明新科技大學 校內專題研究計畫成果報告
應用於中醫脈診之電容式壓力感測器的微結構探討
Investigation of the Micro Structure on a Capacitive Pressure
中文摘要
Abstract
The sensing micro structure on a capacitive pressure sensor, applied on the diagnosis by feeling the pulse in Chinese medicine, fabricated by CMOS-MEMS process is investigated in this paper. Intensity and frequency of the pulse are main factors when a doctor diagnoses the condition of a patient in Chinese medicine. According to the concepts of the maximum sensing area and the successfully releasing guideline of post process, 100μm×100μm sensing area is adopted. The effects of jigsaw and square types of the sensing micro structure, and the length of the fixed arm on the maximum displacements and the variation of deformation of top plate of the capacitor varied with operation pulse pressure are investigated. The device is fabricated by Taiwan Semiconductor Manufacture Cooperation, TSMC 0.35μm 2P4M mixed signal model, based upon CMOS-MEMS process and its mechanical performance analysis will be shown in the paper. The thickness of Metal 3 layer is 0.64μm adopted as the cavity of the capacity and will be sacrificed during the releasing process. The reasonable operation pulse pressure will be limited by the yield point and the tensile stress of the material of metal in process. The results demonstrate a jigsaw type for the sensing micro structure with 20μm×20μm fixed arm is the optimum design for the device. The maximum operation pulse pressure is achieved to 60 mmHg, which is three times of maximum detective pressure of the human pulse.
圖11 壓力薄膜幾何形狀與固定臂結合...11 圖12 微感測器動作示意圖...11 圖13 Metal 2 光罩圖 ...12 圖14 Metal 3 光罩圖 ...12 圖15 Metal 4 光罩圖 ...12 圖16 光罩完成圖與下線光罩圖...13
圖17 利用 IntelliFab 建立 CMOS MEMS 共用製程...15
第一章
緒論1.1 前言與研究動機
隨著技術的日新月異微機電系統技術之應用領域已相當廣泛，舉凡通訊、製 造、醫療【1】、航太、汽車及生物科技等領域皆有其重要應用，尤其在生物醫學 領域發展出許多高精度與品質優良之醫療用微感測元件，如：植入式感測器 (Implantable Sensor System)代表的元件有壓力計和血液參數量測【2-4】、內視鏡 (Endoscope) 、 植 入 型 投 藥 系 統 (Implantable Dosing Systems) 、 顯 微 手 術
(microsurgery)與神經替代品(Neuronal Prosthesis)【5】。這些都是MEMS 在生物醫
療(Bio medical)上重要的突破。
微機電共用製程常見的有面型微加工共用製程，以及積體電路相容微機電加 工技術(CMOS-MEMS)共用製程；其製程規範依台灣積體電路股份有限公司 (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited, TSMC)所提供之 0.35μm 混合信號製程(TSMC 0.35μm 2P4M Mixed Signal Model Process)設計元件。國內 外常見之共用製程如表一所示。目前國內晶圓代工廠亦有提供共用製程，稱為多 用戶製程晶片MPW (Multi-Project Wafer)【6】。 表一. 常見共用製程表 製造公司 製程名稱 層 MEMSCAP PolyMUMPs 3P1M MEMSCAP MetalMUMPs 1P1M
Sandia National Laboratories, SNL SUMMiT V 5P1M
Touch Micro-system Technology, tMt SMart 3P1M
面型微加工 共用製程
Taiwan Semiconductor Manufacturing
Company Limited, TSMC TSMC 0.35 2P4M
Implementation Center, CIC)，以 TSMC 0.35μm 2P4M Mixed Signal (CMOS-MEMS) 製程製作。元件經性能測試並建立模組資料庫，以驗證最佳設計的數據後，並能
進一步探討CMOS-MEMS 製程，是否可利用其微機電技術推展作為製造微機電
之整合元件。
此微感測元件構造簡單、容易製造與體積小可增加其可攜性，未來之應用可
裝置在各式隨身數位3C 產品中，以提供使用者隨時監測自己身體狀態的功能，
如在後端搭配一完整脈搏健康資訊傳遞流程與病情處理情形流程，如圖1 所示，
圖1 結合電容式壓力微感測元件之類中醫脈診系統示意圖
1.2 文獻回顧
1.2.1 壓阻式壓力感測器 (Piezoresistive Pressure Sensors)
用摻雜或離子佈植方式製作出壓阻，配合惠氏電橋靈敏度高，精確度及穩定
度不錯，最重要的是其製作成本低，但亦受外界應力及溫度影響且耗電。SINTEF
公司發展出之壓阻式壓力感測器與CNM公司所發展出之壓阻式壓力感測器，如 圖2，圖3所示。Royal Institute of Technology所製作的壓阻式壓力感測晶片【9】
圖2 SINTEF公司之壓阻式壓力感測器 圖3 CNM公司之壓阻式壓力感測器
1.2.2 光學式壓力感測器 (Piezoresistive Pressure Sensors)
利用薄膜作為光學干涉偵測處，當薄膜受力變形時，會造成干涉條紋變化。
靈敏度高，但須大體積、成本高。由Royal Institute of Technology 所製作的光學式
壓力感測晶片，如圖 4 所示【13】，以電容方式驅動薄膜(100×150×2m3)至共振頻
率700 kHz，薄膜經雷射光源照射及採用光感測器接收反射光，可感測光強度隨
振動頻率、亦即壓力之變化，所獲致的頻率感測度為3.2%/bar。【14、15】
第二章
製程概要與設計規範2.1 製程簡介
(a)光罩完成圖 (b) CIC 下線光罩圖
圖16 光罩完成圖與下線光罩圖
第三章
微壓力元件分析模型的建立3.1 分析模型建立
為瞭解設計的微壓力感測器的性能和製造的可行性，需透過積體電路佈局編 輯繪製軟體(L-Edit)繪製光罩，及配合微機電模擬軟體 IntelliSuite 之 IntelliFab 建 立符合實際製程之製程檔案後，轉入機械分析模組(Mechanical Analysis Module) 進行模擬，其模擬分析過程如下列所示：
第一步驟：使用L-Edit 繪製出設計之光罩。
第二步驟：使用微機電模擬軟體 IntelliSuite 之 IntelliFab 建立符合實際製程
之製程檔案，配合光罩之GDSⅡ檔案，轉入 Mechanical Analysis
Module 建構分析模型。
第三步驟：對模型作切割網格(mesh)動作，本研究設定最大 Mesh Size 為 10μm。
第四步驟：完成切割動作接著設定邊界條件，如設定元件之輸入電壓之大 小、起始溫度、固定端以及壓力量。
3.2 應用軟體工具介紹
在競爭的世代中，科技的發展已無法將軟體工具排除在外，相反的，有效地 應用軟體工具的協助，可使科技的發展更省時而效果卻更具體，新興科技如微機 電領城更是如此，以下將本次研究所會使用到的軟體工具做介紹。
3.3 積體電路 (Integrated Circuit，IC) 佈局編輯 (L-Edit) 的簡介
工平臺之共用製程的製程檔，再使用IntelliSuite 中 Mechanical Analysis Module
進行模擬，並將CMOS 製程步驟製成表格【24】。
CIC CMOS MEMS 共用製程是一個 2P4M 的共用製程，其中以 Poly1、Poly2
為主結構，再於Poly1 與 Poly2 之間，加上低溫氧化矽 LTO 為犧牲層，其 Dimple
可防止懸浮結構產生沾黏(sticking)現象，Anchor 1 可用於蝕刻 Poly1 與 Poly2 之
間低溫氧化矽LTO，最後一層為金屬層，金屬層於本研究中，作為微光學元件之 微面鏡及微陣列式熱致動器之電極。SMart 製程一共八道光罩、八道蝕刻手續和 其他類似半導體製程的步驟，例如：上光阻、顯影、曝光、軟硬烤等步驟，構成 一個完整的製作過程，IntelliFab 所建立的製程與共用製程相當吻合，如圖 17 所 示。 圖17 利用IntelliFab建立CMOS MEMS共用製程
表五. 預計規格列表 規格 結果 電源供應電壓 5V 環境溫度 25 °Ｃ～27°Ｃ 電容式壓力感測元件可承受的壓力變 化 -60 ~ 60 mmHg 電容式壓力感測元件之平行板位移量 0 ~ 0.584218 μm 最大位移量 0.584218 μm 圖26 去光阻後結構示意圖 利用光學顯微鏡做初步觀察後得知元件確實完整，接下來由濕蝕刻的方式， 經過30 分鐘的蝕刻液浸泡後，如圖 27(a)明顯的看出空腔內金屬層已被蝕刻液侵 蝕，再經由圖27(c)與圖 27(d)對照後，蝕刻尺內的金屬層也都完全蝕刻，由此可
知，空腔內金屬確實有被蝕刻乾淨。而Passivation 的部份也將由 Silox Vapox III
蝕刻液將其去除，連帶元件週遭的Oxide 也同步做蝕刻，整體去除完畢之後如圖
27(d)所示，由此可見，Passivation 的材質相當硬，導致蝕刻速率非常緩慢，因此 也破壞上平行板表面的結構，電極板的部分也因為蝕刻液浸泡，導致邊緣有些微
位準最大位移量較相近，而相近的最大位移量表示其受到脈衝壓時電容量變化也 較為線性，且拼圖型金屬薄膜較方塊型擁有廣大線性範圍，也代表著量測範圍較 接近適用在量測人體的脈搏感測元件，故拼圖型電容式壓力感測元件各種模擬數 據之表現正符合本研究日後將應用在類中醫體外式脈搏感測器的目標上。 此元件在未來必須克服的難題可分為後製成微元件釋放與訊號量測系統兩 個方向，後製程之實驗部份，目前已取得晶片並有廠商可提供對鋁選擇比高之蝕 刻液，得以快速進行犧牲層鋁的濕蝕刻，若要完全釋放元件則還必須蝕刻 Passivation，但蝕刻程式過多容易造成元件過蝕刻而損壞，為求以最少蝕刻步驟 而達到元件釋放之成功率增加，未來在元件設計上將列為設計之重點，而訊號量 測系統又可分為訊號輸入與訊號擷取部份，訊號輸入部份是將壓力施於感測薄膜 之上，因微元件不需封裝故無法採用流體形式之壓力，故必須找非流體形式之壓 力替代，預計將朝向固態碰撞的方式給予壓力，藉此製作出性能優異的壓力感測 系統。
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97 年度
