音圈马达-高雄应用科技大学

位移 感測器
隨著精密加工機、半導體生產裝置之高性能化的趨勢，對
於位移感測器之高解析度、高精密化（高準確度、高重現
性）的要求越來越高。而為了提昇生產力，感測器的高頻
響應特性，亦是追求的重要特性。表中之雷射干涉儀的解
析度可達奈米，頻率響應特性可達1 MHz。
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奈米定位技術
致動器(Actuator)
(主要參考資料來源：日本，精密工學會誌，2001.2. Vol.67 ）
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積體電路
近幾年來，積體電路（Integrated Circuits, ICs）的精度 需求越來越高，尤其在VLSIs ( Very Large-Scale ICs )， 及 ULSIs ( Ultra-Large-Scale ICs )上。 為了獲得極高的 精密度，製造過程中必須利用遮罩技術，將電路圖形在 晶片上多次重複曝光。在重複曝光過程中，對準精度的 要求相當高，線寬約為0.13 m左右。由此可知，將來由於 定位精度要求的提高，將突破奈米級數，且為符合高精 度定位之要求，超精密微/奈米定位系統之開發，已成為 必然的發展趨勢。
光纖與導波器的對準(alignment)需求，則為0.5至1 m範圍，並且
於角度上的需求，亦十分嚴格。為符合高定位精度的要求，超精
密微定位系統之開發，已成為必然的趨勢。
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國內產業之研發方向
由於國內機械產業的研發方向為精密機械技術，微機電技術 與奈米加工技術。而精密機械發展趨勢為高效能化、高精密 化、資訊化及綠色環保化。在產品發展方面，則應以創造親 人性化、易操作且低成本的精密機械為主。以國內現有資源 來說，精密工具機、半導體製程設備、LCD製程設備及精 密成形製程設備等四項技術，為精密機械領域發展的重點； 至於注重超精密化、細微化的微機電與奈米加工技術，則屬 創新前瞻的發展方向。另外，此一發展方向，很適合做為國 內機械產業廠商轉型及升級的契機，同時也與國內高科技電 子資訊、通訊光電發展利基不謀而合。由於人類對微小化元 件的殷切需求，已由微米 (10–6 m) 進入了奈米 (10–9 m) 範 圍的時代，在面臨廿一世紀高科技發展的競爭中，奈米技術 將是國家高科技發展政策中不可或缺的一環。
超音波感測器 (Ultrasonic Sensor)
線性解碼器 (Linear
光學式 格子方式 干涉條紋方式
Encoder)
磁氣式
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奈米定位技術上的應用實例 (1/5) 壓電致動器
壓電致動器是在壓電材料上施予電場，使其產生應變做為輸出 的元件。雖然此應變非常微小，但因具有體積小、出力大、不 發熱等優點，在精密機械上做微小的位移控制極為合適。下圖 為積層型壓電陶瓷致動器示意圖。
光學尺 (Optical Linear Scale)
雷射干涉儀 (Laser Interferometer)
光纖位移感測器 (Fiber Optical Sensor)
電容式感測器 (Capacitive）
非接觸式 渦電流式 (Eddy Current)
動平檯，提供如半導體生產與檢查裝置、高難度之光纖對準裝
置、要求高精度定位之生物科技等生產業者所需。
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定位系統的構成要素
致動器
致動器包含AC、DC伺服馬達、壓電元件、油空壓致動器、 線性馬達，以及將來寄予厚望的超磁應變致動器（受磁場 作用時，每米可達到1000微米以上之變形量的材料）。
機械導引 滑道及傳 動元件
控制方法(Controller)
AC、DC伺服馬達
強健控制法
線性馬達 (Linear Motor) 壓電致動器
完全追跡控制法 (Robust Control) 自動調節控制法
超磁歪元件
(Piezoelectric actuator)
(magneto-strictive)
PID控制法
智慧型控制法
奈米定位
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解決方法
在開迴路的控制上，因上述之缺點，常造成定位的誤差，影響 機器設備的品質。例如：穿隧掃描式顯微鏡，因為壓電陶瓷致 動器非線性與磁滯的特性，使得掃描的圖形，必須經由軟體的 補償，才能獲得比較真實的圖像等。為了解決以上所述壓電陶 瓷之缺點，一般常見的方法如下：
(A)應用電荷放電方式，驅動壓電陶瓷致動器以取代 電壓之驅動方式。 (B)應用前向非線性控制模式，驅動壓電陶瓷致動器。 (C)應用閉迴路控制技術。
（A）以一般具彈簧性質及阻尼性質的機械元件，就能使壓電 元件的作動範圍達到數十微米以上的作業範圍，顯著優於一般 撓性支點(Flexural Hinge)所構成的位移放大機構。 （B）利用壓電元件的高頻響應特性所產生的衝擊力，能驅動 受強力摩擦力固定的目標物體或質量大的目標物體，使之產生 奈米級的微動。 （C）壓電元件驅動用的電壓波形簡單，且在精確定位後不需 持續通電，控制器及驅動電源的價格相對低廉。 （D）構造簡單，體積小，低成本。
壓電致動器在精密定位裝置上的應用，通常可分成
兩個主要的類別，(1)第一個應用其靜態位移，(2)
另一個應用其被激發的動態位移。前者之主要特徵
在於可獲得理論上無限解析度的驅動能力，且可平
順地控制位移的變化，因此在超精密定位裝置的設
計上，大多使用靜態位移的特性。但這種方式的主
要缺點是位移量僅有數十微米，通常在必須配合其
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光纖
光纖在通訊上的使用成長迅速，使光纖自動組裝的定位技術，需
求更顯迫切。其中將光纖精準地與光電元件(photonic devices) 對
準及組合的工作，是光纖組合中最關鍵的技術之一。光纖與光電
元件相連，正如同電子元件皆需接上電導線，方能發揮其應有之
功能。然而，因光波與電流的特性不同，積體光學元件與光纖耦
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壓電方程式
壓電元件的特性為機械能與電能之間可以相互變換。其中壓 電元件的參數包含應力(T)，應變(S)，電場(E)與電位移(D)， 因不同之需要，這四個參數之間的關係可用壓電方程式來表 示，參數之間的關係式分別為：
T cE eE
D

eS


SE
S S ET dE
合時的複雜程度，遠大於電子元件與電導線的耦合。避免光能量
的損失，需要很高的精度，因此在製作上很費時，形成成本的一
個瓶頸。為了在組裝製作技術上有突破，需要發展精確且快速的
自動組裝系統，降低光纖連接的成本。直徑為125 m的光纖，其
中心的導光核心的單模光纖，直徑僅為10 m。若與導波器(wave
guide)組合，導波器上的可傳播光波的元件，尺寸大小約為6 m，
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奈米定位(2/2)
奈米定位技術的架構以傳統機電整合系統為基礎，其內容著重
於操控奈米尺度之相關技術，亦即包含新興致動器、感測器、
奈米機構設計、控制法、微弱信號處理等，另外尚包含微電腦
感測實驗、精密量測實驗、感測器與資料擷取實驗、感測與影
像處理技術、光電量測技術等精密感測。近幾年在奈米定位技
術的研發上，已有多項具體成果。尤其，在具有奈米級驅動能
它位移放大機構方能實用。後者之主要特徵在於構
造簡單，且可獲得理論上無限行程的自走功能，但
主要缺點為無法平順地控制奈米尺度的位移，且驅
動壓電致動器的電壓波形複雜。
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耦合式的致動器
使用之具有彈性體性質的機械元件包含氣壓缸、音圈馬達(VoiceCoil Motor, VCM)，以及彈簧等。這些耦合式的致動器，除了驗 證具10奈米之驅動能力外，其它共同的特點如下：
控制方法
由於一般的滾珠螺桿在次微米以下，有極為明顯的非線性 摩擦現象。在超精密定位裝置上，通常是採用液體或氣體 之靜壓傳動滑道。而為了提高移動速率，高精度導程滾珠 螺桿，亦為研究的重點。
如何控制非線性的摩擦現象對移動特性的影響，特別是變 換移動方向時的非線性彈簧特性，是決定能否達到超精密 定位目標的主要關鍵因素。
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3.2 奈米定位(1/2)
奈米科技(Nano Science and Technology, NST)是操控原子、分 子，以創造出各種可能應用新面貌的一種科技。奈米定位的精 度界限，一般認定是介於100奈米到0.1奈米的原子尺寸間。然 而一般的傳統伺服機構，很難達到如此高精密的定位精度。但 如壓電材料、磁應變、形狀記憶合金等新興材料的出現，以及 量測技術的不斷更新，操控微奈米尺度的技術，在一般較高階 的機械裝置上，已漸臻成熟。 奈米科技是操控有關奈米尺度之物質、材料、及微小系統的科 技，但是如何才能操控奈米尺度的物質或材料？對於工程領域 來說，其最主要的關鍵技術，乃仰賴超微細加工機或掃描式探 針顯微鏡(Scanning Probe Microscope, SPM)，這些尖端的裝 置乃建構在奈米定位技術的基礎上。因此，奈米定位技術可視 為，支援奈米科技研發的重要關鍵技術。
力之致動器的研發上，已開發出多種壓電元件與彈性體耦合之
新型致動器，包含壓電元件與氣壓缸、音圈馬達，以及彈簧等
三種方式，均驗證具有奈米級驅動能力及長行程驅動範圍，能
有效克服傳統壓電致動器的缺點，並兼具構造簡單，裝置建構
成本低廉等優點。在奈米定位技術上的研發成果，以奈米微動
平檯及各種長行程奈米級驅動器為基礎，建構多自由度奈米微
非接觸式
雷射干涉儀 光纖位移感測器 電容式感測器 超音波感測器 線性解碼器 光學感測器
接觸式
電氣測微器 光學尺
直線導引滑道
技術
靜壓導引滑道
高導程滾珠螺桿
(High-Lead Ball Screw)
位移放大機構
感測器(Sensor)
導引滑道及傳動件
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感測器的種類
方式
位移感測器
電氣測微器 (Electrical Micrometer) 接觸式
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根據前述，在方法(A)中，Nowcomb and Flinn[7]應用電荷放 電方式，驅動壓電陶瓷致動器以取代電壓之驅動方式，雖其 磁滯現象與線性度將明顯改善，卻產生位移頻率響應大幅減 低之缺點。方法(B)中，Jung and Kim [8]提出前向參考模式 控制方法，改進穿隧掃描式顯微鏡中壓電陶瓷致動器之掃描 精度，由於壓電陶瓷致動器之數學模式，僅考慮磁滯現象為 局部記憶及對稱之非線性特性，故無法完整代表壓電陶瓷致 動器之整體特性，仍有缺失。方法(C)中，Okazaki[9]提出兩 種閉迴路控制技術，凹口濾波器(Notch Filter)之極-零點抵消 控制器，及具狀態觀察器之狀態迴饋控制器。此控制器設計 中，壓電陶瓷致動器僅視為簡單之質量─彈簧─阻尼系統，無 考慮磁滯現象，因此在控制上此非模式化相位延遲之特性， 易造成閉迴路系統之不穩定。
第三章 奈米定位、量測與製造
3.1 前言 3.2 奈米定位 3.3 奈米量測 3.4 奈米製造 3.5 工程產業實例
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3.1 前言
奈米，這個只有十億分之一米大小的單元，實現了元件微小 化的理想，而奈米科技，不僅是目前電子與資訊產業技術急 於突破的關鍵技術，甚至對材料、光電、生物、醫療也將帶 來前所未有的技術革命。奈米工程技術，是二十一世紀產業 革命動力，其匯集力學、電學、光學、材料、化工、製造、 量測、生醫工程、微機電技術等結合起來，使製程或產品尺 寸控制在100 nm到0.1 nm範圍的綜合技術。各國投入相關研 發，涵蓋量測、電子、機械、材料、化工等技術，國內半導 體廠商目前也已將IC推到奈米領域，盼藉由奈米技術，將半 導體產業由代工升級到領先地位。
D

dT

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S S DT gD
E

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T
D
T cDS hD
E

hS


SD
其中與分別表示在定電場時的楊氏係數與屈服係數；與分別表
示在定位移時的楊氏係數與屈服係數；與分別表示在定應力時
的反誘電係數與界電係數；與分別表示在定應變時的反誘電係
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壓電的缺點
但壓電陶瓷致動器仍有以下之缺點： (A)非線性(Non-linear)：當電壓加在壓電陶瓷時，其延伸 量偏離線性的誤差，依材質不同約為1%~10%。 (B)磁滯性(Hysteresis)：電壓增加及減少時，其延伸位移 量之差異性，依材質不同而約有2%~15%之誤差量。 (C)潛變(Creep)：當電壓加在壓電陶瓷使它產生形變時， 其延伸量會快速的反應，然後再慢慢的逼進目標值，此 種現象稱為潛變。此值依材值不同與加入電壓的大小， 約為初始延伸量的1%~20%。 (D)溫度變異(Thermal variations)：壓電陶瓷的溫度延伸 系數約為1x10-6至5x10-6 C/deg。