利用側壁硼擴散技術製作新型三軸力量感測器之研究

The Study of Using Side-Wall-Doping Technology to Fabricate 3-Axis Force Sensors

溫志杰(Chih-Chieh Wen)

指導教授 ： 方維倫

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/博士(2009年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2009.00520

摘要

在微機電製程中，摻雜(doping)是一道常見的步驟，通常被利用來製作蝕刻終止層、訊號傳遞導線或是壓阻感測器。由於傳統製程上的限制，一般只能將原子摻雜在矽晶片(wafer)的正面(top surface)，此種作法只能讓導線或是壓阻在元件的上表面形成，因而使元件在使用受到一些限制。因此，本論文將探討側壁摻雜製程(sidewall doping)在微機電感測器的應用，利用擴散將硼原子摻雜在元件的側面(side surface)，利用其壓阻特性製作平板式三軸觸覺感測器以及探針式三軸力量感測器，並且探討側壁摻雜製程整合於微機電感測器的可行性。
硼原子利用高溫擴散至元件後，即具有壓阻特性，本文中的觸覺感測器利用這種特性製做了四根懸臂樑結構，並將壓阻製作於懸臂樑的正面及側面，使其可以量測正向力量(normal force)及側向力量(lateral force)，進而使感測器具有三軸的感測能力。此外，壓力計並利用高分子(polymer)材料當作薄膜層，藉由混合不同比例的高分子與金屬粉末，以改變其剛性，藉此調控壓力感測器的靈敏度(sensitivity)及量測範圍(sensing range)，經初步校正，當薄膜的揚式係數(Young’s modulus)由1.32MPa增加至52.13MPa與479.25MPa時，壓力計的正向靈敏度會降低61%與84%，側向靈敏度則大約會降低59%與72%，而此時由於感測器薄膜的剛性增加，其感測範圍也會隨之增加，進而達到可隨意調控感測範圍之目的。
另外，本研究也利用側壁硼擴散技術製作了探針式三軸力量感測器，在感測器的正面及側面分別製作了三個獨立的壓阻以感測三個方向的力量，經量測，微電極在x、y、z三個方向的力量靈敏度分別為0.47%/mN、0.16%/mN與1.29%/mN，並經由穿刺實驗，可得知探針式力量感測器在刺入物體時的機械特性與行為。除了可以製作壓阻外，硼擴散也可降低矽基材(silicon)的電阻值，進而當作導電元件使用，因此本研究便利用此項特性將探針式三軸力量感測器應用於感測神經訊號上，使之成為具有力量量測功能的神經電極(neural probe)，由於硼原子可同時擴散至感測器針頭(tip)的正面與側面，因此可以減少非感測區域(non-sensing area)的面積，以增加使用時的方便性。而在1KHz的訊號下，當針頭面積為4483.2µm2與28944.27µm2時，其阻抗(impedance)分別為426.44kΩ與297.65kΩ，經由螯蝦的神經訊號量測發現，所量得的神經訊號與傳統玻璃電極所量得的訊號並無明顯差異，並經由多電極的量測，螯蝦神經訊號的平均傳遞速度約為10.39m/s。
本研究將側壁硼擴散技術應用於兩種常見微機電感測器中，利用擴散後的壓阻特性製作出兩種三軸力量感測器：平板式三軸觸覺感測器與探針式三軸力量感測器，並已得到初步的結果，未來此製程技術可進一步應用於其他微機電元件中，以增加製程的多樣性及元件的應用性。

關鍵字

側壁硼擴散 ； 壓阻 ； 觸覺感測器 ； 力量感測器 ； 神經電極

並列摘要

無資料

並列關鍵字

sidewall doping ； piezoresistor ； tactile sensor ； force sensor ； neural probe

參考文獻

[67] 國科會精儀中心，微機電系統技術與應用，2003。

[33] K. Kim, K.R. Lee, D.S. Lee, N.K.Cho, W.H. Kim, K.B. Park, H.D. Park, Y.K. Kim, Y.K. Park, and J.H. Kim, “A Silicon-Based Flexible Tactile Sensor for Ubiquitous Robot Companion Applications,” Journal of Physics: Conference Series, pp. 399-403, 2006.

[1] R. Maeda, M. Takahashi, and S. Sasaki, “Commercialization of MEMS and Nano Manufacturing,” Proceeding of IEEE Polytronic Conference, 2007, pp. 20-23.

[3] R.R. Mansour, M.B. Kassem, M. Daneshmand, and N. Messiha, “RF MEMS Devices,” Proceeding of Internal Conference on MEMS, NANO, and Smart Systems, Canada, 2003.

[4] R. Grundbacher, J.E. Hoetzel, and C. Hierold, “MEMSlab: A Practical MEMS Course for the Fabrication, Packaging, and Testing of a Single-Axis Accelerometer,” Journal of IEEE Transaction on Education, vol. 52, pp. 82-91, 2009.