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研究生:林嘉緯
研究生(外文):Lin, Chia-Wei
論文名稱:人體紅外線感測器設計與製作
論文名稱(外文):Design and Fabrication of Human Infrared Sensors
指導教授:李佳言
指導教授(外文):Lee, Chia-Yen
口試委員:李佳言傅龍明林哲信
口試委員(外文):Lee, Chia-YenFu, Lung-MingLin, Che-Hsin
口試日期:2020-06-20
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:材料工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:微機電系統焦電效應射頻磁控濺鍍法氧化鋅
外文關鍵詞:MEMSPyroelectricityRF SputteringZnO
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本研究利用微機電(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)製程技術設計並製作出人體紅外線感測器,選用玻璃試片作為晶片基板之材料,使用電子束蒸鍍法沉積鉻(Cr)以及金(Au)作為上下電極之材料,透過蝕刻定義出下電極之圖案。使用RF射頻濺鍍法濺渡氧化鋅薄膜作為感測層,最後再次以電子束蒸鍍法沉積鉻(Cr)及金(Au)並搭配金屬剝離法(Lift - off)定義出上電極之圖案,形成人體紅外線感測器。
實驗中以獲得氧化鋅感測層在(002)結晶方向有較強之繞射峰為基礎,控制不同濺鍍和退火參數找出氧化鋅感測層的最佳參數,設計四種不同上電極圖形為方形、條狀型、密集型和超密集型,以功率10 mW波長為765 nm 的紅外線雷射及人體作為感測源,經由多次的量測,發現超密集形感測器有較佳的電壓響應,條狀形在平行電極方向有較佳的感測角度。
The objective of this study is to design and fabricate Human Infrared Sensors with MEMS technology. Its structure consists with glass substrate, Chromium (Cr) and Gold (Au) as materials of the bottom electrodes. They are deposited as signal leads by Electron Beam Evaporation (EBE) and etched and to define the pattern of the bottom electrodes. ZnO film is sputtered into the sensing layer. Finally, the top electrodes are deposited the Chromium (Cr) and Gold (Au) by Electron Beam Evaporation (EBE) and (Lift-off) to define the pattern form the Human Infrared Sensors.
In the experiments, the sensing layer of ZnO crystalline is based on the diffraction peak oriented in the (002) crystalline direction. Best fabrication parameters of ZnO sensing layer is found by different sputtering and annealing process. In the study, four kinds of Human Infrared sensors are designed and fabricated (Square、strip、intensive and Ultra-intensive) . The radiation source was a calibrated infrared (IR) laser of 765 nm wavelength and 10 mW power. It is concluded that the Ultra-intensive pattern has the best response voltage and the strip pattern has the best sensing angle.
目錄

摘要 I
ABSTRACT II
謝誌 III
目錄 IV
表目錄 VIII
圖目錄 IX
符號索引 XIV
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 微機電系統 2
1.3 文獻回顧 4
1.4 研究動機與目的 14
1.5 研究方法與本文架構 15
第2章 理論基礎 16
2.1 紅外線感測器種類 16
2.1.1 光電效應元件 17
2.1.2 光敏電阻 18
2.1.3 焦電元件 19
2.1.4 熱電堆元件 20
2.1.5 熱敏元件 21
2.2 氧化鋅物理性質 23
2.3 焦電效應 25
2.4 人體紅外線感測機制 27
2.4.1 紅外線輻射 27
2.5 材料分析設備介紹 28
2.5.1 X光繞射儀 28
2.5.2 電子顯微鏡 29
2.5.3 能量散色光譜儀 30
2.6 製程設備介紹 31
2.6.1 射頻磁控濺鍍機 31
2.6.2 電子束蒸鍍機 32
2.6.3 曝光機 32
第3章 製程技術與步驟 34
3.1 實驗流程圖 34
3.2 晶片製程 35
3.2.1 基板選用 37
3.2.2晶片結構圖 38
3.2.3 第一道製程-下電極製作 39
3.2.4 第二道製程-濺鍍氧化鋅焦電感測層 43
3.2.5 第三道製程-上電極製作 45
3.2.6 退火熱處理 46
3.3 晶片基板設計及製作 48
3.4 晶片導線接合及封裝 50
第4章 結果與討論 53
4.1 XRD結晶相分析 53
4.2 SEM分析 55
4.2.1 結構分析 55
4.2.2 元素分佈 56
4.2.3 EDS成份分析 57
4.3 實驗量測平台 57
4.4 電壓響應 59
4.5 響應及回復時間 62
4.6 感測角度 66
4.7 人體紅外線感測器結合Arduino之應用 68
4.8 小結 69
第5章 結論 71
5.1 結論 71
5.2 未來展望 72
參考文獻 73
作者簡介 75


表目錄

表1-1 感測層厚度樣本[4] 5
表1-2 感測晶片樣本[6] 9
表1-3 試片參數及樣本[7] 10
表2-1 紅外線感測類型比較表[10] 17
表2-2 氧化鋅物理性質表[10] 23
表3-1 載玻片規格表 38
表3-2 光阻旋轉塗佈參數表 40
表3-3 曝光顯影參數表 42
表3-4 蝕刻參數表 42
表3-5 氧化鋅感測層濺鍍參數表 44
表3-6 導電銀膠熟化參數表 51
表4-1 本文與非薄膜式基材進行比較之結果 70

圖目錄

圖1-1 微感測器系統圖[1] 2
圖1-2 微致動器系統圖[1] 3
圖1-3 焦電型感測器結構圖[2] 4
圖1-4 截光頻率0.2~10 Hz之響應電壓[3] 5
圖1-5 三種厚度於截光頻率10-200 Hz之電壓響應圖[4] 6
圖1-6 三種厚度於截光頻率100-800 Hz之電壓響應圖[4] 6
圖1-7 陣列化焦電型感測器[5] 7
圖1-8 陣列化焦電型感測器響應電流[5] 7
圖1-9 田字形上電極[6] 8
圖1-10 方形上電極[6] 8
圖1-11 六種樣本之電流及電壓響應圖[6] 9
圖1-12 焦電感測器晶片[7] 10
圖1-13 方形上電極圖形之電壓響應與頻率之關係圖[7] 11
圖1-14 軟性鋁基材[8] 11
圖1-15 四種上電極圖形之電壓響應與頻率關係圖[8] 12
圖1-16 三種上電極線寬圖,(a)30 μm、(b) 100 μm、(c) 500 μm。[9] 12
圖1-17 三種上電極線寬之電壓響應圖[9] 13
圖1-18 多頻段焦電感測器[10] 13
圖2-1 紅外線感測器分類圖 16
圖2-2 光電效應示意圖[12] 17
圖2-3 光敏電阻結構示意圖[13] 18
圖2-4 光敏電阻驅動電流示意圖[13] 19
圖2-5 焦電感測原理[8] 19
圖2-6 焦電訊號示意圖[10] 20
圖2-7 賽貝克效應示意圖[14] 20
圖2-8 正溫度係數型溫度電組關係圖[15] 21
圖2-9 負溫度係數型溫度電阻關係圖[15] 22
圖2-10 臨界溫度係數型溫度電阻關係圖[15] 22
圖2-11 氧化鋅結構圖[10] 23
圖2-12 (a)岩鹽、(b)纖鋅礦、(c)閃鋅礦。[16] 24
圖2-13 焦電效應之二維晶格圖[17] 25
圖2-14 陽離子電勢能示意圖[17] 25
圖2-15 繞射示意圖[18] 28
圖2-16 電子顯微鏡結構圖[19] 29
圖2-17 能量散射光譜儀結構圖[20] 30
圖2-18 射頻磁控濺鍍機系統構造圖[21] 31
圖2-19 電子束蒸鍍機系統實體圖 32
圖2-20 曝光機實體圖 33
圖3-1 實驗架構圖 34
圖3-2 感測器製程步驟 35
圖3-3 第一道光罩尺寸圖 36
圖3-4 第二道光罩尺寸圖 36
圖3-5 第三道光罩尺寸圖 36
圖3-6 四種上電極圖型尺寸圖 37
圖3-7 載玻片示意圖 37
圖3-8 人體紅外線感測晶片結構示意圖 38
圖3-9 第一道製程示意圖 39
圖3-10 旋轉塗佈機 40
圖3-11 光阻厚度與轉速關係圖 41
圖3-12 下電極製作成品圖 42
圖3-13 第二道製程示意圖 43
圖3-14 第三道製程示意圖 45
圖3-15 金屬剝離法示意圖,(a)微影製程曝光顯影後的示意圖、(b)透過蒸鍍法將金屬沉積於基板上、(c)使用丙酮去除光阻,留下金屬圖案。46
圖3-16 高溫爐設備圖 47
圖3-17 退火溫度與時間示意圖 47
圖3-18 晶片退火後成品圖 48
圖3-19 引腳基板設計尺寸圖 48
圖3-20 引腳基板光罩示意圖49
圖3-21 基板引腳製作圖,(a)曝光、(b)顯影、(c)蝕刻、(d)成品。 49
圖3-22 晶片與引腳基板光固化示意圖 50
圖3-23 導電銀膠熟化示意圖 50
圖3-24 人體紅外線感測器封裝示意圖(單位:mm) 51
圖3-25 人體紅外線感測器成品圖,(a)方形、(b)條狀形、(c)密集形、(d)超密集形。 52
圖4-1 X光射線繞儀 53
圖4-2 氧化鋅薄膜之XRD分析圖 54
圖4-4 感測層薄膜原元素分佈圖 56
圖4-5 EDS成份分析圖 57
圖4-6 實驗平台架構圖,(a)10 mW紅外線雷射光源、(b)3 mm擴束鏡、(c)人體紅外線感測器、(d)XY移動平台、(e)SR540光學截波器調頻裝置、(f)SR540光學截波器光閘、(g) SR570低雜訊電流轉阻訊號放大器、(h)示波器。 58
圖4-7 實驗量測平台 58
圖4-8 四種上電極圖形設計電壓響應與頻率之關係圖 59
圖4-9 截光頻率為60 Hz電壓響應(方形) 60
圖4-10 截光頻率為60 Hz電壓響應(條狀形) 60
圖4-11 截光頻率為60 Hz電壓響應(密集形) 61
圖4-12 截光頻率為60 Hz電壓響應(超密集形) 61
圖4-13 響應時間(方形) 62
圖4-14 響應時間(條狀形) 63
圖4-15 響應時間(密集形) 63
圖4-16 響應時間(超密集形) 64
圖4-17 回復時間(方形) 64
圖4-18 回復時間(條狀形) 65
圖4-19 回復時間(密集形) 65
圖4-20 回復時間(超密集形) 66
圖4-21 感測距離及角度示意圖(方形) 67
圖4-22 感測距離及角度示意圖(條狀形) 67
圖4-23 感測距離及角度示意圖(密集形及超密集形) 68
圖4-24 人體紅外線感測平台架構圖 68
圖4-25 人體紅外線感測平台成品圖 69
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