行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
微小化紅外線氣體感測元件及模組製作技術之研究(第三年
度計畫 3/3)
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 97-2221-E-151-006- 執 行 期 間 ： 97 年 08 月 01 日至 99 年 01 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學光電與通訊工程研究所 計 畫 主 持 人 ： 陳忠男 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：黃德智 碩士班研究生-兼任助理人員：柯力瑋 碩士班研究生-兼任助理人員：蕭名宏 處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢中 華 民 國 99 年 04 月 13 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□期中進度報告
微小化紅外線氣體感測元件及模組製作技術之研究
(第三年度計畫 3/3)
計畫類別：■ 個別型計畫
□ 整合型計畫
計畫編號：NSC 97－2221－E－151－006－
執行期間：
2008 年 08 月 01 日至 2010 年 01 月 31 日
計畫主持人：陳忠男
共同主持人：
計畫參與人員： 黃德智、柯力瑋、蕭名宏
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告
□完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立高雄應用科技大學
中 華 民 國 99 年 04 月 09 日前言 氣體感測的應用極為廣泛，包含居家及工廠有毒及易爆氣體之偵測、病人臨床之呼 吸監控及檢查、汽車及工廠廢氣排放之監控與居家空調品質之自動調控，甚至是智慧型 電子鼻用來偵測特定氣體。隨著工業安全問題與環境保護議題的倍受重視，氣體感測器 扮演的角色更為重要，加上未來即將面臨能源危機，天然氣可能成為汽車或工廠的過渡 能源，我們更需要一個高準確性、高選擇性及高可靠度的氣體感測器，而紅外線氣體感 測方式正是同時具備高準確性、高選擇性及高可靠度等優點。 紅外線氣體感測系統雖具有高靈敏度、高選擇性及高可靠度的優點，但由於傳統式 紅外線氣體感測系統微小化不易，以至於體積過大而造成攜帶不便以及成本昂貴，故其 應用領域一直難以推展至民生用途。另一方面，雖然半導體式氣體感測具有可微小化及 便宜等優點，也已有商品化產品用於在民生用途，但其選擇性不若紅外線氣體感測法之 優異，對混合氣體的感測較容易造成彼此的互相干擾，而造成系統誤判，如此其應用層 面將會被受限於對氣體偵測精確度較不要求的情形。因此，若能改善傳統式紅外線氣體 感測系統體積過大的缺點，紅外線氣體感測將可能成為氣體感測主流，並應用於一般民 生用途。 紅外線氣體感測關鍵性元件為紅外線感測元件及紅外線發射源，其中紅外線感測元 件分成光子型及熱型兩大類，光子型紅外線感測元件之優點為高靈敏度及極快的反應時 間，但其缺點是需在冷凍的環境下方能有效地工作，故需搭配致冷器，以致於無法達到 微小化目的，另其在中紅外線及遠紅外線氣體感測波段之元件價格昂貴，亦無法達到低 成本之目標。熱型紅外線感測元件可在室溫下操作，其靈敏度及反應時間雖無法與光子 型紅外線感測元件相比擬，但已足夠應用於氣體感測的用途，加上配合微機電及 IC 半 導體製程的設計與製作，可輕易地達到微小化及低成本的目的。另外紅外線發射源亦可 區分光子型及熱型兩大類，光子型有發光二極體及雷射兩種，中紅外線及遠紅外線之發 光二極體並不普遍，且發光二極體本身發光功率低，無法提供足夠的紅外線光源，並不 適用於氣體感測；雷射雖然可提供高功率光源，但其體積龐大且造價極為昂貴，亦不適 合大量推廣與可攜型。故熱型之紅外線感測元件與紅外線發射源較適合發展微小化及低 成本的紅外線氣體感測用途。 拜微機電技術發展之賜，我們可以將熱型感測元件微小化，甚至於可整合 IC 製程與設 計製作出智慧型感測元件。本研究計劃之目地是將傳統式紅外線氣體感測系統微小化，亦 即將其四個主要零組件：熱型紅外線感測元件、熱型紅外線發射源、紅外線光學系統與氣 體擴散腔作微小化，使用的相關技術包含微機電、半導體製程、光學設計與紅外線工程等 相關技術，將利用微機電及半導體製程技術將紅外線氣體感測最關鍵之元件─熱型紅外線 感測元件及熱型紅外線發射源製作於矽晶片上，以達到微小化及可大量生產之目的，另外 將自行開發紅外線光學系統與氣體擴散腔，在所有零組件皆為自行設計製作下，才能達到 將紅外線感測模組微小化之計畫目的。 研究目的 本研究計劃將延續過去在產業界之研究成果與經驗，將整合微機電、半導體製程、 光學設計與紅外線工程等相關技術應用於氣體感測的研究，企圖利用微機電及半導體
達到將紅外線感測模組微小化之計畫目的，吾人採取之設計及製程會基於目前相容於 業界 IC 半導體界之製程，以達到可大量化生產及降低成本之目的。 文獻探討 在熱電型紅外線感測方面，國內外的學者專家發表了許多熱電效應及熱電堆元件 的相關研究，研究內容包含熱電材料、元件製程、元件特性分析、電路設計與整合、 元件應用及元件陣列等。由於 CMOS 製程具有許多的優點，成為熱電堆紅外線感測元 件產品的主要製程，從近年來國內外學者專家所發表的 CMOS 製程匹配熱電堆元件研 究論文看來(如下表)，相關的研究有逐年增加的趨勢。這些相關的研究論文所使用的熱 電材料大多為具有較大雜訊的 n-多晶矽/p-多晶矽或具有較大熱導的多晶矽/鋁熱電偶結 構，部份是使用製程較複雜且不易控制的單晶矽基底材料。由於受限於 CMOS 製程在 製程與材料的限制，在元件的設計上，很難有效提升元件感測性能。本實驗室為第一 個利用低熱導的 CMOS 製程匹配金屬材料來設計與製作熱電堆元件，可以有效降低元 件熱導而提升其靈敏度。
Year First Author Title Journal/Conference
2009 D. Xu Integrated micromachined thermopile IR detectors
with an XeF2 dry-etching process J. Micromech. Microeng. 19, 1-11 (2009) 2009 J. Xie
Characterization of heavily doped polysilicon films for CMOS-MEMS thermoelectric power
generators
J. Micromech. Microeng. 19 (2009) 125029 (8pp)
2009 D. Dibra Seebeck Difference–Temperature Sensors
Integrated into Smart Power Technologies ISPSD 2009, 216 - 219, 2009 2009 J. Fonollosa Limits to the integration of filters and lenses on
thermoelectric IR detectors by flip-chip techniquesSensors and Actuators A 149 (2009) 65–73 2008 H. Kawanishi
64/256-Element Thermopile, Infrared Sensor Chip with 4 Built-In Amplifiers for use in Atmospheric Pressure Conditions
ISSCC 2008, 3-7 Feb. 2008 Page(s):330-331
2008 H. Wu
A thermopile detector array with scaled TE elements for use in an integrated IR microspectrometer
J. Micromech. Microeng. 18 (2008) 064017 (7pp)
2008 K. P. Yoo Fabrication of thin-film thermopile micro-bridge
with XeF2 etching process Thin Solid Films 516 (2008) 3586–3589 2008 S. H. Tseng A CMOS MEMS Thermal Sensor with High
Frequency Output IEEE SENSORS 2008 Conference, 387-390
2008 K. P. Yoo
A Front-side Dry-Etched Thermopile Detector with 3-5 μm Infrared Absorberand Its Application to Novel NDIR CO2 Gas Sensors
IEEE SENSORS 2008 Conference, 894-897 (2008)
2008 S. J. Chen A Novel Two-Axis CMOS Accelerometer Based on Thermal Convection
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 57(8), 1572-1577 (2008) 2008 J. W. Zhong, Design and Analysis of a Fast Infrared Tracking
System with Winner-Take-All Implementation
Instrumentation and Measurement Technology Conference 2008, 2008 2008 I. Kasalynas Design and performance of a room-temperature
terahertz detection array for real-time imaging
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 14 (2), (2008)
2008 M. Dei Design of CMOS chopper amplifiers for thermal
sensor interfacing PRIME 2008, 205 - 208
2007 A. Roncaglia CMOS-compatible fabrication of thermopiles with high sensitivity in the 3–5 μm atmospheric window
Sensors and Actuators B 125 (2007) 214–223
2007 E.
Aldrete-Vidrio
Differential temperature sensors fully compatible with a 0.35-μm CMOS process
IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies 30(4), (2007)
2007 T. Li High yield front-etched structure for CMOS
compatible IR detector 2007 IEEE Sensors, 500-502 (2007) 2007 C. H. Shen A New Structure for CMOS
Thermal-Bubble-Based Accelerometer 2007 IEEE IMTC, 1-3 May 2007 Page(s):1-6 2007 P. H. Chang A new fast infrared tracking system with
thermopile array implementation 2007 IEEE/LEOS, 97-98 (2007) 2007 S. J. Chen A new high-filling-factor CMOS-compatible
thermopile
IEEE TRANS. ON INST. AND MEAS., VOL. 56, NO. 4, AUGUST 2007
2007 A. Emadi Infrared thermopile detector array for the
integrated microspectrometer 2007 IEEE Sensors, 435-438 (2007) 2007 R. Rubio Non-selective NDIR array for gas detection Sensors and Actuators B 127, 69-73 (2007) 2006 F. Mancarella A measurement technique for thermoelectric
power of CMOS layers at the wafer level
Sensors and Actuators A 132 (2006) 289–295
2006 C. Calaza
An uncooled infrared focal plane array for low-cost applications fabricated with standard CMOS technology
Sensors and Actuators A 132, 129-138 (2006)
2006 L. C. Chang Development of a high resolution CMOS flow
sensor 1st IEEE Nanomed, 890-895 (2006)
在熱型紅外線微發射器方面，過去的研究文獻多著墨於白金及多晶矽材材，惟前者雖 具有高熔點，但元件在高溫加熱操作下容易與其緩衝金屬層產生合金態，造成材料電阻率 上升等問題；後者多晶矽材料之單晶粒尺寸易隨高溫變化而影響其特性。雖有部分文獻亦 探討單晶矽熱型紅外線微發射器的相關研究，但局限於傳統的 SOI 晶片及超高濃度硼擴散 的製作方式，本研究採取的方式是針對過去單晶矽元件的加工方法進行改良。 研究方法 熱電堆紅外線感測元件的電壓訊號 V 正比於熱電偶對數 n、熱電材料 Seebeck 係數 α以及熱電偶熱接點溫度 Th與冷接點溫度 Tc之溫度差值： ) (Th Tc n V 其中熱電偶的冷接點溫度接近室溫，冷熱接點的溫度差值可藉由熱流方程式決定： G(T Ta) dt dT C C 為元件熱容；G 為元件熱導，包含固體熱導及氣體熱導；Ta為室溫；ε為元件輻射率 (等於吸收率)；Φ為入射光功率。 其中元件的輻射率ε可以使用貴重儀器中心的 FTIR 設備量測出來。 熱流方程式在穩態下的解可以表示為： G T Th c G n V 上式可以清楚看出熱電堆輸出電壓與熱導成反比關係，本研究是利用具有低熱導率的鈦金 屬層取代鋁，以達到降低熱導的效果。 熱流方程式的暫態解可以表示為： 2 2 1 G T T T h c
2 2 1 G 其中ω為光調變角頻率；τ=C/G為熱時間常數，代表元件的反應速度。熱電堆元件的熱時 間常數可以藉由鎖相放大器及光遮斷器的量測架構測量並計算出來，量測架構如下圖所 示，光遮斷器調變由黑體輻射源發射出之紅外光源，並送出調變頻率至鎖相放大器當參考 頻率，只讀取該頻率的訊號源，可以過濾其他頻率雜訊源，適合量測訊號較小的光電元件。 當光遮斷器的調變頻率增加時，訊號會有衰減的現象，可以計算出元件的熱時間常數。除 此之外，元件置入一個具有紅外線視窗的真空腔內，元件在真空環境下之氣體熱導可以忽 略不計，只剩下固體熱導主導元件的熱散失，因此熱電堆元件的訊號會隨著熱導的減少而 增加，同時，熱時間常數也隨之增加。我們可以從在大氣及真空下的訊號比值推導出氣體 熱導與固體熱導的比值，再藉由 ANSYS 模擬與訊號量測結果得到氣體熱導數值。 結果與討論 本計畫完成之項目： (一) 熱電堆紅外線感測元件： 本研究計畫中以 CMOS 及 MEMS 製程完成具有高靈敏度之熱電堆紅外線感測 元件，元件製程如下圖所示： 元件完成圖如下圖照片，此元件具有 96 對熱電偶對，其電阻為 43.5 kilo-ohm。
元件量測頻率響應圖如下： 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.1 1 10 100 Chopper Frequency (Hz) N o rm a li z e d O u tp u t V o lt a g e
with gold black, in vacuum with gold black, in amtosphere w/o gold black, in amtosphere
-Test Condition Result
Infrared Absorber Environment Normalized Output Time Constant
None In atmosphere 0.293 43 ms
Gold black In atmosphere 0.431 103 ms
Gold black In vacuum 1 173 ms
元件具有高靈敏度，除了可作為紅外線氣體感測元件外，亦可量測人體體溫：
(二) 紅外線微發射器：
元件熱傳模擬分析：
(三) 紅外線氣體感測模組：
完成模擬及冷媒氣體 R-22、R-134a 之感測量測，紅外線氣體感測模組之專利 已進行送件申請作業。
計畫成果自評
研究內容與原計畫相符，並達成預定目標。研究成果已分別就感測元件、微發射 器及微機電製程發表三篇論文於 IEEE 2009 NANOMED 國際性研討會(IE)，目前正整理 完整資料投稿相關 SCI 期刊。另已針對紅外線氣體感測模組提出專利申請，參與計畫 之研究生預定於 2010 年七月畢業。
本計畫相關之著作、專利：
1. Chung-Nan Chen*, Wen-Chie Huang, Cheng-Chia Chen and Shang-Hung Shen,”A Novel
CMOS-Compatible Poly-Silicon/Ti Thermopile”, the 3rd IEEE International Conference on Nano/Molecular Medicine and Engineering , 2009 , EI
2. Wen-Chie Huang, Chung-Nan Chen*, Shang-Hung Shen and Cheng-Chia Chen,“Study ofthe
Annealing Effect of Low-Temperature Oxide on the Etch Rate in TMAH Solutions for Micro-HeaterApplications”,the3rd IEEE InternationalConferenceon Nano/MolecularMedicine and Engineering , 2009 , EI
3. Yong-Yi Chen, Chung-Nan Chen* and Wen-Chie Huang,“Heavily Boron Doped Effecton the Etch Rate of <111> Single-Crystal Silicon in TMAH Solutions”, the 3rd IEEE International Conference on Nano/Molecular Medicine and Engineering, 2009, EI
