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(1)

台灣師範大學機電工程學系 -1-

微機電系統技術介紹與市場分析

Introduction to MEMS Technology and their Available Industry & Market Analysis

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電工程學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University Tel: 02-7734-3506; 0955-052-392

E-mail: ycr@ntnu.edu.tw

綱要

微/奈米科技起源與發展微機電系統發展與應用範疇微機電系統產品與應用

台灣師範大學機電工程學系 C. R. Yang, NTNU MT

-3-

微/奈米科技起源與發展

微機電系統、奈米科技

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There’s plenty of room at the bottom.

(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/奈米科技觀念的啟發

(1965年獲得諾貝爾物理獎(量子電動力學)，被尊稱為微/奈米科技之父)

(2)

-5-

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

-6- 微衛星 Nanosatellite

「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。

精神號、機會號→好奇號

-7-

「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

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)

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)

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)

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!)

-11-

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 (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

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……

nanotube

(4)

-13-

奈米碳管原子力顯微術(AFM)探針

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

-14-

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

-16-

From macro to nano world through microfluidic system

Microfluidics and Nanofluidics are promising in the next generation.

(5)

人體內的流體循環系統

長度1.1µm 直徑90~100nm

微絨毛總表面積達300 m²

(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 m²

小腸絨毛三種血管示意圖

外徑10nm 內徑 2nm

7~10 nm

細胞膜

Lab-on-a-chip (LOC)

Concept of implantable drug delivery control system

Ref: Applied Energy, 93 (2012) 390-403 http://www.gene-quantification.de/lab-on-chip.html

An integrated microfluidic device can sequence DNA by denaturation

Ref: Lab Chip, 10 (2010) 1153-1159

(植入)

(變性)

-19-

微機電系統發展與應用範疇

-20-

微機電系統的定義(1/2)

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

(6)

-21-

MEMS技術的優點為：

1.

製程精確。

2.

可將機械元件和電子元件整合在同一矽晶片上。

3.

批量製造：可以在同一矽晶片上，一次完成數百個或數千個機械元件，以降低生產成本。

4.

縮小化：因應用光學圖像方法，可製作出微小且精確的機械元件。

http://csiych24.pixnet.net/blog/post/360023411

微機電系統的定義(2/2)

以應用層面來看可分為壓力感測器 (Pressure Sensing)及慣性感測器 (Inertial Sensing)、熱感測 (Thermal Sensors)等；壓力感測器主要發展於汽車、醫療、航太相關產業，而慣性感測器最著名的即為陀螺儀及加速器等產品。目前市場主流功能包括動作感測、環境感測、聲學感測以及微致動器等四大類。龍頭大廠包括意法半導體、AKM、Avago、Bosch、InvenSense等。

微機電(MEMS)感測器或致動器是一種利用微米級立體結構，來進行感測動作或執行功能的一項關鍵零組件，在裝置上既擁有電子訊號的處理能力，並且有機械結構的運動能力。

-22-

致動器 actuators

感測器陣列 sensors array

微處理器 microprocessor

輸入/輸出 input/output

內部匯流排

internal bus

外部匯流排

ex te rn a l b u s 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

-23-

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

-24-

超「輕、薄、短、小」

高附加價值符合環保、省能源省空間、省材料等

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

(7)

微/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 NIST 分子量測儀

微機電系統技術的發展背景

微機電系統技術起源於1960年代對積體電路的研究 發展的理念在於如何將電子電路微小化

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

Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor

MOSFET

金屬氧化半導體場效電晶體

-27-

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

-28-

半導體IC製造流程(微機電製程的基礎)

(8)

-29-

微結構、微元件、微系統 (半導體製程技術)

把玩齒輪的螞蟻(IMT, Germany)

3D Optical Scanner

(Analog Device Inc., USA)

Micro-optical bench

(UCLA, USA)

-30-

微汽車之組成

The parts of the microcar

微小汽車

(Denso Corporation, Aichi, Japan)

(微機械加工製作技術)

-31-

微細加工 vs. 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/奈米級結構適合個別製造再組裝嗎？

-32-

微機械加工–雷射微熔接組裝製程

Source: 雲科大機械系, 郭佳儱

(9)

微機電系統名稱分類

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

歐洲：Micro-Systems T echnology (MST)

-35-

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)

µ TAS：Micro T otal Analysis System LOC：Lab. On a Chip

- RF MEMS (無線通訊應用)

-36-

MEMS Applications for 21 ^st Century

Optical MEMS Bio-MEMS RF MEMS

Comparative scale of semiconductor sensors.

µ-mechanical resonator for

Frequency band 1MHz~1GHz

(10)

-37-

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

-38-

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

Texas Instruments 15 µm

-39-

微投影技術之應用

-40-

Optical MEMS Applications

Micro-optical bench

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

Projection displays Fiber switches

Filters and dispersion compensators Optical scanners

Adaptive Optics Silicon Optical Bench Sensors with optical readout Interferometers

Spectrometers

(11)

電潤濕(electrowetting)現象

http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7284

數位流體(Digital fluidics)與應用

數位流體晶片多功能生化檢測儀

http://www.itrc.narl.org.tw/Bulletin/News/nanosphere.php

-43-

電濕潤顯示器結構及驅動示意圖

-44-

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

全功能微分析系統

(micro total analysis system, µTAS)

(12)

-45- 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

人類的夢想即將成真

Pill explorer

(影片播放)

-46-

Shrinking Wireless Architectures

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

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

討論：MEMS元件已成為智慧型手機不可或缺的配備，手機內還有哪些MEMS元件？

-47-

Source: http://jbyoon.info/

3D RF One-Chip Module

Integration of all passive components

-48-

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

微製造技術

元件批次製造組合微電子技術

微機電／微系統

微機械／微機械人機電技術

日本

微結構組裝

微系統技術微元件

封裝模組微系統

檢測

(13)

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微小氣密艙

microcapsule

■異常位置檢出

汽鍋管架

日本超微機械計畫

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

東京國際微型機器人大賽

http://www.micro.mse.kyutech.ac.jp/MM/new/index.html

-51-

微零件之迷你工廠

迷你工廠

作業電腦微型加工機

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

-52-

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

(測斜儀)

(14)

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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

液體鏡頭(Liquid lens)

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液態鏡頭仿人眼清大研發新科技

https://www.youtube.com/watch?v=QtwV42M6HhM

一般手機的相機，都無法近距離拍攝，清華大學花了五年的時間，研發了一種模仿人類眼球水晶體的液態鏡頭，一顆指尖大的小鏡頭，就有上萬元單眼鏡頭才有顯微和廣角功能，

而且省電、耐摔對焦速度也快，成本也比現有固態鏡頭低，研究團隊表示，目前全世界也只有法國有類似的專利，不過台灣研發的這顆比人眼銳利十倍的液態鏡頭，其它國家都還做不出來。

研究團隊表示，鏡頭最小可以做到跟頭髮直徑一樣微小，最大可以做到跟人眼一樣大，每 年9億台的影像手機是現階段最大的商機，目前也研究將它用在老花眼或近視眼鏡上，還有 牙齒攝影、內視鏡等醫療設備，終極目標是做成人工眼球。

人的眼睛，會自動利用眼部肌肉，迅速調整水晶體的屈光度，看清楚前方，液態的水晶體給了科學家靈感，捨棄傳統工程方式設計鏡頭，做出了革命性的液態鏡頭。

利用油水混合做出來的微型鏡頭，拍攝時，透過電壓調整油珠，進行對焦，比起傳統的鏡頭，必須以馬達推動鏡片對焦，液態鏡頭對焦速度不到半秒，也非常省電，更厲害的是，可以看到人的眼睛看不到的細節，解析度超高。

-55-

http://itersnews.com/?attachment_id=10304

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(MEMS規模競賽加劇，前四大廠地位難撼動)

注意這些外商公司，未來可以進入的外商公司！

薪水高、福利好

(法意半導體 )(飛思卡爾半導體 ) (安華高科技)

(利盟) (ADI公司)

(15)

項目微元件應用性主要供應商

1 壓力感測器 (Pressure Sensing)

壓力感測器的發展與汽車產業息息相關，這 些產品約40%應用於交通運輸業，20%醫療 業，10%航太業。

Freescale、Bosch、VTI、GE、

Infineon、Schneider Electric

2 慣性感測器 (Inertial Sensing)

慣性感測器最知名的就是陀螺儀，再者就是加速度計，這兩者早先一樣是受到交通運輸 業的推動，然而隨著Wii和iPhone的問世，估 計消費電子市場的產值可能已經超過原先的領域。

加速計：Bosch Sensortec, Analog Devices, ST Microelectronics 陀螺儀： Panasonic, Murata 其他佔一席之地的廠商：

Freescale, Infineon, Sensata, Honeywell, Delphi Automotive, KIONIX Corporation

3 RF MEMS 這方面的應用與GPS、bluetooth、3G、

WiMAX等高度相關。

Advantes, Avago, Matsushita, Epcos - TDK, Omron, RFMD, Hughes, Raytheon, Thales, Northrop/Grumman

4 計時裝置

(Timing Devices)

這部分牽涉傳統的石英晶體振盪器與較新的 CMOS製程。

Bosch Sensortech, STMicroelectronics, NXP, VTI

5 麥克風 Knowles (估計市占率 > 50%!!),

Infineon, Panasonic, Yamaha, Omron

http://supersale7219.pixnet.net/blog/post/34627195

項目微元件應用性主要供應商

6 光學相關

(Optical/Photonic MEMS)

Optical/Photonic MEMS又稱MOEMS，三 大應用主要包括光通訊、條碼掃描、自動對焦元件。

光通訊：無主要廠商

條碼掃描：Nippon Signal, Intermec, Microvision

自動對焦元件：Rhevision 7 投影與成像

(Displays/Imaging)

兩大主軸為：

• TI(德儀)主導的Digital Light Projector(DLP)技術，佔了(投影)顯示成像 技術的九成市場!!

• Qualcomm開發的Mirasol技術，用於電子 紙生產，目前與正崴合作量產。

TI, Qualcomm

8 熱感測 (Thermal Sensors)

使無接觸式溫度測量在可攜式和消費性電子產品應用中得以實現。

BAE Systems, Raytheon, Honeywell

9 流體量測 (Flow Fluidics)

這個部分與醫療監測的相關性和應用非常有關係，舉凡像是動脈壓、氣道流量、輸液幫浦、尿路動力、血氧分析等技術，都與 MEMS的應用相關。

Freescale, GE NovaSensor, Measurement Specialties, Honeywell, Schneider Electric SA, Bronkhorst Hi- Tech BV, OMRON, MEMSCAP

http://supersale7219.pixnet.net/blog/post/34627195

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微機電產業發展聯盟 http://www.tmems.org.tw/

微電聲產業聯盟

http://matia.org.tw/memb/index.aspx 微系統暨奈米科技協會

http://www.nma.org.tw/

台灣奈米技術產業發展協會 http://www.tanida.org.tw/

奈米國家型科技計畫

http://nano-taiwan.sinica.edu.tw/index.php 奈米科技人才培育計畫

http://nano-1.colife.org.tw/zh_tw/

國內微機電產業與技術發展的團體

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項目公司名稱主要產品地點網址

1

亞太優勢微系統

(聯電集團)

MEMS代工、RF

射頻元件

新竹科學園區

www.apmsinc.com/en/ht m/mainIndex.asp

2

探微科技 (已解散) MEMS代工 楊梅

www.tmt-mems.com/

3

旭德科技

MEMS元件

新竹縣

www.subtron.com.tw/

4

旺玖科技 磁性動作感測IC 台北市

www.prolific.com.tw/chn/

company.asp

5

美律實業微麥克風台中市

www.merry.com.tw/html/

c_company.htm

6

精材科技

(台積電集團)

MEMS封裝

中壢市

www.xintec.com.tw/

7

新磊微製造微感測器新竹科學園區

(已解散)

8

全磊微機電壓力感測器新竹科學園區

www.metrodyne.com.tw/

9

威華微機電(希華 晶體科技轉投資)

石英感測器科學園區竹南基地

國內微機電產品的相關製造公司

(16)

-61-

項目公司名稱主要產品地點網址

10

菱生精密 (與工 研院合作)

MEMS封裝、微麥克風

台中加工出口區

www.lingsen.com.tw/

CPage/index.htm 11

利順精密加速度感測器台北縣五股

www.domintech.com.

tw/

12

大銀微系統線性致動器台中市精密機械園區

www.hiwinmikro.co m.tw/

13

晶翔微系統動作感測加速度計新竹科學園區

www.jmex.com.tw/c_i ndustrial.html 14

利佳精密科技精密電鑄製程與產品台中市

www.liga.com.tw/

15

晶宇生物科技生醫晶片科學園區竹南基地

www.bio- drchip.com.tw/

16

微邦科技微噴孔片桃園縣龜山

www.microbase.com.

tw/

17

研能科技噴墨片、微幫浦新竹科學園區

www.microjet.com.tw /

18

祥群科技(宏碁 併購)

指紋辨識晶片新竹科學園區

www.lightuning.com.

tw

國內微機電產品的相關製造公司

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項目公司名稱主要產品地點網址

19

^{日月光半導體}

^MEMS封裝

^高雄市

www.asetwn.com.tw/

20

^矽品精密

^MEMS封裝

^{台中縣潭子鄉}

www.spil.com.tw/

21

環隆電氣(日月光集團) 車用感測器南投草屯

www.usi.com.tw/defa ult.asp

22

^{坤德(大同集團)} ^{感測器、MEMS代工} ^台北市

www.kdmems.com.tw

23

^同欣電子

^MEMS封裝

^{台北縣鶯歌}

www.theil.com/

MEMS產業的特性：

(1) 同質性低、客製化高：即便同為MEMS，目的不同的產品，製程也可能大相逕庭。就算目的相仿，關鍵技術可能也不只一種。

(2) 高度複雜性：IC雖有數萬種，但都是由電路和基板構成，最重要的部分就是「電路」；但MEMS除了電路以外，每個感測或運動部件的設計都是關鍵。

(3) 開發成本高：因為MEMS的高度複雜性，使得開發成本居高不下，即便只解決一個直觀的問題，卻可能得花費遠超過其價值的研發費用。

http://supersale7219.pixnet.net/blog/post/34627195

-63- 台灣師範大學機電工程學系

C. R. Yang, NTNU MT

-64-

http://ffb168.pixnet.net/blog/post/395916425

穿戴感測器看俏 IC廠紛布局

穿戴裝置感測器市場前景看俏，市調機構IHS預期2019年出貨量可望達4.66億顆規模，將是2013年的7倍，國內IC設計廠已紛紛展開布局。蘋果(Apple)首款穿戴裝置Apple Watch已上市，IHS認為，將驅使穿戴裝置在健身與醫療監測功能上的標準建立。

穿戴裝置感測器主要有微機電(MEMS)運動感測器、使用者介面感測器、生理健康感測器 及環境感測器；其中，運動感測器包括加速度計、陀螺儀、磁力計、壓力感測器，是穿戴裝置中最常見的感測器。使用者介面感測器，有MEMS麥克風、近距離感測器；生理健康感測器則是量測脈搏、血氧及皮膚溫度的感測器；環境感測器包括濕度、環境溫度及紫外線感測器。

意法半導體(ST)是目前穿戴裝置感測器龍頭廠，IHS指出，2013年市占率約26%；ST採取綑綁式銷售策略，將感測器搭配如32位元微控制器或無線晶片一起銷售，是ST成功的關鍵。

瞄準穿戴裝置感測器未來龐大商機，國內多家IC設計廠也已紛紛展開布局，原相 (3227) 即推出心律感測器，目前已小量出貨；偉詮電 (2436) 也推出具量測功能的系統單晶片產品。立錡 (6286) 則跨足微機電加速度計領域；鑫創 (3259) 搶攻MEMS麥克風市場。

(17)

晶圓代工龍頭台積電積極將現有技術升級為特殊技術製程產能，原因就是持續看好行動裝置及智慧穿戴裝置的強勁成長動能，包括嵌入式快閃記憶體（eFlash）、CMOS影像感測器、指紋辨識元件、微機電及光感測元件等，都是台積電未來2～3年的布局重點。

物聯網((Internet of Things, IoT) )的興起帶動MEMS成長

http://www.eettaiwan.com/ART_88007083 31_617723_NT_8fd8becf.HTM

全球物聯網市場規模

業界正定義出一個利用 MEMS 技術的新型態工業物聯網 (Industrial IoT；IIoT)領域，包括從資產追蹤系統、智慧電網到智慧建築自動化等應用，都將為市場帶來巨大衝擊。

所有的 MEMS 業界巨擘如意法半導體(STMicroelectronics；

ST)、博世(Bosch)、樓氏(Knowles)和應美盛(InvenSense)等公司均瞄準了工業物聯網應用的成長領域。傳統的工業物聯網應用包括導航、地震勘探、醫療、軍事、航空以及製程控制等，此外，還有一連串的全新工業應用成長速度更快，包括從智慧電錶到智慧家庭到智慧城市等。

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微機電系統產品與應用

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http://supersale7219.pixnet.net/blog/post/34627195

(18)

-69-

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

-70-

-71-

壓阻式壓力感測器基本結構

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。

-72- 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

(19)

紅外線夜視裝置在汽車工業的應用

應用範圍：軍事、執法、娛樂、監察和安全、野生動物研究…等用途。

Accelerometer Chip (ADI Inc.)

MEMS機械式微加速度計(量測線加速度)

-75-

MEMS機械式微陀螺儀(量測角動量改變)

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 Ring Gyroscope

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

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

-76-

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

MEMS加速度計搭配陀螺儀成慣性量測系統

(20)

-77-

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。

-78-

(IMM, Germany)

汽車氣囊加速度計

-79-

Wii獨創性遊戲軟體與輸入方式

-80-

MEMS 3軸加速度感應晶片

Wii利用加速度當作輸入方式(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

(21)

Optical MEMS Components

-83-

Far Field Beam Profile (1.55 µ m)

-84-

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

光學微機電系統在訊號傳輸技術的應用

(22)

-85-

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

Mirror-typed Optical Switch

16 x 16 array Switch

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

台灣師範大學機電工程學系

C. R. Yang, NTNU MT

-86-

Analog Device Inc., 2002

Corning, 2002 Bell-Lab./ Lucent

Mirror-typed 3D Optical Switch

-87-

https://www.youtube.com/watch?v=bs-HSR8Sj-I

Move the light, not the fiber

-88- 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

(23)

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

生醫微機電系統

Blood testing Drug delivery

Insulin pump (Debiotech, Switzerland)

-91-

微型機器人

微型机器人搬骰子, 台灣大葉大學

一種能鑽入血管的机器人想像圖, 韓國 微型蜘蛛機器人可控制敵方雷達, 歐洲

豬眼中的奈米機器人, 瑞士

-92-

(24)

-93-

微/奈米機電系統在生化醫療之應用

細胞操作細胞融合微量血液分析體內顯微手術系統手術及診斷用可動膠囊人工器官

可動導管

導管頂端壓力感測器捨棄式血壓感測器各式人體檢查設備注射泵

醫療設備之氣壓校正神經系統替代或重建患者行動監視

疫苗製造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 奈米機電系統在DNA修補方面之應用

-94-

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

-95-

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

人工心臟

-96-

(25)

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

Hybrid Insect Micro Electromechanical Systems (HI-MEMS)

DARPA

-99-

外部匯流排external bus

微機電系統技術介紹與市場分析

Introduction to MEMS Technology and their Available Industry & Market Analysis

楊 啟 榮 博士

教 授

國立台灣師範大學 機電工程學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University Tel: 02-7734-3506; 0955-052-392

E-mail: ycr@ntnu.edu.tw

綱 要

微/奈米科技起源與發展 微機電系統發展與應用範疇 微機電系統產品與應用

微/奈米科技起源與發展

微機電系統、奈米科技

There’s plenty of room at the bottom.

(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/奈米科技觀念的啟發

(1965年獲得諾貝爾物理獎(量子電動力學)，被尊稱為微/奈米科技之父)

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。

人類的三度智慧空間

「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。

「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。

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

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)

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)

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)

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!)

物質尺度描述

m 1

10

10

10

m µm mm

nm

IC

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

DNA

物質尺度描述 (續)

！

Nanotube glued to SPM tip

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(AFM)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

From macro to nano world through microfluidic system

Microfluidics and Nanofluidics are promising in the next generation.

人 體內的流體循環系統

(約一個網球場的大小)

Lab-on-a-chip (LOC)

Concept of implantable drug delivery control system

An integrated microfluidic device can sequence DNA by denaturation

(植入)

(變性)

微機電系統發展與應用範疇

微機電系統的定義(1/2)

µm, 10

m)或奈米(nm, 10

m)加工技術研製微細元件及組件，

積體化感測器 微電子電路

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)

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電工程學系

綱要

微/奈米科技起源與發展微機電系統發展與應用範疇微機電系統產品與應用

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…….

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、

「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。

「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。

– 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 ^.

人體內的流體循環系統

積體化感測器微電子電路

微機電(MEMS)感測器或致動器是一種利用微米級立體結構，來進行感測動作或執行功能的一項關鍵零組件，在裝置上既擁有電子訊號的處理能力，並且有機械結構的運動能力。

高附加價值符合環保、省能源省空間、省材料等

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

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