微機電實驗室研究現況與願景簡介

微機電實驗室(Micro Device Laboratory,MDL)致力於發展跨領域應用的各種微機械系統,包括從設計、製造、封裝乃至於測試。不僅投身於學術上的研究,例如奈米與生醫技術、微系統的機械特性等等,也兼顧了工業上的應用,例如資訊、半導體產業以及各種慣性感測器的研發。截至目前為止,我們已成功開發了:

  • (Ⅰ)四種製程平台與系統的整合。
  • (Ⅱ)薄膜特性檢測與元件測試。
  • (Ⅲ)微光機電平台與慣性感測器的應用。
  • 未來,我們更將努力於將平面製程技術運用於生醫與微機械系統的整合上,期望能做到系統封裝(System in Packaging,SIP)甚而達成系統晶片(System on Chip,SoC)的最終目的。

    我們的研究方向包含了:

  • (Ⅰ)微機械結構
    微機械結構是構成微機電系統的關鍵機械元件之一。由於微加工製程和傳統的機械加工方式不同,使得微機械結構在設計時,受到諸多的限制。因此申請人提出一種設計微機械結構的方法,有系統地設計一些外形較複雜的微機械結構,以及在 (111) 晶片上的微機械結構,使微元件的形狀更多元化。結合力學的原理及製程的特性,設計各種微結構以改善微元件的靜動態機械特性,例如防止微元件受製程產生之殘餘應力的影響而形變的應力釋放及剛性強化結構,或者是改善元件的阻尼係數和支撐剛性

  • (Ⅱ)微致動器
    除了微機械結構外,微致動器是另一個必要的關鍵微機械元件。現已成功地利用不同的製程,開發出多種不同型式的熱致動器以及靜電致動器。這些致動器可進行線性及旋轉運動,也可以進行同平面(in-plane)及出平面(out-of-plane)運動,以克服微元件無法組裝的限制。另外,透過製程和機構設計來增加致動器的出力和



  • 行程,以改善其性能,這些致動器也進一步和微結構整合,衍生出許多微光機元件之應用。


  • (Ⅲ)微製程平台
    微機電技術發展至今已超過 20 年,在這段期間被公認為最能使微機電領域發酵並造成風潮的,非 MUMPs 之共用製程平台技術莫屬。有鑑於此,深深體認到開發共用製程平台技術的重要性。已將上述製造微結構和微致動器的製程,成功地發展為一套簡稱為 MOSBE 的共用製程平台技術,以便整合其他元件形成更複雜且更多功能的微系統。根據相同的理念,也完成了另一套製造高深寬比之厚結構 BELST 製程,並建立共用製程平台技術。近年來更開發出結合過去兩套製程優點之平台,預計可突破許多的製程瓶頸,使微機械結構更多元化。

  • (Ⅳ)微生光機電系統整合
    除了前四項主題外,目前正嘗試著以模組封裝(SIP)或系統單晶片(SOC)的方式完成系統整合。關於封裝部份已有初步成果;關於系統單晶片的部分,已和交大光電所及電控系教授組成研發團隊,利用前述之平台製程開發微光電系統晶片,目前也獲致初步成果。簡言之,現階段正朝微生光機電系統整合的遠程目標邁進,以便擴展研究範疇,特別是微機電領域於生醫及奈米方面的應用。

  • (Ⅴ)微元件的檢測技術由於薄膜材料的尺寸在微米等級,傳統的量測技術無法被用來測試微元件的機械特性,因此如何對微元件進行靜態的受力-形變測試或動態的振動測試,是微機電領域的一項挑戰。利用壓電元件的特性,開發數種不同的高頻激振器,可以產生脈衝或者簡諧的激勵,然後測試元件的動態特性。此外,也利用熱效應和殘餘應力,產生靜力負載,然後測試元件的特性。由於微機械結構材料(薄膜材料)的機械性質,會受到製程的影響而和塊材(bulk material)有很大的差異,為了準確地分析模擬微機電元件的特性,擬量測
  • 薄膜材料機械性質並著手建立相關的資料庫。因此利用前述激振及負載技術,同時開發微機械診斷(diagnostic)結構,然後透過不同的力學原理,成功地建立數種量測薄膜材料機械性質的技術,並將這些技術實際應用於功能性薄膜的特性量測。


    MDL紀元元年(西元1996年)

    西元1996年二月,老師來到清華園,其後,第一代弟子馨華、哲偉、弘毅先後拜入師門。據哲偉口述第一次見到老師的感覺「好像李遠哲!」,於是在舊工一館218室中,明星陣容的微機電系統實驗室於是成立。原是滿地垃圾,大小只有現在實驗室一半左右的舊工一館218室,在經過馨華費力掃除、細細擦拭地板後,開始了篳路藍縷的草創階段;剪貼壁報紙當窗簾,自倉庫搬來塵封已久的桌子得先費三個小時刷洗乾淨,購置第一台電腦(166)馨華還先後出征殺價三次。五月第一台顯微鏡進駐,成為早期大家可以說嘴的設備。

    到了暑假,老師親身督導第一代弟子的學業。每週兩次,幽暗的燈光中師生四人圍坐,尚未購置投影機因而白紙黑字成為傳道授業解惑的媒介。另外,實驗室每週group meeting一次,每人均須報告所研讀的論文,曾經還在吐口水階段的兇悍小公主亦加入meeting陣容。NDL的課程三人快樂單車來去,開學後三人亦連袂遠赴原科系修習基礎光電。「絕不輕言放棄metting」自那時起已是本實驗室好寶寶守則第一條,1997年的寒假即使是宿舍要因春節來臨而中午關閉的那天,晚上的group meeting仍是如期舉行,使得馨華那天在宿舍內哭得老淚縱橫。