臺灣博碩士論文加值系統

在本研究中，我們在既有的研究與設計中繼續新式熱型加速計的相關研究並首次提出封裝概念對於熱對流加速計之重要性，成功地模擬驗證經由封裝可以大幅提升靈敏度，本研究利用TSMC0.35μm製程，藉由熱電堆的感測原理成功地設計並模擬分析X-Y象限的新式熱型加速度計，可同時感測二維的加速度變化，且亦可應用在傾斜儀、風速計及流量計的技術上。利用ANSYS軟體進ㄧ步模擬當加速度增加時，加熱器兩端的熱電堆所感應到的溫度差變化情形；分析在相同條件下，加熱器與加熱器左右兩個熱電堆的不同間距設計，所產生不同的溫度差變化進行模擬，藉以找出最佳化的設計。
元件封裝條件上，對於空氣高度的不同，所產生不同的溫度進行分析，研究不同高度的差異值。由模擬結果發現，溫差會隨間距變大而上升至最大值，而後隨之下降。溫度差愈大，亦即加速度計靈敏度愈好。模擬結果當加熱器與兩端之熱電堆間距為60μm時，可得到最佳值，且當封裝高度為500μm時，亦可找到最佳化設計。實驗量測X.Y軸熱電堆對數之不同，在加熱器不同功率下，可發現隨著加熱功率上升，熱電堆的輸出電壓呈現性上升，且單一邊Y軸熱電堆輸出電壓高於X軸， Y軸對數少反而輸出電壓較大，此實驗量測氣體熱傳因素，使得對數少的熱電堆，反而可獲得較高的輸出電壓；針對熱型加速度計之靈敏度量測，加熱功率愈大時，亦可獲得較大的熱電堆輸出電壓。
我們相信除了元件結構之設計，特別是氣體對流方式之微機電感測元件，在元件上方之封裝材料以及結構與元件相對置放在設計上都需要做最佳化設計考量。在既有的研究上，經由本研究更進一步地使得對流式加速計之研究開拓更多對於眾多研究者所輕忽的研究要素與重要的價值。

In this study, we continue the researches of novel thermal accelerometer based on the existed researches and designs. The importance of Packaging concept on thermal convection accelerometer is proposed firstly, and is proved successfully that the sensitivity of the accelerometer can be increased remarkable by packaging. A new type 2-D thermal accelerometer is manufactured by TSMC0.35μm process in this study, and two-dimension acceleration change is detected by design and analysis of the principle of thermopile sensor, which can apply to technologies of inclinometers and anemometers and flow meters. The temperature difference and change of the thermopiles located on the ends of heater caused by increasing the acceleration is simulated by ANSYS software. The analysis is conducted by changing the spacing between one end of thermopile and the heater and also the optimal design is obtained by analyzing the temperature difference and change.
For component packaging, different heights between the roof of package and the chip for the gas convection may result in different responses. We studied the data from different heights and verified the temperature difference. If the temperature difference goes up it means the accelerometer is with good sensitivity. According to our simulation, we can get the best data when the distance from the heater to thermopile is 60μm. Under the packaging height of 500μm, we can obtain the optimum design. For thermal accelerometer sensitivity measurement, the greater the heating power, we will get larger thermopile output voltage.
We believe that in addition to the structural components of the design, especially the gas convection, the topics of the packaging and materials, as well as the structure, the configurations of components both in the design and package need to be done to optimize the design considerations. Our research on, through this study explores further values of convection type accelerometers for research beyond many researchers in the world.

中文摘要……………………………………………………………..……Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………………Ⅲ
謝誌………………………………………………………………………..Ⅴ
目錄………………………………………………………………………..Ⅵ
圖目錄………………………………………………………………………Ⅷ
表目錄………………………………………………………………………Ⅸ
第一章 緒論……………………………………………………………1
1-1 研究動機…………………………………………………….……1
1-2 研究內容………………………………………………………….3
第二章 原理與分析……………………………………………………5
2-1 熱傳遞分析………………………………………………….……5
2-2 微加速度計分類………………………………………..………15
2-3 熱型加速度計工作原理…………………………….……………19
2-4 CMOS製程簡介………………………………………………..22
2-5 MEMS技術簡介……………………………………….……….23
第三章 熱型加速度計模擬與設計………………………………….31
3-1 熱型加速度計之系統架構與設計……………………………..31
3-2 模型建構……………………………………………………....37
3-3 熱型加速度計之ANSYS模擬分析…………………………....38
3-3-1 Micro link 微結構為空氣之模擬計之ANSYS模擬…40
3-3-2 Micro link 微結構為Field oxide之模擬………..45
3-4 熱型加速度計介面電路……………………………………..50
第四章 新式熱型加速度計量測與分析………………………….….56
4-1加熱器不同功率下，量測熱型加速度計之熱特性……………57
4-2 針對熱型加速度計之靈敏度量測………………………………60
4-3熱型加速度計之頻率響應量測…………………….........64
第五章 結果與未來發展方向………………………………………66
5-1 結果與討論………………………………………………...…66
5-2未來發展方向…………………………………………………..68
第六章 參考文獻……………………………………………………...70
著作

表目錄
表2-1 熱對流係數的典型值……………………………………………13
表2-2加速度計種類與特性…………………………………………...19
表3-1 材料參數…………………………………………….........37

圖目錄
圖 1-1 研究設計流程圖………………………………4
圖 2-1 熱流方向表示圖…………………………………………………….…6
圖 2-2 氣體的熱傳導………………………………………………………….7
圖 2-3 ㄧ维熱傳導分析的體積元素…………………………….……………7
圖 2-4 直角座標之三维熱傳導分析的體積元素………..………...…..10
圖 2-5 氣體的熱對流…………………………………………….………….11
圖2-6 從一平板的對流熱傳遞…………………………………..………….11
圖2-7黑體能量密度曲線分佈……………………………………..…………15
圖2-8 加速度計物理模型…………………………………………..……….16
圖2-9 加速度微感測器的基本結構………………………………………….18
圖2-10 熱電堆示意圖……………………………………………….......20
圖2-11未受干擾之加速度計溫度分佈與受加速影響之溫度分佈.………..21
圖2-12單一CMOS電晶體的剖面結構………………………….…………...22
圖2-13 標準之COMS製程…………………………………………………..23
圖2-14 Sandia National Laboratories使用之前段CMOS製程………......25
圖2-15 ADI使用中段CMOS製程製作加速度計…………………...………26
圖2-16 TI所設計的微扭轉面鏡結構陣列…………………………………27
圖3-1 新式熱型CMOS加速度計的設計製作流程…………………………..32
圖3-2 CMOS製程製作新式熱型加速度計的2-D層次圖…………........33
圖3-3 熱型加速度計元件設計……………………………………………….33
圖3-4 加速度計之3-D架構………………………………………………….34
圖3-5 熱型加速度計示意圖………………………………………………….36
圖3-6 網格建構圖…………………………………………………………….37
圖3-7 micro link 微結構為空氣層…………………………………....40
圖3-8 不同加速度下溫度差的變化情形……………………………......41
圖3-9 (a)(b)(c)(d)(e)表示相同加速度下之溫度分佈圖……………..44
圖3-10 相同加速度下之間距與溫度差關係圖……………………………..45
圖3-11 micro link 微結構為Field oxide層………………………….46
圖3-12 (a)(b)(c)(d)(e)不同封裝高度之溫度分佈圖………………….49
圖3-13 不同封裝高度之Thermopile溫度差變化………………………….49
圖3-14 不同室溫之溫度變化曲線…………………………………………..50
圖3-15 熱電堆讀取電路……………………………………………………..52
圖3-16加熱器所連接之定溫電路……………………………………………54
圖3-17 介面電路示意圖……………………………………………......55
圖4-1 不同加熱功率之頻率響應測試平台………………………………….56
圖4-2 加速度計測試盒內部………………………………………………….57
圖4-3 不同heater功率對應thermopile輸出電壓之示意圖………....58
圖4-4 加熱器不同電壓下，X軸與Y軸熱電堆之差異……………………...59
圖4-5 加熱器不同功率下，X軸與Y軸熱電堆之差異……………………...59
圖4-6 旋轉平台示意圖……………………………………………………….61
圖4-7 X軸熱電堆之角度與輸出電壓……………………………………...62
圖4-8 Y軸熱電堆之角度與輸出電壓……………………………........62
圖4-9 X軸熱電堆之加速度與角度………………………………………...63
圖4-10 Y軸熱電堆之加速度與角度……………………………………….63
圖4-11 測量熱電堆頻率響應示意圖………………………………......64
圖4-12 X軸熱電堆之頻率響應…………………………………………….65
圖4-13 Y軸熱電堆之頻率響應…………………………………………….65

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