外部匯流排external bus

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微致動器與微感測器原理與應用 微致動器與微感測器原理與應用

Principle of

Principle of μ μactuator and actuator and μ μsensors and their applications sensors and their applications

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: 02-7734-3506; 0955-052-392 E-mail: ycr@ntnu.edu.tw

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綱 綱 要 要

z 微致動器的定義與發展演進

z 微致動器原理與應用

z 微感測器原理與應用

„力感測器

„溫度感測器

„流量感測器

„微麥克風

„微加速度計

„生物感測器

„壓電式(piezoelectric)

„熱伸長式(thermal expansion)

„

„記憶合金(shape memory alloy)

„靜電式(electrostatic)

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致動器與感測器的角色 致動器與感測器的角色

例：電風扇

例：冷氣

例：冷氣

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感測與致動原理 感測與致動原理

致動器：致動器：與感測器相反，將某一種能源作為輸入，產生物理量的變化，如引 擎、馬達。

感測器

感測器：：將一物理量(力、位移、角度、振動、音波、流量、溫度)或化學量(

化學成份、pH值、濃度、鹽度、黏度、密度、比重)的變化轉換成電性輸出，

如將力、位移或角度的變化轉變成電壓、電容或電阻的變化量。

環境中的物理 量或化學量

電性訊號轉換 成可讀性物理

或化學量 數位式溫度計

台灣師範大學機電科技學系 -5-

生物感測器示意圖 生物感測器示意圖

量測血糖濃度之生醫感測器

量測血糖濃度之生醫感測器( (電化學式 電化學式) )示意圖 示意圖

電 化學反應分為氧 化 與還原兩個步驟

， 前者是使葡萄糖 失 去電子變成葡萄 糖 酸，後者則由氧 氣 得到電子還原成 水。

台灣師範大學機電科技學系 -6-

致動器

actuators

致動器 actuators

感測器陣列

sensors array

感測器陣列 sensors array

微處理器

microprocessor

微處理器 microprocessor

輸入/輸出

input/output

輸入/輸出 input/output

internal bus

外部匯流排

external bus

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

微機電系統之訊號感測、傳輸與致動控制架構圖 微機電系統之訊號感測、傳輸與致動控制架構圖

運動 能量

訊息 其他

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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

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

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微致動器的定義與發展演進

微致動器的定義與發展演進

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何謂微致動器 何謂微致動器? ?

z 驅動元件能達到微米(μm) 之運動精度精度

z 驅動元件之尺寸在微米級 (1-1000μm)

微致動器為MEMS中驅動力的來源，亦是MEMS由靜態電子系統 或感測系統，轉化為動態機電系統的樞紐。因此在整個MEMS發 展的過程中，佔有主導及關鍵的地位。

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(a) Feynman viewing the the first micro motor built by William McLellan (left).

(b) The motor, 3.81 mm wide, photographed under an optical microscope.

(Picture credit: Caltech Archives)

Feynman

Feynman’ ’s Challenge s Challenge

大頭針

微致動器

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z Transistor by Bell Lab 1947

z Integrated circuit by Kilby 1958 z Mini motor by McLellan 1960 z Silicon pressure sensor 1962 z Resonant gate transistor 1965 z Silicon membrane 1966

z 1st commercial RAM (Intel, 256 bit) 1969 z 1st Micro processor (Intel, 2300 transistors ; 1971

7.5M transistors for Pentium II at 1997) z Silicon pressure transducer 1973

z Micro mirror 1975

MEMS發展歷史的演進 MEMS 發展歷史的演進

z Gas chromatography 1975

z Ink jet nozzle 1977

z Micro-relay 1978

z Micromachining named by Petersen 1982

z LIGA by Becker et al 1982

z Sacrificial layer 1983 z Silicon mass flow sensor 1984 z MEMS named after three work shops 1987

z Electrostatic micro-motor 1988 z Comb drive (1st linear microactuator) 1989 z Micromachined accelerometer by Analog Device 1991

z Electromagnetic micro-motor 1992

z Digitial Mirror Device commercialized by TI 1996

台灣師範大學機電科技學系 -13-

致動基本原理 致動基本原理

微 致 動 器 技 術

電磁式

靜電式

壓電式

電歪式(結構類似壓電材料)

橡膠製致動器

熱能式 磁歪式

微梳狀致動器(micro comb actuator)

可變電容微馬達(variable capacitance micromotor, VCM) 類靜電感應微馬達(electrostatic induction micromotor, EIM) 諧振馬達(wobble motor, harmonic motor)

微隔膜泵浦(micro membrane pump) 靜電開關(electrostatic switch)

熱膨膠利用型—雙金屬式、流體熱膨脹式 熱氣力致動器(thermopneumatic) 金屬氧化物(metal hydrides) 熱動力引擎(stirling engine) 形狀記憶合金 伸縮型— 加壓收縮、伸長 彎曲型— 一維及多維自由度 積層式電動器(stacking) 雙形致動器(bimorph) 超音波馬達—直線式、旋轉式馬達 衝擊驅動機構(impact drive mechanism)

micro gripper micro manipulator skeleton muscle type (骨骼) mollusk(軟組織)

台灣師範大學機電科技學系 -14-

致動基本原理 致動基本原理 (續 ( 續) )

微 致 動 器 技 術

磁性流體

電氣黏性流體

光能型

機械化學式(mechanochemical)

電化學效應

流體壓力致動器(fluid pressure actuation) 人工筋肉

人工纖毛 光-熱-力型 光-熱-流體壓力變換型 光-起電壓-力變換型 光-微引擎-氣體動力變換型

流量控制閥 磁性流體人工肌肉

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流體能

z 壓電式(piezoelectric)

z 電磁式(electromagnetic)

z 靜電式(electrostatic)

z 熱伸長式(thermal expansion)

z 記憶合金(shape memory alloy)

z 化學式(chemical reaction)

z 氣液壓式(pneumatic and hydraulic) 電能

熱能

化學能

致動基本原理 致動基本原理 (續 ( 續) )

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R. S. Muller, Berkeley

Functional passive:

Mirror Engine:

Comb actuator

Transmission

Micro optical scanner

Micro optical scanner

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Functional passive:

Mirror

Engine:

Comb actuator

Transmitting mechanism:

Linkage, gear

Sandia National Lab.

Micro optical scanner Micro optical scanner

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微致動器原理與應用 微致動器原理與應用

C. R. Yang, NTNU MT

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致動原理- 致動原理 -壓電式 壓電式

利用壓電材料的逆電壓效應，外加電壓而產生形變，將電能轉 換成機械能。V →ε

優點

◎反應速度極佳

◎出力大

◎穩定的微小位移輸出 缺點

◎與IC製程不合

◎不易製作成微米尺寸

C. R. Yang, NTNU MT

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致動原理 致動原理– –壓電式 壓電式

Operation principle of a piezoelectric-

actuated droplet-on-demand droplet

generator. (after Lee et al., 1984.)

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致動原理– 致動原理 –壓電式 壓電式

驅動原理

バイモルフ型圧電振動板に交流電圧を印加して共振させることにより変位 を発生させる。その変位をフレームを介して斜毛に伝え、斜毛の進行異方 性を利用して推進力を得ている。左右一対を組み合わせ、それぞれ独立に 駆動制御し方向転回を行わせることが出来る。

台灣師範大學機電科技學系 -22-

致動原理– 致動原理 –壓電式 壓電式

周元昉教授, 台大機械系 MOEMS Lab., 台師大機電系

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致動原理 致動原理 -熱伸長式 - 熱伸長式

利用溫度變化而產生形變 △L= α L △T

優點

◎出力大

◎可採電壓輸入，使用容易

◎製作容易，與IC製程相合

◎配合機構（如雙層結構)，易放大位移量

◎尺寸及精度要求不高

缺點

◎易有殘留應力及sticking的問題

◎易受環境溫度影響

◎溫度太高，會融化或產生永久變形

◎反應速度低

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Features :兩層材料不同熱膨脹係數，△L= α L △T 垂直運動

Bimorph Beam

熱伸長式 熱伸長式 – – 垂直運動 垂直運動

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應用- Ciliary motion

Fujita, J. MEMS, 1993

熱伸長式 熱伸長式 – – 垂直運動 垂直運動

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熱伸長式

熱伸長式 – – 垂直運動 垂直運動

z 應用- Micro cage

C. J. Kim, UCLA

C. R. Yang, NTNU MT

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致動原理– 致動原理 –熱伸長式 熱伸長式

z 水平運動-粗細(冷熱)臂式

Guckel e.t al., 1992

Features :兩臂等長不等寬，△L= α L △T

Direction of motion

Hot arm Cold arm Dimple Gap

Flexure

C. R. Yang, NTNU MT

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熱伸長式– 熱伸長式 –水平運動 水平運動

z 長短臂式

Features : 兩臂等寬不等長， △L= α L △T

Initial open state

Initial close state

台灣師範大學機電科技學系 -29-

z 曲臂式 Y. B. Gianchandani, J. MEMS, 10(2), 2001

熱伸長式

熱伸長式– –水平運動 水平運動

Features :利用斜角，放大位移 Basic Bent Beam Actuator

A rotary actuator based on orthogonal cascaded bent-beam elements.

台灣師範大學機電科技學系 -30-

利用彎曲或是挫曲來放大熱形變量 利用彎曲或是挫曲來放大熱形變量

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Thermal

Thermal -Buckling Actuation - Buckling Actuation

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優點

◎出力大

◎可採電壓輸入，使用容易

◎加熱電阻製作容易，與IC製程相合

缺點

◎密封問題

◎易受環境溫度影響

◎溫度太高，會融化或產生永久變形

◎需與結合技術配合

◎反應速度低

利用加熱介質(如空氣或液體)，使介質體積變化而產生驅動力。

致動原理 致動原理– –加熱式 加熱式

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致動原理– 致動原理 –加熱式 加熱式

微蒸汽機Micro Steam Engine (Sandia National Lab.)

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致動原理 致動原理 – –加熱式 加熱式

氣泡式噴墨印表頭 Thermal Bubble Inkjet Head

(Tseng et al, UCLA, 1998)

Tail cutting

Commercial Inkjet Microinjector

HP 51626A Printhead

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

Nozzle: 40 mm Droplet: 45mm Frequency: 18 kHz Fastest one Nozzle: 10 mm Droplet: 12 mm (0.9pl) Frequency: 33 kHz Speed: 10 m/s Fastest one in market

Nozzle: 20 mm Droplet: (5 pl) Frequency: 12 kHz Speed: 10 m/s

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C. R. Yang, NTNU MT

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形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)受熱或冷卻，可從變形狀態恢 復到初始幾何形狀，而產生位移及驅動力。

優點

◎出力大

◎可用小電壓驅動，使用容易

◎對人體無毒性傷害

◎機構安靜、簡單，容易設計

缺點

◎與IC製程不相合

◎精度較差

◎製作微米尺寸不易

◎反應速度低

◎應變回復特性會因疲勞而降低

致動原理 致動原理 –形狀記憶合金 – 形狀記憶合金

台灣師範大學機電科技學系 -37-

致動原理

致動原理 – – 記憶合金 記憶合金

SMA microarm (Yamaguchi University, 1993)

SMA made of TiNi Austenite tem.

T

= 57℃

Martensite temp.

T

= -9.1 ℃

台灣師範大學機電科技學系 -38-

Thermal driven, SMA actuation: (TiNi actuation membrane,

polyimide check valve, 5 wafer stack, flow rate 50 μl/min at 0.9 Hz with 0.6V, 0.9 A pulse (0.54 W).

SMA micropump SMA micropump

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Small Diameter Active Catheter Using Shape Memory Alloy Small Diameter Active Catheter Using Shape Memory Alloy

(Y. Haga, Y. Tanahashi, and M. Esashi, 1998)

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-41- 台灣師範大學機電科技學系

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利用電荷間的吸力和斥力作用順序驅動電極，產生平移或旋轉。

優點

z 間隙越小，出力越大

z 採電壓輸入，控制性佳

z 與IC製程相合 缺點

z 間隙尺寸及精度要求高

z 常需高深寬比垂直壁面

z 位移量小

z 需高電壓

致動原理

致動原理- -靜電式 靜電式

C. R. Yang, NTNU MT

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致動原理- 致動原理 -靜電式 靜電式

C

兩帶電平行板

d C = ε LW

C：電容值 L：板長 W：板寬 d：兩板間距

垂直作動

) ( d

d d d

C LW Δ

Δ

− +

=

Δ ε

水平作動

) ( L C L C = Δ Δ

C. R. Yang, NTNU MT

-44-

Source: Shinsuke Takimoto, ”International Symposium on Micromechatronic and Human Science ”, 1999,pp.221-226

Electrostatic force formula

Electrostatic force formula

台灣師範大學機電科技學系 -45-

Source: Kevin A. Shaw, “Transducers” ,1993, pp.210-216 z Vertical force

致動原理

致動原理- -靜電式 靜電式

台灣師範大學機電科技學系 -46-

Source: Tang, 1989 z Parallel force

致動原理- 致動原理 -靜電式 靜電式

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-47-

Source: G. Engelmann, ″J. Micromech. Mmicroeng. ″, 1994, pp.152-154

致動原理- 致動原理 -靜電式 靜電式

z Electrostatic Micromotor

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-48-

靜電式馬達驅動原理

靜電式馬達驅動原理

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z 梳狀致動器應用( I )

Juan and Pang, J. MEMS, 1998

致動原理 致動原理 –靜電式 – 靜電式

Cornel Marxer and Nicolaas F. de Rooij J. of Lightwave Technology, 17(1), 2-6, 1999

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z 梳狀致動器應用(II) Micro scanner

致動原理– 致動原理 –靜電式 靜電式

Electrostatic Combdrive-Actuated Micromirrors for Laser-Beam Scanning and Positioning

M. H. Kiang, et al., J. MEMS, 7, 27 (1998).

Vertical Scan Horizontal Scan

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-51-

Droplet Generator by Electrostatic Actuation Droplet Generator by Electrostatic Actuation

C. R. Yang, NTNU MT

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靜電式垂直致動型出平面致動器 靜電式垂直致動型出平面致動器

謝哲偉, 清華動機博士論文, 2002

台灣師範大學機電科技學系 -53-

靜電平板槓桿放大致動器 靜電平板槓桿放大致動器

H. H.- -Y. Lin, H. Y. Lin, H. Hu Hu, and W. Fang, , and W. Fang, Transducers Transducers’ ’01 01, Munich Germany, 2001 , Munich Germany, 2001

台灣師範大學機電科技學系 -54-

H.

H.- -Y. Lin and W. Fang, the Y. Lin and W. Fang, the ASME IMECE, ASME IMECE, Orlando, FL, 2000 Orlando, FL, 2000

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Scratch Drive Actuator (SDA) Scratch Drive Actuator (SDA)

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T. Akiyama, Sophia Univ.,1992

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微感測器原理與應用 微感測器原理與應用

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Mechanical pressure sensors Mechanical pressure sensors

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壓阻式壓力計 壓阻式壓力計

易於以摻雜方式製作出壓阻，配合惠氏電橋靈敏度高，精確度及穩定性亦 不錯，最重要的是其製作成本低，但易受外界應力影響且較耗電。

壓阻式壓力感測器基本結構 壓阻式壓力感測器基本結構

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-60- 利用一般IC MOS 製程，在矽基板之正面製作壓阻及導線之後，以KOH 溶液及電化學蝕刻終止技 術，由矽晶片背面進行非等向性蝕刻成懸膜(厚度由磊晶層厚度決定)。接著晶背以RIE 除去當做 蝕刻遮罩之nitride/oxide 後，進行陽極晶片接合，接合上玻璃片的目的在緩和封裝上可能產生熱 應力，除此可以在接合時在真空環境下進行，藉此製作絕對壓力計。

壓阻式壓力計的製作 壓阻式壓力計的製作

(Brysek et. al., Silicon Sensors and Microstructures, Nova sensor, 1990 )

(Lee et. al., Transducers ’95, 379-C9, 1995)

台灣師範大學機電科技學系 -61-

Toyota capacitive pressure sensor with CMOS electronics (Nagata et al. 1992a).

電容式壓力感測器 電容式壓力感測器

利用平行板電容原理製作已有悠久歷史，其 主要是偵測位移量受應力之變化，故較不受 外界溫度之干擾。靈敏度相當高且較不耗電

，但是由於響應的非線性及易受寄生電容影 響，最好搭配校正電路一起設計。

台灣師範大學機電科技學系 -62-

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Temperature Sensors Temperature Sensors

各種熱感測器與其感測原理

各種熱感測器與其感測原理

非接觸型：熱輻射

(愈靈敏者，星號愈多)

金屬導體線圈(Pt)為電阻，溫度愈高電阻增大

以熱敏電阻的電子元件取代金屬線圈，溫度愈高電阻變小

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紅外線熱型感測器 紅外線熱型感測器

紅外線熱型感測器可分為量子型與熱型兩大類，一般自然界物體所發出的熱輻射 大都集中於紅外線區域(

遠紅外區域(6－15 mm，far infrared (FIR)、近紅外(0.75－3 mm，near IR (NIR)) 或中紅外(3－6 mm，middle IR (MIR) )，這也是感測熱輻射的元

量子型(quantum)是利用感測材料吸收紅外輻射(或稱光子) 後，經由光電轉換產 生傳導電子或電洞(光電效應)，或同時產生電子-電洞對，而引起電性的改變。由 於材料的能隙可決定光電效率，因此其響應對波長有選擇性。

熱型(thermal)(又可分成熱阻、熱電與焦電等三種)則藉由吸收熱輻射，產生元件 的溫升，因而引發感測材料物性改變，並得以由儀器測量出訊號。其響應與表面 材料吸收輻射之效率有關，與波長關係僅由此材料之特性決定。若為黑體薄膜，

如金黑、碳黑或石墨等，則反應波長範圍十分廣且平坦，與波長幾無關係。

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光電效應 光電效應

當照射在金屬上的光超過特定的最 低頻率(臨閾頻率)，則金屬表面會 射出電子。射出的電子數與光的強 度成正比，但射出電子的能量與光 的強度無關。當頻率低於臨閾值時

，不論光多強都沒有電子射出。

Incident light

Metal

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中間的懸浮薄板吸收紅外輻射而升溫，其兩 支撐腳細且長，可減少熱流經由支撐腳的固 體熱傳散失

紅外線熱型感測器原理與結構示意

假設紅外輻射具有一峰值P₀與一調制頻 率ω，且造成的溫升為ΔT，則由能量守 恆原理，吸收的能量等於內能的增加與 熱散失量之和，因此熱流方程式為

H、G 與ε各代表檢知器的熱容、熱導

式中τ = H/G，為感測器的熱響應時間

(thermal response time)，或稱為熱時間常

解得

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-67-

典型的單一熱阻型元件結構

熱阻( 熱阻 (Thermoresistive Thermoresistive) ) 元件 元件

，造成原電阻R₀有一小變化dR，電阻溫 度 係 數 (temperature coefficient of

resistance, TCR) α可表示為

α為一正值，簡稱PTCR (金屬材料) (溫度升高、電阻增加、導電率下降) α為一負值，簡稱NTCR (半導體材料) (溫度升高、電阻下降、導電率升高)

此種元件必須給一固定偏流i_b，輸出電壓可 寫成V_s

= i

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-68-

(a) 焦電型元件感測原理，(b) 焦電型元件吸收一紅外輻射變化時

，於外部電路會存在一暫態電流。

焦電

焦電( (Pyroelectric Pyroelectric) ) 元件 元件

(來自於空氣中) 焦 電 材 料

會 不 斷 產 生 電 荷 於 晶 體 表 面

， 形 成 電 偶 極 矩 ， 其 具 有 一 自 發 性 極 化 強 度 ， 引 發 內 在 電場效應)

任何的溫度變 化Δ T 皆 能 引 起正離子的擾 動，而改變整 體的極化強度

，此改變非常 快速，使得原 先與其抵銷的 表面電荷不及 反應而重新出 現一電場。

台灣師範大學機電科技學系 -69-

焦電效應 焦電效應 ( (Pyroelectric Pyroelectric Effect) Effect)

圖A. 焦電效應說明圖 圖B. 焦電材料吸收熱源與產生 訊號對應圖

台灣師範大學機電科技學系 -70-

http://chem.tf.chiba-u.jp/gacb09/kenkyu/konnna/pyro/pyro_E.html

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(a) 熱電型元件感測原理。(b) 熱電型元

熱電 熱電(Thermoelectric) (Thermoelectric) 元件 元件

熱電元件主要是利用熱電效應，連結兩種熱電 功率不同的金屬材料，在兩端點會產生電壓，

電壓大小正比於接點處溫度的高低，且其值與 材料有關。

為了做室溫補償，接點有兩個，一個進行感測

，另一個遮蔽並製作於基板上。當串連n個此 種元件即構成熱電堆(thermopile)，其輸出電 壓將加倍，即

s

響應度 因

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典型的單一熱阻型元件結構：(a) 單層，(b) 雙層

熱阻型元件製作的重點在於形成一具有低熱導的感測懸浮薄板，主要是利用矽微細加工 中的非等向性蝕刻(anisotropic etching) 或犧牲層(sacrificial layer) 表面蝕刻等技術，分 別製作如圖 (a) 的V 形槽或圖 (b) 的懸浮橋，兩者各有其優缺點。當單一元件面積小至60

×60 μm²，為了提高填充比(fill factor)，大都使用後者，將多工掃描器的MOS開關製作於 感測元薄板下方。

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流量感測器 流量感測器

熱式流量感測器

熱式流量感測器主要是由加熱元件(heater) 及溫度感測元件(temperature

sensor) 所組成之感測器，利用流體流動帶走加熱元件的熱量，造成加熱

熱 膜 型 流 速 計 (hot wire / hot film anemometer) 、 熱 量 計 型 流 量 計

(calorimetric flow sensor) 及熱脈衝型流量計(time of flight flow sensor)。

當熱線與氣流的溫度差固定時，量測電功率的變化，即可得知流體的流 速，此種量測方式稱為定溫控制模式；另一種量測方式則是控制電源功 率的提供，經由量測溫度的改變，將可測得流體的速度，此種量測方式 稱為定電源控制模式。

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利用微機電系統技術，可直接將熱線或熱膜製作於矽晶圓基材上，而製作成熱線／熱 膜型流速計。加熱元件可同時做為溫度或熱功率量測之元件，一般常用白金作為加熱絲 與熱敏電阻。當然如前一節熱感測器的介紹，溫度量測有多種方法，如熱阻式(thermo

resistive)、熱電偶式(thermocouple)、熱電堆式(thermopiles)、熱電力式(thermalelectric)

、熱電子式(thermalelectronic) 及焦電式(pyroelectric) 等，皆可應於熱式微型流量計的溫 度感測。

微型熱線型流速計 微型熱線型流速計

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微型熱線流速計必須注意到熱散失問題 微型熱線流速計必須注意到熱散失問題… …. .

加熱電極和支撐的基座之間，

設計絕熱層減少熱傳導發生。

加熱電極所產出的熱部分將藉由電極的支 撐基材，經熱傳導而流失。基材的熱容與 熱傳導係數都將影響熱平衡達成的時間，

進 而 影 響 流 速 量 測 的 反 應 時 間 (response

time) 及量測的靈敏度，因此設計微型熱

多孔矽(porous silicon) 氧化成30 μm 厚度的 SiO₂

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將加熱電極製作於微橋(micro bridge) 上面….

加熱電極製作於懸浮薄膜上….

真空腔提供了非常良好的熱絕緣，進而 大幅提升頻率響應速度與量測靈敏度。

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熱量計型微流量計 熱量計型微流量計

熱量計感測器(calorimetric sensor)其主要元件為兩個溫度感測單元，而其中一 個溫度感測單元上方鍍有可以與欲測物質反應的觸媒(catalyst)。當欲測物質 接觸感測器時，由於觸媒的催化作用而有燃燒生成熱產出，造成其中一個溫 度單元溫度升高，經由兩個溫度感測單元所量得的溫度差即可量得熱量的產 出，此即為熱量計感測器。

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利用熱量計的觀念設計流量量測之感測器，則稱為熱量計型流量計。圖 (a) 為傳 統熱量計型流量計設計示意圖，微管道外圍纏繞有兩組熱阻式溫度感測電阻絲及 一組加熱電阻絲，加熱電阻絲提供熱量給予微管道內的流體。當流體靜止時，加 熱電組絲兩側的溫度成對稱分布，如圖 (b)；當流體流動時，則溫度分布將隨流速 的不同而改變。因此經由加熱電阻絲兩側溫度的比較，則可以得到一溫度差與流 量關係圖，而構成一流量感測器。

靜止

高流速 低流速

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微型質流量感測器 微型質流量感測器

溫度感測電極

加熱電極

熱量計型微流量計是利用熱擴散至流體後，隨著流體的流動而被帶走形成溫度分布，再 藉由溫度分布的量測，則可得到流體的速度。而熱經由熱擴散至流體，其擴散能力又和 流體的熱容(heat capacity, mCp) 及熱擴散係數成一正相關。其中熱容又與流體的質量相 關，因此熱量計型流量計又可稱為質量流量計(mass flow meter)。

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熱脈衝型流量計 熱脈衝型流量計

熱脈衝型流量計量測原理示意圖 熱脈衝型流量計量測原理示意圖

熱脈衝溫度分布與時間關係圖 熱脈衝溫度分布與時間關係圖

(L/Δt)，則可計算流體的速度。此

流速快

流速慢

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如果溫度感測器與加熱器的距離太長、流速太慢或熱擴散速度太大時，將 造成感測不到訊號(如前頁圖t₃之訊號)。為了解決此一問題，因此多數的熱 脈衝型流量計，會於加熱器下游不同距離處，設計多個溫度感測器。

熱脈衝型流量計雖然有數位式感測器的優點，但也由於多個訊號的同時監 控或輪流監控，造成時序控制邏輯電路的設計不易。另外，靜止流場與流 場方向的判定都是熱脈衝型流量計設計的困難。

多線式熱脈衝型流量計 多線式熱脈衝型流量計

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熱式微型流量感測器雖然已有很成熟的商品產出，然而在某些特殊流場

，熱式流量計並不適用。尤其與生物相關之流體，由於熱的產生會破壞 生物流體的生化特性，因此熱式微型流量感測器並不適用。

非熱式流量感測器 非熱式流量感測器

昆蟲毛髮風速計 昆蟲毛髮風速計 流阻式微型液體流量計

流阻式微型液體流量計

Pyrex平板

感測晶片

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壓力式微型流量計 壓力式微型流量計

孔口板式微型流量 孔口板式微型流量

當流體流過孔口板時，流體因 當流體流過孔口板時，流體因 突張而有一極劇的壓力下降，

突張而有一極劇的壓力下降，

孔口板的膜片

孔口板的膜片(diaphragm) (diaphragm) 因 因 上下游的壓力差而變形。最後 上下游的壓力差而變形。最後 再經由壓阻式應變計量測膜片 再經由壓阻式應變計量測膜片 的形變，可量出對應的流量。

的形變，可量出對應的流量。

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壓差式微型流量感測器 壓差式微型流量感測器

流體的流動必定伴隨著壓力梯度的發生，因此經由流道中壓力差的量 測，則可量出流量。上圖為Oosterbroek 等人所設計的壓差式微型流 量感測器，而其壓力的量測則是採用電容式壓力計。

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Microphones (

Microphones (微型麥克風 微型麥克風) )

以微機電技術製作之聲音傳感器，包含麥克風及揚聲器。其中麥克風主要是 作為將聲音轉變為電子訊號之轉換器，而揚聲器則是將電子訊號轉變成聲音 之轉換器。

微機電麥克風特性及可能應用：

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麥克風的基本結構 麥克風的基本結構

電容式麥克風乃是利用平行電容板作為感測本體，其中一平行板即為感測隔膜，而另 一隔膜(通常稱為背板(backplate)) 通常固定住，當聲壓影響隔膜時，其輸出電容隨之改 變。在背板及其支撐物上所留之孔洞將提供一洩氣道，以避免隔膜兩面形成靜態壓力，

造成隔膜承受過大壓力而破掉，此孔洞也決定了麥克風高頻響應之衰減型態。除此，在 背板下方通常預留背室(backchamber)，以形成Helmholtz 共振腔，此共振腔可以用來調 整聲音阻抗及頻率響應。

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壓阻式麥克風 壓阻式麥克風

麥克風可以視作極低壓壓力感測器，而微機電技術第一個成功量產的商品就是壓 阻式微壓力感測器。

Schellin 等人於1992 年利用多晶矽及體型微加工方式完成上圖之微型麥克風。其

如要提高輸出則需耗費相當能源。

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壓電式麥克風 壓電式麥克風

壓電式麥克風的原理是使用傳導 機構將隔膜上之振動傳導至壓電 板上，或利用壓電高分子材料同 時作為隔膜及壓電轉換材料。

壓電式麥克風最大缺點為等效雜訊 位準相當高(比電容式麥克風)，且 通常必須搭配前級放大器，以減少 等效雜訊位準及輸出阻抗。

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Parylene

Parylene ( (壓電高分子材料 壓電高分子材料) )麥克風 麥克風

Parylene

Parylene 揚聲器與其輸出訊號 揚聲器與其輸出訊號

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貝爾實驗室(Bell Lab) 採用仿生(biomimic) 的觀念，利用面型微加工方式製作金字塔式立體 結構，以模擬蒼蠅的收音構造，如圖 (a) 所示。一般面型微加工方式製作麥克風有易與IC 製程整合之好處，但是由於犧牲層製作之極限，造成間隙過小而阻尼變大之缺點，而具有 此種結構將可克服上述缺點。此麥克風大小為300 × 300 μm²，可以忍受超過1000 g 的力量

。其頻率響應亦相當不錯，如圖 (b) 所示，可以達到50 mV/Pa 以上，表現非常突出。

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- 加速度計的原理

( ) ( )

m x+c x−y +k x−y = 0 z= y−x m z+c z+k z=m y=m a a= y: th e a c c e le r a tio n to b e m e a s u r e d 運動方程式

微型加速度計 微型加速度計

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(a) Piezoresistive strain-gauge accelerometer for heart wall accelerations. Made by silicon wafer and 7740pyrex glass.

Size: 2*3*0.6 mm. Detection accelerometer down to 0.001g, full scale: ±200g, sensitivity of 50 μV/(gVsupply), off axis sensitivity: 10%, piezoresistive effect temp. coefficient of – 0.2to-0.3%/°C, resonant frequency of 2330 Hz.

z

z Strain- Strain -gauge Accelerometers gauge Accelerometers

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(b)

Silicon fusion bonding, design for overrange and damping, optimized strain- gauge positioning, self-test capability (thermally expanded beam or electrostatic self test) (Lucas Novasensor)

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Piezoelectric Accelerometer Piezoelectric Accelerometer

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ADXL-50 (Analog Devices, Inc., Norweed, MA, for air bag applicaiton)

a. Surface micromachined, BiMOS signal processing circuit integrated, electrostatic force balanced.

b. Chip size 3*3mm, 0.6mm2 for sensors, response to 10kHz, 6.6mg/, mechanical resonance~24 kHz, Q of 3-4. applied signal: 1 MHz, 0.2 and 3.4 V for each electrode.

Force balanced accelerometer Force balanced accelerometer

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Accelerometer Chip (ADI Inc.)

Accelerometer Chip (ADI Inc.)

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Open loop sensor (Silicon Designs, Inc., WA)

a. Nonlinear response, electroplated, asymmetrical torsional capacitor which would rotate under acceleration.

b. Sensing element: 1*0.6mm*5μm thick: 150 fF. sensitivity controlled by torsion bar design (for 25g device, 8 μm wide, 100 μm long, and 5 μm thick).

z

z Capacitive Accelerometer Capacitive Accelerometer

!! Note: single-point support minimized effects of thermal expansion coefficient mismatch between the plate and substrate.

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(IMM, Germany) LIGA process

Capacitive accelerometer Capacitive accelerometer

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a.

Sensing subnanometer level.

Very nonlinear. Require close loop control. Using electrostatic actuation to maintain a constant tunneling current.

b.

Fabrication by staking multiple wafers (glue together by photoresist)

c.

Potential for long term drift.

Thermal expansion mismatch cause low-frequency noise.

z Tunneling Accelerometers

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表面聲波元件 表面聲波元件

(Surface Acoustic Wave, SAW) (Surface Acoustic Wave, SAW)

C. R. Yang et al., 科儀新知, 26 (1), 2004.

→→Load RayleighLoad Rayleigh, 1885. , 1885.

Shear wave Shear wave Compression wave

Compression wave

IDT →IDT →White and White and VoltmerVoltmer, 1965., 1965.

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SAW principle SAW principle

IDT : InterDigital Transducer

Baszun et al., Journal of Materials Processing Technology, 133, 34-38, 2003.

Mechanical signal Output of electric signal Input of electric signal

Converse piezoelectric effect Direct piezoelectric effect

台灣師範大學機電科技學系 -102-

Resonant sensors Resonant sensors

(Thickness shear mode) (Surface acoustic wave) (Flexural plate wave) (Acoustic plate mode)

(彎曲平板波)

(表面聲波) (聲波平板式 )

(厚度剪切模態)

隨著基板種類、晶格方向及感測元件結構的不同，會產生不同的表面聲波模態

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(a)雷利波有垂直方向之位移，會因液體的阻尼效應，使聲波能量有巨大的損失(量測氣體)；

(b)剪向水平表面聲波無垂直方向之位移，能減少聲波能量的損失(量測液體)。

(a)

(b)

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-105- M. Penza, G. Cassano and A. Sergi, "SAW chemical sensing using poly-ynes and organometallic polymer films", Sensors and Actuators B, 81, p88-98 (2001).

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-106-

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-107-

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-108-

台灣師範大學機電科技學系 -109- 台灣師範大學機電科技學系 -110-

(拉福波(Love wave)感測器 )

拉福波(Love wave)元件和其他聲波元件不同之處，在於必須在指叉狀 電極及感測區上沉積一層波導層(guiding layer) ，當覆蓋波導層後，

會將表面飛掠塊體波轉變為拉福波。

拉福波的質點粒子運動與主表面(major surface)平行，而與傳遞方向垂直。

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ISFET biosensors (

ISFET biosensors (CHEMFETs CHEMFETs) )

ISFET (Ion Sensitive FET)

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Hybrid Biosensors

Hybrid Biosensors

Neurons coupling to open gate