微机电系统(MEMS)

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機電系統

最早有紀錄的機電系統儀器，是在1785年 時由Charles-Augustine de Coulomb建造 用來量測電子電量。他的電扭矩平衡包含 了兩個球型金屬球，一個是固定的，另一 個則是沿著一根桿移動，這機構的運作有 點類似電容板。此例子說明了，大多數機 電系統裡兩個常見的基本原件：一個機械 原件和一個感測器（transducer)。
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微機電系統的特性與優點
微機電系統的特性與優點如下：
1.
當一個機械系統從傳統大小縮小至微機械系統時，因其組 成元件尺寸的微小化，故系統的精度大為提高。
2.
因為尺寸的微小化，質量都很小，許多巨觀世界不需考慮 的物理特性與環境因素，在此都無法省略。
在生產上所消耗的產品原料少，且在製造與整合上，多利 用現有的半導體製程技術或是其他的特殊技術，易於大量 的批次生產，大幅降低生產的成本。 方便於更多可攜式產品的衍生與複雜系統的簡單微小化。
第四章 微奈米機電工程
4.1 前言
4.2 微機電系統
4.3 微機電元件之簡介
4.4 微機電系統的製造技術
4.5 微機電系統的應用
4.6 奈米機電系統的優點
4.7 奈米機電系統的製程4.8 奈Fra bibliotek機電系統的應用
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4.1 前言
將各式機械元件和電子元件縮小至微奈米尺寸，是成為微奈米科技產 品的必經之路，這種縮小技術稱之為微機電系統或微系統 (MicroElectro-Mechanical System, MEMS) 。微機電系統（MEMS）技術是 以Top Down方式來作奈/微米科技元件的關鍵技術 。奈米機電系統 （NEMS）與微機電系統 （MEMS），都是處理微尺度的前瞻科技， 常被等同處理。微機電是指在微米尺寸，也就是10尺度下之製程技術， 所製造出的迷你機械元件。 就電子零組件的觀點而言，SOC（system on chip）就是一個明顯的例 子，這就是把許多不同功能的積體電路（IC）整合在一顆積體電路上， 不但可以大幅度縮小元件體積、並且提高系統性能，以求生產成本的 降低。 就產品的機構而言，以傳統的製造方式無法縮小體積，隨之是一種新 的製造技術產生，達到元件的微小化目的，這就是微機電系統 （MEMS），藉此微小化許許多多的關鍵組件，進而能製造出更智慧 的，更可靠的產品與系統。
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4.2 微機電系統




MEMS的發展由來，根源於1960年代中期利用半導體製程，製造機 械結構於矽晶片上的概念後，吸引了許多人投入該技術的研究。 到了1970年代中期，利用該製造技術，結合機械和電子元件的半 導體感測器，成功地開發出來。 1980年後，研究內容也不侷限於感測器，還包含一些複雜的機構 與元件，如幫浦、閥門、齒輪、馬達、夾子等等。研究目標已訂 在發展一個完整的微型系統，包含感測、致動、訊號處理、控制 等多項功能的系統，例如微型機器人和微型硬碟機。 一般而言，對於能夠把每個微結構元件或系統本身尺寸定義在微 米範圍，或是微結構的機械運動範圍，能夠達到微米的精準度或 位移量，在這樣的精度與尺寸範圍內的微元件，我們皆可以稱之 為微機電元件，而把這些微機電元件與其他周邊IC組成的系統稱 為微機電系統。
Coulomb’s Law
F = ke
q1 q2 r2
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From ”PRINCIPLES OF PHYSICS, Second Edition” by Raymond Serway
微機械電子系統 (微機電)
Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS)
在1950年代末期， Richard Feynman 博士聲明說要發給 第一個「小於1/64英吋」的電子馬達發明者$1000當作獎 勵。一位叫做William McLellan的年輕人用顯微鏡及鉗 子做出獲得了此殊榮。
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4.
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微機電系統(MEMS)與奈米機電系統(NEMS)
將各式機械元件和電子元件縮小至微奈米尺寸，是成為微奈米 科技產品的必經之路，這種縮小技術稱之為微機電系統或微系 統 (Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)。 微機電系統（MEMS）技術是以Top Down方式來作奈/微米科技 元件的關鍵技術。近年來矽微細加工（silicon micromachining） 技術發展迅速，已可在矽晶圓（silicon wafer）上製作出三次元 的微結構，若將這些微結構及具有換能功能的材料與微電子放 大電路整合在同一晶片上，即可製作成微型的感測器與致動器。 微機電(MEMS)是指在微米尺寸，也就是10E-6尺度下之製程技 術，所製造出的迷你機械元件。奈米機電(NEMS)則是處理更細 微的10E-9尺度。微機電技術可說是跨入奈米機電的橋樑之一， 如觀測奈米尺寸物質的AFM顯微鏡，其探針與懸臂樑就是微機 電產品。
(a) Richard Feynman用 顯微鏡觀察William McLellan (左)所做出來 小於1/64英吋的馬達。 (b)光學顯微鏡下的馬 達(3.81 mm)。旁邊的 巨無霸是一支筆的筆尖 。
(Picture credit: Caltech Archives) /article/world/14/2/8
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靜電共振器
在微機電系統 （MEMS）或奈米機電系 統 （NEMS）中，使用感測器來將機械能 轉換成電子或光學訊號。通常來說，微機 電系統元件的輸出，是機械元件的移動。 (a)機械式的靜電共振器，由矽絕緣體所 組成，此扭轉共振器的轉動，產生一 電場，可經由電極量測得知，而當有 電子在柵門電極時，電場會改變共振 器轉動頻率。 (b) 第一和第二代的機械式靜電器，由加 州理工學院所建造。
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4.3 微機電元件之簡介
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光纖耦合光學元件。 微流量感測機電控制元件:微流量控制元件，包含微閥門和微幫浦， 它們是微流量特性控制之成敗關鍵。 非侵入式脈波感測器之研製:非侵入式脈波感測器，可在動脈處作中 醫浮、中、沈切脈方式，量測穩定脈波訊號。 化學晶片:化學晶片是實現晶片實驗室(Lab-on-a-chip，LOC)的機電 元件，可以說是將一化學實驗室完整的濃縮在一晶片，它本身即具備 有樣品前處理、分離、偵測等功能，可望成為未來生化與醫療科技的 主流。 生物晶片:生物晶片(Biochip)包括，去氧核糖核甘酸晶片(DNA chip)， 蛋白晶片(Protein chip)，以及基因晶片(Gene chip)等。 噴墨印表頭:噴墨印表頭噴嘴有微加熱電阻片，瞬間加熱墨水匣內的 墨水至沸騰，利用膨脹氣泡的力量，將墨水由發射腔(firing chamber)噴出以進行列印。 膠囊內視鏡:膠囊內視鏡只有1130 mm大小，約等於一顆魚肝油丸的 大小，前端有鏡頭及攝影機、內含影像感應傳送器和電池。 9