外部匯流排external bus

(1)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-1-

微/ 微 /奈米機電系統技術介紹與市場分析奈米機電系統技術介紹與市場分析

Introduction to MEMS/NEMS Technology Introduction to MEMS/NEMS Technology and their Available Industry & Market Analysis and their Available Industry & Market Analysis

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電科技學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University

Tel: 02-23583221 ext. 14 E-mail:ycr@ntnu.edu.tw

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綱綱要要

z 微/奈米科技起源與發展

微機電系統、奈米科技

z 微/奈米科技應用範疇與市場分析

應用市場、產業分析、未來發展與應用

-3-

微/ 微 / 奈米科技起源與發展奈米科技起源與發展

微機電系統技術、奈米科技

-4-

There

There’ ’s plenty of room at the bottom. s plenty of room at the bottom.

(這下面空間還大得很呢！ ( 這下面空間還大得很呢！) )

1959年物理大師費曼博士(Dr. Richard Feynman)在美國加州理工學院的演講題目

為什麼我們不能將整套24大本的《大英百科全書》，全部內容都抄寫在一根大頭針的針尖上…….

微微/ /奈米科技觀念的啟發奈米科技觀念的啟發

(1965

(1965年獲得諾貝爾物理獎，被尊稱為微年獲得諾貝爾物理獎，被尊稱為微/ /奈米科技之父奈米科技之父) )

(2)

台灣師範大學機電科技學系 -5-

z 中觀領域」：人類生活的主要棲息地包括陸地、大陸棚，既是創造文明、

發展科學技術的主要基地，也是人類研究和開發的第一大知識領域。

這一領域的開發從古代世界的歐亞文明時期開始，一直延續到今天，並向未來發展。

人類的三度智慧空間人類的三度智慧空間

微衛星 Nanosatellite

z 「宏觀領域」：從20世紀中期開始向太空進軍的行動，是人類開闢新文明的第二大知識戰場，也是人類走向其他星球的第一步。

地球與火星Earth & Mars 人類涉足太空領域是世界知識經濟的開始。世界經濟的內涵擴大，形成資訊化、

智慧化結合的經濟；它的空間擴大，將把宇宙工業化與海洋工業化包括進來;它的範圍擴大，使一部分農牧產品將實行工業化大量生產方式。

-7-

z 「微觀領域」：指應用微/奈米科技，從物質的分子和原子著手，是物質本質上的改造、性能上的變更、分子和原子結構的重組。

涉及所有人類研究和開發的領域，不同於前兩個領域，也不是簡單的物質合成。

21世紀是人類踏入第三大智慧領域的世紀，是人類開始展開微觀文明的歷史階段。

微米級直升機 ( IMM, Germany) 奈米級直升機 ( Cornell, USA)

-8-

改變世界的三次工業革命改變世界的三次工業革命

z 第一次工業革命(機械化革命)：蒸汽機的發明 – 以機器替代人力…(18世紀中葉)

z 第二次工業革命(電氣化革命) ：電力時代 – 內燃機與發電機取代蒸汽機… (19世紀末期)

z 第三次工業革命(資訊化革命) ：電腦網路時代

– 電子計算機的發明… (20世紀中期)

(3)

-9-

z 第四次工業革命：奈米科技的應用

– 不只對電子、資訊工業造成重大衝擊，也對化學、材料、生物和醫學技術做出同樣的貢獻…

諾貝爾獎得主羅雷爾說：

「1970年代重視微米的國家如今都成為發達國家，

現在重視奈米科技的國家很可能成為21世紀先進的國家。」

-10-

商業週刊, 780期, 2002

The next big ^{thing is}

very, very, very small ^.

(下一件大事是非常非常小 ( 下一件大事是非常非常小!) !)

-11-

物質尺度描述物質尺度描述

m 1

10

^-3

10

^-6

10

^-9

m μm mm

nm

奈米科技 IC 原子/

分子

微機電領域

10 公分 1 公分 1 毫米 100 微米 10 微米

1 微米 100 奈米 10 奈米 1 奈米

白血球手

DNA

-12-

物質尺度描述物質尺度描述 ( (續續) )

不會吧

！

這麼小的電腦

，連螞蟻都得動用顯微鏡了

！奈米碳管黏著於掃描探針

奈米碳管黏著於掃描探針 Nanotube glued to SPM tip Nanotube glued to SPM tip

http://www.ruf.rice.edu/~smalleyg/image_gallery.htm

微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑…… ……

nanotube

(4)

奈米碳管原子力顯微術

奈米碳管原子力顯微術(AFM) (AFM)探針探針

H. Dai et al., Nature 384, 147, 1996.

探針陣列於奈米硬碟之應用探針陣列於奈米硬碟之應用

探針陣列可做平行式掃描，大幅提昇掃描速度，並可應用於大面積加工。

http://www.almaden.ibm.com

-15-

http://www.almaden.ibm.com

探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片

-16-

微/ 微 /奈機電系統精度定義奈機電系統精度定義

1. 尺寸精度：微/奈機電系統本身的尺寸在微米/奈米的範圍 2. 運動精度：微/奈機電系統是能達到微米/奈米以內的運動精度

的機械，但機械本身的大小沒有限制

干涉儀及觀測 CCD 掃描範圍：50 mm,

Tip精度：0.2 nm, 絕對精度：1 nm

美國

美國 NIST NIST 分子量測儀分子量測儀

(5)

-17-

微機電系統發展與應用範疇微機電系統發展與應用範疇

-18-

z 超「輕、薄、短、小」

z 高附加價值

z 符合環保、省能源

z 省空間、省材料等

微機電系統產品的優點微機電系統產品的優點

質譜儀

70 Kg, 30000 cm

³

, 1200 W

Europa Scientific, UK

微質譜儀晶片

0.2 Kg, 3 cm

³

, 0.5 W

DARPA, USA

微機電系統技術

-19-

微機電系統的定義微機電系統的定義

應用微米(μm, 10

^-6

m)或奈米(nm, 10

^-9

m)加工技術研製微細元件及組件，

並整合微電子電路與微控制器，而達到某種功用的系統。

批次製造之微型元件組合

積體化感測器微電子電路

微機械系統微機電系統

(完整積體化系統) 微致動器

微機構 (微小機械元件) 矽基微細加工

•面型微加工

•體型微加工 LIGA技術

•X-ray光刻術

•雷射光刻術

•紫外線光刻術微機械加工

•微放電加工

•微切削加工

•微成型加工

-20-

致動器 actuators

感測器陣列 sensors array

微處理器 microprocessor

輸入/輸出 input/output

輸入/輸出 input/output 內部匯流排

internal bus

外部匯流排 external bus 微系統應用晶片模組

感測訊號

物理 Physical 化學 Chemical 生化 Biochemical

能源 Energy

熱能 Thermal 機械 Mechanical 流體 Fluidic 光學 Optical 電能 Electrical

情報資料

電氣 Electrical 光學 Optical 聲學 Acoustic

致動訊號

消費性電子生化醫療自動化半導體化工通訊與資訊環保與安全紡織

微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖

(6)

整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件

感測器 sensors

致動器 actuators

電子電路 circuits

微結構 microstructure 致動器 actuators

驅動迴路 driver

力感測器 force sensor

電子電路 circuits

雷射偵測器 laser detector

訊息控制迴路 communication

微觀世界與巨觀世界的差異微觀世界與巨觀世界的差異

浮力的影響表面張力的影響

重力的影響熱傳的影響

-23-

微機電系統技術的優點及重要性微機電系統技術的優點及重要性

z 本世代主要核心製造技術 z 批次製造微型元件組合 z 微型多重技術整合 z 多功能與智慧化

z 微小化 z 單位成本低 z 精確度高 z 運作速度快 z 輕柔平順作動

-24-

微機電系統技術的發展背景微機電系統技術的發展背景

z 微機電系統技術起源於1960年代對積體電路的研究

z

發展的理念在於如何將電子電路微小化

z

科技人員改善傳統加工技術及應用半導體製程，試圖將各種機械元件微小化，進而產生微機電系統技術

Miniaturization of Electronic Devices Miniaturization of Electronic Devices

Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor

MOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

(7)

-25-

NMOS 當在閘極施以正偏壓時，就會在氧化層下方薄

區內感應出許多電子。當在汲極施加一個正偏壓之後，聚集的電子就可經由源極與汲極之間的電子通道導通。

PMOS

當在閘極(gate)施以負偏壓時，就會在氧化層下方薄區內感應出許多電洞，當在汲極(drain)施加一個負偏壓之後，聚集的電洞就可經由源極 (source)與汲極之間的通道導通。

源極汲極

閘極

-26-

半導體IC 半導體 IC製造流程製造流程( (微機電製程的基礎微機電製程的基礎) )

-27-

微結構、微元件、微系統微結構、微元件、微系統

( (半導體製程技術半導體製程技術) )

把玩齒輪的螞蟻 (IMT, Germany) 3D Optical Scanner 3D Optical Scanner

(

(Analog Device Inc., USA)

Micro

Micro- -optical bench optical bench

(UCLA, USA)

(UCLA, USA)

-28-

微汽車之組成微汽車之組成

The parts of the microcar

微小汽車微小汽車

(Denso Corporation, Aichi, Japan)

(微機械加工製作技術 ( 微機械加工製作技術) )

(8)

微細加工

微細加工 vs. vs. 傳統加工傳統加工

組件在不同地點個別製造，再加以組合

在同一基材上完成結構製作及元件組合

微/ 微 /奈米級結構適合個別製造再組裝嗎？奈米級結構適合個別製造再組裝嗎？

微機械加工

微機械加工– –雷射微熔接組裝製程雷射微熔接組裝製程

Source: 雲科大機械系, 郭佳儱

-31-

微機電系統名稱分類微機電系統名稱分類

美國：Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) 日本：Micromachines

歐洲：Micro-Systems Technology (MST)

-32-

(9)

-33-

MEMS applications:

- Optical MEMS (光學應用)

MOEMS: Micro Opto Electro Mechanical Systems MOMS: Micro Opto Mechanical Systems

- Bio MEMS (生化醫學應用)

μTAS：Micro Total Analysis System LOC：Lab. On a Chip

- RF MEMS (無線通訊應用)

-34-

MEMS Applications for 21

MEMS Applications for 21 ^st ^st Century Century

z Optical MEMS

z Bio-MEMS

z RF MEMS

Comparative scale of semiconductor sensors.

μ-mechanical resonator for Frequency band 1MHz~1GHz

-35-

功能性被動件:

反射鏡

引擎:

梳狀致動器

動力傳輸機構:

連桿, 齒輪

Sandia National Lab., USA

微光學掃描器微光學掃描器

-36-

Digital Mirror Display

Digital Mirror Display (DMD) (DMD) / Digital Light Processing / Digital Light Processing (DLP) (DLP)

Texas Instruments

15 μm

(10)

Optical MEMS Applications Optical MEMS Applications

Micro

Micro- -optical bench optical bench

http://www.ee.ucla.edu/labs/laser/index.html

z

Projection displays

z

Fiber switches

z

Filters and dispersion compensators

z

Optical scanners

z

Adaptive Optics

z

Silicon Optical Bench

z

Sensors with optical readout

z

Interferometers

z

Spectrometers

Electrostatic Electrostatic 現象現象

-39-

Artist impression of a hybrid

Artist impression of a hybrid μ μTAS dating from the mid 90's. TAS dating from the mid 90's.

全功能微分析系統全功能微分析系統

(micro total analysis system, (micro total analysis system, μ μTAS) TAS)

-40-

組織採樣用鉗子

治療用雷射

推進系統

艙體固定臂生化感測陣列

微攝影系統

通訊天線

微機電系統在體內醫療之應用微機電系統在體內醫療之應用

人類的夢想即將成真人類的夢想即將成真

Pill explorer

(影片播放)

(11)

-41-

Shrinking Wireless Architectures Shrinking Wireless Architectures

C. T.-C. Nguyen, “Communications applications of microelectromechanical systems (invited),”

Proceed-ings, 1998 Sensors Expo, San Jose, California, May 20, 1998, pp. 447-455.

-42-

Source: http://jbyoon.info/

3D RF One

3D RF One- -Chip Module Chip Module

Integration of all passive components

-43-

Journals:

z

Journal of Micromechanics and Microengineering

z

Journal of Microelectromechanical Systems

z

Sensors and Actuators

z

Microsystem Technology

z

Journal of Vacuum Science and Technology

z

Journal of Microlithography, Microfabrication, and Microsystems

z

微系統科技協會季刊

Conference proceedings:

z

IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop

z

Transducers (International Conference on Solid-State Sensors and Actuators)

z

Hilton Head (Solid-State Sensor and Actuator Workshop)

z

SPIE Conference for MEMS & MOEMS Technology

z

Optical MEMS (IEEE/LEOS international conference on optical Microsystems and technologies)

z

Eurosensors

z

奈米工程暨微系統技術研討會, 工研院

z

微系統科技協會年會暨微機電系統成果發表會

Reference Reference

-44-

Reference Reference

z

M. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, New York, 1997

z

N. Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Artech House, London, 2000

z

T. Fukuda and W. Menz, Micro Mechanical Systems: principles and technology, Elsevier, New York, 1998

z

Gregory T. A. Kovacs, Micromachined Transducers Sourcebook, McGraw-Hill, New York, 1998

z

W. S. Trimmer, Micromechanics and MEMS:classic and seminal papers to 1990, IEEE Press, New York, 1997

z

P. Rai-Choudhury, Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrication: Vol1 & Vol2, SPIE Press, 1997

z

Liwei Lin, F. K. Forster, N. R. Aluru, Xiang Zhang, Micro-electro-mechanical systems (MEMS), The American Society of Mechanical Engineers, DSC-Vol. 66, 1998

z

Massood Tabib-Azar, Microactuators: electrical, magnetic, thermal, optical, mechanical, chemical, and smsrt structures, Kluwer Academic Publishers, 1998

z

R. S. Muller, R. T. Howe, S. D. Senturia, R. L. Smith, and R. M. White, Microsensors, IEEE Press, 1991

z

Tran Minh Canh, Biosensors, Chapman & Hall, London, 1993

z

Julian W. Gardner, Microsensors: Principles and Applications, John Wiley & Sons, New York, 1994

z

Hèctor J. De Los Santos, Introduction to Microelectromechanical (MEM) Microwave Systems, Artech House, London, 1999

Books:

(12)

Reference Reference

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z

W. Ehrfeld, V. Hessel, and H. Löwe, Microreactors, Wiley-Vch, New-York, 2000

z

M. Koch, A. Evans, and A. Brunnschweiler, Microfluidic Technology and Applications, Research Studies Press Ltd., 2000

z

B. Bhushan, Tribology Issues and Opportunities in MEMS, Kluwer Academic Publishers, 1998

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B. Bhushan, Handbook of Micro/Nano Tribology, 2nd edition, CRC Press, New York, 1999

z

Richard C. Jaeger, Introduction to Microelectronic Fabrication, Vol. V, Addison Wesley Publishing Company, New York, 1993

z

S. M. Sze, VLSI Technology, 2nd edition, McGraw Hill, New York, 1988

z

S. M. Sze, Semiconductor Sensors, , John Wiley & Sons, New York, 1994

z

Hans P. Herzig, Micro-optics: elements, systems and applications, Taylor & Francis, 1997

z

Microsystem Technology for Chemical and Biological Microreactors, DECHEMA Monograohs Vol. 132, Wiley-Vch

z

M. Elwenspoek and R. Wiegerink, Mechanical Microsensors, Springer, New York, 2001

z

Tai-ran Hsu, MEMS and Microsystems: Design and Manufacture, McGraw Hill, Boston, 2002

z

Stephen D. Senturia, Microsystem Design, Kluwer Academic Publishers, 2000

z

中島尚正, 梅田章, LIGA PROCESS, 日刊工業新聞社, 1998 (In Japanese)

z

莊達人, VLSI製造技術, 高立圖書公司, 台北, 91年

Books:

CANADA

DThe Institute for Micromachine and Microfabrication Research (IMMR) DThe Microfabrication Services at Alberta Microelectronic Centre (AMC) DConcordia University VLSI Design Lab.

DLaboratory for Integration of Sensors and Actuators (LISA) USADCalifornia Institute of Technology(Caltech) DCarnegie Mellon University DCase Western Reserve University DCornell University DDartmouth College DHawaii University DIllinois University DMichigan University DMassachusetts Institute of Technology DNortheastern University DStanford University DUniversity of California DUniversity of California at Berkeley DUniversity of California at Los Angeles

DUniversity of Southern California/Information Science Institute(USC/ISI) DUniversity of Texas at Austin

DWisconsin University DThe ARPA/ESTO Microelectromechanical Systems DMCNC MEMS Technology Applications Center DDisplay Technology Systems (DTS) DRedwood Microsystems DEdison Welding Institute DLawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) DXerox Co.

DIntelliSense Corporation DNASA Micro-Instrument Technology DOptical Society of America

DThe Microelectronics and Photonics Center at Sandia National Laboratories DSPIE-The International Society for Optical Engineering

美洲

歐洲

D國科會精密儀器發展中心，同步輻射中心 D台灣大學、清華大學、交通大學、成功大學等學術單位 D工研院電子所、機械所、材料所、生醫中心 D中山科學研究院

DMicro Machine Center DUniversity of Tokyo DTohoku University DKyushu Instiutte of Technology DNagoya University DMITI’s Mechanical Engineering Laboratory DMITI’s National Research Laboratory of Metrology DMITI’s Electrotechnical Laboratory DUniversity of Osaka Prefecture DMie University DNippon Telegraph & Telephone Corp.

DToyota-Toyota Central R&D Lab.

DMatsushita Electric Industrial Co.

DYokogawa Electric Corp.

DOMRON Tateisi Electronics Co.

DCanon, Ricoh, SHARP, Seiko, EPSON, Panasonic, etc.

日本

台灣

全世界微機電系統技術的研究單位全世界微機電系統技術的研究單位

-47-

北區奈微機電中心 http://nscmems.iam.ntu.edu.tw/

中區奈微機電中心 http://nsc-cmems.nthu.edu.tw/

南區奈微機電中心 http://www.ncku.edu.tw/~nckumems/WWW/index.htm 國科會儀器科技研究中心 http://www.itrc.org.tw

工研院電子所微系統技術中心 http://www.itri.org.tw/mems/chinese/index_c.htm 工研院機械所奈米工程暨微機電系統技術

http://www.mirl.itri.org.tw/rd/innovate/index.asp

清大動機系方維倫教授MEMS網站 http://mdl.pme.nthu.edu.tw/

清大工科系曾繁根教授MEMS網站 http://www.ess.nthu.edu.tw/~fangang/lib/

台大機械系周元昉教授MEMS網站

http://www.me.ntu.edu.tw/brief/graduate/sollab/lab02.htm

交大機械系徐文祥教授MEMS網站 http://www.cc.nctu.edu.tw/~u8814520/

成大機械系羅裕龍教授MEMS網站

http://140.116.5.11/%7En1689151/labnew/index.htm 成大工科系李國賓教授MEMS網站 http://140.116.175.13/

成大工科系林裕成教授MEMS網站 http://140.116.175.94/

中興大學精工所 http://www.nchu.edu.tw/~acende/index.htm

-48-

Master List of MEMS Technology Developers

http://www.ida.org/MEMS/mastermems.html MEMS Clearinghouse http://mems.isi.edu/

Berkeley Sensor & Actuator Center http://bsac.eecs.berkeley.edu/

Caltech micromachining Lab. http://mems.caltech.edu/

Sandia National Lab. http://mems.sandia.gov/scripts/memscam.asp Sandia LIGA Technology http://daytona.ca.sandia.gov/LIGA/

DARPA MEMS Program http://www.darpa.mil/MTO/MEMS/

IDA MEMS Technology Transition http://www.ida.org/MEMS/

MEMS - UW-Madison http://mems.engr.wisc.edu/

Quate Group MEMS http://www.stanford.edu/group/quate_group/index.html MEMS@UCLA http://www.ee.ucla.edu/research/judylab/memsucla/

MCNC/Cronos http://www.memsrus.com/cronos/CIMSmain2ie.html IMM MEMS Center http://www.imm-mainz.de/

FZK/IMT LIGA Center http://www.fzk.de/imt/e_index.html SU-8 Lithography website http://aveclafaux.freeservers.com/SU-8.html Cornell MEMS Lab. http://www.cnf.cornell.edu/

Colorado MEMS Lab. http://mems.colorado.edu/

Tabata MEMS Lab. http://www.ritsumei.ac.jp/se/~tabata/index-j.html Sato MEMS Lab. http://www.kaz.mech.nagoya-u.ac.jp/

Fujita MEMS Lab. http://www.fujita3.iis.u-tokyo.ac.jp/

Surface Technology Systems plc (STS) http://www.stsystems.com/

Twente University http://www.el.utwente.nl/tt/

(13)

-49-

全世界微機電系統技術的發展趨勢全世界微機電系統技術的發展趨勢

＊因日本各公司之微電子、感測器等已具基礎及產品開發能力美國歐洲

台灣美國歐洲

台灣

微製造技術

元件批次製造組合元件批次製造組合微電子技術

微電子技術

微機電／微系統微機電／微系統

微機械／微機械人微機械／微機械人

機電技術機電技術日本日本

微結構組裝微結構組裝

微系統技術微系統技術微元件

封裝模組

微系統檢測微系統檢測

-50-

微機電系統在核能電廠管路維護之應用微機電系統在核能電廠管路維護之應用

工作母船

mother boat

■

檢查、作業組件、修補、材料搬運

■

能源、控制、通信等中繼有索作業模組

operation module with wire

■

採樣

發電動力設施

power plant

無索檢查模組

inspection module without wire

■

損傷及附著物的可視化及分析傳熱管

thermo-conduction tube

微小氣密艙

microcapsule

■

異常位置檢出

汽鍋管架

日本超微機械計畫日本超微機械計畫

-51-

迷你機器人迷你機器人

長度 9.0 mm、寬度 6.5 mm 、高度 6.5 mm 、重量 0.42 g 可移動比它重兩倍以上的東西

-52-

迷你工廠微零件之迷你工廠迷你工廠

微零件之迷你工廠

作業電腦微型加工機

微型加工機

成品原料零件

供應斗

微放電加工機微小電路黏著機微綜合加工機 SMT檢查修補機微零件輸送台微小矽晶片去污機

小型機械加工廠小型IC製造廠微細多功能設備維修機

微機電系統在製造領域之應用

(14)

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005

1 2 3 6 8 50

4 40 30 20

10

○

○ ▼

▼

▼ ▼

▼

▼△

△

△ △

△

◆ ◆

◆

☆ ^☆

☆

★

●

★

◆

▼

●

○

☆

△ Battelle Systems Planning Corp.

Intelligent Microsensors Technology SEMI

NEXUS (max.) NEXUS (min.) (SRI Consulting) (1997)

Year

US$ (b ill io ns)

微機電系統市場預測微機電系統市場預測

Source: NEXUS, Market analysis MST task force, 1998

公元

公元2002 2002年全世界微系統產品市場年全世界微系統產品市場

-55- New emerging products

in the introduction phase

Production that already existed in 1996 but that are being steadily improved

Source: NEXUS, Market analysis MST task force, 1998

NEXUS Task Force MST Market NEXUS Task Force MST Market

-56-

Source: NEXUS III, http://nexus-mems.com/

*Other are: microreaction, chip cooler, MEMS memories, liquid lenses, microspectrometer, wafer

probes, micro-mirrors for optical processing, micro-pumps, micromotors, chemical analysis systems

(15)

-57-

Philips 所發表的液體鏡片與取像模組液體鏡頭構造與原理示意圖

-58-

-59-

國內投資MEMS 國內投資 MEMS產業的廠商及其產品項目產業的廠商及其產品項目

和泰半導體∕聯華電子公司矽微加工與CMOS積體電路製程整合微邦科技公司微結構、LIGA製程

全磊微機電公司微系統封裝、測試

希華晶體公司微構裝

中興紡織∕遠東紡織公司超細纖維及紡嘴晶宇生技∕五鼎生技∕微晶生技

∕台灣基因科技∕台灣3M公司生物晶片

大毅工程公司電子鼻

國際聯合科技公司噴墨印表頭

鑫璨科技∕則葳實業公司氣體感測元件

易度企業公司微電鑄

科強精密公司微質流控制器

鑫成科技∕臻龍實業∕超眾實業公司微熱沈、微熱管均熱片

華新麗華公司光通訊元件、微機電代工、微封裝

全球聯合通信公司微機電代工

至臻微機電公司光通訊元件、光纖連接器亞銳光電公司積體光學應用元件、光纖陣列晶片

矽美光纖公司微光學應用元件

亞太優勢公司光學微機電、RF微機電、微機電代工

動訊晶電公司光通訊應用元件

祥群科技光通訊、微光學應用元件

台灣矽微公司微機電應用元件

-60-

台灣第一家投入微機電通訊產品的公司

，資本額15億台幣。投資的股東包括奇美集團、勝華科技、環隆科技、車王電子、昆仲投顧、智基管理顧問等，4家法人股東佔40％、4家創投佔30％、員工佔 25％、個人股佔5％。

林敏雄任亞太優勢微系統董事長，黃瑞星擔任亞太優勢的技術長（CTO），製造方面由前台積電生產部經理陳恆甸負責；在無線通訊微機電產品方面，則由美國Answer Tech前技術副總經理余信負責。

從人才及經營團隊的選擇上，也可以看出亞太優勢在微機電產業上同時佈局「

產品」和「代工」的策略。

亞太優勢預估，第三年公司營收就可以

打平，而公司成立第5年，就要往50億營

收、每股盈餘（EPS）7元的目標邁進！

(16)

華新麗華展現在光通訊產業的發展決心﹐由華新麗華在光通訊佈局的投資映證﹐粗略估算華新麗華的投資金額﹐在未來3～5年內﹐其投資金額至少在新台幣100億元以上﹐包括美國先導工廠的5,000萬美元﹐大學合作研究計畫2,500萬美元﹐及台灣微機電廠新台幣15億元﹐轉投資華新兆赫約新台幣3.6億元﹐當然還有即將投入面射型雷射(VCSEL)的設備投資﹐及未來陸續導入的量產計劃等。

Nano-technology Nano-science

Nano-Electro-Mechanical System (NEMS)

奈米科技發展與應用範疇奈米科技發展與應用範疇

-63-

奈米科技是蝦米奈米科技是蝦米? ?

所謂的奈米科技，就是在1-100 nm奈米尺度下操控物質，

以製作、了解與使用具奈米結構的材料、元件及系統。

奈米科技奈米科技 – – 二十一世紀的集大成科技二十一世紀的集大成科技

z 奈米物理學

z 奈米化學

z 奈米材料學

z 奈米生物學

z 奈米電子學

z 奈米加工學

z 奈米力學

微觀尺度：< 1 nm (微觀物理、化學理論可解釋) 介觀尺度：1-100 nm (介觀物理、化學理論可解釋) 巨觀尺度：> 100 nm (巨觀物理、化學理論可解釋)

-64-

1959, Dr. R. Feynman

1959, Dr. R. Feynman → → There's Plenty of Room at the Bottom There's Plenty of Room at the Bottom

(奈米科技之父 ( 奈米科技之父) ) ( (下面的空間還很大呢！下面的空間還很大呢！) )

(17)

-65- 台灣師範大學機電科技學系

C. R. Yang, NTNU MT

-66-

《牛頓《牛頓》》雜誌曾試圖揣摩奈米科技的驚異可能性雜誌曾試圖揣摩奈米科技的驚異可能性… …

z

在「微小」方面：單原子記憶體的技術，可以使全球100 億年份的書籍（每年以100萬冊計，相當於1萬兆冊），儲存於一顆方糖般大小的記憶體內。

z

在「超薄」方面：DNA電子電路的技術，將於10年後促成如紙般薄的電子顯示器。

z

在「速度」方面：到2010年，量子電腦只要數十分鐘，即可完成目前電腦要花上數百年才能完成的計算。

這些未來假設雖然令人瞠目結舌，理論上卻是可能的。

http://www.ruf.rice.edu/~smalleyg/image_gallery.htm

-67-

蓮花效應壁虎的腳趾

蝴蝶

從自然界學習奈米科技從自然界學習奈米科技… …

超級疏水與自潔效應

-68-

蓮花自潔效應

蓮花自潔效應 (Lotus self (Lotus self- -cleaning effect) cleaning effect)

(a) 無細微結構，汙物只被移動 (b) 有細微結構，汙物可以被清除 http://www.pcimag.com/CDA/ArticleInformation/coverstory/

Planta (1997) 202: 1-8 1μm 1μm

1μm

(18)

奈奈米米與與人人體體

(

(人類的生命肇始於奈米人類的生命肇始於奈米) )

外徑10nm 內徑 2nm

7~10 nm

直徑15nm 直徑15nm 直徑25nm 直徑2nm 長度2m

z 細胞膜 z DNA

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

台灣師範大學機電科技學系 -70- 長度1.1μm

直徑90~100nm

微絨毛總表面積達300 m

²

(約一個網球場的大小) 若小腸內壁是平滑的，

其總表面積約0.5 m

²

z 小腸絨毛

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

-71-

z 奈米科技一般係指利用數奈米至數十奈米之觀察與操作技術，製作出具有該尺度之各種機能新穎的構造體，將其作各種不同領域與製程整合並加以利用之技術。

–「由上往下趨近」(top down approach ) –「由底而上趨近」(bottom up approach)

實現奈米科技的方法實現奈米科技的方法

研究奈米科學技術的最終目標，是人類按照自己的意志操縱單個原子

，組裝具有特定功能的成品，從而改變人類的生產和生活模式。

-72-

電子束直寫系統 (E-beam direct writer)

「由上往下趨近」

「由上往下趨近」(top down approach ) (top down approach )

Nanopillar structures fabricated by e-beam lithography

N. Kaji et. al., Analytical Chemistry, 76 (2004) 15-22.

(19)

-73-

自組裝單層膜

自組裝單層膜(Self assembly monolayer, SMA) (Self assembly monolayer, SMA)

「由底而上趨近」「由底而上趨近」(bottom up approach) (bottom up approach)

-74-

點筆蝕刻法點筆蝕刻法

-75-

原子操縱術原子操縱術

「由底而上趨近」「由底而上趨近」(bottom up approach) (bottom up approach)

掃描式探針移動原子之模式掃描式探針移動原子之模式

-76-

掃描式探針移動原子之模式

(20)

1990年美國IBM的一群研究人員，首度將一顆顆氙原子在鎳表面上拖曳，逐顆原子排成“IBM”三個英文字母，相當引人注目，被當時世界各國媒體爭相報導。後來，同一個實驗室又搬移近百顆鐵原子形成中文「原子」二字，此結果也成為雜誌及國際研討會的封面圖案。

http://www.phys.sinica.edu.tw/~nano/stm.htm

組譯器組譯器

經由裝配原子、分子以製造出任何東西經由裝配原子、分子以製造出任何東西

-79-

微微/ /奈米機電系統產品與應用奈米機電系統產品與應用

微機電系統、奈米科技

-80-

氣泡式噴墨印表頭氣泡式噴墨印表頭

Thermal Bubble Inkjet Head

氣泡式噴墨印表頭 Thermal Bubble Inkjet Head (Tseng et al, UCLA, 1998)

Droplet ejection

Tail cutting

Commercial Inkjet Microinjector

HP 51626A Printhead

Nozzle: 60 μm Droplet: 50 μm Frequency: 8 kHz

Nozzle: 40 μm

Droplet: 45 μm

Frequency: 18 kHz

(21)

-82-

壓阻式壓力感測器基本結構壓阻式壓力感測器基本結構

MEMS壓力感測器 MEMS 壓力感測器

應用範圍：汽車胎壓計、血壓計、氣壓計、聲壓計…等壓力量測領域。

-83-

懸吊系統感測器

座位姿態記憶裝置側邊氣囊加速度計 ABS車速感測器智慧型後視裝置

防止翻覆感測器

防傾斜/內側防護裝置胎壓感測器

座位偵測器前方氣囊加速度計

油量偵測器

引擎溫度感測器

紅外線夜視裝置

燃油流量感測器燃油品質感測器

距離警告雷達車燈調平裝置

衛星定位導航裝置

抬頭顯示器

微感測器在汽車工業的應用微感測器在汽車工業的應用

-84-

紅外線夜視裝置

紅外線夜視裝置在汽車工業的應用在汽車工業的應用

應用範圍：軍事、執法、娛樂、監察和安全、野生動物研究…等用途。

(22)

Accelerometer Chip (ADI Inc.) Accelerometer Chip (ADI Inc.)

MEMS MEMS機械式微加速度計機械式微加速度計( (量測線加速度量測線加速度) )

MEMS機械式微陀螺儀 MEMS 機械式微陀螺儀( (量測角動量改變量測角動量改變) )

p++

p++ p++

PECVD Nitride layer

Si-substrate

RIE

Deep trenches

LPCVD Poly layer

LPCVD sacrificial oxide

EDP etch pit Sacrifical

oxide

Cr/Au

Sense pad Sense electrode Polysilicon

spring

Polysilicon

Polysilicon Ring Gyroscope Ring Gyroscope

Source: F. Ayazi et al., IEEE-MEMS′98, (1998) 621-626

Ring is 1mm in diameter, 3μm wide and 35μm tall

-87-

1. 姿勢輸入：取代遊戲機的開關、按鈕、滾輪、搖桿…等搖控產品。

2. 影像穩定：用於攝錄影機、數位相機…等產品(防手震)。

3. 顯示器定位：用於可攜式多媒體播放機(畫面自動回饋補正)。

4. 硬碟磁頭損毀保護：用於具硬碟裝置的電子產品。

5. 導航：用於GPS、電子羅盤…等產品(早期應用於導彈控制、機器人、

無人飛機等軍事用途)。

6. 生物監測：用於計步器、血壓監測器…等醫療運動產品。

7. 振動感測：用於汽車安全氣囊感測器、傾斜感測器以及防鎖死系統…

等汽車安全監控；洗衣(碗)機或烘衣(碗)機…等家用產品。

多軸動作感應系統的技術與應用多軸動作感應系統的技術與應用

MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

-88-

高階數位相機中，鏡頭常以內建陀螺儀達到機械式防手震，效果較光學式防手震為佳。

如果沒有MEMS，iPhone螢幕就無

法垂直旋轉成水平顯示。

(23)

-89-

(IMM, Germany)

汽車氣囊加速度計汽車氣囊加速度計

-90-

Wii Wii獨創性遊戲軟體與輸入方式獨創性遊戲軟體與輸入方式

-91-

MEMS 3

MEMS 3軸加速度感應晶片軸加速度感應晶片

Wii利用加速度當作輸入方式 Wii 利用加速度當作輸入方式( (多軸動作感應技術多軸動作感應技術) )

原相科技：任天堂遊戲機Wii感測晶片獨家供應商

-92-

Optical MEMS Components

(24)

台灣師範大學機電科技學系 -93- 台灣師範大學機電科技學系 -94-

Far Field Beam Profile (1.55 Far Field Beam Profile (1.55 μ μm) m)

-95-

訊號供應者

訊號接受者

微光學透鏡

旁路開關多工傳輸器

接續器

陣列開關多光纖連接器

分光器多工傳輸解譯器

光學微機電光學微機電系統在訊號傳輸技術的應用系統在訊號傳輸技術的應用

-96-

Bell-Lab./ Lucent M. C. Wu, UCLA

Mirror

Mirror- -typed Optical Switch typed Optical Switch

16 x 16 array Switch

http://www.omminc.com/home.html

(25)

-97-

Analog Device Inc., 2002

Corning, 2002 Bell-Lab./ Lucent

Mirror

Mirror- -typed 3D Optical Switch typed 3D Optical Switch

-98-

人工控制病患警示

皮膚表面

藥劑儲存處

幫浦閥流量感測器訊號處理

系統控制電池

診斷感測單元

注射孔

測距

至血管的導管 (取樣檢查)

微機電技術在藥劑注射系統之應用微機電技術在藥劑注射系統之應用

-99-

血糖檢測錶血糖檢測錶

每20 min.檢查配戴者血糖，以電子數字顯示檢測結果，數值太低或太高時發出警訊聲

USA

-100-

迷你機器人迷你機器人

長度 9.0 mm、寬度 6.5 mm 、高度 6.5 mm 、重量 0.42 g

可移動比它重兩倍以上的東西

(26)

台灣師範大學機電科技學系 -101- 台灣師範大學機電科技學系 -102-

微機電系統在核能電廠管路維護之應用微機電系統在核能電廠管路維護之應用

工作母船

mother boat

■

檢查、作業組件、修補、材料搬運

■

能源、控制、通信等中繼有索作業模組

operation module with wire

■

採樣

發電動力設施

power plant

無索檢查模組

inspection module without wire

■

損傷及附著物的可視化及分析傳熱管

thermo-conduction tube

微小氣密艙

microcapsule

■

異常位置檢出

汽鍋管架

日本超微機械計畫日本超微機械計畫

-103-

迷你工廠微零件之迷你工廠迷你工廠

微零件之迷你工廠

作業電腦微型加工機

微型加工機

成品原料零件

供應斗

微放電加工機微小電路黏著機微綜合加工機 SMT檢查修補機微零件輸送台微小矽晶片去污機

小型機械加工廠小型IC製造廠微細多功能設備維修機

微機電系統在製造領域之應用微機電系統在製造領域之應用

-104-

微/ 微 /奈米機電系統在生化醫療之應用奈米機電系統在生化醫療之應用

z

細胞操作

z

細胞融合

z

微量血液分析

z

體內顯微手術系統

z

手術及診斷用可動膠囊

z

人工器官

z

可動導管

z

導管頂端壓力感測器

z

捨棄式血壓感測器

z

各式人體檢查設備

z

注射泵

z

醫療設備之氣壓校正

z

神經系統替代或重建

z

患者行動監視

z

疫苗製造

微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用微注射器

微手術刀微型鉗子

微影像偵測器

微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用微機電系統在細胞觀測及修補方面之應用奈米機電系統在

奈米機電系統在DNA DNA修補方面之應用修補方面之應用

(27)

-105-

人工耳 (助聽器) (來源：Phonak)

World market 1996 2002

Turnover ($ Millions) 1150 2000

Number of units (Millions) 4 7

Annual growth rate (%) 10

Manufacture Country Siemens-Rextron Germany

Phonak Switzerland

Stakey USA

Oticon USA

Widex USA

-106-

Jarvick 2000 device http://www.sleh.com/current/jarvik.htm

人工心臟人工心臟

-108-

未來戰爭微機電設備將扮演重要角色

太空戰爭

新戰車

降落傘

無人飛機

機器人

超級戰士

電腦戰

水底機場敵軍位置

小而多的部隊

步步驚魂的領空

(28)

微衛星 Nanosatellite Pathfinder MEMS applications for Space Exploration

迷你衛星迷你衛星大小如手機大小如手機

長10公分重僅兩百多公克將開啟低成本通訊新時代

89 6 23 聯合報 . .

-112-

傳傳統統產產業業的的奈奈米米應應用用

抗菌奈米馬桶

除臭殺菌奈米涼風扇奈米布料抗水耐髒

奈米塗料區

奈米塗料抗沾黏

(29)

-113-

光觸媒奈米粒子應用光觸媒奈米粒子應用

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

-114-

光觸媒空氣清靜光觸媒空氣清靜光觸媒抗菌

光觸媒抗菌

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

-115-

半導體奈米點標定癌細胞

Ref: Quantum Dot,Nature Biotechnology, 21, 2003.

生物標記之應用生物標記之應用

抗體與抗原結合

傳統螢光染料半導體奈米點

-116-

奈米感測器之應用奈米感測器之應用

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

(30)

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

分子馬達分子馬達

-119-

未來的藥物傳遞系統未來的藥物傳遞系統

-120-

指尖上的工廠

(31)

-121-

奈米碳管應用於軌道升降機想像圖奈米碳管應用於軌道升降機想像圖

-122-

外部匯流排external bus

微/ 微 /奈米機電系統技術介紹與市場分析 奈米機電系統技術介紹與市場分析

Introduction to MEMS/NEMS Technology Introduction to MEMS/NEMS Technology and their Available Industry & Market Analysis and their Available Industry & Market Analysis

楊 啟 榮 博士

教 授

國立台灣師範大學 機電科技學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University

Tel: 02-23583221 ext. 14 E-mail:ycr@ntnu.edu.tw

綱 綱 要 要

z 微/奈米科技起源與發展

微機電系統、奈米科技

z 微/奈米科技應用範疇與市場分析

應用市場、產業分析、未來發展與應用

微/ 微 / 奈米科技起源與發展 奈米科技起源與發展

微機電系統技術、奈米科技

There

There’ ’s plenty of room at the bottom. s plenty of room at the bottom.

(這下面空間還大得很呢！ ( 這下面空間還大得很呢！) )

1959年物理大師費曼 博士(Dr. Richard Feynman)在美國加州理工學院的演講題目

為什麼我們不能將整套24大本的《大英百科全書》，全部 內容都抄寫在一根大頭針的針尖上…….

微 微/ /奈米科技觀念的啟發 奈米科技觀念的啟發

(1965

(1965年獲得諾貝爾物理獎，被尊稱為微 年獲得諾貝爾物理獎，被尊稱為微/ /奈米科技之父 奈米科技之父) )

z 中觀領域」 ：人類生活的主要棲息地包括陸地、大陸棚，既是創造文明、

發展科學技術的主要基地，也是人類研究和開發的第一大知識領域。

這一領域的開發從古代世界的歐亞文明時期開始，一直延續到今天，並向未來發展。

人類的三度智慧空間 人類的三度智慧空間

微衛星 Nanosatellite

z 「宏觀領域」 ：從20世紀中期開始向太空進軍的行動，是人類開闢新文 明的第二大知識戰場，也是人類走向其他星球的第一步。

地球與火星Earth & Mars 人類涉足太空領域是世界知識經濟的開始。世界經濟的內涵擴大，形成資訊化、

智慧化結合的經濟；它的空間擴大，將把宇宙工業化與海洋工業化包括進來;它的 範圍擴大，使一部分農牧產品將實行工業化大量生產方式。

z 「微觀領域」 ：指應用微/奈米科技，從物質的分子和原子著手，是物質本 質上的改造、性能上的變更、分子和原子結構的重組。

涉及所有人類研究和開發的領域，不同於前兩個領域，也不是簡單的物質合成。

21世紀是人類踏入第三大智慧領域的世紀，是人類開始展開微觀文明的歷史階段。

微米級直升機 ( IMM, Germany) 奈米級直升機 ( Cornell, USA)

改變世界的三次工業革命 改變世界的三次工業革命

z 第一次工業革命(機械化革命)：蒸汽機的發明 – 以機器替代人力…(18世紀中葉)

z 第二次工業革命(電氣化革命) ：電力時代 – 內燃機與發電機取代蒸汽機… (19世紀末期)

z 第三次工業革命(資訊化革命) ：電腦網路時代

– 電子計算機的發明… (20世紀中期)

z 第四次工業革命：奈米科技的應用

– 不只對電子、資訊工業造成重大衝擊，也對化學、材料、生物和醫學 技術做出同樣的貢獻…

諾貝爾獎得主羅雷爾說：

「1970年代重視微米的國 家如今都成為發達國家，

現在重視奈米科技的國家 很可能成為21世紀先進的 國家。」

商業週刊, 780期, 2002

The next big thing is

very, very, very small .

(下一件大事是非常非常小 ( 下一件大事是非常非常小!) !)

物質尺度描述 物質尺度描述

m 1

10

10

10

m μm mm

nm

奈米科技 IC 原子/

分子

微機電領域

10 公分 1 公分 1 毫米 100 微米 10 微米

1 微米 100 奈米 10 奈米 1 奈米

白血球 手

DNA

物質尺度描述 物質尺度描述 ( (續 續) )

不 會 吧

這 麼 小 的 電 腦

， 連 螞 蟻 都 得 動 用 顯 微 鏡 了

！ 奈米碳管黏著於掃描探針

奈米碳管黏著於掃描探針 Nanotube glued to SPM tip Nanotube glued to SPM tip

微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑 微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑…… ……

nanotube

奈米碳管原子力顯微術

奈米碳管原子力顯微術(AFM) (AFM)探針 探針

H. Dai et al., Nature 384, 147, 1996.

探針陣列於奈米硬碟之應用 探針陣列於奈米硬碟之應用

探針陣列可做平行式掃描，大幅提昇掃描速度，並可應用於大面積加工。

http://www.almaden.ibm.com

http://www.almaden.ibm.com

探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片 探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片

微/ 微 /奈機電系統精度定義 奈機電系統精度定義

微/ 微 /奈米機電系統技術介紹與市場分析奈米機電系統技術介紹與市場分析

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電科技學系

綱綱要要

微/ 微 / 奈米科技起源與發展奈米科技起源與發展

1959年物理大師費曼博士(Dr. Richard Feynman)在美國加州理工學院的演講題目

為什麼我們不能將整套24大本的《大英百科全書》，全部內容都抄寫在一根大頭針的針尖上…….

微微/ /奈米科技觀念的啟發奈米科技觀念的啟發

(1965年獲得諾貝爾物理獎，被尊稱為微年獲得諾貝爾物理獎，被尊稱為微/ /奈米科技之父奈米科技之父) )

z 中觀領域」：人類生活的主要棲息地包括陸地、大陸棚，既是創造文明、

人類的三度智慧空間人類的三度智慧空間

z 「宏觀領域」：從20世紀中期開始向太空進軍的行動，是人類開闢新文明的第二大知識戰場，也是人類走向其他星球的第一步。

智慧化結合的經濟；它的空間擴大，將把宇宙工業化與海洋工業化包括進來;它的範圍擴大，使一部分農牧產品將實行工業化大量生產方式。

z 「微觀領域」：指應用微/奈米科技，從物質的分子和原子著手，是物質本質上的改造、性能上的變更、分子和原子結構的重組。

改變世界的三次工業革命改變世界的三次工業革命

– 不只對電子、資訊工業造成重大衝擊，也對化學、材料、生物和醫學技術做出同樣的貢獻…

「1970年代重視微米的國家如今都成為發達國家，

現在重視奈米科技的國家很可能成為21世紀先進的國家。」

The next big ^{thing is}

very, very, very small ^.

物質尺度描述物質尺度描述

白血球手

物質尺度描述物質尺度描述 ( (續續) )

不會吧

這麼小的電腦

，連螞蟻都得動用顯微鏡了

！奈米碳管黏著於掃描探針

微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑微機電系統技術是奈米科技跨入應用的橋樑…… ……

奈米碳管原子力顯微術(AFM) (AFM)探針探針

探針陣列於奈米硬碟之應用探針陣列於奈米硬碟之應用

探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片

微/ 微 /奈機電系統精度定義奈機電系統精度定義

美國 NIST NIST 分子量測儀分子量測儀

微機電系統發展與應用範疇微機電系統發展與應用範疇

微機電系統產品的優點微機電系統產品的優點

微機電系統的定義微機電系統的定義

批次製造之微型元件組合

積體化感測器微電子電路

微機械系統微機電系統

•紫外線光刻術微機械加工

整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件

微觀世界與巨觀世界的差異微觀世界與巨觀世界的差異

浮力的影響表面張力的影響

重力的影響熱傳的影響

微機電系統技術的優點及重要性微機電系統技術的優點及重要性

微機電系統技術的發展背景微機電系統技術的發展背景