微机电系统(MEMS)

1、國際微機電系統技術發展現況與趨勢、, 、-前言矽晶體技術已成功帶動電子系統 (Electronic systems) 微小化及電腦革命性發展。相同地，近年機械系統(Mecha nical systems)亦邁入革命性微小化需求，藉 MEMS (Microelectromecha nical systems)及未來的 NEMS (Na noelectromecha nical systems)來製造微小化機電系統，俾能降低生產成本，減小尺寸與重量， 增高速度。有鑒於此，世界各國均積極從事 MEMS 技術之研究發展，預期在 2005 年創造微系統產業產 值達 123 億美元，應用範圍包括資訊、電腦

2、、生醫、保健、製造、運輸、能源、航空、工安等產業。MEMS 相關技術一、積體化 (Monolithic) 製程技術MEMS 製程技術發展趨勢：由混合式製程 (hybrid processing) 逐漸邁向單積體化製程，亦即將所有組件 均積體化在單一晶片上，其優點為：品質改進Canon公司為減少噴墨滴量(ink droplet volume)，必須藉monolithic技術將噴嘴基板(nozzle plate與噴嘴 積體化在同一製程上製造。降低封裝成本封裝成本直接影響產品在市場上競爭力， Motorola 擬將多種感測元件積體化成為同一單元俾減低封裝成 本而能應用於汽車工業。配合互補金屬氧化半導

3、體 (CMOS) 製程技術 藉運用更多傳統 CMOS 製程技術來生產高功能感測元件，如藉 CMOS 技術商品化指紋辨認元件，加州 Veridicom Inc.公司預估此產品於2004年產值可達8億美元。簡化感測器之設計 過去加速度感測器之設計相當複雜，其原因是必須將需移動之機械結構與靜止之電子組件結合在同一晶 片上，麻州 MEMSIC Inc. 避開需依賴測定熱空氣自由對流之原先設計而採新穎設計，藉 CMOS 技術製成 熱電偶來直接量測溫度差異。二、快捷微雛型品 (Micro rapid proto-typing) 技術在 MEMS 範疇領域中，快捷微雛型品技術由於能融合電腦輔助設計軟體與新奇

4、光學及熱量製程技術， 以層層 (layer-by-layer) 方式可真正地將電腦螢幕上設計圖像趨近成三因次生產 ，例如可用來開發鑄造及 解析用雛型品模型，並且能與微模具 (micro-molding) 互配運用。此外，由於其使用雷射光加熱，故藉使 用更小光點便可進一步減低元件尺寸，因此非常適合製作其他技術無法製造之微小尺寸微模具。先進國家目前研發現況：德國Micro TEC-D GmbH是以開發及生產微系統技術為主，使用 CAD (電腦輔助設計)設計參數提供給 CNC (數值控制器 )，控制雷射束在元件表面上掃瞄使指定位置液態高分子固化，用來建構精緻結構，每 層僅為 1微米厚，若使用多光束雷

5、射及光罩技術，則容許平行大量生產，每天產能可達 1 萬件，產品尺 寸可達505050毫米。此技術主要應用於耳蝸零件、電子封裝、微流體及微光學。美國加州 MEMGen 開發 EFAB 製程技術，目前此技術由於需進行電鍍故僅限用於金屬材料。適用於生 產 RF-MEMS ( 微波微機電 ) 元件，目前正在開發金屬模具來生產生醫用塑膠零組件，該公司亦在開發其 他材料之製程技術。日本 Osaka 大學研究以鈦酸鋁脈衝雷射產生雙光子吸收技術來固化光熱化高分子而生產固體元件，已成 功開發直徑僅為 300 奈米之微小彈簧，但目前僅能批量製造，尚未商品化。三、MEMS 封裝 (packaging) 技術封裝技術

6、之挑戰專家公認 MEMS 製程目前面臨最大困難與挑戰為封裝技術，其與電子元件僅需傳輸電子訊號不同，某 些 MEMS 元件需要接收及發射光束，有些元件要能偵測特殊化學分子，甚至要辨識有害 DNA ，有些元 件需在奈米尺度移動或操控物體，由於 MEMS 元件必須與外界連結但又不能受外界環境因子干擾及侵 害，因而增加 MEMS 封裝難度或提高成本。造成設計困難並且不可能開發為單一封裝製程，現舉兩個 MEMS 元件之封裝例加以說明：安全氣囊電子傳訊 此類加速器僅需提供車體在碰撞瞬間加減速度變化所造成梳狀彎曲，改變兩電極間距促使電容值改變， 將此電子訊號傳出即可，由於僅需傳輸電子訊號故封裝因可完全封死，

7、因此設計不太困難。但封裝必須 不能干擾內部機械移動件並且封裝方向性非常重要，不可有偏轉且具低應力避免減低元件靈敏度。噴射微墨元件噴射微墨元件之封裝亦有其獨特性，首先封裝不能影響微噴嘴 (micro jet nozzles) 系統噴射微墨，但 MEMS 晶片之連接地帶必須受保護，特別是墨汁不能受環境影響及搬運損害。產品封裝等級由於所有 MEMS 產品均具移轉性零組件，依移動方式及行程的不同而決定需採不同之適宜封裝，下表 列出幾種基本運動模式，其順序亦表封裝困難度之增高：零件扭曲變形，並無運動的情形零件無磨擦，但有運動運動零件無撞擊，但有磨擦帶有撞擊的運動零件運動零件含有磨擦與撞擊此外，MEMS元

8、件在滑動及轉動時由於是在微小尺度空間中進行其轉速可高達 1百萬rpm而造成元件磨 耗，通常不能藉潤滑油來減低磨擦，可使用水分子為潤滑劑，但保持適宜相對濕度 20% 到 60%則為非 常重要，如何能長期維持恆濕仍待解決。封裝概念雖然前述每一不同特定用途 MEMS 產品均需採不同之封裝技術 ，但仍須擁有一般封裝設計概念 ， MEMS 元件有一相同要求，亦即封裝不能使移動性組件之活動受阻，通常可藉設計一個通用之封帽 (cap) 來達 成。四、LIGA (Lithographie Galvanovormug)LIGA 製程第一篇敘述文章是發表於 1 980年代中期，自此有許多國家投入研究，其中德國最突

9、出，使LIGA 技術得以商品化應用，主要產品包括分光儀、呼吸器及微小馬達。藉 LIGA 及其他不同微製造技 術可開發出成本效益製程來量產上述及其他產品 。在 MEMS 領域 LIGA 可開發為關鍵製程技術或為多量 高階機械產品技術。在關鍵方面，最終產品銷售公司必須擁有及自行運作 LIGA 製造廠，但在量產市場 方面 LIGA 製造廠可為供應廠，並且擁有其他 MEMS 技術 所需設備 LIGA 與其他微製造技術相同，必須擁有一系列製程才能生產出最後產品，以製造微小金屬零件或金屬 工具為例，所需 LIGA 製程步驟：CAD及LIGA光罩佈局f 鉻光罩製造f LIGA光罩製造f 基板及光阻f X-r

10、ay同步曝光f顯影f電鍍 -平坦化雛型品生產障礙LIGA 製程商品化除了遭遇 X-ray 同步設備及 LIGA 工具獲得困難外，尚存有其他生產障礙，包括： 成本、產能及可靠度使用標準LIGA製程，所生產之金屬LIGA產品成本太高，以Sandia為例，生產一片3吋或4吋LIGA 晶圓需 1萬美元，祗能應用於高價位產品，或用來製作量產產品的模具。產能是減低成本及多量產品化 之驅動力，藉多量製程可加快回收初期投資於新同步輻射源之巨資，此外因缺乏製程經驗，LIGA 製程可靠度亦面臨挑戰。產品可靠度、組裝及封裝 通常產品可靠度是依賴優異之檢測來管控良率，目前首需突破檢測設備及檢測時間兩項瓶頸，此外目前

11、LIGA 零件均以人工方式組合，宜發展機器人，並且欲使 LIGA 商品化應用必須有完整之封裝技術包括 黏合、密封、振動隔離等。技術突破為使LIGA成為成本效益製造技術，Sandia從事下述兩項技術突破：含金屬性的複製 ：目前雖有文獻說明 LIGA 金屬模具在塑膠成型應用方面 ，可用熱壓及射出成型來製造， 但重複製造LIGA金屬模具仍為困難，Sandia努力研究項目包括藉金屬奈米質粒來進行含金屬性的複製 。 拋光成型：新趨勢的製造設備是用可變換尺寸的平滑內徑機構產生二度空間形狀的內徑金屬 LIGA 物 件，這種設備用來拋光丙烯酸樹脂 (PMMA) 桿形料至需求的幾何形狀。然後此桿形料參含金屬、電

12、 鍍及 PMMA 的溶解成為最終具有非常平滑及複雜內徑的管形產品。在 LIGA 產品中，它將成為一種用 低成本而達成多樣複雜幾何形體的新突破。商品發展狀況過去數年 MEMS and MST (Micro-systems technologies產業有很大的成長，根據 Roger Grace Associates 市場分析報告，全球MEMS/MST市場在1998年為140億美元，2002年達380億美元，目前全球專門 從事MEMS /MST研究發展之大學、研究機構及公司超過 600餘家，已建立非常強實研究能量，製程 技術及生產設備，已具商品化之 MEMS/MST產品發展時程說明於下表。工研院機械

13、所已建立完整 MEMS 研發能量，技術與設備，並掌握國際相關發展趨勢市場資訊及拓展國 際合作研究，期能為國內產業在 MEMS 技術發展方面提供更多實質的服務。本文 MEMS 相關性資料由工研院北美公司鮮其振博士及吳伯奮博士提供，機械所國合與新事業室整理可以幫我介紹一下 MEMS 嗎 發問者： JPK-King ( 初學者 5 級) 發問時間： 2006-09-01 11:59:58解決時間： 2006-09-11 09:22:32 解答贈點： 20 ( 共有 0 人贊助 )評價： 正面： 100% 普通：0% 負面：0% ( 共有 5 人評價 ) 回答： 2 評論： 0 意見： 1 檢舉 可以

14、幫我介紹一下 MEMS 嗎MEMS 是什麼意思 他是做什麼用 用在什麼地方2006-09-01 13:32:48 補充真對不起大大 .我還是看不懂 有沒有更白話一點的 .2006-09-02 19:50:55 補充那就是整合型的控制 IC 是嗎最佳解答發問者自選 回答者： charley ( 研究生 2 級 ) 回答時間： 2006-09-01 21:26:01 檢舉 什麼是”微機電系統” (MEMS)?一、微機電系統 (MEMS) 的定義及由來(一 ) 微機電系統的定義目前微機電系統是世界各國積極介入的一個新興領域，所以各地區的定義都不大相同，在歐洲稱之為微 系統技術 (Micro-syst

15、em Technology，MST) ，其定義為一個智慧型微小化的系統包含感測、處理或致動的 功能，包含兩個或多個電子、機械、光學、化學、生物、磁學或其他性質整合到一個單一或多晶片上。 在美國稱之為微機電系統 (Micro-electromechanical Systems，MEMS) ，其定義為整合的微元件或系統，包 含利用 IC 相容批次加工技術製造的電子和機械零件，該元件或系統的大小從微米到毫米。在日本則稱 作微機械(Micro-machines)，定義為體積很小且能執行複雜微小工作具功能性之零件的元件。行政院國家科學委員會科學技術資料中心所採行的定義，則是以美國的定義為主，並再囊括歐洲

16、 及日本的定義而成微機電系統技術，其技術包括以矽為基礎的技術、 LIGA( 光刻、電鑄、模造技術等技 術，其又可分為雷射 LIGA 與 X 光 LIGA 兩種技術 )及其他傳統技術。主要係利用系統技術、微技術及材 料與效應技術，製造出微感測器、訊號處理機及微引動器等；其應用領域極為廣泛，包括製造業、自動 化、資訊與通訊、航太工業、交通運輸、土木營建、環境保護、農林漁牧、醫療福祉等等行業。一般而言對於能夠把每個微元件結構或系統本身定義在卩m( 10E-6公尺)範圍，或是微結構的機械運動範圍能夠達到卩m的精準度或位移量，在這樣的精度與尺寸範圍內的微元件我們皆可以稱之為微 機電元件，而把這些微機電元

17、件與其他周邊 IC 組成的系統稱為微機電系統。(二) 微機電系統的由來微機電系統，是目前科技界公認最具未來發展潛力及前瞻的研究領域。而 MEMS 的發展由來，根源於 1960年代中期利用半導體製程製造機械結構於矽晶片上的概念被提出後 ，吸引了許多人投入該技術的研 究。到了 1970年代中期，利用該技術製造結合機械和電子元件的半導體感測器，成功地被開發。 1980 年後，和該技術相關的研究，如雨後春筍般的被提出，而研究內容也不侷限於感測器，還包含一些複雜 的機構與元件，如幫浦、閥門、齒輪、馬達、夾子等等。由於這項技術的逐漸成熟以及應用的範圍逐漸 擴大，研究人員已將目標訂在發展一個完整的微型系統，

18、系統包含感測、致動、訊號處理、控制等多項 功能，例如微型機器人和微型硬碟機，希望能夠像半導體產業一般成為本世紀革命性的技術。二、微機電系統的製造技術半導體製程概分為三類： (1)薄膜成長， (2)微影罩幕， (3)蝕刻成型。而微機電元件的製造技術則是利用 目前的半導體製造技術為基礎再加以延伸應用 ，其製造技術的彈性與變化比一般的 IC 製造技術來的大， 從薄膜成長，黃光微影罩幕，乾濕蝕刻成型等製程都在微機電製程的應用範疇，再配合其他新發展的精 密加工與矽微加工技術，包括異方性蝕刻，電鑄， LIGA等技術，而成現在所發展的微機電元件的製 造技術。而整個系統的完成則是靠各個關鍵元件的整合 ，再加上

19、最後系統的封裝測試 ，也是重要的步驟。 其中在矽微加工技術方面，又可分為體型微加工技術、面型微加工技術以及 LIGA 技術三種加工技術。資料來源 .tw/lw0309/參考資料.tw/lw0309/ 快速連結 其它回答( 1 ) | 意見( 1 ) | 評論( 0 )知識評價發問者評價：THS 網友評價：正面： 100% 普通：0% 負面：0% （ 共有 5 人評價 ）回答者： Dickson （ 初學者 4 級 ）回答時間：2006-09-01 12:20:15 檢舉 微機電系統 （MEMS） 係指應用微米及以下尺寸

20、加工技術，以研製微細元件及組件，並整合微電 子電路或微控制的系統，是目前飛躍發展的微米 /納米技術中一項十分重要的成果。由於可以如晶片般大 量生產以降低成本，加上具有可強化功能、性能及應用領域廣泛之優勢，為今日科技界公認最具發展潛 力及前瞻性的研究領域。MEMS 技術的研究涉及微電子、材料、物理 （力學及流體力學等 ）、化學、生物、機械學諸多學科領域。 它的學科面也擴大到微尺度下的力、電、光、磁、聲、原子、表面等物理學的各分支，乃至化學、生物、 醫學和儀器等各領域，學科交叉很強，研究難度較大及複雜。微機電系統 （Micro-Electro-Mechanical System; MEMS） 是國際認定為廿一世紀主流核心製造技術之一，也 是最具發展潛力與前瞻性的研究領域之一。微感測器、微結構、微制動器、微加工等等都是屬於微機電 的範疇。它是繼電子元件與系統微小化對人類生活造成革命性影響之後，試圖將機械元件或系統