從物聯網到元宇宙，不受摩爾定律限制的 MEMS 如何拓展半導體應用？

微機電系統（Microelectromechanical system, MEMS）是一種透過半導體相關的製程步驟，如黃光微影（Photolithography）、薄膜沉積（Thin Film Deposition）、摻雜（Doping）、以及蝕刻（Etching）等，在矽晶圓上製作微小機械結構的技術，也可以進一步和微電子元件整合，建構完整的機電系統，實現微型化的機械結構、感測器（Sensor）、和致動器（Actuator），並應用於生、光、機、電等多元的範疇。

（本文出自國立清華大學動力機械工程系、奈微所：方維倫教授及其團隊，於閎康科技「科技新航道 | 合作專欄」介紹全MEMS 技術的應用發展概況，並詳述研究團隊多年來在兩大 MEMS 前瞻元件「微型揚聲器」及「微掃描面鏡」的技術開發成果，經科技新報修編為上下兩篇，此篇為上篇。）

微機電系統藉由半導體製程所帶來的微縮（Miniaturization）、集成（Integration）、以及批量製造（Batch Fabrication）等優點，使得相關產品具有尺寸小、耗電少、價格低等諸多競爭優勢，也成為許多新興產業，如物聯網、智慧應用（Smart-X）、元宇宙（Metaverse）的關鍵技術，其應用的範圍與需求的數量急遽上升，圖 1 為法國的市場研究公司 Yole 所預測的 MEMS 未來趨勢。由於機械結構的特性，微機電系統不需要跟隨摩爾定律（Moore’s Law）的腳步，致力於縮小元件的尺寸；微機電系統藉由多樣化（diversification）亦即所謂的超越摩爾（More than Moore）的方式，來拓展半導體製程的影響力和應用，因此具有重要的戰略價值，值得國內半導體業者加以重視。

▲ 圖1　MEMS 傳感器的未來趨勢[1]。

微機電系統的應用 —— 物聯網至元宇宙

微機電系統的應用概略整理於圖 2，可大致分為：

1.微結構，例如：探針卡（Probe Card）、原子力顯微鏡（AFM）的微型探針，生醫晶片的微流道等[2-4]。

2.微感測器，例如：麥克風、壓力計、加速度計、陀螺儀等[5-7]。

3.微致動器，例如：噴墨頭的加熱器或壓電致動器、德州儀器公司（TI）單槍投影機光投影晶片的面鏡致動器等[8-10]。

▲ 圖2　微機電系統應用領域[43]。

目前微機電系統的產品仍以感測器為主，早期主要用於提升行車安全，例如胎壓監控的壓力計、安全氣囊啟動的加速度計；隨後也陸續擴展至消費性電子產品，如助聽器的麥克風、體感遊戲機的慣性感測器等，而智慧型穿戴裝置和智慧型手機，更是大量利用微機電感測器尺寸小、耗電低的特色，在有限的空間放置包括麥克風、加速度計、陀螺儀、磁力計、壓力計、溫濕度計、氣體感測器等，提供消費者更多元的人機互動、更優異的操作體驗、和更豐富的資訊。

根據換能器（Transducer）的觀點，微機電系統因為尺寸小，對外來的刺激較為敏感，所以適合應用於感測器；反之因為尺寸小，無法對外界提供足夠的能量輸出，所以在致動器的應用方面，有較多的限制與考量。不過在發展過程中，有兩項相當成功的致動器產品，其中一項是利用微加熱器產生氣泡，然後致動墨水噴出的惠普（HP）噴墨頭，如圖 3 所示[11]；另一項是由德州儀器公司（TI）開發的數位光處理（Digital Light Processing, DLP）晶片，利用微機電技術實現數量高達數十萬的微鏡陣列（Micro Mirror Array）如圖 4 [12-13]，並利用靜電力致動每一個微鏡單元，來控制像素的色彩和亮度，將影像投影到螢幕。

近年來隨著物聯網、大數據、人工智慧、以及元宇宙等概念興起，帶動微型感測器和致動器的應用範圍與需求，從系統的觀點來審視，微致動器更是不可或缺的元件，在未來不同應用場域將佔舉足輕重的地位。

▲圖3　熱致動之噴墨頭操作原理示意圖[11]。

▲ 圖4　德州儀器公司開發之數位光處理技術所使用的微面鏡陣列[12-13]。

微致動器與壓電薄膜

微機電系統是利用半導體製程於晶圓上批量製造與整合，微致動器和傳統的機械致動器，例如內燃機和馬達，無論在外型或驅動原理，皆有著極顯著的差異，目前在文獻上較常見之致動器包括：靜電式（Electrostatic）、電磁式（Electromagnetic）、電熱式（Electrothermal）、以及壓電式（Piezoelectric）等四個類型。前述 HP 噴墨頭屬於電熱式、TI 光投影晶片屬於靜電式致動器。由於電熱式、靜電式致動器與半導體製程有較佳的相容性，因此許多研究皆以此二種方式作為致動元件。

然而各式致動器仍待解決的問題，靜電式致動器必須解決活動空間、靜電吸附（Pull-in）效應、驅動電壓等問題[15]、電磁式致動器往往需要組裝相關的電磁元件，操作過程也有升溫耗能的考量[16]、耗能與可靠度是電熱式致動器的隱憂、壓電式致動器則受限於與半導體製程相容的壓電薄膜取得不易、以及壓電薄膜的穩定性[17-18]。由於壓電材料出色的致動能力及廣泛的應用潛力，許多研究單位和相關企業，皆積極投入壓電薄膜製程技術的開發，也有突破性的發展，使得壓電致動器成為頗受矚目的元件。

壓電材料如氮化鋁（AlN）、鋯鈦酸鉛（Pb(Zr1-xTix)O3, PZT）等等，具備將機械能與電能互相轉換的特性，稱之為壓電效應，而根據其能量轉換的方式，可進一步區分正壓電、逆壓電效應。逆壓電效應是將輸入的電訊號轉換為壓電材料的線性形變（電能轉換為機械能），如圖 5 所示，多膜層堆疊的懸浮微機械結構，將使懸浮微機械結構頂端產生顯著的位移輸出，此設計即壓電致動器。

▲ 圖5　作為壓電致動器之懸浮微機械結構示意圖[43]。

由圖 6 得知，壓電致動器的組成相當簡單，主要包括結構層、電極層、和壓電薄膜，膜層的堆疊及結構、壓電薄膜的形狀設計及材料，都會影響壓電致動器的特性。

▲圖6　壓電致動器之膜層堆疊結構[43]。

一般來說，壓電薄膜的致動能力，通常取決於材料的壓電係數（機電轉換能力），如表 1 所示，在眾多壓電薄膜中，PZT 擁有出色的壓電係數，是備受期待的壓電致動材料。

▲表1　常見壓電材料的壓電係數。

近年來由於業界看好壓電薄膜傳感元件的潛力，因此吸引許多儀器供應商和晶圓製造商，投入關鍵設備與材料的開發，預計可以加速壓電薄膜傳感元件商品化的腳步。另一方面，壓電薄膜機械性質的探討，以及其對於相關應用可靠度的影響，都是未來成功商品化必須面對的挑戰。在下篇我們將繼續探討 PZT 壓電薄膜如何發揮其功能，以及廣泛應用在微型揚聲器與微掃描面鏡等前瞻元件中。

（首圖來源：Shutterstock；圖片及資料來源：閎康科技）

微機電系統的應用 —— 物聯網至元宇宙

微致動器與壓電薄膜

延伸閱讀：

參考資料：

[1]http://www.yole.fr/.

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[20]https://www.usound.com/products/

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[27]https://www.projectorcentral.com/Microvision-SHOWWX_Laser_Pico.htm

[28]https://velodynelidar.com/what-is-lidar/

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[31]https://www.continental-automotive.com/.

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[43]方維倫教授實驗室

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