臺灣博碩士論文加值系統

本研究嘗試設計以金屬為主體的薄膜結構，製作電容式壓力感測器，以應用於體外非侵入式血液流感測器，利用商用製程TSMC CMOS MEMS 0.35μm 2P4M下線平台下線，搭配商用氧化矽蝕刻劑Silox Vapox III以及自行開發的後製程步驟。其優點可增加電極間的有效移動空間。且為減少直接量測電容而產生的寄生效應，後端搭配方波震盪電路；本論文感測器實作可分為兩代設計，第一代是提出垂直梳狀電極的想法，跟傳統平板電極做個比較，但發現該設計會有翹曲與容易短路等不理想效應；第二代共八種設計，加入防短路措施於平板電極中，以及比較不同幾何參數的設計效應，尤其在這篇論文提Via金屬連結層的三種設計，分別為點狀、網狀跟散狀，利用幾何結構的不同，成功的調變結構的力學參數，藉此提高其靈敏度，以及減少翹曲效應的發生，靈敏度從1.23~5.37Hz/ mmHg，最大可量測範圍晶片高達618mmHg。

In this research, CMOS MEMS tactile sensors using a pure metal-based structure to monitor non-invasive blood flow were developed. The sensors were fabricated through a commercial 0.35μm 2 polysilicon and 4 metal CMOS technology by the self-developed post processes. In order to increase the effective gap between two electrodes, the tactile sensor used oxide as the sacrificial layer to replace the conventional metal sacrificial layer. Moreover, to eliminate parasitic effect, the change of capacitances is measured and analyzed via an oscillator circuit which converts the capacitance output to the frequency output. Many sensor designs were proposed and developed in this work. First, a vertical-comb-drive type sensor and a conventional parallel-plate type sensor were proposed. Due to some problems encountered in the experiment such as the curling effect and device shortage problem, various modifications were made to improve the device performances, To adjust the mechanical strength of the membrane of the sensor, three via designs were proposed including designs of point-shape, net-shape, and ring-shape. Moreover, we also designed various microstructures for short-prevention mechanism of the tactile sensor. Finally, the maximum sensitivity of 5.37Hz/mmHg and a maximum sensing range of 618mmHg were demonstrated successfully.

目錄
口試委員會審定書 i
致謝 ii
中文摘要 iii
ABSTRACT iv
圖目錄 ix
表格目錄 xviii
第一章 緒論 - 1 -
1.1 研究動機 - 1 -
1.2 研究背景 - 1 -
1.2.1 微機電歷史 - 1 -
1.2.2 血液流壓力監測方法介紹 - 2 -
1.3 文獻回顧 - 5 -
1.3.1 壓力感測器 - 5 -
1.3.2 互補式金氧半導體微機電製程(CMOS MEMS)介紹 - 17 -
第二章 純金屬電極觸覺式壓力感測器介紹 - 20 -
2.1 設計流程 - 20 -
2.2 電容式壓力感測器原理介紹 - 20 -
2.3 後製程介紹 - 24 -
2.3.1 蝕刻方法選定 - 25 -
2.4 模擬介紹 - 26 -
2.5 量測系統簡介 - 29 -
2.5.1 奈米壓痕儀 (Nanoidenter) [47, 48] - 30 -
2.5.2 白光干涉儀 (White Light Interferometer ) [49] - 32 -
2.5.3 阻抗分析儀 (LCR meter) - 32 -
2.5.4 震盪電路 (IC LF351) - 34 -
第三章 垂直梳狀電極與平板電極設計實作與比較 - 36 -
3.1 感測器結構簡介 - 36 -
3.2 感測器結構設計參數 - 39 -
3.3 模擬結果分析 - 41 -
3.4 製程結果與應證 - 42 -
3.5 量測結果 - 45 -
3.5.1 奈米壓痕儀 (Nanoidenter) - 45 -
3.5.2 白光干涉儀 (White Light Interferometer ) - 47 -
3.5.3 阻抗分析儀 (LCR meter) - 48 -
3.5.4 震盪電路結果 (Oscillator by IC LF351) …………………………………… - 49 -
3.6 第一代全金屬電極觸覺感測器結果討論 - 51 -
3.6.1 殘餘應力之研究比較 - 51 -
3.6.2 防短路措施 - 52 -
3.6.3 靈敏度比較 - 53 -
3.7 結論 - 53 -
第四章 改良後平板電極以及防短路設計實作 - 55 -
4.1 感測器結構簡介 - 55 -
4.2 模擬結果分析 (Coventorware-Finite Element Analysis) - 57 -
4.2.1 Type1感測器薄膜為兩層金屬氧化矽堆疊而四懸臂固定 - 57 -
4.2.2 Type2, 3, 6, 7 測試不同Via結構以及防短路結構 - 59 -
4.2.3 Type4感測器薄膜為兩層金屬氧化矽堆疊而環狀固定 - 60 -
4.2.4 Type5感測器薄膜為兩層金屬氧化矽堆疊而無中央凸塊結構 - 62 -
4.2.5 Type8感測器薄膜為三層金屬氧化矽堆疊結構 - 63 -
4.2.5 模擬小結 - 64 -
4.3 製程結果與應證 - 65 -
4.4 量測結果 - 67 -
4.4.1 奈米壓痕儀 (Nanoidenter) - 67 -
4.4.2 白光干涉儀 (White Light Interferometer ) - 72 -
4.4.3 震盪電路結果 (Oscillator by IC LF351) - 77 -
4.5改良後平板電極討論 - 85 -
4.5.1 不同薄膜厚度比較(表4-6) - 85 -
4.5.2 不同Via設計比較 - 86 -
4.5.3 不同懸臂強度比較 - 88 -
4.5.4 安全措施比較 - 89 -
4.5.5 過度施壓測試 - 91 -
4.5.6 有無防短路措施比較 - 92 -
4.5.7 來回測試 (Reliability test) - 93 -
4.5.8 測試結構 (test key)成果與結論 - 94 -
4.5.9 實驗和模擬對照討論 - 101 -
4.5.10 因橋墩式結構造成的非理想因素分析 - 109 -
4.5.11 因導體探針施壓造成的非理想因素分析 - 111 -
第五章 結論與未來展望 - 113 -
5.1 結論 - 113 -
5.2 未來展望 - 114 -
參考資料 - 116 -

圖目錄
圖1-1 侵入式血液流量測法實際施用情況 - 3 -
圖1-2 電子式血壓計與袖套 - 4 -
圖1-3 震盪式血壓計原理圖 - 4 -
圖1-4 明尼蘇達的研究團隊利用Tonometry量測法的示意圖 - 5 -
圖1-5 動脈套管(multisite catheter)內壓力感測器示意圖 - 7 -
圖1-6 感測器結構示意圖 - 7 -
圖1-7 該壓力感測器製程的順序 - 8 -
圖1-8 利用evaluation board (M3110)量測電壓訊號 - 9 -
圖1-9 形變示意圖 - 9 -
圖1-10 四種改善線性度的感測結構 - 10 -
圖1-11 3D立體結構圖 - 11 -
圖1-12 結合感測電路、感測結構在PCB板上示意圖 - 11 -
圖1-13 感測器截面圖 - 12 -
圖1-14 感測器SEM俯視圖 - 13 -
圖1-15 感測器截面說明圖 - 13 -
圖1-16 感測器陣列與後端電路概念圖 - 14 -
圖1-17 該感測器製程流程圖，利用HF蝕刻製造出空腔 - 14 -
圖1-18 Normal mode跟touch mode的線性化差異 - 15 -
圖1-19 利用震盪電路該感測器絕對頻率值與壓力作圖 - 15 -
圖1-20 感測器結構截面圖 - 16 -
圖1-21 感測器與電路佈局圖 - 16 -
圖1- 22 TSMC CMOS MEMS 0.35 μm製程截面圖 - 19 -
圖1- 23 CMOS MEMS製程 - 19 -
圖2-1 觸覺感測器設計流程 - 20 -
圖2-2 壓力感測器上電極受壓示意圖 - 21 -
圖2-3 左圖為利用有限元素分析法分析位移圖 - 21 -
圖2-4 人體收縮(systolic)及舒張(diastolic)血壓量表 - 24 -
圖2-5 量測實施示意圖，灰色區塊為感測晶片 - 24 -
圖2-6 後製程蝕刻步驟 - 25 -
圖2-7 建模之後的切割模型 - 29 -
圖2-8 量測實際示意圖 - 29 -
圖2-9 量測系統簡介 - 30 -
圖2-10 Labview自動化量測程式示意圖 - 30 -
圖2-11 奈米壓痕負載-深度圖 - 31 -
圖2-12 奈米壓痕剖面圖 - 31 -
圖2-13 白光干涉儀儀器圖片 - 32 -
圖2-14 阻抗分析儀6500圖片 - 33 -
圖2-15 阻抗分析儀校正設備 - 33 -
圖2-16 LCR meter電容、相位對頻率分析圖 - 33 -
圖2-17外接震盪器電路組態示意圖、布局圖 - 35 -
圖3-1 梳狀電極板截面示意圖 - 37 -
圖3-2 梳狀電極板與平行電極板截面對照圖 - 38 -
圖3-3 利用中間凸塊結構較強，讓主要位移形變集中在懸臂上 - 38 -
圖3-4 垂直梳狀板佈局圖 - 39 -
圖3-5 平行板佈局圖 - 40 -
圖3-6 Via設計圖 - 40 -
圖3-7 測試開孔多寡的蝕刻機制 - 41 -
圖3-8 測試懸臂的蝕刻機制 - 41 -
圖3-9 受壓形變示意圖 - 41 -
圖3-10 第一代晶片後製程流程圖 - 42 -
圖3-11 光學顯微鏡(OM)示意圖 - 42 -
圖3-12 電子顯微鏡(SEM)示意圖 - 42 -
圖3-13 感測器中央電子顯微鏡(SEM)示意圖 - 43 -
圖3-14感測晶片蝕刻後，經超音波震洗掉上電極光學顯微鏡圖 - 44 -
圖3-15 梳狀電極利用奈米壓痕儀實測結果 - 44 -
圖3-16平板電極利用奈米壓痕儀實測結果 - 45 -
圖3-17梳狀電極利用白光干涉儀實測結果 - 46 -
圖3-18平板電極利用奈米壓痕儀實測結果，三種顏色代表不同位置的試驗 - 46 -
圖3-19平板電極利用白光干涉儀實測3D立體圖翹曲結果 - 47 -
圖3-20利用LCR meter量測電容變化量與PZT控制器位移作圖 - 48 -
圖3-21利用LCR meter量測電容變化量與換算成電容值與施加壓力關係作圖 - 48 -
圖3-22平板電極施壓與震盪電路測試圖 - 49 -
圖3-23為換算後頻率變化量與施加壓力作圖 - 49 -
圖3-24 感測器經蝕刻釋放結構後產生翹曲現象 - 51 -
圖3-25 為利用有限元素分析法，加入殘餘應力的要素 - 52 -
圖3-26 為蝕刻85min及蝕刻80min情形 - 52 -
圖3-27 因後製程造成結構翹曲非理想現象 - 54 -
圖4-1 傳統平行電極板利用氧化矽蝕刻法，容易有短路問題 - 55 -
圖4-2 利用橋墩式結構，可避免短路問題 - 55 -
圖4-3 圖中紫色為Via的部份、橘色為蝕刻孔、黑色為欲蝕刻之氧化矽 - 56 -
圖4-4 懸臂強度(M4-M3-M2)、薄膜強度(M4-M3)、安全措施(4 beam)示意圖 - 57 -
圖4-5 Type1 利用Coventorware建模與力學分析示意圖 - 58 -
圖4-6 Type 1薄膜形變與施加壓力模擬圖 - 58 -
圖4-7 Type 1電容變化與施加壓力模擬圖 - 58 -
圖4-8 Type2,3,6,7 利用Coventorware建模與力學分析示意圖 - 59 -
圖4-9 Type 2,3,6,7薄膜形變與施加壓力模擬圖 - 60 -
圖4-10 Type 2,3,6,7電容變化與施加壓力模擬圖 - 60 -
圖4-11 Type4 利用Coventorware建模與力學分析示意圖 - 61 -
圖4-12 Type 4薄膜形變與施加壓力模擬圖 - 61 -
圖4-13 Type 4電容變化與施加壓力模擬圖 - 61 -
圖4-14 Type 5 利用Coventorware建模與力學分析示意圖 - 62 -
圖4-15 Type 5薄膜形變與施加壓力模擬圖 - 62 -
圖4-16 Type 5電容變化與施加壓力模擬圖 - 63 -
圖4-17 Type8 利用Coventorware建模與力學分析示意圖 - 63 -
圖4-18 Type 8薄膜形變與施加壓力模擬圖 - 64 -
圖4-19 Type 8電容變化與施加壓力模擬圖 - 64 -
圖4-20 後製程步驟圖 - 66 -
圖4-21 感測器蝕刻80min後的SEM圖 - 66 -
圖4-22 感測器蝕刻80min後 - 67 -
圖4-23 Type1 奈米壓痕儀量測曲線 - 68 -
圖4-24 Type2 奈米壓痕儀量測曲線 - 68 -
圖4-25 Type3 奈米壓痕儀量測曲線 - 69 -
圖4-26 Type4 奈米壓痕儀量測曲線 - 69 -
圖4-27 Type5 奈米壓痕儀量測曲線 - 70 -
圖4-28 Type6 奈米壓痕儀量測曲線 - 70 -
圖4-29 Type7奈米壓痕儀量測曲線 - 71 -
圖4-30 Type8 奈米壓痕儀量測曲線 - 71 -
圖4-31 Type1 (白光干涉儀量測表面輪廓高低差) - 73 -
圖4-32 Type2 (白光干涉儀量測表面輪廓高低差) - 73 -
圖4-33 Type3 (白光干涉儀量測表面輪廓高低差) - 74 -
圖4-34 Type4 (白光干涉儀量測表面輪廓高低差) - 74 -
圖4-35 Type5 (白光干涉儀量測表面輪廓高低差) - 75 -
圖4-36 Type6 (白光干涉儀量測表面輪廓高低差)，可看出表面平坦度最佳 - 75 -
圖4-37 Type7 (白光干涉儀量測表面輪廓高低差) - 76 -
圖4-38 Type8 (白光干涉儀量測表面輪廓高低差) - 76 -
圖4-39 Type 1 分別為三次測試，絕對頻率值與PZT推動感測器位移作圖 - 77 -
圖4-40 Type 1:為三次測試平均及標準差，換算後頻率變化量與施加壓力作圖 - 77 -
圖4-41 Type 2 分別為三次測試，絕對頻率值與PZT推動感測器位移作圖 - 78 -
圖4-42 Type 2:為三次測試平均及標準差，換算後頻率變化量與施加壓力作圖 - 78 -
圖4-43 Type 3:絕對頻率量測圖，可看到當觸底短路時，頻率變為0 - 79 -
圖4-44 Type 3 :取上圖線性區段，以換算後頻率變化量與施加壓力作圖 - 79 -
圖4-45 Type 4 分別為三次測試，絕對頻率值與PZT推動感測器位移作圖 - 80 -
圖4-46 Type 4:為三次測試平均及標準差，換算後頻率變化量與施加壓力作圖 - 80 -
圖4-47 Type 5 分別為三次測試，絕對頻率值與PZT推動感測器位移作圖 - 81 -
圖4-48 Type 5:為三次測試平均及標準差，換算後頻率變化量與施加壓力作圖 - 81 -
圖4-49 Type 6 分別為三次測試，絕對頻率值與PZT推動感測器位移作圖 - 82 -
圖4-50 Type 6:為三次測試平均及標準差，換算後頻率變化量與施加壓力作圖 - 82 -
圖4-51 Type 7 分別為三次測試，絕對頻率值與PZT推動感測器位移作圖 - 83 -
圖4-52 Type 7:為三次測試平均及標準差，換算後頻率變化量與施加壓力作圖 - 83 -
圖4-53 Type 8 分別為三次測試，絕對頻率值與PZT推動感測器位移作圖 - 84 -
圖4-54 Type 8:為三次測試平均及標準差，換算後頻率變化量與施加壓力作圖 - 84 -
圖4-55 不同設計的Via的設計與蝕刻完的結構蝕刻孔 - 87 -
圖4-56 不同設計的Via的設計SEM圖與白光干涉儀之比較 - 87 -
圖4-57 不同的安全措施 - 90 -
圖4-58 感測器過度施壓圖，可看到感測器薄膜有凹陷且破損的痕跡 - 91 -
圖4-59 過度施壓量測圖且重複測試 - 92 -
圖4-60 為二次測試完之後再拿去照光學顯微鏡之圖 - 92 -
圖4-61 比較有無防短路措施比較圖 - 93 -
圖4-62 來回測試(Load and Unload)，舉Type8為例，可發現其遲滯效應明顯 - 94 -
圖4-63 本次下線五種不同的製程測試機制 - 95 -
圖4-64 第一個測試機制(Test key 1)為測試不同薄膜的蝕刻情形截面示意圖 - 96 -
圖4-65 第1個測試機制(Test key 1)不同時間的蝕刻情形 - 96 -
圖4-66 第2個測試機制(Test key 2)為測試不同蝕刻孔大小的截面示意圖 - 97 -
圖4-67 第2個測試機制(Test key 2)不同時間的蝕刻情形 - 97 -
圖4-68 第3個測試機制(Test key 3)為測試蝕刻孔間距截面示意圖 - 98 -
圖4-69 第3個測試機制(Test key 3)不同時間的蝕刻情形 - 98 -
圖4-70 第4個測試機制(Test key 4)為測試下電極房短路措施截面示意圖 - 99 -
圖4-71 第4個測試機制(Test key 4)不同時間的蝕刻情形 - 100 -
圖4-72 第5個測試機制(Test key 5)為測試不同薄膜蝕刻速率截面示意圖 - 100 -
圖4-73 第5個測試機制(Test key 5)不同時間的蝕刻情形 - 101 -
圖4-74 震盪電路對電容充放電示意圖 - 103 -
圖4-75 Type1利用震盪電路結果轉換成電容變化對施加壓力的關係 - 103 -
圖4-76 Type2利用震盪電路結果轉換成電容變化對施加壓力的關係 - 104 -
圖4-77 Type3利用震盪電路結果轉換成電容變化對施加壓力的關係 - 104 -
圖4-76 Type4利用震盪電路結果轉換成電容變化對施加壓力的關係 - 105 -
圖4-77 Type5利用震盪電路結果轉換成電容變化對施加壓力的關係 - 105 -
圖4-78 Type6利用震盪電路結果轉換成電容變化對施加壓力的關係 - 106 -
圖4-79 Type7利用震盪電路結果轉換成電容變化對施加壓力的關係 - 106 -
圖4-80 Type8利用震盪電路結果轉換成電容變化對施加壓力的關係 - 107 -
表4-12 模擬與實驗比較 - 107 -
圖4-81 不同Mesh size:對其敏感度模擬值示意圖 - 108 -
圖4-82 為探針施壓於感測器上電極圖 - 108 -
圖4-83 橋墩式防短路結構與上下電極形成非理想電容 - 109 -
圖4-84 主要電容與橋墩式結構衍生之電容作圖(以K=4000為例) - 110 -
圖4-85 主要電容與壓力作圖 - 111 -
圖4-86 因探針而造成非理想效應示意圖 - 111 -
圖4-87 利用模擬觀察沒有C (open)對震盪頻率量測的影響 - 111 -
圖4-88 利用模擬觀察有C(open)對震盪頻率量測的影響 - 112 -
圖5-1 Arduino版子固定在壓克力板上 - 115 -
圖5-2 AD 7746在PCB板上且固定在Arduino版子上 - 115 -









表格目錄
表1-1 不同壓力感測器量測機制比較表 - 6 -
表1-2 感測器的效能表 - 7 -
表1-3 文獻比較表 - 17 -
表2-2 後製程金屬蝕刻與氧化矽蝕刻製程與結構比較表 - 26 -
表2-3 製程參數設定 - 28 -
表2-4 模擬用力學參數設定 - 28 -
表2-5 有限元素分析法(FEM)網格參數設定 - 28 -
表3-1 垂直書狀結構電極板根平行電極板幾何設計比較表 - 40 -
表3-2 垂直梳狀電極板與平行電極板規格比較 - 42 -
表3-3 利用有限元素分析法算出彈性係數模擬以奈米壓痕儀實驗結果對照 - 46 -
表4-1 Type1-8感測器不同的設計介紹以及主要比較內容 - 57 -
表4-2 不同的設計測試比較表 - 57 -
表4-3 模擬結果整理 - 65 -
表4-4 奈米壓痕儀量測總結與模擬對照表 - 72 -
表4-5 實驗量測整理 - 85 -
表4-6 不同薄膜厚度與特性比較表 - 86 -
表4-7 不同Via設計與特性比較表 - 88 -
表4-8 不同懸臂厚度與特性比較表 - 89 -
表4-9 不同安全措施與特性比較表 - 90 -
表4-10 防短路措施特性比較表 - 93 -
表4-11 Type1-8感測器其幾何設計以及其適合之蝕刻時間參數 - 101 -
表5-1 實驗結果與文獻比較 - 114 -

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