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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:翁茂正
研究生(外文):WENG, MAO-CHENG
論文名稱:雙端固定式壓電石英音叉加速規之研製
論文名稱(外文):Fabrication of Double-End Tuning Fork piezoelectric Quartz Accelerometers
指導教授:張國恩張國恩引用關係
指導教授(外文):CHANG, GUO-EN
口試委員:張國恩馮國華張簡文添
口試委員(外文):CHANG, GUO-ENFENG, GUO-HUACHANG CHIEN, WEN-TIEN
口試日期:2017-10-16
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:機械工程系研究所
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:2017
畢業學年度:106
語文別:中文
論文頁數:76
中文關鍵詞:雙端固定石英音叉高速主軸加速規
外文關鍵詞:double-ended quartz tuning forkspindle of high speed Machine ToolAccelerometer
相關次數:
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本篇論文欲發展出一套能使用於現今工具機高速主軸上,希望能夠做到電路設計簡單化、高靈敏、低成本的”雙端固定石英音叉加速規”。由於應用上是以工具機的條件作為考量,除了可靠度及能在惡劣環境下運作之外,亦須針對應用在某些特殊規格上將性能優化。因此在高溫環境下仍要保持一定穩定度感測會非常重要。有鑑於此,根據石英切角材料資訊:Z-cut石英振盪器在20℃-40℃溫度區間的自然頻率約只有小於10ppm 的變化量具有極高溫度穩定性,而此種材料設定上與我們所需要加速規條件符合。並且選用石英的好處是石英音叉樑感受到軸向應力而使振動頻率產生漂移(drift),由此頻率漂移量可預測加速度值 (假如加速度與頻率漂移量的線性比例關係已建立起來)。假如工作頻率是 32 kHz,它的解析度可達0.01 Hz;相較於CMOS-MEMS因為殘留應力關係以及容易受溫度影響問題,使用石英會較為理想。
在雙端固定石英音叉(Double-Ended quartz Tuning Fork)製程上,我們會提出多種可行製程方式搭配新電極設計,將會從晶圓規格、微影(Lithography)參數、蝕刻(Etch)配方、電極設計與製程,搭配半導體製程實現我們加速規元件來因應台灣目前工具機上對於感測器日益壯大的需求,目前依照工具機高頻率段上的需要,我們的元件共振頻率能夠成功被激發於22 kHz至23 kHz的區間上,且未封裝情況下具有不錯重覆性。於現今國內廠商無自主開發加速規來看,這將會是解決於工具機上加速規高昂的成本問題,對於來達到提升未來機械4.0(生產力4.0)概念上,並且在製程方面上窒礙難行之處以及找出解決方案同時,實現這系統下作為應用資料蒐集的感測器。

This study aims to develop a simple and highly sensitive “double-ended quartz tuning fork accelerometer” with simple circuit design, which can be applied to machine tool high-speed spindles. The application considerations are based on the conditions of machine tools. Thus, the accelerometer must be durable and able to work in an adverse environment. Moreover, its functions must be optimized for applications with certain requirements. Thus, a very important feature is that the sensitivity of the accelerometer must remain stable in a high temperature environment. The characteristics of the quartz material meet the conditions required for the accelerometer. The variation in natural frequency of the z-cut quartz crystal oscillator under the temperature of 20℃ ~ 40℃ is less than10ppm and thus the stability under different temperatures is very high. Thus, quartz is chosen as the material for this study. And another advantage of using quartz is that applying axial stress to the quartz tuning fork beam can result in vibration frequency drift, which can be used to predict acceleration (under the premise that there is already a linear relationship between acceleration and frequency drift constructed). If the operating frequency is 32 kHz, the resolution can reach 0.01 Hz. In comparison, CMOS-MEMS is not as ideal as quartz here for its residual stress and the characteristic of being easily influenced by temperature.
Regarding the manufacturing process of the double-ended quartz tuning fork, this study proposes several feasible methods combined with new electrode designs. In order to meet the increasing demands for sensors for machine tools in Taiwan, our accelerometer component is developed with considerations of wafer specifications, lithography parameters, etch formulas, electrode designs, and manufacturing processes for semiconductors. Currently, based on the high-frequency band requirements of machine tools, our component’s resonant frequency can be successfully excited within the interval between 22 kHz and 23 kHz. And in the case without packaging, the repetitiveness is fairly good. Nowadays, there is no company in Taiwan developing accelerometers on its own. Therefore, this study can provide a solution to the issue of high costs of machine tool accelerometers. It also helps to achieve Mechanics 4.0 (Industry 4.0) concept in the future as well as to resolve the difficulties in the aspect of the manufacturing process, so that in this system, the sensors can be applied to collect data.

目錄
誌謝 III
摘要 IV
ABSTRACT V
目錄 VII
圖目錄 IX
表目錄 XI
第一章 導論 1
1.1 背景與發展 1
1.2 工業4.0 2
1.3 加速規感測器 3
1.4 研究目的 9
1.5 本文目的與章節概要 11
第二章 音叉式加速規原理及石英材料特性 12
2.1 音叉式加速規原理 12
2.2 石英材料介紹 14
2.3 石英晶體切角 17
2.4 石英振動特性 19
2.5 文獻回顧 21
2.5.1 雙端固定音叉(Double-ended tuning fork)(DETF) 21
2.5.2 Sezawa’s theory 26
2.5.3 石英材料的濕蝕刻特性 28
2.5.4 表面電極型雙端固定石英音叉 30
2.5.5 結語 32
第三章 四面電極型雙端固定音叉之製程設計 33
3.1 雙端固定式石英音叉結構設計 33
3.2 光罩設計 35
3.3 陰影阻擋罩的方法於雙端固定式音叉製程 37
3.4 含肋石英音叉的方法於雙端固定石英音叉製程 40
第四章 四面電極雙端固定音叉之實驗結果與討論 43
4.1 陰影阻擋罩之製作 43
4.2 石英音叉結構濕蝕刻 45
4.3 石英音叉之正反面電極結果 48
4.4 石英音叉側面電極製作 49
4.4.1 搭配阻檔罩之石英音叉側面電極 49
4.4.2 含肋石英音叉之側面電極 51
第五章 表面電極型雙端固定音叉之製程設計 54
5.1 表面電極型音叉之結構設計 54
5.2 光罩設計 54
5.3 表面電極型石英音叉之製程 56
第六章 表面電極型雙端固定音叉之實驗結果探討 58
6.1 表面電極型石英音叉加速規 58
6.2 3RD表面電極型石英音叉加速規之阻抗(Z)分析 60
6.2.1 直流(DC)阻抗分析 60
6.2.2 交流(AC)阻抗分析 62
第七章 結論與未來工作 66
7.1 結論 66
7.1.1 晶圓規格 66
7.1.2 蝕刻液 67
7.1.3 正反電極製程 67
7.1.4 阻擋罩製程 67
7.1.5 設計含肋音叉以實現不用阻擋罩完成側向電極 68
7.1.6 表面電極型石英音叉加速規 68
7.2 研究貢獻 68
7.3 未來工作 69
口試委員之問題與答覆 70
參考文獻 72
附錄A 黃光微影參數 75
附錄B 石英音叉蝕刻參數 76

圖目錄
圖1-1 工業4.0工廠架構[1] 3
圖1-2 (a)壓電式加速規示意圖(b)低頻下v-g圖[26] 4
圖1-3 (a)壓阻式加速規示意圖(b)負載前後的自然頻率[27] 5
圖1-4 電容式加速規示意圖 6
圖1-5 伺服式加速規示意圖 7
圖1-6 (a)三軸加速規示意圖(b)三軸加速度量測[28] 8
圖1-7 加速規置入主軸上感測之示意圖 9
圖1-8 研究流程 10
圖2-1 異相振盪示意圖[2] 12
圖2-2 雙端固定石英音叉變形模態[3] 13
圖2-3 單晶石英晶格結構[6] 14
圖2-4 石英晶體壓電變化[7] 15
圖2-5 石英音叉相對頻率-溫度變化[8] 16
圖2-6 右旋α-quartz石英晶面(a)三維圖(b)上視圖[6] 18
圖2-7 Z平面各種石英切角[9] 18
圖2-8 溫度變化下Z-cut石英共振頻率變化量 [3] 20
圖2-9 石英振盪器類型(a)垂直振盪(b)水平振盪 [13] 21
圖2-10 (a)高頻段雙端石英音叉振盪器(b)陰影阻擋罩[14] 22
圖2-11 雙端石英音叉振盪器[15] 23
圖2-12 雙端固定石英音叉上的應力變化[15] 23
圖2-13 不同頻率變化下的加速度[15] 24
圖2-14 DETF結構上各部位電極分佈[16] 25
圖2-15 音叉規格厚度(t)、寬度(w)、長度(l)考慮變因[17] 25
圖2-16 音叉樑間距與共振頻率關係[17] 26
圖2-17完整音叉與右半邊截面[18] 27
圖2-18 音叉於各種計算法下共振頻率[18] 28
圖2-19 重離子乾蝕刻Z-cut石英之電子顯微影像[21] 29
圖2-20 Z-cut石英非等向性蝕刻切角[6] 30
圖2-21 三種應用於雙端音叉表面電極[19] 31
圖2-22 C電極產生的共振區間[19] 31
圖3-1 音叉本體製程示意圖 33
圖3-2 音叉電極製程示意圖 34
圖3-3 (a)四面電極石英音叉(b)四面電極上視圖 35
圖3-4 四面電極示意圖 36
圖3-5 含肋音叉圖形設計 36
圖3-6 石英音叉本體製作流程 38
圖3-7 正反電極製作流程 39
圖3-8 斜向蒸鍍流程 40
圖3-9 含肋音叉方法製作流程 42
圖4-1 陰影阻擋罩光罩開口寬度設計 43
圖4-2 (a) 3D列印製程陰影阻擋罩(b)精密加工製程陰影阻擋罩(c)半導體蝕刻製程陰影阻擋罩 44
圖4-3 (a)HF蝕刻 (b) NH4F(97%):HF(49%)= 1:1蝕刻 46
圖4-4(a) 石英音叉上視圖 46
圖 4-4(b) 石英音叉截面圖 46
圖4-5 去掉肋之後內縮石英音叉振盪樑 47
圖4-6 斷裂石英音叉振盪樑 48
圖4-7 (a)反面電極(b)正面電極 49
圖4-8 利用舉離製程所製作出之電極 49
圖4-9 具有側面電極之音叉元件上視圖 50
圖4-10 陰影阻擋罩厚度與斜向蒸鍍角度關係示意 51
圖4-11 具有側邊電極之含肋石英音叉 52
圖4-12 去除石英音叉之肋的難處(a)曝光顯影(b)金蝕刻 53
圖5-1 (a)單面表面電極石英音叉(b)單面表面電極上視圖 54
圖5-2 1st 表面電極 55
圖5-3 2nd 表面電極 55
圖5-4 3rd 表面電極 55
圖5-5 表面電極型雙端音叉製程 57
圖6-1 (a)1st (b)2nd (c)3rd表面電極型音叉之光學影像 59
圖6-2 表面電極過度顯影造成蝕刻缺陷 60
圖6-3 (a)2吋晶圓上石英音叉(b)3rd電極外觀 61
圖6-4 石英音叉振盪樑SEM光學影像 62
圖6-5 阻抗量測架構示意圖 62
圖6-6 Frequency-Z頻率阻抗圖 63
圖6-7 區間(a)500 Hz (b)50 Hz條件下頻譜圖 64
圖7-1 100um厚度石英晶圓因真空吸力而變形 66

表目錄
表2-1 BOE於不同溫度下對石英材料蝕刻率與粗糙度[6] 30
表6-1 不同元件之直流阻抗值 61


[1]賀桂芬、辜樹仁,”大暑閱讀:工業4.0、58秒的競爭” 天下雜誌601期
[2]章蓓靜,“雙端固定壓電石英音叉樑振盪器之自然頻率分析”,國立台灣大學工學院應用力學研究所碩士論文(2011)。
[3]E. D.Reedy and W. J.Kass, "Finite-Element Analysis of a Quartz Digital Accelerometer," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 37, 464–474 (1990).
[4]S. A. Zotov, B. R.Simon, I. P. Prikhodko, A. A.Trusov, and A. M.Shkel, "Quality factor maximization through dynamic balancing of tuning fork resonator," IEEE Sensors Journal 14, 2706–2714 (2014).
[5]甘凱文、楊哲彰,“Kionix KXM52-1050三軸加速規簡介與使用”,元智大學老人福祉科技研究中心 (2005).
[6]H. Baltes, " Anisotropic etching of Z-cut quartz," Journal of Miromech. Microeng 3, 65–73 (1993).
[7]H. Hida, M. Shikida, K. Fukuzawa, S. Murakami, K. Sato, K. Asaumi, Y. Iriye, and K. Sato, "Fabrication of a quartz tuning-fork probe with a sharp tip for AFM systems," Sensors and Actuators, A: Physical 148, 311–318 (2008).
[8]S.Hembacher, F. J.Giessibl, and J.Mannhart, "Evaluation of a force sensor based on a quartz tuning fork for operation at low temperatures and ultrahigh vacuum," Applied Surface Science 188, 445–449 (2002).
[9]http://www.ecec.com.cn/ff.aspx/264
[10]S. Lee, "Fabrication of an array of surface mount device 32.768 kHz quartz tuning fork-type crystals: Photolithography and selective etching of an array of quartz tuning fork resonators with subsequent photoresist spray coating," Vacuum 65, 161–168 (2002).
[11]H. Edwards, L. Taylor, W. Duncan, and A. J. Melmed, "Fast, high-resolution atomic force microscopy using a quartz tuning fork as actuator and sensor," Journal of Applied Physics 82, 980–984 (1997).
[12]https://kknews.cc/zh-tw/education/89rrb8q.html
[13]R. M.Langdon, "Resonator sensors - a review," Journal of Physics E: Scientific Instruments 103, 103–115 (1985).
[14]陳嘉明,“雙端固定石英振盪器研製”,國立台灣大學工學院應用力學研究所碩士論文 (2012)。
[15]C. Li, Y. Zhao, R. Cheng, Z. Yu, and Y. Liu, "A resonant sensor composed of quartz double ended tuning fork and silicon substrate for digital acceleration measurement," Review of Scientific Instruments 85,035004-1–035004-6 (2014).
[16]R. Cheng, C. Li, Y. Zhao, B. Li, and B. Tian, "A high performance micro-pressure sensor based on a double-ended quartz tuning fork and silicon diaphragm in atmospheric packaging," Measurement Science and Technology 26, 65101 (2015).
[17]C.Zhao, J.He, L.Huang, B.Zhou, and X.Zhong, "A novel double-ended tuning fork quartz accelerometer," Measuring Technology and Mechatronics Automation 1, 187–190. (2011)
[18]S. Lee, Y. Moon, J. Yoon, and H. Chung, "Analytical and finite element method design of quartz tuning fork resonators and experimental test of samples manufactured using photolithography 1 - Significant design parameters affecting static capacitance ," Vacuum 75, 57–69 (2004).
[19]Y. Chai, G. Meng, X. Chen, and J. Liang, "Surface electrode configurations for quartz MEMS double-ended tuning fork resonator," Micro and amp; Nano Letters 8, 52–55 (2013).
[20]X. Wu, L. Xie, J. Xing, P. Dong, H. Wang, and J. Su, "A Z-axis quartz tuning fork micromachined gyroscope based on shear stress detection," IEEE Sensors Journal 12, 1246–1252 (2012).
[21]K.Hjort, G.Thornell, R.Spohr, and J.-a.Schweitz, "Heavy ion induced etch anisotropy in single crystalline quartz," Proceedings of Ninth International Workshop on Micro Electromechanical Systems 267–271 (1996).
[22]H.Toshiyoshi, D.Kobayashi, H.Fujita, and T.Ueda, "A piezoelectric quartz microactuator for a large pseudo-static displacement," Japanese Journal of Applied Physics 33, L1806–L1808 (1994).
[23]H.Toshiyoshi and H.Fujita, "A Piezoelectrically Operated Optical Chopper by Quartz Micromachining," Journal of Microelectromechanical Systems 4, 3–9 (1995).
[24]邢泰剛”以MEMS實現射頻單晶片 朝小體積高效能方向出發”新通訊45期《封面故事》(2004)
[25]S. B.Lang, "Walter Guyton Cady" Ferroelectrics 9, 139–140 (1975).
[26]王聖涵,張匡儀,黃宇中”壓電型與MEMS加速規之振動量測技術”工業技術研究院量測技術發展中心(2017)
[27]王俊傑” CMOS製程相容之熱驅動、壓阻式微感測振盪器設計與製作”國立交通大學機械工程學系碩士論文(2009)
[28]https://read01.com/AN0oxm.html

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