引領消費性電子產品精密化關鍵元件,從實際案例探討全新 MEMS 技術開發成果

作者 | 發布日期 2022 年 12 月 26 日 9:05 | 分類 半導體 , 材料、設備 line share follow us in feedly line share
引領消費性電子產品精密化關鍵元件,從實際案例探討全新 MEMS 技術開發成果


隨著消費性及車用等電子產品愈趨精密化,MEMS(微機電系統)在其中扮演的角色也愈更加吃重。其中鋯鈦酸鉛(Pb(ZrxTi1-x)O3,PZT)材料由於具有較佳的壓電性質,並容易結合矽質微細加工(micro fabrication),現階段以 PZT 壓電薄膜所開發的微致動器在應用方面,廣泛受到注目的有微型揚聲器(Microspeakers)、自駕車及元宇宙的關鍵元件微掃描面鏡(Micro Scanning Mirrors)等等。

(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,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,此篇為下篇。)

微型揚聲器 —— 更具臨場感的聲效體驗

現今熱門商品如真無線藍芽耳機(True Wireless Stereo, TWS)、智慧眼鏡(Smart Glasses)、擴增實境(Augmented Reality, AR)與虛擬實境(Virtual Reality, VR)等產品的需求持續上升,因此,決定臨場感的關鍵 「聽覺」相關元件頗受矚目。

聲場依據應用情境分為開放聲場自由場、封閉聲場壓力場,如圖 7 所示。目前微型揚聲器研發的方向以入耳式之封閉聲場壓力場為主,為了讓使用者聽到更完整及具臨場感的聲音,會採用多單元的揚聲器、並搭配分頻器達到更寬廣的頻率響應。

▲圖7 開放聲場的自由場及封閉聲場的壓力場的示意圖[43]。

如圖 8 所示。以真無線藍芽耳機為例,利用磁致動——動圈式(Dynamic Driver)與動鐵式(Balanced Armature)或壓電陶瓷式(Piezoelectric Ceramics)的組成,形成多單元揚聲器。

▲圖8 多單元揚聲器搭配分頻器的示意圖[43]。

在真無線藍芽耳機的應用上,耳機內部空間有限(尤其厚度方面),上述三種揚聲器仰賴傳統加工製造,其揚聲器體積難以再進一步縮小,且製造公差亦反應在聲學響應上。因此微機電技術開發的微型揚聲器便從中嶄露頭角,其中,提升壓電薄膜材料之壓電係數、更完備製造的方法接續產出,進而縮小尺寸(厚度 1.5mm 以下[19-21])並降低驅動電壓,而聲壓的小與振膜總出平面(Out-of-plane)位移量成正比,為了在縮小振膜的情況下滿足聲壓的需求,需仰賴結構設計以維持聲壓表現。

藍芽揚聲器的設計考量與如何提升音質

藉由微機電技術的優勢,產品的一致性易有突破性進展,使演算法能更精準地完成降噪(Noise Cancellation)。此外,微型揚聲器還有以下設計考量,包含頻率範圍(Frequency Response)、總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)、功耗(Power Consumption),其中頻率範圍會決定聲音的完整度;總諧波失真則為與原始訊號不同訊號;功耗說明單位時間中所消耗的能源,對於 TWS 的使用時數尤其重要。

以方教授實驗室所開發的元件為例,三種不同的微型揚聲器振膜設計包括圖 9 所示之封閉式振膜[22]、圖 10 所示之部分封閉式振膜[22]、以及圖 11 所示之懸臂式振膜[23]。首先是封閉式振膜,振膜四周皆為固定端,且無任何結構縫隙,是最簡易的結構設計且製程簡單,但其性能易受薄膜殘餘應力的影響,致使振膜剛性往往大於原來的設計,高頻聲壓表現較佳。

▲圖9 封閉式振膜[22]。

▲圖10 部分封閉式振膜[22]。

其次是部分封閉式振膜,此振膜透過結構設計,降低平面方向之剛性,除了可提升低頻聲壓,亦得以透過初始形變來釋放部分殘餘應力。部分封閉式振膜的振動模態稱為活塞模態,具有更大的平均出平面位移的優勢,也有文獻提到,相較於封閉式振膜之活塞模態,此設計擁有更好的輸出音質[24]及一致性;最後是懸臂式振膜,此設計由單一或多重懸臂結構組成,與部分封閉式振膜相似,但有一端為自由端,相較於前面兩種,能將殘餘應力完全釋放,其一致性高。

▲圖11 懸臂式振膜[23]。

透過前述多單元揚聲器搭配分頻驅動原理,可利用微機電技術實現將低音喇叭(Woofer)與高音喇叭(Tweeter)放置在同一晶片,拓寬頻寬[23, 25]再透過反向驅動技術,將位於單一晶片的多單元揚聲器聲壓及頻寬最佳化,如圖 12 所示[23]。因此,微機電壓電微型揚聲器結構可透過不同設計,將多單元揚聲器整合於單一晶片,可有效的縮小揚聲器的體積,並透過多單元達到更廣的頻域,且有更快速的機械響應(Mechanical Response)。

換言之,輸入電訊號使結構振動產生聲壓,然後將聲壓傳遞至人們耳朵,過程中機電聲轉換過程,相位延遲(Group Delay)量較低[20]。不僅如此,微機電揚聲器功耗大約為傳統的揚聲器的一半。綜合上述特色,微機電揚聲器讓使用者聽到更完整的聲音、較低的相位延遲、及更長的使用時間,能顯著提升聽覺體驗。

▲圖12 多單元揚聲器搭配分頻器量測結果[23]。

迄今已問市之壓電式微型揚聲器產品仍屈指可數,尚處於萌芽階段,Usound 於 2018 年發表圖 13 之全球首款壓電式微型揚聲器 Ganymede[20],為聲學產業注入活水;xMEMS 於 2020 年發表利用晶圓級微機電製程製作之壓電式 MEMS 微型揚聲器 Montara[21] (圖 14),兼具尺寸優勢與生產效益,提供未來揚聲器市場更多選擇性。

▲圖13 Usound Ganymede [20]。

▲圖14 xMEMS Montara[21]。

微掃描面鏡 – 虛實整合的視覺感受

大約三十年前,德州儀器公司已透過光學投影晶片,為微機電致動器的應用提供了最佳的示範和想像空間[8]。在光通訊蓬勃發展的千禧年前後,以微掃描面鏡為主的光開關[26],更是炙手可熱的關鍵元件。歷經顯示、通訊等產業架構不斷的更新與變革,微掃描面鏡的應用也隨之浮浮沉沉,近年來隨著智慧車輛、元宇宙等新興的應用,微掃描面鏡又再次站上舞台成為焦點,且還伴隨著新興的壓電致動技術,相信在 Technology Push 和 Marketing Pull 的條件下,微掃描面鏡應用會帶給市場全新的光景。

典型的微掃描面鏡如圖 15 所示,主要的微結構包括彈簧、面鏡、和致動器,其操作原理是利用前述之靜電、熱電、電磁、或壓電等微致動器,驅動懸浮的微面鏡和彈簧,然後以特定的頻率進行周期性的往復扭轉。此時,若搭配外接的雷射光源,將光束入射於微面鏡,即可透過往復扭轉的微面鏡,將反射的雷射光點掃描成一維的線條,而更完整的微掃描面鏡結構或系統如圖 16 所示,甚至可將雷射光點掃描成二維的畫面。

▲圖15 典型的微掃描面鏡結構示意圖[43]。

▲圖16 快慢軸微掃描面鏡組合之二維掃描成像示意圖[43]。

一般而言,可以將相關應用簡單區分為:

(1)成像:直接以雷射掃描的畫面作為投影成像的應用,如微型投影機[27]。

(2)感測:以雷射掃描的光點的反射作為感測的應用,如條碼器或光達(LiDAR)[28]。

誠如前面微致動器的說明,由於製程的相容性與成熟度,早期發表的微掃描面鏡,大多均由靜電方式驅動,然而因高驅動電壓、易產生吸附(Pull-in)效應等問題,使得車用電子應用受到限制,不過隨著壓電薄膜技術逐漸成熟與普及,壓電致動的微掃描面鏡提供了車用環境一個關鍵解決方案。

微掃描面鏡的應用—光達

近年來隨著智慧車輛的風潮在全球興起,各大國際知名的半導體廠商陸續關注車用傳感器的開發,其中,光達是透過雷射光來掃描周遭景物的主動遙測技術[29],擁有長感測距離和高影像解析度,加上無論在黑暗環境中、抑或是降雨和起霧等天氣條件下,皆能保持良好的偵測能力,是實現自駕車的關鍵技術。

目前有幾項競爭技術可實現車用光達[30-32],然因應微縮化的趨勢,以微掃描面鏡實現的光達系統逐漸受到重視,相比於採用旋轉馬達來進行雷射光轉向的傳統機械式光達,基於微掃描面鏡的光達系統擁有體積小、耗能少以及成本低的優勢,在車用光達的應用領域中相當具有競爭力。

微掃描面鏡的應用—車用抬頭顯示器

近年來元宇宙的相關議題熱絡,汽車產業在其中的商機,也引起了許多關注,許多車廠嘗試將擴增實境(Augmented Reality, AR)和虛擬實境(Virtual Reality, VR)等技術應用與汽車中,讓駕駛者有更加良好的行車體驗。大眾常使用的車用抬頭顯示器(AR HUD)即是以擴增實境的方式,呈現與外界環境互動的影像,如圖 17 所示[33]。

▲圖17 AR 抬頭顯示器[33]。

把微掃描面鏡作為控制光行進路徑的元件,結合如圖 18 中 RGB 三原色的雷射光,可實現投影成像技術,稱之為雷射掃描成像(Laser Beam Scanning, LBS)[34]。與現有的技術相比,目前的抬頭顯示器多以薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)來呈現影像,雖然技術成熟且成本低廉,可惜其亮度不足,不易在有強環境光的情況下看到影像,而 LBS 技術使用雷射光,所以擁有高亮度的優點,非常適合車用抬頭顯示器的應用,是未來相當看好的技術。

▲圖18 結合 RGB 三原色雷射光的 LBS 成像技術[34]。

微掃描面鏡的三項設計指標——掃描頻率、掃描角度、面鏡尺寸

微掃描面鏡元件可以根據操作的特性,區分為共振式與非共振式驅動[35],以及一維掃描和二維掃描面鏡[36],就應用的角度而言,微掃描面鏡有三項關鍵的設計考量,包含掃描頻率、掃描角度、面鏡尺寸。掃描頻率會決定雷射感測、或成像的像素密集度和更新率;掃描角度則定義了雷射感測的視野範圍、或光學成像的畫面大小;面鏡尺寸則與雷射感測的最遠距離和成像解析度正相關[37]。

微掃描面鏡設計的挑戰,即來自掃描頻率、掃描角度、以及面鏡尺寸等三項設計指標的相互權衡(Trade Off),舉例來說,面鏡尺寸增大時,將提升其轉動慣量,使得掃描角度和共振頻率降低;另外,降低彈簧剛性可提升掃描角度,然而共振頻率卻因此而下降。由此可知,三項指標很難同時達到平衡,需根據應用規格來決定設計的優先順序,因此現存之壓電式致動器,有非常多元的結構設計,如圖 19 所示[38-41]。

▲圖19 現有之壓電致動微掃描面鏡有多元的結構設計[38-41]。

以筆者(方教授)實驗室所開發的掃描面鏡為例,說明其在設計上的考量。圖 20 為以懸臂壓電致動器驅動之微掃描面鏡設計,中央面鏡周圍的四組彎折式致動器為驅動源,隨著驅動電壓的輸入,懸臂末端將產生末端位移,藉此帶動面鏡偏轉。該設計藉由彎折式的懸臂樑結構,延長致動器的等效長度,藉此讓這些致動器能夠在相同驅動條件下,達到更大的末端位移,進一步使面鏡轉動的角度增加。

▲圖20 彎折式致動器之面鏡元件[43]。

圖 21 為另一種微掃描面鏡的設計,該設計運用雙邊對稱的半月形壓電致動器,作為振動能量的產生器,並且藉由繞折狀彈簧設計連接面鏡本體和壓電致動器,將振動能量傳遞於面鏡,使其產生出平面方向扭轉。繞折狀彈簧設計會顯著影響振動能量傳遞的效果,以極端狀況為例,當彈簧設計剛性(Stiffness)太低,意味著彈簧太軟,所有的振動能量會由彈簧自身吸收,彈簧會因而產生很大的形變,但是能量並沒有傳遞到面鏡;當彈簧設計剛性太高,意味著彈簧太硬,面鏡與致動器之間強連接限制了致動器的運動,使其振動效果不佳。

▲圖21 半月型致動器之面鏡元件[43]。

淺談壓電式微掃描面鏡

壓電式微掃描面鏡目前仍處於研發階段,除了機械結構的設計會影響性能表現外,由於微掃描面鏡在應用過程中需要長時間的高頻操作,壓電薄膜可靠度以及穩定性,也是邁向產品化前必須掌握的兩大議題,不少學者針對環境溫溼度以及元件循環測試等條件,進行相關之研究[42],以確保壓電元件在各種條件下皆能穩定操作。整體而言,壓電式微掃描面鏡具有優異的光學掃描特性及市場優勢,近年來各國的產學研界投入研究,也加速了壓電式微掃描面鏡的開發,在智慧車輛以及元宇宙的推波助瀾下,微掃描面鏡找到了一個發揮的舞台,此元件未來是否會大放異彩,讓我們拭目以待。

未來MEMS的發展和期許

透過半導體相關製程實現的微機電系統,已有廣泛的商業應用,也具有重要的戰略價值,延伸我國半導體產業的影響力與競爭力。除了微感測器,微致動器也頗受矚目,尤其是以壓電薄膜製造的微致動器和相關應用,本文介紹了兩項頗具潛力的壓電致動器元件 —— 微型揚聲器與微掃描面鏡,這兩項致動器的應用遍及智慧載具(包括車輛、無人機、搬運車等)、元宇宙等多種新興產業,吸引眾多研究團隊和企業投入,因此陸續有性能優異的元件問世,相關的封裝以及量測技術也越來越完善,希望藉由本文的拋磚引玉,帶動國內產業和人才及早布局相關技術。

今年閎康科技提供方教授團隊 MEMS 壓電感測元件研究上所需之完整分析服務。閎康科技擁有完備的檢測設備與專業技術經驗,能全面滿足電子材料、製程及封裝方面之各種分析檢測需求。

(首圖來源:Shutterstock;圖片及資料來源:閎康科技)

延伸閱讀:

 

參考資料:

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