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應用於無線電接收器與慣性元件表面塗層監測之CMOS-MEMS兩端固定樑式共振開關

為了解決彈簧變軟的問題，作者呂世傳 這樣論述：

本論文利用CMOS-MEMS製程平台，製作兩端固定樑式共振開關。微機電共振開關可應用於感測器接收器中，透過頻率選擇性質以達到濾波的功能，簡化傳統複雜的訊號接收系統。更重要的是，此開關無靜態功耗，適合用於超低功耗的感測器應用。文獻上所發表的共振開關研究皆為使用特殊製程製作，本研究首次以台積電的CMOS製程製作，以達成低成本且具有商業競爭力之元件。此次製作的微機電共振式開關結構為一兩端固定樑，驅動電極位於樑的兩側，輸出電極位於樑的中間。當輸入於驅動電極的交流訊號頻率為樑的自然共振頻率時，樑的位移會有放大的效果，使樑位移最大位置(中間)撞擊輸出電極而測得電訊號，為了避免樑撞擊輸入電極，輸入端位移必

須小於輸出端。若定義樑在輸出電極位移與輸入電極上最大位移的比值為位移增益，亦及共振開關需要大於一的位移增益。當輸入電極長度縮短時，能使位移增益增大，但將付出受力面積變小的代價。此兩端固定樑長為110 μm，寬為4 μm，輸入電極長度為33 μm，位移增益為1.35。自然共振頻率約為2.1 MHz。製程方面，元件透過國家晶片中心下線，取得晶片後，以特殊蝕刻液來釋放元件。兩端固定樑結構為金屬及氧化層堆疊：第一層金屬(METAL1)至第三層金層(METAL3)，氧化層周圍以VIA層柱(鎢)包圍，避免蝕刻液侵蝕內部氧化物。在掃描式電子顯微鏡下可觀察出結構及電極上的VIA層相較於METAL(鋁)層會較凸

出(其原因應為製程缺陷)，形成鎢與鎢的碰撞。晶片在客製化真空腔裡進行量測(10-5 Torr)，使用網路分析儀量測之共振頻率約為2.12 MHz。量測撞擊訊號時，輸入訊號採用掃頻的方式，使輸入頻率慢慢接近其共振頻率，當輸入訊號到達共振頻率時，示波器會採集到輸出端撞擊的脈衝訊號，輸入訊號為66 V的偏壓和3.52 Vamp的交流電壓，樑上的偏壓為4 V，負載電阻為470 Ω，由量測到的電訊號可推得平均功率增益為18.0 dB。然而，有時候可以觀察到輸出碰撞訊號有許多週期出現遺失的現象，原因應該為較硬的電極結構及剛性碰撞材料，在碰撞時產生的squegging effect，使得碰撞不會發生在每次位

移的循環中。另一方面，此樑式共振開關亦可以應用於監測表面塗層的品質。當微機電慣性感測器如加速度計受到一相當大的加速度時，質量塊(Proof mass)容易與擋塊(Stopper)碰撞，當表面黏滯力過大時，彈簧彈性的力無法使質量塊回復到原本位置，此時加速度計將喪失感測功能。然而現今已有非常多研究試圖防止此事件發生，最常見的方法為在結構表面沉積防黏滯層，但如何有效監測表面塗層品質仍為一項待解決的問題，本研究嘗試使用此微機電式共振開關來監測表面塗層之品質，概念來自於原子力顯微鏡(Atomic force microscope)操作在輕碰模式(Tapping mode)，此元件可以嵌入微機電慣性感測元

件中，但相較於原子力顯微鏡，微機電共振開關具有嵌入於慣性感測元件的可能性，即使是封裝元件也能夠做到即時監測。為預測此碰撞行為，本研究使用較適合描述硬質材料碰撞行為的DMT碰撞模型，此模型的運動方程式包含靜電驅動力、吸引力和排斥力，當驅動力足以讓樑碰撞輸出電極時，在頻域上會出現平坦的區域，且曲線的兩側會出現不連續點，然而頻寬長短取決於吸引力與排斥力的大小。舉例來說，鎢與鎢碰撞之Hamaker常數為8.9×10-19，若將其減為5×10-19來模擬，此時頻寬將出現往高頻處增加的現象，可進而判斷出結構表面塗層的狀況。本研究使用FDTS沉積在共振開關表面使表面能降低，導致吸引力減少，此時吸引力無法和排

斥力抗衡，頻寬表現出向高頻處拉寬的現象，實驗結果中，經FDTS沉積過後，頻寬從 增加為 ，因此藉由量測頻寬的大小來監測FDTS塗層之品質。在另一項實驗中，改變元件溫度來觀察頻寬的變化，當溫度從35°C增加為80°C時，頻寬漸漸下降，解釋為當溫度升高時材料變軟，使黏滯力上升。

可調式傾斜磁異向性探討

為了解決彈簧變軟的問題，作者蔡金來 這樣論述：

我們在此研究課題使用L11-CoPt二元合金薄膜(具有垂直異向性的硬磁層)與NiFe薄膜(具有水平形狀異向性的軟磁層)形成的雙層膜結構上，探討磁交互耦合彈簧，並藉由軟磁與硬磁界面交換耦合造成傾斜的磁異向性中，改變界面交換耦合的形式可用來調整軟磁層磁化方向傾斜的程度，形成可調式傾斜角度磁化方向的薄膜系統。在實驗中所使用樣品皆使用磁性濺鍍的方法，並以玻璃為基板加上20奈米厚Pt底層作成。為了掌握此研究課題要點，我們經由對L11-CoPt垂直硬磁層與NiFe軟磁層各自作完整製程與磁性研究，確定可以掌握其各層磁性薄膜特性後，開始進行以下三大方向來進行實驗:(1) 改變NiFe的厚度，但不改變L11-

CoPt的厚度。(2) 改變L11-CoPt的製程溫度，但NiFe的製程溫度都控制在室溫。(3) 在CoPt與NiFe間插入中間非磁性層(Pt或Ru)。從以上三種方法我們證明出，1)可以調控磁矩的傾斜角度從小角度到75度的範圍；2)不同製程溫度的CoPt後與NiFe形成不同的界面交互耦合強度，造成NiFe層的磁矩顯現出不同的傾斜角度；3)透過Pt層除了可以得到急速隨Pt厚度增加變小的界面耦合強度外，NiFe磁傾斜角度很快增加成為顯現水平磁異向性；4)在Ru中可以得到界面耦合強度隨Ru厚度增加造成震盪的結果。磁交互耦合彈簧的研究證明可調式磁矩的L11-CoPt/NiFe雙層膜結構在未來可應用於三

維磁感應器，或是需要傾斜式磁異向性極化層的電子自旋元件。