國立台灣師範大學 機電科技學系

台灣師範大學機電科技學系 -1-

微機電系統技術介紹與市場分析 微機電系統技術介紹與市場分析

Introduction to MEMS Technology Introduction to MEMS Technology and its Available Industry & Market Analysis and its 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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

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綱 綱 要 要

z 微機電系統技術簡介

定義、起源、市場現況

z 微機電製程技術分類

矽基微細加工、深光刻電鑄模造技術、 微機械加工技術

z 微機電系統技術的應用範疇

應用市場、產業分析、未來發展與應用

台灣師範大學機電科技學系 -3-

微機電系統技術簡介 微機電系統技術簡介

定義、起源、市場現況

C. R. Yang, NTNU MT

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 cm³, 1200 W Europa Scientific, UK

微質譜儀晶片

0.2 Kg, 3 cm³, 0.5 W DARPA, USA 微機電系統技術

台灣師範大學機電科技學系 -5-

微機電系統的定義 微機電系統的定義

應用微米(μm, 10^-6 m)與奈米(nm, 10^-9m)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

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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

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

微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖

台灣師範大學機電科技學系 -7-

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

台灣師範大學機電科技學系 -9-

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

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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

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

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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)

C. R. Yang, NTNU MT

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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)

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Artist impression of a hybrid

Artist impression of a hybrid μ μ TAS 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

TAS)

台灣師範大學機電科技學系 -15-

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

C. R. Yang, NTNU MT

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:

台灣師範大學機電科技學系 -17-

Reference Reference

z

A. Manz and H. Becher, Microsystem Technology in Chemistry and Life Sciences, Springer, 1999

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

z

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:

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

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微機電系統精度定義 微機電系統精度定義

1.尺寸精度：微機電系統本身的尺寸在微米的範圍

2.運動精度：微機電系統是能達到微米以內的運動精度

的機械，但機械本身的大小沒有限制

台灣師範大學機電科技學系 -19-

美國 美國 NIST 分子量測儀 NIST 分子量測儀

干涉儀及觀測 CCD 分子量測儀

掃描範圍：50 mm, Tip精度：0.2 nm, 絕對精度：1 nm

C. R. Yang, NTNU MT

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

台灣師範大學機電科技學系 -21-

北區微機電中心

http://nscmems.iam.ntu.edu.tw/

中區微機電中心

http://nsc-cmems.nthu.edu.tw/

南區微機電中心

http://www.ncku.edu.tw/~nckumems/WWW/index.htm

http://www.pidc.gov.tw/Research/Measure/index.html

http://www.itri.org.tw/mems/chinese/index_c.htm

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

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-22- 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 Transitionhttp://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 Universityhttp://www.el.utwente.nl/tt/

台灣師範大學機電科技學系 -23-

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

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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

台灣師範大學機電科技學系 -25-

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

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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

台灣師範大學機電科技學系 -27-

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

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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

台灣師範大學機電科技學系 -29-

Digital Mirror Display Digital Mirror Display

15 μm

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微型儀器研發 微型儀器研發

微光譜儀

PIDC-2000

體積小、重量輕、移動性佳

z光譜解析度：7 nm z範圍：380-780 nm zCPU：8-bit RISC zPC 界面：RS-232 and USB z顯示器：Graphical LCD z尺寸：11×10 ×5 cm z重量：0.5 Kg

技術性能：

色彩鑑定、生化分析 國科會儀器科技發展中心

台灣師範大學機電科技學系 -31-

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005

1 2 3 6 8 50

4 40 30 20

10

○ ○

○

○

○

○

○ ▼

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▼△ △

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△

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○

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△

Battelle

Systems Planning Corp.

Intelligent Microsensors Technology SEMI

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

Year

US$ (billions)

微機電系統市場預測 微機電系統市場預測

C. R. Yang, NTNU MT

Source: NEXUS, Market analysis MST task force, 1998

公元 公元 2002年全世界微系統產品市場 2002 年全世界微系統產品市場

台灣師範大學機電科技學系 -33- 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

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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

台灣師範大學機電科技學系 -35-

Philips 所發表的液體鏡片與取像模組

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Electrostatic

Electrostatic 現象 現象

台灣師範大學機電科技學系 -37-

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-38- 精密加工

14%

醫療 12%

環保 醫療 3%

15%

精密加工 7%

量測 量測 5%

7%

娛樂 3%

資訊與通訊 44%

消費性電子 4%

維修機器人 16%

資訊與通訊 15%

微小工廠 26%

消費性電子 20%

維修機器人 9%

現有產品-替代型應用

現有產品-替代型應用 全新產品-創新型應用 全新產品-創新型應用

總計：115億美元，約佔40%之世界市場；年平均成長率：19%

日本微機電系統市場預估

日本微機電系統市場預估 2005年 2005 年

合計：57億美元 合計：58億美元

台灣師範大學機電科技學系 -39-

美、日、歐和我國在微系統應用領域的比較 美、日、歐和我國在微系統應用領域的比較

地 區 應 用 領 域

美國

工業控制 消費性電子

日本

醫療 維修機器人 精密加工

歐洲

工業控制 環保 通訊與資訊

臺灣

(資料來源：工研院)

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我國具潛力相關產業與產品 我國具潛力相關產業與產品

*市場分析

*專利分析

*專家學者業界 意見

*技術分析

*產業特色分析

*市場分析

*專利分析

*專家學者業界 意見

*技術分析

*產業特色分析

z半導體 高腳數導線架、微包裝等 z資訊電子 微掃瞄器、微讀取頭、微馬達、

微致動器、微噴頭等

z消費性電子 微照相機、微快門、微馬達、微閥 微電力、多功能感測手錶、

平面線圈、顯示器等 z通訊 光開關、光連接／耦合器、

個人無線機器等

z環保與安全 多功能感測器、家庭環保感測器等 z生化醫療 血壓計、血醣計、居家健康檢驗、

多功能感測器等

z自動化 微閥、微流量控制、智慧型感測器、

微視覺系統等

z紡織 超精細紡嘴、蜂巢式過濾器等 z化工 微反應器、多功感測器、

微熱交換器等 (資料來源：工研院)

台灣師範大學機電科技學系 -41-

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

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國內投資 國內投資 MEMS產業的廠商及其產品項目 MEMS 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

台灣師範大學機電科技學系 -43-

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

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！

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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。

台灣師範大學機電科技學系 -45-

微製造技術分類與製程應用 微製造技術分類與製程應用

矽基微細加工、深光刻電鑄模造技術、 微機械加工技術

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-46-

如何實現微機電系統？

如何實現微機電系統？

微機電系統技術架構圖 微機電系統技術架構圖

微機電系統技術 微機電系統技術

基礎科學

z微機械摩潤學 z微機械流體力學 z微機械運動力學 z微機械材料工程 z微機械熱傳學

基礎科學

z微機械摩潤學 z微機械流體力學 z微機械運動力學 z微機械材料工程 z微機械熱傳學

基本技術

z組裝／接合 z微製造

面型微加工 體型微加工 LIGA技術 微機械加工 z封裝 z檢測

基本技術

z組裝／接合 z微製造

面型微加工 體型微加工 LIGA技術 微機械加工 z封裝 z檢測

元件技術

z微致動器 z微感測器 z微結構元件

元件技術

z微致動器 z微感測器 z微結構元件

系統技術

z能源 z通訊 z系統設計 z資訊及訊號 z系統控制 z系統可靠性

系統技術

z能源 z通訊 z系統設計 z資訊及訊號 z系統控制 z系統可靠性

系統應用

z微光學 z資訊設備 z極限顯微 z自動化控制 z生化醫療 zVLSI製造 z安全與環保 z其它

系統應用

z微光學 z資訊設備 z極限顯微 z自動化控制 z生化醫療 zVLSI製造 z安全與環保 z其它

台灣師範大學機電科技學系 -47-

MEMS領域的基礎科學 MEMS 領域的基礎科學

基 礎 科 學

微機械 磨潤學

微機械 流體力學

微機械運動力學

微機械 材料工程

微機械熱傳學

無磨耗與超潤滑技術 微磨耗特性評價技術

超微硬度 微表面粗度

微吸附力 微摩擦力

微連續流體理論 微磨耗量

流體與其他現象複合問題研究 精密流體特性量測技術 _壓力

流速 溫度

材料尺寸效果研究 材料製程效果研究 微尺寸材料物性量測技術 新材料、新製程技術

矽 金屬 高分子

陶瓷 非線性光學材料

薄膜 形狀記憶合金

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Fabrication Technologies in MEMS Field Fabrication Technologies in MEMS Field

濕式 浸漬式 漬著式 化學蝕刻技術

乾式

電漿蝕刻 反應性離子蝕刻 濺散蝕刻 離子束蝕刻 蝕刻技術

光蝕刻技術

矽 基 微 細 加 工

薄膜技術 積體電路技術、基體微細加工、表面微細加工、接合技術、

高深寬比製程

LIGA

X-ray光刻術、紫外線光刻術、雷射光刻術、電子束光刻術、離子束光

刻術

切削加工 微切削加工、微鑽孔加工 微銑削加工、微輪磨加工

非切削加工 微電鍍成型、微壓模成型、微射出成型

微 機 械 加

工 ^特殊加工 微放電加工、雷射及離子束加工、原子 力顯微加工術

台灣師範大學機電科技學系 -49-

微細加工 微細加工 VS. 傳統加工 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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-50-

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

台灣師範大學機電科技學系 -51-

半導體積體電路

半導體積體電路(IC) (IC)製造流程 製造流程

C. R. Yang, NTNU MT

建議參觀以下

建議參觀以下IC IC製程簡介 製程簡介網站 網站

http://www.ndl.org.tw/icfab/chinese1/index.htm

台灣師範大學機電科技學系 -53-

面型微機械加工可以說是建立在薄膜形成、微影、蝕刻以及犧牲層蝕刻等 技術上，可作出具導電性且懸空之微機械結構

(必須放在最後步驟)

面型矽微加工技術 面型矽微加工技術

Si-Based Surface Micromachining Technology

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-54-

旋轉式微馬達

旋轉式微馬達

台灣師範大學機電科技學系 -55-

Schematic of the fabrication process for surface-micromachinined microhinges.

Surface Micromachining for

Surface Micromachining for Hinged structures Hinged structures

M. C. Wu, et al., Sensors and Actuators A, 50(1-2), 127 (1995).

http://www.coventor.com/media/papers/optical_SOI.pdf

C. R. Yang, NTNU MT

Dynamic focusing microlens http://www.omminc.com/mems.html Close-up of linear rack, rack guides,

drive gear, and drive linkage http://mems.sandia.gov mems.sandia.gov

http://

http://mems.sandia.gov/scripts/memscam.asp mems.sandia.gov/scripts/memscam.asp

台灣師範大學機電科技學系 -57-

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-58-

體型矽微加工技術 體型矽微加工技術

Si-Based Bulk Micromachining Technology

體型微機械加工技術是建立在單晶矽非等向性蝕刻、雙面對準、蝕刻終止與 蝕刻幕罩保護等技術上，用來製造隔膜、懸臂梁與其他 3-D 結構，如壓力感 測器、加速度規、麥克風 (microphone) 、微閥 (micro valve) 、微幫浦 (micro

pump) 、微稜鏡 (micro prism) 、微探針 (micro tip) 等。

台灣師範大學機電科技學系 -59-

隔膜 懸臂樑

金字塔結構 皺狀結構

微探針結構 碗狀結構

利用選擇性蝕刻技術所得 之各種不同形狀之微結構

C. R. Yang, NTNU MT

台灣師範大學機電科技學系 -61-

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-62- (a)

Si

Si SiO₂

(b)

PR

(c)

DRIE trenches

(d)

HF etching

(e)

metallisation

(f)

assembly

SOI (Silicon on insulator) SOI (Silicon on insulator) Fabrication Process Fabrication Process

台灣師範大學機電科技學系 -63- Cornel Marxer and Nicolaas F. de Rooij J. of Lightwave Technology, 17(1), 2-6, 1999

DRIE Bulk Micromachining for Optical Switch DRIE Bulk Micromachining for Optical Switch

(SOI Fabrication Process)

C. R. Yang, NTNU MT

2. 顯影

4. 金屬模仁

6. 脫模

Mould cavity Resist structure

Plastic structure

5.模造 3. 電鑄 1. 光刻

Plastic (moulding compound)

Metal Resist structure

Electrical conductive base plate Base plate Absorber structure Maskmembrane

Resist

Source: Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM), Germany

In German: In English:

Lithographie Lithography:積體電路的光刻術 Galvanoformung Electroforming:電化學的電鍍鑄模技術

Abformung Molding:高分子的熱壓或射出成型技術

LIGA製程 LIGA 製程： ：

台灣師範大學機電科技學系 -65-

高深寬比

高深寬比( (high aspect ratio) high aspect ratio)的微結構 的微結構

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-66-

LIGA LIGA技術在紡口 技術在紡口(spinneret) (spinneret)的應用 的應用

各種不同的紡口形狀

抽紗的情形 電鍍後的紡口

台灣師範大學機電科技學系 -67-

把玩齒輪的螞蟻

Institute for Microstructure Technology (IMT), Germany

世界上最小的直升機

Institute of Microtechnology in Mainz (IMM), Germany

C. R. Yang, NTNU MT

Mechanical Micromachining Process Mechanical Micromachining Process

z

Machine Tool Variables

▲

Accuracy, Resolution, Repeatability

▲

Stiffness

▲

Spindle Vibration

▲

Flatness, Straightness, and Smoothness of Motion

▲

1 - 2 DOF Systems

Feedback Variables

z

Cutting Tool Variables

z

Work Piece Variables

z

Environmental Effects

z

Thermal Error

台灣師範大學機電科技學系 -69-

Micromilling

Micromillingtool made by focused ion beam machining

tool made by focused ion beam machining Microdrilling

Microdrilling

tool made by diamond turning

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-70-

Micromilled

Micromilled stepped & thin wall structures in PMMA stepped & thin wall structures in PMMA

Wall section: 8 μm wide, 62 μm deep 15 steps:

Each step 4 μm high,

Narrowest step at bottom is 12 μm wide

台灣師範大學機電科技學系 -71-

Micro Cars Micro Cars

(Courtesy of Denso Research Laboratories, Denso Corporation, Aichi, Japan)

Shell-body fabrication for microcar

C. R. Yang, NTNU MT

Construction of the microcar

The parts of the microcar

台灣師範大學機電科技學系 -73-

Comparison of Various

Comparison of Various Microfabrication Microfabrication Technologies Technologies

蝕刻技術

X-ray LIGA

(etching)

(thin film)

加工深度

> 500μm > 1 mm 10-20μm > 1 mm

材料 固 定 有 限 固 定 範圍很廣

成本 低 很 高 中 等 低

IC相容性

技術成熟度 中 等 中 等 成 熟 發展中

工件大小

0.2mm-μm mm-μm

mm-μm

之範圍

少量生產 尚 可 差 差 佳

大量生產 極 佳 佳 極 佳 可 能

組裝能力 低 低 尚 可 尚 可

Source: Modified from R. Warrington, Louisiana Tech University

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-74-

微機電系統技術的應用範疇 微機電系統技術的應用範疇

應用市場、產業分析、未來發展與應用

台灣師範大學機電科技學系 -75-

Applications for MEMS/MST Applications for MEMS/MST

MEMS MST

Microelectronics

Mechanical engineering Life science

Diagnostics

Surgery

Therapy

Telecomunication

Silicon technology

Microtechnology

Sensor

Logistic Process control Environmental engineering Industrial sectors

Technologies

Ref: Micromachine Deveices 6(3), March 2001

C. R. Yang, NTNU MT

智慧型感測模組之產品

智慧型感測模組之產品 -產業關聯圖 - 產業關聯圖

智慧型 感測器

民生/家庭 Smart home controls

安全警報系統

生化/醫學

汽車 環保/安全 製程/工業

引擎燃油效率控制

智慧化懸吊加速系統

智慧化安全氣囊加速度計

安全/夜視系統 引擎振動控制

空調控制系統 衛星定位系統 診斷系統

洗衣/乾衣機控制

HVAC weather station

家庭式診斷系統 緊急心肌梗塞監視器 血壓監測系統

病房監視器 心律調整系統 腎臟監測系統

製藥監控系統 微分析儀器

加護病房 生化分析儀 超音波監控

紅外線監控

有毒氣體 感測器 微光譜儀

水質監測 離子感應器

微分析系統 廢氣排放控制系統 氣象監測

壓力/流量/

噪音監測

迴路油壓

溫度控制 液位控制

食物處理機器 位置/運動感測

振動控制

冷凍機器 流量控制 壓力開關 溼度控制

健身器具監測系統

游泳池保養機器 多功能手錶

(資料來源：工研院)

台灣師範大學機電科技學系 -77-

壓力感測模組之產品

壓力感測模組之產品 -產業關聯圖 - 產業關聯圖

壓力 感測器

民生/娛樂/其它 航空高度計

家庭血壓計

汽車

家用機器 生醫 製程/工業

冰箱壓縮機

洗衣機 空調機

磅稱

胎壓計

潛水錶

氣象鐘

機油壓 大氣壓

胎壓 進氣口絕對壓 渦輪推進壓

空調壓縮機壓力 連續變速齒輪油壓

防鎖死煞車壓力 醫用儀器

大氣壓校正 導管頭壓力

病床油壓用 頭顱內壓

拋棄式血壓計 重覆使用血壓計

吸塵器 子宮內壓

注射幫浦

迴路油壓 數字式壓力表

液位控制

食物處理機器 噴漆機器

壓縮機

冷凍機器 擠出成型機器

壓力開關 射出成型機器

健身器具

氣壓/高度錶 燃料油位 燃料油幫浦壓力

(資料來源：工研院)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-78-

微致動器系統 光通訊

精密機器 ＡＶ

ＯＡ

光開關 光調制器 光纖連接器

光波導

噴墨印表機 影印機

光碟機 傳真機

照相機 編碼器 手錶

ＶＤ ＣＤ

顯示器

微致動系統與相關產業之關聯圖 微致動系統與相關產業之關聯圖

Smart phone 傳真機

光掃描器

(資料來源：工研院)

台灣師範大學機電科技學系 -79-

面型微機 電技術

汽車 電腦週邊

RF通訊 自動化 生化分析儀 感測器

加護病房生化分析儀

洗腎室生化分析儀 溫度計

慣性儀

腎功能生物感測器

血液氧感測器 虛擬實境 磁碟驅動

肝功能性 物感測器

VCO RF filter

引擎爆震控制

血液氣體及BP分析儀 離子選擇性感測器

微小化感測器 初生嬰兒疾病生物感測器

產前檢查分析 壓力計

面型微機電技術的應用關聯圖 面型微機電技術的應用關聯圖

懸吊加速系統 安全氣囊加速度計

(資料來源：工研院)

C. R. Yang, NTNU MT

體型微機 電技術

化學／製藥

醫療儀器 自動化

污染防治

液位計

工業用壓力計

氣體監測

壓力計

離子感測器 有毒氣體感測器

電子式血壓計

離子濃度計 AMI

位置／運動感測

動力感測器 加速度感測計

體型微機電技術的應用關聯圖 體型微機電技術的應用關聯圖

(資料來源：工研院)

台灣師範大學機電科技學系 -81-

微系統技術在多媒體機器的應用與發展 微系統技術在多媒體機器的應用與發展

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-82-

繞射光學元件的優點 繞射光學元件的優點

以DVD讀取頭說明

z易於光學調整 z零組件數目大幅減少 z高耐震性

雷射晶片、檢光元件、繞射光學元件一體成型

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

台灣師範大學機電科技學系 -83-

繞射光學元件之應用與產值 繞射光學元件之應用與產值

z

DVD、 CD-ROM讀取頭分光元件

z數位相機消色差透鏡及低通濾波器

z

PC Camera

z液晶投影系統

z行動電話及呼叫器之虛像顯示器

z雷射筆繞射元件

z攜帶型VCD、DVD虛像顯示器

z共焦顯微鏡

z雷射共振腔

z平面顯示器, 液晶顯示器

z分光器(Beam Splitters), 擴散器(Diffuser)

…...

全世界繞射光學元件市場

Source:ITRI (1999)

1997

Total: $17 million 1997 Total: $17 million

2003 Total: $ 200 million

2003 Total: $ 200 million

C. R. Yang, NTNU MT

Digital Printing Technology Digital Printing Technology

z z 7056 x 64 7056 x 64

z

z High- High -resolution printing resolution printing

台灣師範大學機電科技學系 -85-

微機電系統在汽車工業的應用 微機電系統在汽車工業的應用

智慧型高效率 低污染引擎

z進氣流量控制 z電子噴油控制 z氣缸壓力量測 z油/氣比值量測 z電子點火正時系統 z排氣成份分析 z觸媒轉化 z油門踏板位置感測

智慧型活性底盤

z車輛懸吊系統 z制振系統 z車輪偏向修正系統 z強化抓地系統 z方向盤角度量測 z胎壓量測與控制 z煞車油壓量測與控制 z底盤高度量測與控制

智慧型安全 導航系統

z輔助停車系統 z防撞警告系統 z霧中視覺輔助系統 z速度感測 z路面狀況虛擬系統 z陀螺儀

z輔助煞車(ABS等) z車距感測 z智慧安全氣囊

環保 舒適 安全

汽車未來發展

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-86- 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

台灣師範大學機電科技學系 -87-

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

C. R. Yang, NTNU MT

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

台灣師範大學機電科技學系 -89- z英國皇家倫敦醫院發明一個長 3 公分，寬 1.1 公分的膠囊，內含一個小攝影機、

光源和無線電傳送器。病人吞服膠囊後，攝影機將拍攝體內圖片，供醫生診斷。

z英國 Glasgow 大學電子系開發藥丸攝影機 (pill camera)。它只有 1.5 公分長，裝 置了鏡頭和微型晶片，能把體內狀況拍攝下來，以診斷疾病。

z

美國太空總署 (NASA)

人類的夢想即將成真 人類的夢想即將成真

體內顯微探測器積極開發中

膠囊式體內顯微探測器 迷你醫療器材

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-90-

89 5 26

. .

台灣師範大學機電科技學系 -91-

C. R. Yang, NTNU MT

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

sensor controlled implanted drug delivery system

sensor controlled implanted drug delivery system

台灣師範大學機電科技學系 -93-

血糖檢測錶 血糖檢測錶

每20 min.

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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-94-

微機電系統在生化醫療之應用 微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

微手術刀 微型鉗子

微影像偵測器

台灣師範大學機電科技學系 -95-

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

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

人工心臟 人工心臟

台灣師範大學機電科技學系 -97-

心 臟 傳感器

generator 電極

積 體回 路 鋰電池

導線

電極經由靜脈

體內埋入式起博器 起博器(pacemaker)的構成模組

傳感器 generator

起博器實體 (來源：Medtronic)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-98-

醫療用之微機電系統 醫療用之微機電系統

感測器

影像偵測器 致動器

附有可動式微機械的內視鏡

台灣師範大學機電科技學系 -99-

C. R. Yang, NTNU MT

Nano-Electro-Mechanical System (NEMS)

z奈米生物：奈米生物晶片

z奈米電子：量子計算機

z奈米材料：奈米碳管

z奈米結構與元件

http://www.ritsumei.ac.jp/se/~sugiyama/mr/robot.html

【國際新聞中心/台北報導】 美國科學家利用毫微科技結合金屬材質的螺旋槳推進器與

「生物分子馬達」﹐成功製造出每秒可旋轉八次的毫微螺旋槳﹐有如是一架超迷你直升 機﹐而這也是人類首度利用人工材料及「生物零件」製造出比病毒還小的器材。這種「

毫微直升機」能夠利用螺旋槳的推力自動游走﹐日後如予以適當改良﹐可望放進人體內 監察各部位的健康情況﹐甚至可用來進行施藥或是修補等治療。研究人員宣稱﹐此一突 破進展意味一種全新的科技已誕生。

奈米技術發展將成為國家型計畫

台灣師範大學機電科技學系 -101-

《牛頓》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2003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

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-102-

運用單壁奈米碳管為通道之場效電晶體

G. Collins and P. Avouris, “Nanotubes for electronics,” Scientific American, pp. 38-45, Dec. (2000).

台灣師範大學機電科技學系 -103-

原子操縱術 原子操縱術

1990年美國IBM的一群研究人員，首度將一顆顆

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

C. R. Yang, NTNU MT

原子操縱術

原子操縱術 掃描式探針移動原子之模式 掃描式探針移動原子之模式