臺灣博碩士論文加值系統

本文主要以矽微細加工技術設計壓電式力微感測器，將四個壓電微感測結構設計於十字形薄膜懸樑上，量測不同軸向力的訊息，研發的步驟分為微結構模擬、微元件製作、微元件封裝與量測方法。根據有限元模擬分析結果，微元件應力隨負載變化線性度佳，最大應力響應值為6.69 ×106 mN/mm2 ，最大作用力量測範圍為4 N。微元件製作以高週波濺鍍法沉積PZT壓電薄膜於鉑鈦金屬上，壓電薄膜經由X光繞射儀分析，可確定薄膜具有壓電性質之鈣鈦礦相存在。微元件的封裝考慮到力微感測器結構受力情形，使用雕刻機以印刷電路板自製適用封裝結構的立體外型。量測分析方面建構了微力量測系統與加速度量測系統，以提供力微感測器性能的驗證，微力量測系統針對力微元件之需求，設計組裝測量機構，提供微小化晶粒對準和接觸作用力之定位，並以壓電致動器完成微力接觸施力量測，提高力量測的解析度，使量測可分析到0.1克之微力變化。

Based on silicon-based micro-fabrication technology, the piezoelectric force microsensor are designed. Four sets of piezoelectric devices are designed on the silicon wafer with a cross-shaped cantilever beam for measureing the multi-directional forces. The development steps are the micro-structure simulation, force microsensor fabrication, microdevice package, and measurements. The FEM simulation results display that the designed microdevices have good linearity with maximum stress about 6.69 ×106 mN/mm2, and the maximum strength is 4N. The RF sputtering method is applied to deposit PZT thin film on Pt/Ti. The piezoelectric thin film analyzed by X-ray diffraction (XRD) has been confirmed the existence of perovskite phase and piezoelectric characteristics. The package of microsensors is designed based-on the force applied condition of the developed force microsensors. The solid-structure packages have developed using carving machine and print circuit board. A force and acceleration measurement system has setup to prove the microsensors characteristics. The system can provide the function of chip and applied force alignments. The piezoelectric actuator on the measurement system is used to control applied contact force to increase the force measurement resolution upto 0.1g.

摘 要 i
Abstract ii
目 錄 iii
圖目錄 ix
表目錄 xii
第一章 緒 論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻探討 2
1.3 研究方法與論文架構 2
第二章 感測原理與微元件設計 4
2.1 感測原理 4
2.1.1 壓電原理 4
2.1.2 壓電材料 7
2.1.3 壓電薄膜製作技術 8
2.1.4 電性轉移函數 9
2.2 微元件設計 11
2.2.1 微元件設計 11
2.2.2 微元件模擬 12
2.3 力感測器之耦合效應 16
第三章 微製程設計 25
3.1 光罩設計與製程規劃 25
3.2 微元件製程 29
3.2.1 高週波濺鍍壓電薄膜 29
3.2.2 光刻微影製程 31
3.2.3 單晶矽非等向蝕刻 34
第四章 微元件製作與分析 36
4.1 微元件製作 36
4.2 薄膜性質量測 41
4.2.1 X光繞射分析 41
4.2.2 表面粗糙度與厚度量測 43
4.2.3 相對介電常數之計算 45
第五章 微感測器封裝與量測 46
5.1 微感測器封裝 46
5.1.1 力微感測器封裝設計 46
5.1.2 外殼與上蓋製作 48
5.1.3 晶片封裝 50
5.2 力微量測系統 52
5.2.1 微力量測原理 52
5.2.2 微力量測機構設計 53
5.2.3 量測系統之建立 55
5.3 加速度量測系統 56
5.3.1 系統設備 56
5.3.2 量測方法 57
5.4 微力量測系統測試 58
第六章 結論 61
6.1 結論 61
6.2 未來發展 62
參考文獻 63
誌謝 66
作者簡介 67
附錄A 荷重元規格 68
附錄B 荷重元顯示器規格 70
附錄C 壓電致動器規格 72
附錄D 電壓放大器規格 73
附錄E 力微量測系統操作手冊 74

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