微奈米機電系統

臺北科技大學 114-2 學期課程，課號 353484。

課程大綱

四個主要的目的： 獲得傳感器 ( 包含感測器與致動器 ) 相關的關鍵跨領域知識。讀者必須可以分析簡單的機電元件的主要性能，以及了解關於特殊設計工作的選擇與挑戰。 使同學獲得充實的微製造技術之背景知識，以使得不具 MEMS 相關背景的讀者也可以瞭解傳統 MEMS 製程，以及許多新的應用新開發之 MEMS 製程。 透過許多典型實例之研讀，使讀者對於 MEMS 一般的實務設計與製造流程有經驗。 獲得分析與實務上的知識以評估設計、製造、性能、強健性與價格之間的關聯點，進而成功地開發積體化的 MEMS 元件。 Overview of Optical MEMS and NEMS,MicrosystemsWorking Principles of Optical MicrosystemsOverview of Optical MEMSOptical Microsystems DesignOptical Microsystems PackagingOptical Microsystems Testing.

課程進度

簡　　介 1.0　導　論 1 1.1　微機電系統科技發展史 1 1.2　微機電系統的本質特性 14 1.2.1　微小化 14 1.2.2　微電子積體化 17 1.2.3　精密式量產 18 1.3　元件：感測器和致動器 18 1.3.1　能量域和傳感器 18 1.3.2　感測器 21 1.3.3　致動器 24 總　　結 25 問　　題 26 參考文獻 29 微製造導論 2.0　導　論 35 2.1　微製造技術概觀 36 2.2　微電子製程 38 2.3　矽基MEMS製程 41 2.4　新的材料與製程 49 2.5　製程考量因素 50 總　　結 52 問　　題 53 參考文獻 54 基本電學與機械相關概的回顧 3.0　導　論 59 3.1　半導體的導電率 60 3.1.1　半導體材料 61 3.1.2　電荷載子濃的計算 62 3.1.3　導電與電阻 65 3.2　晶體平面與方向 70 3.3　應與應變 73 3.3.1　內分析：牛頓運動定 73 3.3.2　應與應變的定義 75 3.3.3　一般張應力與張應變的關係 79 3.3.4　矽與相關薄膜的機械性質 81 3.3.5　一般應力 - 應變關係 83 3.4　在普通負載情況下撓曲橫樑彎曲分析 86 3.4.1　橫樑的種類 86 3.4.2　純彎曲下的縱向應變 88 3.4.3　橫樑的偏斜 91 3.4.4　尋找彈力係數 91 3.5　扭轉撓曲 97 3.6　本質應 100 3.7　共振頻與品質因子 105 3.8　彈力係數和共振頻率的主動調變 107 3.9　參考課程與參考書籍之列表 108 總　　結 109 問　　題 110 參考文獻 114 靜電感測與致動 4.0　導　論 119 4.1　靜電感測器與致動器的簡介 119 4.2　平行板式電容器 122 4.2.1　平行板式電容 122 4.2.2　偏壓下靜電致動器的平衡位置 125 4.2.3　平行板致動器的吸附效應 128 4.3　平行板電容器的應用 134 4.3.1　慣性感測器 134 4.3.2　壓力感測器 139 4.3.3　流體感測器 145 4.3.4　觸覺感測器 148 4.3.5　平行板式致動器 150 4.4　交指式電容器 151 4.5　梳狀元件的應用 157 4.5.1　慣性感測器 157 4.5.2　致動器 161 總　　結 163 問　　題 164 參考文獻 168 熱感測與熱致動 5.0　導　論 171 5.1　簡　介 171 5.1.1　熱感測器 171 5.1.2　熱致動器 172 5.1.3　熱轉換的基本原理 173 5.2　以熱膨脹為基礎的感測器與致動器 178 5.2.1　熱雙層原理 180 5.2.2　單一材料組成的熱致動器 188 5.3　熱電偶 190 5.4　熱阻器 193 5.5　應　用 196 5.5.1　慣性感測器 196 5.5.2　流量感測器 199 5.5.3　紅外線感測器 213 5.5.4　其他感測器 216 總　　結 222 問　　題 222 參考文獻 228 壓阻式感測器 6.0　導　論 231 6.1　壓阻的來源與表示 231 6.2　壓阻式感測器材料 235 6.2.1　金屬應變規 235 6.2.2　單晶矽 236 6.2.3　多晶矽 240 6.3　機械元件的應力分析 241 6.3.1　彎曲懸臂樑的應力 241 6.3.2　薄膜的應力 247 6.4　壓阻式感測器的應用 249 6.4.1　慣性感測器 249 6.4.2　壓力感測器 254 6.4.3　觸覺感測器 258 6.4.4　流量感測器 260 總　　結 266 問　　題 266 參考文獻 270 壓電感測與致動原理 7.0　導　論 273 7.1　簡　介 273 7.1.1　背　景 273 7.1.2　壓電效應的數學描述 275 7.1.3　懸臂樑壓電致動器模型 278 7.2　壓電材料的性質 281 7.2.1　石　英 282 7.2.2　鋯鈦酸鉛 (PZT) 283 7.2.3　聚氟乙烯 (PVDF) 285 7.2.4　氧化鋅 (ZnO) 285 7.2.5　其它的材料 290 7.3　應　用 291 7.3.1　慣性感測器 291 7.3.2　聲音感測器 295 7.3.3　觸覺感測器 298 7.3.4　流量感測器 300 7.3.5　表面彈性波 302 總　　結 303 問　　題 304 參考文獻 307 磁性致動器 8.0　導　論 311 8.1　基本觀念與原理 311 8.1.1　磁化與命名法 311 8.1.2　微磁性致動器的挑選準則 315 8.2　微磁性元件的製造 321 8.2.1　磁性材料的沈積 321 8.2.2　磁圈的設計與製造 324 8.3　微機電磁性致動器研究 326 總　　結 338 問　　題 339 參考文獻 341 感測器和致動器的總結 9.0　導　論 343 9.1　主要感測和致動方法的比較 344 9.2　穿隧感測 345 9.3　光學感測 348 9.3.1　波導管感測器 348 9.3.2　以自由空間光束感測 349 9.3.3　以光學干涉儀感測位置 350 9.4　場效應電晶體 355 9.5　射頻共振感測 358 總　　結 359 問　　題 360 參考文獻 362 體型微機械加工以及矽之非等向性蝕刻 10.0　導　論 365 10.1　簡　介 365 10.2　非等向性濕式蝕刻 368 10.2.1　導　論 368 10.2.2　非等向性蝕刻的規則 ── 最簡單的例子 369 10.2.3　非等向性蝕刻的規則 ── 複雜的結構 376 10.2.4　蝕刻輪廓與孤立圖形的交互影響 386 10.2.5　設計方法概要 387 10.2.

評量方式

學習心得報告 一篇 "報告格式: (請以正常文件作業撰寫也就是以”word”格式及題目為標準字體 14點、其餘內文為標準字體 12點，行距為單行間距、頁面上下座右邊距為2公分。勿以PPT簡報型式撰寫) 題目 (中、英文同時呈現) 1. 摘要 (英文呈現) 2. 簡介 3 相關理論(除了作者所提到理論外，仍需包含課本內的相關理論或原理) 4. 應用與討論 5. 結論 (英文呈現) 6. 參考資料

教材

【遵守智慧財產權觀念，請使用正版教科書，不得使用非法影印教科書】 使用外文原文書：是 微機電系統原理與應用(Chang Liu：Foundations of MEMS) 高立書局 Hong Xiao(蕭宏):Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology videos on youyube Scientific and technical media on youtube