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研究生: 李應崇
Ying-Chung Li
論文名稱: 利用懸臂樑結構設計與製作之CMOS-MEMS微質量感測器
The Design and Fabrication of CMOS MEMS Mass Sensor Using Cantilever Beam Structure
指導教授: 盧向成
Shiang-Cheng Lu
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 66
中文關鍵詞: 微質量感測器懸臂樑電容式感測
外文關鍵詞: Capacitive sensing, CMOS MEMS, Cantilevers, Mass sensor
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  • 本研究目的在於製作新型振動式奈米生醫感測元件,而目標將設定在以微機電技術設計並製造新穎、具高性能的微質量感測器,並結合CMOS積體電路製程完成整合型感測器晶片。希望藉由直接電路整合降低寄生電容所帶來的訊號衰減及電路噪聲放大。利用外加質量使懸臂樑的自然頻率偏移而感測微質量大小,期望達到微小化且能精確量測微質量的新型感測器。
    本論文將介紹以懸臂樑為結構之CMOS MEMS微質量感測器的設計概念、製作流程以及其特性分析與量測結果探討。我們設計以CMOS標準製程製作整合型單晶片,在CMOS晶片上以乾蝕刻釋放金屬鋁及介電質二氧化矽兩材料堆疊之懸臂樑。以驅動電極驅動懸臂樑,並於懸臂樑上施加調制訊號源將驅動頻率調制到高頻,除了達到降低雜訊的優點尚能避免穿襚電流造成的假訊號。而電容式感測電路能直接量測懸臂樑的頻率響應,以便找出結構振頻。我們成功的量測到396.6kHz的結構共振頻率,並在不同操作壓力下,得到頻率響應的變化與品質因子的提升,其中最低壓下Q值可達2500。另外我們也成功的量測到沉積0.1□m二氧化矽薄膜於懸臂樑上所產生的頻率變化,驗證了自然振頻與質量變化關係,沉積4.9pg的質量產生了140Hz的頻率變化,其感測度約為350fg/Hz。
    本研究論文很重要的意義在於設計製造符合標準製程,也因此更有機會量產應用於市場。除此之外,我們採用電容式的感測機制具有製程較簡易且感測不受溫度環境溫度影響的特性,非常適合應用於生化醫學的檢測。


    In this paper, we present the design, fabrication, and characterization of CMOS micromachined cantilevers for mass sensing in the femto-gram range. The cantilevers consisting of multiple metal and dielectric layers are fabricated after completion of the conventional CMOS process by dry etching steps. The cantilevers are electrostatically actuated to resonance by in-plane electrodes. The frequency shift due to mass loading is detected capacitively with on-chip circuitry, in which the modulation technique is used to eliminate the capacitive feedthrough from the driving port, and to lessen the effect of the flicker noise. The highest resonant frequency of the cantilevers is measured at 396.6 kHz with a quality factor of 2500. Mass loading on cantilevers is completed by deposition of a 0.1-□m SiO2 layer. The maximum frequency shift after deposition is 140 Hz, averaging 350 fg/Hz.

    目錄 誌謝 I 中文摘要 II Abstract III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2 研究動機 2 1-3 研究背景 4 1-4 文獻回顧 5 1-5 研究目標 9 第二章 微質量感測器之設計概念與分析 10 2-1 微質量感測器之微機電系統架構 11 2-2 微質量感測器設計概念 12 2-3 微質量感測器之結構設計原理 13 2-3-1 簡單懸臂樑剛性分析 13 2-3-2 懸臂樑之振動分析 14 2-3-3 Coventor Ware模擬分析 19 2-4微質量感測器之靜電驅動原理 23 2-5微質量感測器之感測電路設計與模擬 30 2-6微質量感測器之晶片下線佈局 34 第三章 微質量感測器之後製程與量測結果 36 3-1 表面微加工技術 36 3-2微質量感測器製作過程 37 3-2-1 懸臂樑釋放步驟一:RIE 37 3-2-2 懸臂樑釋放步驟二: 42 3-3微質量感測器之感測電路量測結果 44 3-4微質量感測器之機電整合量測 49 第四章 結論 62 4-1 研究成果 62 4-2 結論與討論 63 4-3 建議與未來工作 63 參考文獻 64 表目錄 表2-1懸臂樑規格設計 19 表2-2 Process Flow~編輯製作流程 20 表2-3懸臂樑振動頻率模擬結果 21.22 表2-4沉積二氧化矽造成懸臂樑振動頻率變化的模擬結果 23 表3-1 RIE製程參數表 39 表3-2懸臂樑翹曲高度量測表 43 表3-3模擬與量測結果對照表 46 表3-4懸臂樑共振頻率模擬與實驗結果對照表 55 表3-5 Coventor Ware模擬頻率漂移與實驗結果對照表 61 圖目錄 圖1-1 壓電式微質量感測器[24] 6 圖1-2 電容式微質量感測器[25] 6 圖1-3 壓阻式微質量感測器[26] 7 圖1-4 FBAR結構圖[27] 8 圖1-5 病毒檢測之懸臂樑與實驗結果[28] 8 圖2-1 微質量感測器系統架構圖 12 圖2-2 懸臂樑結構 13 圖2-3 Free-body diagram 14 圖2-4 邊界狀態 (i)無固定 (ii)部分固定 (iii)完全固定 17 圖2-5 懸臂樑結構剖面圖 19 圖2-6 Coventor Ware模擬流程 20 圖2-7 模擬之實際結構 21 圖2-8 靜電式驅動平行板電容 24 圖2-9 阻尼振盪變化情形 26 圖2-10 不同Q質下的振幅與相位頻率響應圖 28 圖2-11 靜電驅動之電容式微質量感測器架構 31 圖2-12 Pre-amp電容式感測電路架構 31 圖2-13 Pre-amp電壓增益與相位模擬結果 32 圖2-14 PMOS電阻變化對低頻極點的影響 33 圖2-15 CMOS MEMS微質量感測器Layout 35 圖2-16 完整下線晶片Layout 35 圖3-1 CMOS晶片後製程步驟 38 圖3-2 後製程預計完成圖 40 圖3-3 CMOS MEMS 後製程機台 41 圖3-4 RIE蝕刻之二氧化矽厚度變化圖 41 圖3-5 以白光干涉儀量測之結構翹曲情形 43 圖3-6 完成後製程之結構SEM圖 44 圖3-7 CMOS微質量感測晶片全貌 45 圖3-8 CMOS微質量感測晶片Pad接腳分布圖 45 圖3-9 模擬Pre-amp之電壓增益頻寬 47 圖3-10 模擬Pre-amp之相位頻寬 47 圖3-11 Vsg對極點頻率的變化 48 圖3-12 PMOS電阻值與Vsg關係圖 48 圖3-13 電路輸出訊號頻譜 49 圖3-14 以電容式感測之頻率響應 50 圖3-15 儀器架設圖 50 圖3-16 MMA光學影像分析 51 圖3-17 MMA量測之懸臂樑1頻率響應 52 圖3-18 MMA量測之懸臂樑2頻率響應 52 圖3-19 MMA量測之懸臂樑3頻率響應 53 圖3-20 MMA量測之懸臂樑4頻率響應 53 圖3-21 MMA量測之懸臂樑6頻率響應 54 圖3-22 MMA量測之懸臂樑7頻率響應 54 圖3-23 MMA量測之懸臂樑8頻率響應 55 圖3-24 密閉抽氣腔體 56 圖3-25 品質因子與壓力變化關係圖 56 圖3-26 MMA量測之阻尼對振幅的影響 57 圖3-27 MMA量測之阻尼對相位的影響 57 圖3-28 MMA量測之軟彈簧效應~振幅 58 圖3-29 MMA量測之軟彈簧效應~相位 58 圖3-30懸臂樑175 kHz沉積變化 59 圖3-31懸臂樑258 kHz沉積變化 60 圖3-32懸臂樑396 kHz沉積變化 60

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