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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳晉晟
研究生(外文):Chin-Cheng Wu
論文名稱:利用面型微加工技術製作電容式超音波換能器
論文名稱(外文):The fabrication of capacitive ultrasonic transducers by using surface micromaching technique
指導教授:陳柏台
指導教授(外文):Pei-Tai Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:系統工程暨造船學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:97
中文關鍵詞:超音波換能器面型微加工一維陣列
外文關鍵詞:ultrasonictransducer1-D arraysurface micromachined
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中 文 摘 要

電容式超音波換能器係應用電容元件的觀念與小信號模型,並導入機電轉換原理所發展的新型超音波換能器。電容式超音波換能器具有較佳的頻寬與靈敏度等特性。
在本文中將詳述電容式超音波換能器的設計原理與製作方式。首先利用最基本的機電聲等效電路系統推導換能器的等效電路模型。並導入梅森模型以求得薄膜振動方程式之解。在製作方面,本文已成功的使用面型微加工技術的犧牲層技術、黃光微影及蝕刻等製程完成了電容式超音波換能器的結構並完成了初步的測試。在製程中所面臨的氮化矽薄膜沉積問題與KOH溼式蝕刻等製成問題將於本文中一併提出討論。
本文利用HP4192A阻抗分析儀量測電容式超音波換能器在空氣中的共振頻率約在11MHz,此時的等效阻抗約為67歐姆。此量測數據與數值模擬的結果極為吻合。此外,利用所架設之脈衝迴響實驗量測之結果顯示本文製作的電容式超音波可在液體中作為發射器或接收器以接收或發射信號。
Abstract

The device of novel capacitive ultrasonic transducers were developed with the concept of capacitance, small signal model and electro-mechanical transformer theorem. They offer performance advantages of wide bandwidth.
The thesis describes the design and fabrication of the capacitive ultrasonic transducer. The basic electro-mechanic-acoustical analogous circuits are presented. The vibration equation is derived from Mason’s theory. We have been fabricated the capacitive ultrasonic transducer and tested. In the study, we use the Surface micromachined technique, such as sacrificial layer, photo lithography, etching technique and thin film deposition to fabricate vibration membrane, chamber, vacuum sealing and metal layer form sequentially. The effects of the thin film with different deposition methods and KOH etching problem are discussed.
In the thesis, the resonant frequency of the capacitive ultrasonic transducer is observed by HP4192A Impedance Analyzer in air at about 11MHz with 67ohm. The impedance measured data shows that the characteristic of theoretical simulation and tested data are match. The Pulse-echo experiment has been established. The experimental results exhibit the capacitive ultrasonic transducer can be transmitter or receiver to launch or detect signal.
目 錄
頁數
中文摘要....................................i
Abstract....................................ii
誌謝........................................iii
目錄........................................v
表目錄......................................viii
圖目錄......................................xii
第一章 緒論.................................1
1.1背景.....................................1
1.2 研究動機................................2
1.3 文獻回顧................................4
1.3.1 超音波技術發展回顧....................4
1.3.2 超音波換能器發展回顧..................7
1.4 研究方法與論文架構......................10
1.4.1 研究方法............................10
1.4.2 論文架構............................11
第二章 電容式超音波換能器原理...............12
2.1 等效電路系統類比概說....................12
2.1.1 機械系統之等效電路類比................13
2.1.2 聲學系統之等效電路類比................18
2.1.3 等效電路換能器之換能機制..............19
2.2 電容式超音波換能器之等效電路分析........21
2.2.1 電子-機械埠等效電路分析...............22
2.2.2 薄膜振動方程式分析....................26
2.2.2.1 薄膜振動分析........................26
2.2.2.2 薄膜振動位移分析..................29
2.2.2.3 薄膜機械阻抗分析................32
2.2.3 聲學輻射阻抗..........................32
2.3 電子-聲學埠等效電路分析.................34
2.4 電容式超音波換能器特性分析..............36
第三章 尺寸設計與製程規劃...................40
3.1 電容式超音波換能器單元幾何外型分析......40
3.2 製程規劃................................47
第四章 製程分析與問題討論...................59
4.1 製程分析................................59
4.1.1 微影技術..............................59
4.1.2 薄膜沉積技術..........................61
4.1.3 蝕刻製程..............................67
4.1.4 金屬化與後段製程......................68
4.2 製程結果................................69
4.3 製程問題分析............................71
4.3.1光罩設計問題...........................72
4.3.2 KOH蝕刻犧牲層問題....................74
第五章 量測結果與問題討論...................76
5.1 量測結果................................76
5-2 量測與理論之比較........................78
5-3 相角理論與實驗誤差分析..................80
5-3.1 電感效應分析..........................81
5-3.2 Matlab程式分析之修正..................83
5-4 脈衝迴響量測系統........................85
第六章 結論.................................93
參考文獻....................................94




圖 目 錄
頁數
圖1-1 Royer et al.壓電式矽晶麥克風結構示意圖............8
圖1-2 Schellin and Hess壓電阻式矽晶麥克風示意圖.........9
圖1-3 Scheeper et al.電容式矽晶麥克風示意圖.............9
圖1-4 T. Khuri-Yakub et al.電容式感知器.................9
圖2-1 集中質量的機械動性類比電路........................14
圖2-2 集中質量的機械阻抗類比電路........................14
圖2-3 集中彈簧的機械動性類比電路........................15
圖2-4 集中彈簧的機械阻抗類比電路........................16
圖2-5 黏滯阻尼的動性類比電路............................17
圖2-6 黏滯阻尼的阻抗類比電路............................17
圖2-7 理想變壓器........................................19
圖2-8 等效至電源側......................................20
圖2-9 等效至負載側......................................21
圖2-10 電容式超音波換能器示意圖.........................22
圖2-11 電容式超音波換能器電子與機械轉換之等效電路.......25
圖2-12 利用Matlab模擬振動薄膜位移圖.....................32
圖2-13 電容式超音波換能器的等效電路.....................34
圖2-14 整合之等效電路...................................35
圖2-15電容式超音波換能器振動薄膜之動態系統分析圖........36
圖3-1 一維電容式超音波換能器設計圖......................40
圖3-2 電容式超音波換能器示意圖..........................41
圖3-3 利用SPEEDIE模擬沉積LTO封填0.25μm蝕刻孔情形........44
圖3-4 利用SPEEDIE模擬沉積LTO封填2μm蝕刻孔情形...........45
圖3-5 利用SPEEDIE模擬沉積氮化矽封填0.25μm蝕刻孔情形.....45
圖3-6 利用SPEEDIE模擬沉積氮化矽封填2μm蝕刻孔情形........45
圖3-7 電容式超音波換能器製作流程圖......................48
圖3-8 光罩設計圖案......................................49
圖3-9 田字型側向緩衝口..................................51
圖3-10 Mask 2蝕刻孔圖案.................................52
圖3-11 Mask 3 減少氮化矽厚度圖案........................54
圖3-12 Mask 4 上、下電極連通區域光罩圖..................55
圖3-13 Mask 5上電極金屬導線圖案.........................56
圖3-14 利用MEMS Pro L-edit模擬製程流程..................57
圖4-1 利用表面輪廓儀量測之光阻厚度與表面粗糙度..........61
圖4-2 薄膜沉積步驟分解圖................................62
圖4-3 電容式超音波換能器單一單元完成圖..................70
圖4-4 電容式超音波換能器完成蝕刻孔封孔後實體圖..........70
圖4-5 一維陣列電容式超音波換能器部分視圖................70
圖4-6 振動薄膜與振動空腔之SEM剖示圖照片.................71
圖4-7 電容式超音波換能器單一單元之SEM照片...............71
圖4-8 田字型側向緩衝封口之SEM照片.......................71
圖4-9 一維陣列電容式超音波換能器之SEM圖.................72
圖4-10 Mask 2 光罩對準情形..............................73
圖4-11 Mask 2修正後可見區域將大幅增加...................73
圖4-12 模擬光罩Mask 3改良前後之差異.....................74
圖4-13 KOH侵蝕矽基材造成非等項性蝕刻問題................75
圖4-14 KOH在各方向之蝕刻率..............................75
圖4-15 KOH在(100)方向濃度、蝕刻速率與溫度關係...........75
圖5-1第一列第二排第63組陣列元件,量測之等效阻抗-頻率圖..76
圖5-2第一列第二排第128組之陣列元件,量測等效阻抗頻率圖..77
圖5-3第二列第二排第10組陣列元件,量測之等效阻抗-頻率圖..77
圖5-4 第二列第三排第2組陣列元件,量測之等效阻抗-頻率圖..77
圖5-5 第二列第四排第1組陣列元件,量測之等效阻抗-頻率圖..78
圖5-6 理論與量測之曲線比較..............................78
圖5-7 空氣中電子-機械等效阻抗之實部、虛部理論與量測結果.79
圖5-8 理論與量測測之相角變化比較圖......................79
圖5-9 Matlab分析之阻抗與相角圖圖.......................80
圖5-10 未考慮電感效應時,Matlab分析所得圖...............81
圖5-11 實際量測之阻抗圖,共振點為10.8MHz,阻值為70歐姆..81
圖5-12 實際量測之阻抗圖圖...............................81
圖5-13 Matlab分析模擬之總阻抗值與相角...................84
圖5-14 考慮阻抗分析儀內電感時,Matlab分析阻抗所得之值...84
圖5-15 電容式超音波換能器 水下作業系統示意圖............85
圖5-16 電容式超音波換能器脈衝迴響量測系統儀器配置圖.....86
圖5-17 利用商用超音波探頭發射的信號與電容式超音波換能器所接收的信號................................................89
圖5-18 接收端的電容式超音波換能器位置與接收信號比較圖...90
圖5-19利用電容式超音波換能器所發射的信號與商用超音波探頭接
收的信號................................................91
圖5-20 發射端的電容式超音波換能器位置與商用超音波探頭所接收之信號比較圖............................................91




表 目 錄
頁數
表2-1 機械系統動性類比與阻抗類比關係圖..................18
表3-1 不同薄膜外型所對應之應力公式......................42
表3-2 薄膜外形所對應之應力與撓曲值......................42
表 4-1 氮化矽薄膜沉積技術之比較.........................66
表4-2 溼式與乾式蝕刻差異之比較..........................68
表4-3 電容式超音波換能器中使用的蝕刻製程................68
表5-1 實驗量測之內電容、內電感變化......................82
表5-2 水下作系統規格比較................................86
參考文獻

1. Sergej Fatikow,Ulrich Rembolkow, 黃淳權 譯, ”微機電概論”, 高立圖書, pp.89-105, 2000.
2. 林文澧,李百祺等著 , ”醫用超音波原理及技術”, 教育部醫學工程科技教育改進計畫, 2000.
3. 川端昭, 鄭振東 編譯, ”超音波工程”, 全華科技圖書, 1999.
4. M. Royer, J. O.Holmen, M. A.Wurm, O.S.Aadland, and M.Glenn, "ZnO on Si integrated acoustic sensor”, Sensors and Actuators, vol.4, pp.357-362, 1983.
5. R. Schellin and G. Hess, "A silicon subminiature microphone based on piezoresistive polysilicon strain gauges", Sensors and Actuators, vol.32, pp.555-559,1992.
6. R.Scheeper, A.G.H.van der Donk, W.Olthuis, and P.Bergveld, "Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer technology", J. Microelectromech. Syst., vol.1, no. 3, 1992.
7. X. C. Jin, I. Ladabaum, and B. T. Khuri-Yakub, “The Microfabrication of Capacitive Ultrasonic Transducers”, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, vol. 1, pp. 437-440, 1997.
8. H. T. Soh. I. Ladabaum. A.Atalar. C.F. Quate. And B. T. Khuri-Yakub. “Silicon micromachined ultrasonic immersion transducers”, Appl. Phys. Lett.. Vol. 69. No. 24. pp. 2674-2676, 1996.
9. P. Eccardt, K. Niederer. T. Scheiter. And c. Hierold. “Surface micromachined ultrasound transducers in CMOS technology”, In Ultrasonics Symp., pp.959-962, 1996.
10. 黃炫貴, ”微電容式超音波換能器之研製”, 國立台灣海洋大學系統工程暨造船所碩士論文, 2003.
11. Lawrence E. Kinsler, Austin R. Frey, Alan B.Coppens, James V. Sanders, “Fundamenetals of Acoustics”, John Wiley & Sons, 2000.
12. W. P. Mason, “Electromechanical Transducers and Wave Filters”, New York: Van Nostrand, 1942.
13. 白明憲, ”聲學理論與應用”, 全華科技圖書, 2000.
14. 陳柏台,劉嘉洪, “電容式陣列超音波換能器之設計與製造”, 第七屆奈米工程暨微系統技術研討會, pp424-429, 2003.
15. Igal Ladabaum, Xuecheng Jin, Hyongsok T. Soh, Abdullah Atalar, and Butrus T. Khuri-Yakub, "Surface Micromachined Capacitive Ultrasonic Transducers", IEEE Trans., 678-690, 1998.
16. J. W.(Lord Rayleigh)Strutt, “The Theory of Sound. New York: Macmillan”, 1877.
17. 梁智全, “電容性微機電超音波換能器特性描述、設計製作與運用數值演算法建構等效電路”,國立台灣大學電信工程研究所碩士論文, 2002.
18. Xuecheng Jin, Igal Ladabaum, and Butrus T. Khuri-Yakub, "The Microfabrication of Capacitive Ultrasonic Transducers", J. Microelectromechanical Systems 7, pp.295-302, 1998.
19. Tai-Ran Hsu, “MEMS & Microsystems Design and Manufacture”, McGRAW-HILL, PP96-105, 2002.
20. 陳柏台、吳晉晟,劉嘉洪等,” 利用面型微加工技術製作醫學影像用電容式超音波換能器之研究”, 醫工年會, 2003.
21. Ayhan Bozkurt, Igal Ladabaum, Abdullah Atalar, and Butrus T. Khuri-Yakub, "Theory and Analysis of Electrode Size Optimization for Capacitive Microfabricated Ultrasonic Transducers", IEEE Trans. on UFFC 46, pp.1364-1374, 1999.
22. 莊達人, “VLSI製造技術”, 高立圖書, 2001.
23. Marc Madou, ”Fundamentals of Microfabrication”, CRC Press,2000.
24. Kristofer J. James Richard A. Normann. “Low-Stress Silicon Nitride for Insulating Multielectrode Arrays.” IEEE Transactions on Ultrasonic, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 44. No. 6. pp. 836-837, 1994.
25. Hong Xiao著, 羅正忠,張鼎張譯, “半導體製程技術導論”, 歐亞書局, 2002.
26. Stanley Wolf, Richard N.Tauber, “Silicon processing for the VLSI Era.” , Lattice California, 1995.
27. Ömer Oralkan, Xuecheng Jin, F. Levent Degertekin, and Butrus T. Khuri-Yakub, "Simulation and Experimental Characterization of a 2-D Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Array Element", IEEE Trans. on UFFC 46, 1337-1340, 1999.
28. Xuecheng Jin, Igal Ladabaum, F. Levent Degertekin, Sam Calmes, and Butrus T. Khuri-Yakub, "Fabrication and Characterization of Surface Micromachined Capacitive Ultrasonic Immersion Transducers", J. Microelectromechnical Systems, 8, 100-114, 1999.
29. O. Oralkan, X. C. Jin, K. Kaviani, A. S. Ergun, F. L. Degertekin, M. Karaman, and B. T. Khuri-Yakub, "Initial Pulse-Echo Imaging Results with One-Dimensional Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Arrays", IEEE Int Ultrasonics Symp, pp. 959-962, 2000.
30. B. Bayram, G. Yaralioglu, A. S. Ergun, B.T. Khuri-Yakub, "Influence of the electrode size and location on the performance of a CMUT", IEEE Ultrasonics Symposium, vol.2, pp.949 - 952,2001.
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