目錄 摘要 …………………………………………………………………..1 致謝 …………………………………………………………………..3 第一章前言 ...........................................................................................4 1.1 研究背景與文獻回顧....................................................................4 1.2 研究動機與內容架構....................................................................9 圖 1.1：(a) 拱頂型熱致動共振器SEM 圖。(b) 共振頻譜量測結果。[1] ...............12 圖 1.2：(a) 雙端固定樑熱致動共振器SEM 圖。(b) 共振頻譜量測結果。[2]........13 圖 1.3：(a) 碟型共振器SEM 圖。(b) 共振頻譜量測結果。[3] ..............................14 圖 1.4：(a) 懸臂樑熱致動式共振器結構圖。(b) 共振頻譜量測結果。[4] .............15 圖 1.5：(a) Dimple 熱致動共振器SEM 圖。(b) 共振頻譜量測結果。[5] ...............16 圖 1.6：(a) 具Self-Oscillating 雙板共振器SEM 圖。(b) 其運作機制。[7]............17 圖 1.7：(a) 利用曝光技術達到次微米線寬的熱致動共振器SEM 圖。(b) 共振頻譜 量測結果。[8] ............................................................................................................18 圖 1.8：(a) 旋轉式碟型熱致動共振器SEM 圖。(b) 共振頻譜量測結果，藍色表示 在液體環境下，具高Q 值。[11]...............................................................................19 圖 1.9：(a) 利用微型烤箱加熱以隔絕共振器不受環境溫度影響。(b) TCf的量測結果。 [13] .............................................................................................................................20 圖 1.10：(a) 利用複合材料來做被動式溫度補償。(b) 其TCf 的量測結果。[15]...21 圖 1.11：(a) 利用複合材料來做被動式溫度補償。(b) 其TCf 的量測結果。[16]...22 圖 1.12：熱氧化與蝕刻氧化層得到次微米級寬度之熱致動共振器SEM 圖。重參雜 磷的熱致動共振器的TCf 量測圖。[17] [18] .............................................................23 第二章原理與模擬..............................................................................24 ii 2.1 共振器結構設計.........................................................................24 2.2 共振器運作原理分析與模擬......................................................24 圖 2.1：高頻熱致動式共振器的有限元素模態分析。模擬之共振頻率為16.5 MHz 的 II-BAR 共振器。實線為未共振前的形狀，顏色代表在共振下的位移變化量，紅色 為位移最大值。.........................................................................................................31 圖 2.2：熱致動壓阻感測共振器的電路操作示意圖。..............................................32 圖 2.3：COMSOL 有限元素分析之溫度分佈圖(℃)。其中紅色表示為溫度最高的區 域。............................................................................................................................32 圖 2.4：電熱轉換等效電路示意圖。........................................................................33 圖 2.5：機械振動學的等效模型。............................................................................34 圖 2.6：熱致動壓阻感測式共振器的等效電路模型。..............................................34 表 2.4：熱致動式共振器等效RLC 電路理論值計算。............................................35 圖 2.7：ADS (Advanced Design System)模擬等效RLC 電路。(a) S21 的Amplitude。 (b) S21 的Phase。......................................................................................................35 第三章製程與結果..............................................................................36 圖 3.1：剖視圖說明SOI 熱致動式共振器的製程。(a)金屬層Cr 的蒸鍍。(b)光阻旋 塗與定義共振器幾何結構。(c) DRIE 進行單晶矽結構蝕刻。(d)濕式蝕刻以移除二氧 化矽而釋放熱致動式共振器結構。..........................................................................38 圖 3.2：熱致動共振器的SEM 全景圖，其中包括質量塊、熱致動器與電極板。..39 圖 3.3：熱致動共振器的支撐樑與Release Hole 的SEM 圖。.................................39 圖 3.4：設計沿著不同方向振盪的熱致動共振器的SEM 圖。................................40 圖 3.5：熱致動共振器的SEM 全景圖，包含了電極板、熱致動器與質量塊。.....40 圖 3.6：熱致動共振器的支撐樑與Release Hole 的SEM 圖。.................................41 圖 3.7：熱致動共振器的側邊SEM 圖。..................................................................41 第四章量測結果..................................................................................42 iii 4.1 光學位移量測.............................................................................42 4.2 操作溫度量測.............................................................................43 4.3 共振頻譜量測.............................................................................43 4.4 不同晶格方向與共振器的TCf 量測...........................................46 圖 4.1：光學系統量測儀器架設示意圖。.................................................................48 圖 4.2：由Vibrometer 捕捉到共振器傾斜後的影像。.............................................48 圖 4.3：光學系統量測機械共振位移的量測結果，包含位移與相位。...................49 圖 4.4：實際操作溫度量測儀器架設圖。.................................................................49 圖 4.5：紅外線熱像測溫系統量測熱致動式共振器操作溫度圖，操作電流30mA。 ....................................................................................................................................50 圖 4.6：紅外線熱像測溫系統量測熱致動式共振器操作溫度圖，操作電流40mA。 ....................................................................................................................................50 圖 4.7：紅外線熱像測溫系統量測熱致動式共振器操作溫度圖，操作電流50mA。 ....................................................................................................................................51 圖 4.8：熱致動式共振器的單埠(One-Port)量測實驗儀器架設。.............................51 圖 4.9：由網路分析儀所量測到的訊號S21。(a)共振器S21 的Amplitude。(b)共振器 S21 的Phase。.............................................................................................................52 圖 4.11：<110>熱致動共振器經後處理在真空中給予不同操作電流的共振頻譜比較。 ....................................................................................................................................54 圖 4.12：<110> 熱致動共振器經後處理在空氣中給予不同操作電流的共振頻譜比較。 ....................................................................................................................................55 圖 4.13：比較不同晶格方向對(a)縱向壓阻係數 與(b)楊氏系數E 的關係，0°為<110> 方向，每22.5°量測一個元件。................................................................................56 圖 4.14：0°<110>方向上熱致動共振器的TCf 量測結果。.......................................57 圖 4.15：22.5°方向上熱致動共振器的TCf 量測結果。............................................58 圖 4.16：45°<100>方向上熱致動共振器的TCf 量測結果。.....................................59 iv 圖 4.17：比較不同晶格方向在不同直流偏壓下熱致動共振器的TCf。..................60 圖 4.18：材料矽與二氧化矽的TCE 對溫度的趨勢曲線。[19]..................................60 第五章結論與未來研究......................................................................61 表 5.1：比較各種溫度補償技術與功率損耗。.........................................................61 文獻參考............................................................................................62