微氣味蒸發與溫度感測晶片之研製｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	何憲龍 Ho Hsien Lung
論文名稱：	微氣味蒸發與溫度感測晶片之研製 The Design and Fabrication of Micro Odor Evaporation and Temperature Sensor
指導教授：	曾繁根 Fangang Tseng
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	原子科學院 - 工程與系統科學系 Department of Engineering and System Science
論文出版年：	2002
畢業學年度：	90
語文別：	中文
論文頁數：	92
中文關鍵詞：	微氣味蒸發與溫度感測晶片、微型加熱器
外文關鍵詞：	evaporation and temperature sensor, micro heater
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本研究設計及製作微氣味蒸發與溫度感測晶片，晶片的微型加熱器與溫度感測器原理選擇熱阻式，並選擇阻值與溫度關係線性度良好的白金(Pt)，做為微型加熱器與溫度感測器的材料。
晶片有設計(一)與設計(二)，設計(一)晶片是經熱氧化法成長1μm的二氧化矽作為熱隔絕層，矽晶片先完成一面加熱器的製程，另一面再製作出溫度感測器; 設計(二)晶片則以LPCVD先沈積1μm low stress Si3N4，再以KOH蝕穿矽基材，留下氮化矽薄膜，以此為晶片的熱隔絕，溫度感測器就位在加熱器旁邊。

其中供給設計(一)晶片3.209W，發熱可達174℃以上。供給設計(二)晶片0.17959W，發熱可達386.67℃以上。溫度感測方面，設計(一)晶片在溫度範圍25~102℃，敏感度為5.329mV/℃，而設計(二)晶片，在溫度範圍29~118℃，敏感度為6.35mV/℃。

晶片蒸發與溫度感測方面，蒸發0.5μl 去離子水需要消耗3.1135焦爾的能量，蒸發完畢的時間為1.71秒，蒸發效率為0.292μl/sec，熱通量(heat flux)為7.01*108W/m2。蒸發0.1μl 香精油需要消耗1.1971焦爾的能量，蒸發完畢的時間為0.66秒，蒸發效率為0.152μl/sec，熱通量(heat flux)為2.69*108W/m2。

Micro evaporation and temperature sensor chips have been designed and fabricated in this study. The principal of heater and temperature sensor is based on the thermo-resistor effect. The material of micro heaters and temperature sensors choose Platinum (Pt), because of its good linear relationship between resistance and temperature.
There are two designs in this study. First, using 1μm thermal oxide for thermal insulator, and second, using LPCVD 1μm low stress Si3N4 as mask, and then etch through the Silicon wafer by KOH.

The chip with first design can heat up to 174℃ by applying 3.209W and the other design can achieve 386.67℃ when apply 0.17959W. The sensitivity of these two different designs of temperature sensors are 5.329 mV/℃ between 25 to 102℃and 6.35 mV/℃ between 29 to 118℃ respectively.

In the test of liquid evaporation, it needs 3.1135 J to evaporate 0.5μl water completely and the evaporation process takes 1.71 sec. The efficiency of evaporation is 0.292μl/sec, and heat flux is 7.01*108W/m2. The energy consumption to evaporate 0.1μl essential oil is 1.1971 J. And it spent 0.66sec for evaporating essential oil completely. The efficiency of evaporation is 0.152μl/sec, and heat flux is 2.69*108W/m2.

目錄
摘要………………………………………………………………………I

誌謝……………………………………………………………………...II

目錄……………………………………………………………………..III

圖目錄...………………………………………………………………..VII

表目錄……………………………………………………………..........XI

第一章 緒論……………………………………………………………..1

1.1 引言…………………………………………………………….1

1.2 研究動機與目的……………………………………………….2

1.3 人體感官之嗅覺探討………………………………………….3

1.3.1 嗅覺之反應機制……………………………………………..3

1.3.2 氣味分子……………………………………………………..5

1.3.3 人類嗅覺反應速度…………………………………………..6

1.3.4 人的嗅覺差異性………………………………………….….6

1.4 文獻回顧……………………………………………………….7

1.4.1 虛擬實境之嗅覺模擬………………………………………..7

1.4.2 氣味儲存與產生的方法……………………………………..8

1.4.3 嗅覺模擬之實際應用………………………………………..8

1.4.4 溫度感測原理與方法………………………………………11

1.4.5 熱阻式溫度感測器………………………………………..11

1.4.6 熱電式溫度感測器………………………………………..13

1.4.7 半導體p-n接面溫度感測器……………………………..15

1.4.8 光學溫度感測器…………………………………………..16

第二章 設計與理論分析……………………………………………..19

2.1 氣味產生方式、速度及劑量控制………………………….19

2.2 微氣味蒸發與溫度感測晶片………………………………21

2.2.1 晶片之加熱與感測原理設計…………………………….21

2.2.2 晶片加熱與溫度感測器尺寸之設計…………………….22

2.2.3 晶片結構設計…………………………………………….22

2.2.4 加熱與溫度感測器材料的選擇………………………….24

2.2.5晶片熱傳模型………………………………………….….25

2.2.6 熱阻與溫度關係………………………………………….27

2.2.7 自熱效應(self-heating)……………………………………28

第三章 微氣味蒸發與溫度感測晶片製程規劃…………………….29

    3.1 微氣味蒸發與溫度感測晶片之製程步驟…………………29

    3.2 王水濕蝕刻法……………………………………………….41

    3.2.1王水簡介…………………………………………………...41

    3.2.2 白金薄膜蝕刻……………………………………………..42

    3.3 不同黏著層對王水蝕刻的影響……………………………..45

    3.3.1 以鉻(Cr)作為黏著層……………………………………….45

    3.3.2 以Ti作為黏著層…………………………………………..47

    3.4 金屬剝離法(lift off)…………………………………………..49

    3.5 鋁導線的濕式蝕刻…………………………………………...54

第四章 實驗與量測系統………………………………………………56

    4.1 晶片的基本物理特性量測…………………………………...56

    4.1.2 量測熱阻與溫度變化的關係實驗…………………………56

    4.1.3 晶片熱隔絕效果量測………………………………………57

    4.2 溫度感測器電路規劃………………………………………...59

    4.2.1 定電流驅動………………………………………………....59

    4.2.2 溫度改變與輸出電壓變化量測……………………………59

    4.2.3 晶片蒸發與溫度感測量測…………………………………60

    4.3 虛擬儀表(LabVIEW)簡介……………………………………62

第五章 實驗結果與討論………………………………………………67

    5.1 晶片基本物理特性量測結果………………………………..67

    5.1.1 TCR值量測…………………………………………………67

    5.1.2 晶片熱隔絕效果量測結果…………………………………76

    5.1.3 溫度改變與輸出電壓變化量測……………………………82

    5.1.4晶片蒸發與溫度感測量測結果…………………………….83

    5.2 結果討論……………………………………………………...85

第六章 結論……………………………………………………………88

    6.1 本文成果……………………………………………………..88

    6.2 未來建議……………………………………………………..89

參考文獻……………………………………………………………….90

圖目錄

圖1.1嗅覺系統………………………………………………………….4

圖1.2人類嗅覺反應步驟……………………………………………….4

圖1.3 The Boston Dynamics, Inc., surgical simulator…………………………….....9

圖1.4 FiVe FiRe Training System(Cater,1999)…………………………10

圖1.5熱汽泡驅動馬達…………………………………………………12

圖1.6 懸臂樑之p-poly/n-poly熱電堆………………………………..14

圖1.7 micro power generator utilizing self-standing polysilicon-metal thermopile…………………………………………………………...15

圖1.8供給半導體接面一定電流之溫度與輸出電壓關係圖…………16

圖1.9 Thermopile for detecting thermal radiation……………………...17

圖1.10焦熱電式溫度感測器………………………………………….18

圖2.1 微氣味產生器架構……………………………………………..20

圖2.2設計(一)晶片示意圖……………………………………………23

圖2.3設計(二)晶片示意圖……………………………………………23

圖3.1設計(一)晶片6x6陣列，以鋁線焊接機打線連接晶片與電路版………………………………………………………………………..32

圖3.1設計(二)晶片5x5陣列，以鋁線焊接機打線連接晶片與電路版(續)……………………………………………………………………...33

圖3.2設計(一)晶片製程圖……………………………………………34

圖3.3 以KOH蝕穿(100)矽基材背面圖………………………………36

圖3.4完成的設計(二)晶片…………………………………………….37

圖3.5 設計(二)晶片製程圖…………………………………………....38

圖3.6白金遭側吃圖……………………………………………………43

圖3.7以配方(d)蝕刻白金……………………………………………...44

圖3.8 經過蝕刻液蝕刻Cr後之晶片表面…………………………….47

圖3.9以Ti蝕刻液蝕刻黏著層Ti，發現有殘留物蝕刻不掉………..48

圖3.10 以王水配方(c)與(d)來蝕刻白金，可得到漂亮圖案………...48

圖3.11蒸鍍溫度超過150℃以上時，造成光阻AZ5214E龜裂…….49

圖3.12 使用LOR resists進行金屬剝離製程…………………………50

圖3.13 金屬與矽晶片表面附著不佳，造成剝落……………………51

圖3.14白金與鋁接點處……………………………………………….52

圖3.15 以金屬剝離法完成之白金SEM圖案………………………..53

圖3.16 以surface profile量測白金與鋁接點處之厚度圖……………53

圖3.17鋁與白金接點處易受蝕刻液攻擊……………………………..54

圖3.18鋁與白金接點斷裂，嚴重者消失不見……………………….55

圖4.1 量測阻值隨溫度變化實驗架構………………………………...58

圖4.2量測晶片熱隔絕效果的實驗架…………………………………58

圖4.3微氣味溫度感測晶片定電流動作之電路………………………61

圖4.4 量測輸出電壓與溫度改變實驗架構…………………………...61

圖4.5電壓驅動電路(Voltage-Excited Circuits)………………………..62

圖4.6人機介面…………………………………………………………64

圖4.7簡單的VI………………………………………………………..64

圖4.8簡單的VI之程式方塊圖………………………..………………65

圖5.1 回火後白金與鋁接點處………………………………………...69

圖5.2未回火的白金與鋁接點處照片…………………………………70

圖5.3設計(一)之阻值與溫度變化關係圖…………………………….71

圖5.4設計(一)之阻值與溫度變化關係圖(1st test)…………………….72

圖5.5設計(一)之阻值與溫度變化關係圖(2nd test)……………………72

圖5.6設計(一)之阻值與溫度變化關係圖(3rd test)……………………73

圖5.7設計(一)之阻值與溫度變化關係圖(4th test)……………………73

圖5.8設計(二)之阻值與溫度變化關係圖…………………………….74

圖5.9設計(二)之阻值與溫度變化關係圖(1st test)…………………….75

圖5.10設計(二)之阻值與溫度變化關係圖(2nd test)………………….75

圖5.11設計(二)之阻值與溫度變化關係圖(3rd test)…………………..76

圖5.12 設計(一)晶片施加功率與溫度關係圖………………………..78

圖5.13 設計(二)晶片施加功率與溫度關係圖………………………..78

圖5.14設計(一)晶片遠紅外線測溫顯像儀(IR)圖…………………….79

圖5.15設計(一)晶片溫度分佈圖……………………………………...79

圖5.16設計(二)晶片遠紅外線測溫顯像儀(IR)圖…………………….80

圖5.17設計(二)晶片溫度分佈圖……………………………………...80圖5.18設計(一)晶片施加功率與溫度變化關係圖……………….…..81

圖5.19設計(二)晶片施加功率與溫度變化關係圖…………………...81

圖5.20設計(一)晶片溫度改變與輸出電壓變化圖…………………...82

圖5.21設計(二)晶片溫度改變與輸出電壓變化圖…………………...83

圖5.22晶片蒸發0.5μl 去離子水與溫度感測量測結果……………...84

5.23晶片蒸發0.1μl 香精油與溫度感測量測結果……………………85

表目錄

表3.1 微機電系統常用之材料TCR值……………………………..46

表5.1 阻值與回火之關係……………………………………………67

參考文獻
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