臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出一個使用CMOS-MEMS製程的紅外線溫度感測器設計，此感測器是一個由多層金屬層所構成的甕形微結構，透過金屬吸收紅外線產生的熱而導致金屬電阻值變化來進行溫度感測。為能有效增加紅外線吸收效率，吾人考量整體結構的長寬比、孔徑大小、孔徑深度、金屬層數，光源波長以及入射角度，以光學軟體ZEMAX進行模擬，並以國家晶片系統設計中心所提供的TSMC 0.18μm 1P6M CMOS-MEMS製程進行設計，探討各種結構對於紅外線的吸收效率。單位結構大小為14μm*14μm*8μm，模擬結果顯示出光源斜向入射能比垂直入射提升10%吸收率；而較大、較深的孔徑也能獲得更佳的吸收率。此外，在結構外增加一透鏡，使光源能夠更集中入射孔內，可避免最外層金屬反射所造成能量浪費，則可提升約11%吸收率。

In this thesis, a design of a temperature sensor with micro cavity structure is presented for enhancing the absorptivity of incident IR energy. A variety of micro cavity structures with different aperture dimension and metal layers, as well as the incident angle and wavelength, are investigated and analyzed by ZEMAX. The micro cavity structure is fabricated in TSMC 0.18μm 1P6M CMOS-MEMS process provided by CIC. For a unit structure size of 14μm*14μm*8μm, simulation results show the improvement on absorptivity is 10% for oblique incident when compared with vertical incident; likewise, using deeper aperture also can improve absorptivity. Besides, adding lens can centralized light source toavoid reflection on top metal and to reduce the energy wasting.

目次

誌謝 I
摘要 II
Abstract III
目次 IV
圖次 VI
表次 VIII
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究背景 2
1.3 論文組織架構 3
第二章溫度感測器 4
2.1 微機電系統 4
2.2 CMOS-MEMS製程 5
2.3 紅外線溫度感測器 8
2.3.1熱敏電阻式溫度感測器 8
2.3.2熱電耦式溫度感測器 9
2.3.3熱輻射計 10
第三章微機電結構設計 11
3.1 ZEMAX介紹 11
3.1.1 ZEMAX軟體簡介 11
3.1.2 非序列模式 11
3.1.3 序列模式 12
3.2 金屬光學性質 13
3.2.1 金屬折射率 13
3.2.2 金屬反射率 17
3.2.3 反射率計算及模擬驗證結果 18
3.3 結構設計及模擬 24
3.3.1 孔徑大小對吸收率之影響 24
3.3.2 金屬層數對吸收率之影響 28
3.3.3 光源入射角對吸收率之影響 32
第四章微機電結構比較及模擬結果 40
4.1 結構特性分析 40
4.2 各式結構比較 41
4.3 外加透鏡 45
4.3.1 非球面透鏡設計 45
4.3.2 增加透鏡後對吸收率影響 47
第五章結論 49
參考文獻 50

 
圖次
圖2- 1 微機電技術製作的三軸加速度計 [11] 4
圖2- 2CMOS-MEMS後製程蝕刻流程圖[18] 6
圖2- 3蝕刻後的剖面圖[18] 7
圖2- 4蝕刻窗口大小與垂直蝕刻深度與橫向蝕刻距離之關係[18] 7
圖2- 5熱敏電阻特性(a)NTC (b)PTC (c)CTC 8
圖2- 6熱電耦溫度計示意圖 9
圖3- 1 非序列操作介面圖 12
圖3- 2非序列設計對應圖 12
圖3- 3序列操作介面圖 13
圖3- 4序列設計對應圖 13
圖3- 5 AlCu對各波長之折射率[6] 15
圖3- 6 Al對各波長之折射率[6] 15
圖3- 7 Cu對各波長之折射率[6] 16
圖3- 8AlCu對各波長之消光係數[6] 16
圖3- 9Al對各波長之消光係數[6] 16
圖3- 10 Cu對各波長之消光係數[6] 17
圖3- 11 金、銀、銅、鋁波長對反射率之關係圖[7] 18
圖3- 12銅在各波長對反射率影響之計算結果圖 19
圖3- 13 波長對反射率影響之模擬架構圖 19
圖3- 14折射率與消光係數參數設置圖 20
圖3- 15 光源波長參數設置圖 20
圖3- 16 反射率模擬結果圖 22
圖3- 17銅在各波長對反射率影響之模擬與計算結果比較圖，曲線1為計算結果值，曲線2為模擬結果值 23
圖3- 18孔徑大小4μm*4μm架構圖 24
圖3- 19孔徑大小8μm*8μm架構圖 26
圖3- 20孔徑大小10μm*10μm架構圖 27
圖3- 21 各孔徑及各波長下之吸收率比較 28
圖3- 22 三層金屬架構圖 29
圖3- 23六層金屬架構圖 31
圖3- 24光源入射角0∘架構圖 33
圖3- 25光源入射角30∘架構圖 34
圖3- 26光源入射角45∘架構圖 36
圖3- 27光源入射角60∘架構圖 37

圖4- 1結構1 41
圖4- 2結構2 42
圖4- 3結構3 43
圖4- 4透鏡設計參數 45
圖4- 5透鏡側視圖 46
圖4- 6 透鏡斜視圖 46
圖4- 7 光點圖 47
圖4- 8 添加透鏡後之架構圖 48

 
表次
表2- 1常用熱電耦材料[19] 9

表3- 1 金屬波長與折射率(n)之關係[6] 14
表3- 2金屬波長與消光係數(k)之關係[6] 15
表3- 3 銅在各波長之n、k及計算後R値 18
表3- 4孔徑大小4μm*4μm架構參數 25
表3- 5孔徑大小4μm*4μm 模擬結果 25
表3- 6孔徑大小8μm*8μm架構參數 26
表3- 7孔徑大小8μm*8μm 模擬結果 26
表3- 8孔徑大小10μm*10μm架構參數 27
表3- 9孔徑大小10μm*10μm模擬結果 27
表3- 10不同波長對不同孔徑大小損失能量之比較 28
表3- 11 三層金屬架構參數 29
表3- 12 三層金屬能量損失模擬結果 30
表3- 13六層金屬架構參數 32
表3- 14六層金屬能量損失模擬結果 32
表3- 15光源入射角0∘架構參數 33
表3- 16光源入射角0∘模擬結果 33
表3- 17光源入射角30∘架構參數 34
表3- 18光源入射角30∘模擬結果 34
表3- 19光源入射角45∘架構參數 36
表3- 20光源入射角45∘模擬結果 37
表3- 21光源入射角60∘架構參數 38
表3- 22光源入射角60∘模擬結果 38

表4- 1 結構1模擬結果 41
表4- 2結構2模擬結果 42
表4- 3結構3模擬結果 43
表4- 4甕型結構參數 48
表4- 5添加透鏡之模擬結果 48

[1]張志誠, 微機電技術, 商周出版, 2002.

[2]T. M. Betzner, “Charge Transfer to MEMS Pressure Sensors by Glow Discharge Plasmas,”Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 15, pp. 1392-1397, 2006.

[3]G. F. H. Xie, “Integrated Micro-electromechanical Gyroscopes,”IEEE Journal of Aerospace Engineering, pp. 65-67, April 2003.

[4]T. K. Sethuramalingam and A. Vimalajuliet, “Design of MEMS based Capacitive Accelerometer,”2nd International Conference on Mechanical and Electrical Technology (ICMET), pp. 565-568, Sept 2010.

[5]李明憲, 監控食物儲藏環境的感測讀取電路晶片, 國立暨南國際大學電機工程研究所碩士論文, 2011.

[6]Refractive index. [Online]. Available:http://refractiveindex.info/

[7]Eugene Hecht, Optics, 4th edition, Addison-Wesley, 2002, pp. 131

[8]張國德, 使用CMOS-MEMS製程具數位輸出之電容式微水平感測晶片, 國立暨南國際大學電機工程研究所碩士論文, 2012.

[9]洪敏峰, 應用於細胞色素C薄膜之紅外線感測器讀取電路, 國立暨南國際大學電機工程研究所碩士論文, 2013.

[10]馮致華, 新型CMOS-MEMS Z軸加速度計之研發, 國立清華大學奈米工程與微系統研究所碩士論文, 2009.

[11]Bosch Sensortec. [Online]. Available:http://www.bosch-sensortec.com/en
[12]S. Finkbeiner, “From MEMS to Smart Systems Integration,”2nd European Conference & Exhibition on, pp. 1-8, April, 2008.

[13]P. Pieters, “Versatile MEMS and MEMS integration technology platformsfor cost effective MEMS development,”Microelectronics and Packaging Conference, pp.1,5, 15-18, June 2009.

[14]Xiao Yu, Liji Wu, Xiangmin Zhang and Bo Li, “Interface Circuit Design and Implementation for MEMS PressureSensor in Tire Pressure Monitoring System,” 2012 IEEE 11th International Conference on , vol., no., pp.1,3, Oct. 29 2012-Nov. 1 2012.

[15]R.Waters, C.Tally, B. Dick, H. Jazo, M. Fralick, M.Kerber, and A. Wang, “Design and Analysis of a Novel Electro-Optical MEMS Gyroscope for Navigation Applications,”Sensors 2010 IEEE , pp.1690,1695, 1-4 Nov. 2010

[16]陳吉奕, 整合紅外線溫度感測器操作於1V之被動式2.45GHz RFID詢答器設計, 國立暨南國際大學電機工程研究所碩士論文, 2012.

[17]ZEMAX. [Online]. Available:https://www.zemax.com/home

[18]“CIC User HandBook – 0.18μm CMOS-MEMS process v2.4,” National Chip Implementation Center, 2011.

[19]Wilkerson Instrument Company. [Online]. Available:http://www.wici.com/blogs/2012/06/thermocouple-two-wire-transmitters/