2014年7月29日

微機電系統的發展與應用

【一手掌控的未來革命】半導體製程技術推進了微機電系統的發展,更將未來推向微小化的趨勢,讓世界開始在手中轉動。

作者/曲建仲(任職美商德州儀器公司)

利用黃光微影、摻雜技術、蝕刻技術、薄膜成長等半導體的製程技術,製作微小的機械元件(如微夾頭、微馬達)、光學元件(如微透鏡、光柵)與電子元件(如CMOS),並且將所有元件整合成單一的系統製作在矽晶片上,稱為微機電系統(microelectromechanical systems, MEMS),歐洲將這種技術稱為微系統技術(microsystems technology, MST)。微機電系統最大的優點在於它的製程與半導體製程相容,可以將前述元件整合在單一矽晶片上,達到微小化的目的;目前已經可以製作尺寸小於100 nm(奈米)的元件了,因此也有科學家將這種技術稱為奈機電系統(nanoelectromechanical systems, NEMS)。

微機電系統的核心技術與元件
微機電系統(MEMS)包括微小技術、系統技術、材料效應等三大核心技術,可應用在微致動器與微感測器等不同領域,同時需要訊號處理器來進行控制與協調,其關係如圖一所示。

圖一:微機電系統概念圖。
微機電系統的應用層面
微機電系統應用的範圍極廣,甚至許多都演變為非常成功的商品,以下就列出幾項相關的應用來說明:

醫學藥物:當我們胃部不舒服時,醫生常常會替我們做胃鏡檢查,胃鏡其實是使用一根與手指粗細相當的內視鏡,由食道放入我們的胃部,內視鏡前端是CMOS 影像感測器,可將胃內部的影像訊號傳送到外面的顯示器來觀察胃內部的情形,將這麼粗的內視鏡放入食道很不舒服,相信照過胃鏡的人一定有深刻的體會。目前已經有廠商成功利用微機電製程技術製作出微小的影像感測器,大小與藥用膠囊差不多,使用的時候只需要吞服即可,完全免除痛苦,膠囊最後會隨著糞便排出。這種「膠囊內視鏡」目前已在實用階段,可是價格很高,國內很少使用,若未來價格下降則很有機會取代傳統胃鏡。但膠囊內視鏡如果無法控制影像感測器的方向,可能會找不到醫生想看的地方,該怎麼辦呢?別擔心,更新一代的膠囊內視鏡在末端有類似魚鰭的「微致動器」,可以讓膠囊像魚一樣在胃裡游來游去,厲害吧!

生物技術:相信大家一定都還記得2003年席捲全球的嚴重急性呼吸道症候群(severe acute respiratory syndrome, SARS)吧!要防治SARS最困難的便是如何分辨感冒病毒與SARS病毒,由於要分辨這兩種病毒必須經過許多儀器分析,花費數天的時間,因此常造成疫情擴散,解決的方法便是使用微機電製程技術製作出微小的生物晶片(bio chip),便能在幾個小時內分辨出病毒的種類。此外,2001年美國發生的炭疽熱細菌攻擊事件,恐怖份子拿麵粉當作是炭疽熱細菌,郵寄到美國政府各大機構造成全國恐慌,由於兩者外觀相似,如何分辨麵粉與炭疽熱細菌,也需要經由儀器分析且相當耗時,因此仍需仰賴生物晶片解決。目前生物晶片的製作技術尚不純熟,所以沒有真正可用的商品上市,但未來必定是很重要的發展方向。

汽車工業:微機電系統應用在汽車上最成功的商品就屬安全氣囊了。由於體積與價格的受限,當微機電製程技術開發出「微加速度計」,取代早期安全氣囊中的感測器後,才使得安全氣囊成為所有汽車的基本配備!文後會有更詳盡的介紹。

環境保護:還記得幾年前日本發生在地下鐵車站的沙林毒氣攻擊事件嗎?當恐怖份子在地下鐵車站施放毒氣時,我們如何知道呢?通常晶圓廠會使用有毒氣體來生產晶圓,這些毒氣如果外洩會造成環境污染和人員傷亡,如何偵測這些毒氣呢?這些都必須依賴化學感測器。目前傳統式的化學感測器體積龐大且價格昂貴,若能運用微機電製程技術在矽晶片上製作「化學微感測器」,使其體積微小、成本降低,便可在公共場所大量安裝使用,提升公共安全。

微機電系統的應用實例
(一)微加速度計
(1)電容效應(capacitance effect)
電容效應是指電容的「電容值」會隨著電極之間的距離不同而改變,是用來「暫時」儲存電荷(電子與電洞)的元件,中央使用一層絕緣材料(通常為金屬氧化物)夾在兩層金屬電極之間製成(圖二a)。我們定義「電容值」來代表電容儲存電荷的能力大小,其單位為「法拉第」(Faraday),經實驗發現,電容值大小與兩個金屬電極之間會滿足下列公式:
(C:電容值、ε:介電係數、A:電容面積、d:兩個金屬電極之間的距離)

由上述公式可看出:當金屬電極之間的距離愈大,電容值愈小;當金屬電極之間的距離愈小,電容值愈大,如圖二(b)與(c)所示。

(2)加速度(acceleration)
牛頓第一運動定律在於討論物質的「慣性」,用來描述觀察者固定不動時(慣性座標)所看到的物體移動行為。當物體由靜止變成移動,則物體正在「加速」,其加速度為「正值」;當物體由移動變成靜止,則物體正在「減速」,其加速度為「負值」。大家一定有搭乘捷運的經驗,回想一下當捷運列車加速離站與減速進站時,列車上的人會產生兩種不同的感受:

列車加速離站:當列車靜止,車上的人也靜止;當列車由靜止變成移動(加速),由於人原本是處於靜止的狀態(慣性造成靜者恆靜),車動了人沒動,因此人會「向後仰」(與前進方向相反)。

列車減速進站:當列車移動,車上的人也移動;當列車由移動變成靜止(減速),由於人原本是處於移動的狀態(慣性造成動者恆動),車停了人沒停,因此人會「向前仰」(與前進方向相同)。

(3)微加速度計(micro accelerometer)
前述的例子中,人是一個具有質量的物體,稱為「加速質量」(acceleration mass),我們可以結合加速質量與電容效應製作電容微加速度計(圖二d)。當汽車發生車禍撞到物體時,汽車會由移動變成靜止,由於車上的人與加速質量原本是處於移動的狀態(慣性造成動者恆動),汽車停了,人與加速質量沒停,因此會向前移動(圖二e),造成固定電極A 與可移動電極B 之間的距離變小,電容值變大,當電容值大到某一個程度時,系統就判斷汽車發生嚴重的碰撞,而傳送一個訊號將安全氣囊彈開,保護駕駛人的安全。傳統的加速度感測器是使用機械方式,體積龐大,精確度不高,價格也很昂貴,因此早期安全氣囊僅使用於高級汽車,也只有駕駛座才有安裝,使用電容微加速度計便可達到微小化的目的,在一片矽晶圓上大量生產,成本極低,才使得安全氣囊成為一般汽車的標準配備。
圖二:電容微加速度器的構造與原理。

(4)重力感測器(G sensor)
圖二中的加速度計其實是「單軸微加速度計」(1 axis micro accelerometer),只能測量一維空間(X 軸)的加速度。地球所造成的吸引力稱為「重力」(gravity),重力也會產生加速度指向地心方向,稱之為「重力加速度」。重力感測器,便是利用加速度計來量測重力加速度,以得知地心方向的儀器。有了它,當我們使用智慧型手機瀏覽照片時,若手機轉向90 度,照片也會自動轉向90 度,所以使用者看到的照片永遠是正立的;此外,若筆記型電腦不小心掉到地上,形成自由落體產生很大的重力加速度時,硬碟機內的磁頭會撞擊磁碟片造成資料損毀,因此也會內建重力感測器,在磁碟機掉落時立刻偵測到並同時將磁頭歸位鎖住,避免磁頭撞擊磁碟片。由於半導體製程技術的進步,目前已有「三軸微加速度計」(3 axis micro accelerometer),結合三個方向(X 軸、Y 軸、Z 軸)的微加速度計以量測三維空間。

(二)微陀螺儀(micro gyroscope)
(1)角速度(angular velocity)
物體在單位時間內轉過多少角度稱為「角速度」。加速度計是用來量測物體沿直線運動的「加速度」,而陀螺儀則是用來量測物體轉動的「角速度」。圖三(a)為傳統陀螺儀,主要是由一個轉子依X 軸、Y 軸、Z 軸旋轉,因此能量測出三個軸的角速度。一般在地面上運動的汽車或火車只做直線或曲線運動,因此用到加速度計的機會較多;而船隻或飛機可能會沿著不同方向旋轉,因此在導航定位等系統上必須使用陀螺儀。

圖三:微陀螺儀的構造與原理。
(a 圖來源:維基百科)

(2)科氏力(Coriolis force)
科氏力是由於慣性產生的一種假想力,用來描述觀察者以固定角速度旋轉時(非慣性座標)所看到的物體移動行為。小時候我們在公園裡曾經玩過一種轉盤,人坐在轉盤上隨著轉盤逆時鐘旋轉,當人沿半徑方向來回直線運動時,會產生兩種不同的感受:

第一種,人由轉盤的中心向邊緣直線運動(圖三b):由於人原本是處於切線速度慢的狀態(慣性造成慢者恆慢),後來變成切線速度快,因此人會朝「逆旋轉方向仰」(與切線速度方向相反),科學家們想像有一個假想力造成這個現象。

第二種,人由轉盤的邊緣向中心直線運動(圖三c):由於人原本是處於切線速度快的狀態(慣性造成快者恆快),後來變成切線速度慢,因此人會朝「順旋轉方向仰」(與切線速度方向相同),科學家們想像有一個假想力造成這個現象。

上述的假想力稱為「科氏力」,旋轉的角速度愈快,則科氏力愈大,因此我們可以利用科氏力的大小來反推角速度。

(3)微陀螺儀(micro gyroscope)
陀螺儀基本上需要一個可以旋轉的轉子,以及三個轉軸才行,利用半導體製程在矽晶圓上製作轉子與三個轉軸並不容易,因此目前工業上量產的微陀螺儀都不是利用轉子,而是科氏力的產生,但物體在圓盤上如果沒有沿半徑方向直線運動則不會產生科氏力,因此必須製作能夠沿著半徑方向來回直線運動的結構。如圖三所示,為一維空間的微陀螺儀結構,當使用者依逆時鐘方向旋轉時,沿半徑方向由中心向邊緣直線運動的物體,由切線速度慢變成切線速度快,因此會受到逆旋轉方向(與切線速度方向相反)的科氏力作用,造成固定電極A 與可移動電極B 之間的距離變小,電容值變大,代表科氏力愈大,角速度也愈大(圖三e)。目前都是使用「三軸微陀螺儀」(3 axis micro gyroscope),結合三個微陀螺儀分別量測三維空間(X 軸、Y 軸、Z 軸)。

(三)微地磁計(micro magnetometer)
又稱為「電子羅盤」(E compass),主要是用來量測地球的磁場方向,就是我們小時候看過的指北針;指北針是使用永久磁鐵製作,但是微地磁計並不是使用永久磁鐵,而是利用霍爾效應或磁阻效應來製作。

(1)磁性材料(magnetic materials)
具有磁矩的材料稱為「磁性材料」,磁性材料內部有無數的小磁鐵,每個小磁鐵都同時具有N 極與S 極(圖四a),這樣的小磁鐵稱為「磁矩」(magnetic dipole),為了簡化圖形的複雜度,我們通常以箭號來代表磁矩,箭頭的方向定義為磁矩的N極,磁性材料的磁矩原本排列得很混亂(圖四b),使得磁矩的N 極與S 極互相抵消而不具磁性,當磁性材料受到外加磁場的影響,磁矩會順著外加磁場的方向排列(圖四c)。
圖四:微地磁計的構造與原理。

(2)霍爾效應(Hall effect)
在電流(X)的垂直方向(Y)外加磁場,會在與電流和磁場都垂直的方向(Z)感應產生電壓的現象稱為「霍爾效應」,這個感應產生的電壓稱為「霍爾電壓」(Hall voltage)。在矽晶圓表面成長一層半導體薄膜,在X 軸方向通過電流,同時在Y 軸方向外加磁場,則半導體內的電子與電洞會沿Z軸向兩側移動以抵抗這個磁場,因而產生霍爾電壓:

當Y 軸磁場向下造成電荷移動,產生電場方向為正Z 軸(圖四d);當Y 軸磁場向上造成電荷移動,產生電場方向為負Z軸(圖四e)。

磁場愈弱則電壓愈小,愈強則電壓愈大,換句話說,我們可以利用霍爾電壓的大小與電場方向,來量測地球南北極磁場的大小與方向。使用霍爾效應原理製作的微地磁計具有體積小、重量輕、功耗小、價格便宜、構造簡單等優點,但是靈敏度低,容易受到磁性物體與溫度的影響,所以只能使用在對精確度要求不高的產品上,像是智慧型手機或消費性電子產品。

(3)磁阻效應(magnetoresistance effect)
當磁性材料(如鐵鎳合金)受到磁場作用的時候,電阻會產生變化的現象稱為「磁阻效應」。在矽晶圓表面成長一層磁性薄膜,在X 軸方向通過電流,同時在Z軸方向外加磁場,由於磁性材料內磁矩的方向會順著外加磁場的方向改變:

當外加磁場使磁矩與電流方向垂直,則電阻變小(圖四f);當外加磁場使磁矩與電流方向平行,則電阻變大(圖四g)。

因此,我們可以利用磁性材料電阻的大小,量測地球南北極磁場的方向。使用磁阻效應原理製作的微地磁計具有可以量測微小磁場、精確度高、對溫度變化影響不大等優點;但是在強磁場的環境下,磁性材料的磁矩方向可能產生永久改變,因此不適用於此。

(4)九軸MEMS 微感測器(9 axis MEMS microsensor)
具目前智慧行動裝置開始內建三軸微加速度計、三軸微陀螺儀、三軸微地磁計,整合起來我們稱為「九軸MEMS 微感測器」。大家可能覺得奇怪,加速度計、陀螺儀、地磁計好像是完全不同功能的微感測器,為什麼需要整合起來呢?讓我舉幾個例子來說明:

三軸微地磁計在使用時如果發生傾斜,每1 度傾斜角大約會造成2 度的方位角誤差,那麼手機如何知道使用者到底傾斜多少角度呢?這時就必須配合三軸微加速度計來做傾斜角補償,以增加精確度。

此外,全球衛星定位(global positioning system, GPS)在室內其實訊號很微弱,因此定位精確度很低,但若結合三軸微加速度計、微陀螺儀、微地磁計的訊號整合運算,便可推算更細微的使用者動作,我們稱之為「行人定位推算」(pedestrian dead reckoning, PDR);以實現真實空間和虛擬空間聯動的功能,我們稱為「擴增實景」(augmented reality, AR), 很顯然地這些功能都必須結合許多不同的微感測器才能做到。

(四)微機電系統與物聯網
在《科學月刊》第534 期我們曾經介紹,基於無線或有線的網際網路實體,將所有裝置或設備進行網路定址,實現互聯互通的網路稱為「物聯網」(Internet of Things, IoT),我們可以說物聯網就是「物物相聯的網際網路」,包括三個特徵:

互聯網路:架構在網際網路實體之上,由用戶端延伸擴展到任何物與物(裝置或設備)之間進行通訊。

識別與通信: 物聯網所說的「物」(things)必須具備自動識別(identification)的功能,同時具有物對物(thing to thing, T2T 或machine to machine, M2M) 通訊的功能,使用不同的通訊技術,使機器之間、人機之間能夠互相通訊。

智慧功能:物聯網所說的物必須具備「智慧型」(intelligent)的功能,包括自動反應、自我回饋、智慧控制等特性,要讓物具備智慧特性,最簡單的就是使用各種感測器對外界的光、電、磁、聲、化學等訊號有所反應,達成全面感知、可靠傳遞、智慧處理三大特性。

多數的感測器都是運用電容效應(物理反應)來偵測,唯氣體感測必須結合化學反應,影像感測與紅外線感測則是結合光學反應。由於大部分的感測器都是使用微機電系統技術製作,體積將會愈來愈小,勢必成為物聯網智慧功能的重要元件。

結語
未來智慧行動裝置除了九軸MEMS 微感測器,更會逐漸整合GPS、無線區域網路(WiFi)等成為所謂10 軸、11 軸、12軸的應用,不過這些整合其實與「軸」一點關係都沒有,創造這樣的名詞多半只是廠商的行銷手法。然而這麼多的微感測器傳送訊號,是不是需要一個特別的處理器來運算呢?通常我們會使用微控制器(MCU)來進行整合運算,稱為「感測集線器」(sensor hub)。在微機電系統的發展下,各式微型元件已日趨成熟且被廣泛應用,相信在可預見的未來裡,必會成為愈來愈重要的科技產業。

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