度比較。在受到 1 Psi 均勻壓 力情況下，於壓阻位置的各應力大小。由應力的差異可知各元件之性能皆相當。

圖2-21 表面具有 N 型磊晶層之 P 型(100)晶片

圖2-22 經習用半導體製程後，於磊晶層上具有壓阻感測元、連線及護層等 之結構

1

2

1

2 3

4

圖2-23 利用深蝕刻術，在元件表面特定部分，鑿洞並貫穿至 N 型磊晶層，

下方之P 型基座部

圖2-24 利用「電化學蝕刻抑止技術」，使蝕刻液經這些洞口，將洞底之 P 型矽材去除

3 4 1

2

3 4 1

5

6 2

圖2-25 在表面，以旋轉塗佈方式（spin on），覆蓋感光性 polyimide 厚膜，

並利用光阻術，去除元件線墊部之polyimide

圖2-26 將晶片背面研磨至錐形腔底之尖端，而最後在晶背形成一通氣孔，

提供測量壓力差（gauge pressure）之用途 35

3 4 7 1

8

2 3 4 1

5 7

6

5

[符號說明]

1 N 型磊晶層 2 P 型(100)晶片 3 保護層

4 壓阻感測元 5 深孔

6 錐形腔體 7 薄膜 8 通氣孔

圖2-27 對 N 型磊晶層之表面進行深蝕刻製程所形成的深孔

圖2-28 遠離洞口存在的區域之應力分佈

表2-5 各種微壓力感測元件壓阻位置之感度比較對照表 壓阻位置 X 方向應力（MPa）

矽材壓力微感測元件 0.59

傳統背面塊體微加工感測元 0.74

美國專利公告號第6,038,928 號 0.64

由以上之說明可瞭解，此矽材壓力微感測元件之特殊製作方法及其結構，比 較目前之習用產品具有如下優點：

1. 利用正面塊體微加工製作，使成品之晶粒面積較習用元件，利用背面加工者，

更小。

2. 薄板錐形腔係以單一晶片形成，不需要兩晶片黏合，因之用材減少且製程減 化，因而大為降低成本。

3. 錐形腔及封腔薄膜之製作皆為本元件最後之低溫製程，故不必調整壓阻感測 元之一般製作程序，而無製程上之障礙。

4. 複數孔洞之存在，對壓阻元一般佈置地點應力之影響甚微，不會嚴重地降低 壓力元之感度。

第三章 壓阻式壓力感測器原理

3-1 微壓力感測器原理

壓力(Pressure)是一般在工業上做控制與量測上，常需要獲得的訊號，若要獲 得力的大小及其它的資訊，我們必須要設計一個轉換器，將壓力的訊號轉換成電 的訊號，經由電的訊號輸出，我們方能清楚與方便的得知，壓力輸入訊號的資訊。

其系統架構如圖3-1所示【21、22】。

圖3-1 壓力感測系統簡易架構圖

由於目前半導體技術的成熟，與微機電製程技術的蓬勃發展，原有的傳統感 測器結構，也此隨著改變其製作方式。壓力感測器應用的原理相當的多，如壓電 效應、磁性效應、電容效應、共振效應及壓阻效應等。一般微壓力感測器最常用 的是以矽當基材，再應用微機電製程加工技術，與半導體相關技術製作薄膜 (Diaphragm)，而壓阻材料也選用半導體製程中，常用的多晶矽(Poly-Silicon)。在 此我們是採用壓阻式的方式，製作微型壓力感測器，感測器上首先設計一個薄 膜，再於薄膜上面置放我們所謂的應變規(Strain gauge)，應變規在此是使用壓阻 性質的材料。

壓力輸入 訊號轉換 輸出壓力處理

3-2 壓阻式壓力感測器原理

壓阻式感測器的架構，是將一具有壓阻特性的材料，置放在感測器薄膜結構 上。當外來壓力P施加在薄膜上時，薄膜會彎曲變形，而壓阻也會隨著彎曲變形 如圖3-2。壓阻電阻值由原來的R變成(R+∆R)，若有四個壓阻串接成惠斯登電橋 電路，則∆R經由電路的轉換，可獲得∆V的電壓訊號，壓力P越大，∆R亦越大，

∆V也隨著增加關係如圖3-3。

圖3-2 壓阻式壓力感測器主要部分結構

圖3-3 輸入壓力轉換成輸出電壓

3-3 壓阻特性

假設有一長條型電阻，其電阻率

ρ

長度

l

、截面積 A ，因壓力變化而有電阻 值之變化如下【23】：

A R

=

ρ l

A

2

ldA A

d dl A

dR

=

l ρ

+

ρ

−

ρ

⇒

A dA l dl d R

dR

= + +

⇒

ρ

ρ

(3-1)

其中

l

dl

是正向應變(Normal/Longitudinal Strain，ε )的定義。若截面積為矩形

wh A =

，

h dh w dw A

dA

= + ，對於電阻長度

l

縱向而言，

w dw

或

h

dh

都是側向的應變 (Transverse Strain)，依照 Poisson's Ratio (

v

)的定義，也就是正向應變與側向應變 之比值 (縱向拉伸，截面積應該縮小;換言之，側向有壓縮的效果)

ε l v v dl h dh w

dw

= =− =− (3-2) 所以整體電阻變化率變成

ρ ε

ρ

(1 2

v

)

d

R

dR

= + + (3-3) 對於一般金屬而言，因為自由電子非常多，所以因為變形導致的(前一項)導 電率改變並不明顯，故而整體電阻變化率，只集中在因為幾何外型變化(後一項) 的因素。若定義所謂標準或計示因子(Gauge Factor)，亦即定義單位應變所造成之 電阻變化率如下:

ε ρ ρ ε

) / ) (

2 1 ) ( /

(

d

R v

G

=

dR

= + + (3-4) 則對金屬而言，Gauge Factor 約略等於(1+2

v

)，因為 Poisson's Ratio 一般數值在 0.25~0.5 之間，0.5 以上代表材料愈拉伸，體積反而愈縮小。體積變化率公式如 下:

ε

) 2 1 (

v V

dV

= − (3-5)

5 .

= 0

v

代表體積不因拉伸而變化，如橡皮;一般的材質則是體積受拉伸時稍微增

大。所以金屬電阻的Gauge Factor 約略在 1.5~2.0 之間。表 3-1 列舉一些材料之 Gauge Factor。由表 3-1 之數值大小，可知半導體材料之 Gauge Factor 遠比傳統 金屬薄膜材質大兩個數量級;換言之，其作為應變規等壓電感測器之靈敏度，遠 高於傳統金屬膜應變規。

表3-1 當作應變規材料之 Gauge Factor Type of strain gauge Gauge factor

Metal foil 1~5 Thin-film metal About 2 Bar semiconductor 80~150 Diffused semiconductor 80~200

半導體材料之Gauge Factor 如此之大，雖然也有源自幾何外型的貢獻，不過主要 原因在於電阻率之變化。一般我們定義因電阻率而造成在Gauge Factor 之變化如 下:

g g

d π σ ρ

ρ

= ⋅ (3-6)

其中

π

_g是壓阻係數(Piezo-resisitive Coefficient)，而

σ

_g為正向應力(Normal Stress)，下標 g 為應力施展的縱向。此部分之變化，可以直接從電阻變化定義來 解析:

ρ ρ ρ

ε ρ

ρ

ρ

d J

A I

g V A

g I V R

R R R

dR

g g

g − =

= ⋅

∆ −

= ∆

∆ −

= ∆

= − 1 1

) / (

) / 1 (

) / (

) / ) (

( ) (

'

(3-7)

其中 _g

g g

J ρ

ε

= 是電性方面之虎克定律，

ε

_g、

J 分別代表沿 g 方向之電場強度與

_g

電流密度。上述壓阻係數都需要以實驗測定之，尤其對於矽半導體晶體而言，其 壓阻之非等向性，必須在實驗前對晶體之指向弄清楚。