微電機架構（Micro-Electrical Mechanical Structure；MEMS）的壓力感測器的應用十分廣泛。包括電器類製品、醫療以及汽車工業等方面都可以見到它的蹤影。在電器類製品方面，它可以用在水位偵測（例如洗衣機或洗碗機），或是真空吸塵器的壓力偵測上。在汽車工業方面，偵測歧管絕對壓力（manifold absolute pressure；MAP）、或是胎壓偵測（tire pressure monitoring；TPM）等等，都是常見的應用。醫療應用則包括血壓監測、子宮內壓監測，以及防止睡眠時呼吸中斷的裝置等。其它類的應用還包括空調流通偵測 （heating、ventilation、air conditioning、HVAC）、高度計及晴雨計等等。

由於壓力感測器的用途甚為廣泛，因此它適用的媒介以及可靠度便成了人們最關注的範疇。大多數的應用都要求感測器必須在嚴苛的環境裡維持長時間運作（例如汽車零件就必須維持至少十年以上的壽命）。雖然這些裝置應在潔淨乾燥的空氣中運作，然而大多數實際的應用多少都會暴露在較差的環境下，例如潮濕的環境。要在壓力感測器市場上佔有一席之地，就必須提供絕對可靠的裝置。由於MEMS的架構會直接接觸量測環境，因此壓力感測器對於可靠度的要求又更為嚴格。這對封裝技術帶來了更大的挑戰。本文也會針對封裝的部分做探討。

裝置結構

感測器概覽

《圖一　簡化的線路圖》

本文所研討的MEMS壓力感測器都是以大型微機械式的壓阻式感測器（bulk micromachined piezoresistive transducer；PRT）來操作。(圖一)顯示如何在一片彈性微機電瓣膜之上，依惠斯頓電橋方式排列四組壓阻式量測器。(圖二)則說明了感測器的結構。

《圖二　絕對大型微機械式的壓阻式感測器》

轉換器的原始輸出（以10毫伏為單位）會直接傳到一個放大器電路，之後產生一個介於0到5伏特之間的電壓。而轉換器和放大器迴路的四週還會加上其它的線路，以便測量裝置壓力，並加上溫度補償功能，如圖一。要加上壓力測量及溫度補償功能，就必需在組裝時以雷射修整CrSiN薄膜電阻的方式來完成。

《圖三　瓣膜上下施加壓力相等時（上半圖）以及上方壓力較高時（下半圖）的示範》

轉換器的職責在於擔任環境的機械特性（即壓力）與電路的電氣特性之間的媒介。(圖三)中的剖面圖便說明了瓣膜在沒有壓力差的情況下（P1＝P2）所顯出的狀態。當壓力差出現時（P1＞P2），便會使得瓣膜變形，導致裝置輸出電壓上升。這種由外在環境與矽晶片產生的機械性互動，便是MEMS與其它半導體技術的不同之處。然而這也是封裝壓力感測器或其它MEMS感測器時，最大的難題：即如何一邊讓感測器能偵測到四週的環境變化、一邊又不讓感測器暴露在可能損害裝置的環境當中。

《圖四　壓力感測器封裝的組合》

封裝

封裝結構係一組預鑄好的開放式中空塑膠封裝，中空的部份銲有矽晶片，如(圖四)所示。晶片會以銲接封裝（winbonded）的方式與四週的柱狀部分結合，再在晶片四週填上凝膠，以防裝置與外界直接接觸。凝膠的低彈性係數有助於把氣壓傳遞給感測裝置。本次實驗會測試兩種凝膠：氟矽凝膠與氟碳凝膠。兩者都屬於合成式的熱熔凝膠。

《圖五　雷射修整前後CrSiN電阻的剖面簡圖》

氟矽凝膠係由70％的氟矽化合物與30％的二甲基化合物組成。這種材質的優點在於價格低廉。一般來說，氟碳凝膠比氟矽凝膠更難吸收水氣。但是氟碳凝膠的缺點在於成本較高。凝膠吸收水分的程度對於穩定度的影響甚巨。如果水氣順著凝膠一路接觸到上述易受影響的區域時，便會造成鏽蝕。

可能發生問題的地方

裝置中有一些區域最容易受到濕氣的影響。壓力感測及溫度補償的線路也是可能的故障點。在晶圓製造過程接近尾聲時，感測晶片會塗佈上一層薄薄的氮化物隔離層，以防止鏽蝕或電荷聚集等問題。(圖五)即為此一階段的CrSiN電阻示意圖。在組合CrSiN電阻的過程當中，電阻本身會經過修整，以便分隔給熱補償或壓力感測線路使用。雷射會使得少部分的CrSiN電阻汽化，藉以阻擋電流經過該段電阻。但是由於覆蓋在電阻上的氮化物隔離層也會隨之汽化，因而導致有一部分的CrSiN電阻表面並無隔離層覆蓋。

《圖六　經過雷射修整的CrSiN電阻的光學影像》

(圖六)所顯示的便是經過雷射修整的CrSiN電阻的光學影像。此外，鋁製的銲墊也會變得缺乏隔離保護，可能會和銲線造成短路。一旦裝置暴露在惡劣環境之下，上述所有的暴露點都可能形成鏽蝕。鏽蝕的起因，通常是由於裝置在四週有濕氣時承受電壓或漏電，或是裝置本身在鏽蝕位置上積有靜電之故。在以雷射切割過的電阻上，CrSiN暴露的位置則可能因漏電而產生鏽蝕。這都是由於電阻上的電壓有落差之故。在CrSiN電阻上，雷射切割部位兩側的電壓差可能高達2伏特，如(圖七)。

《圖七　以電壓為電阻位置的函數所作的模擬》

當兩端間有水氣侵入時，就可能形成短路，進而造成鏽蝕。電壓較高的一側可能是侵蝕較嚴重的所在。而電壓較低的一側則可能因陰極效應而不受侵蝕影響。

實驗結果

溼度承受

對於MEMS的可靠度來說，封裝所吸收的水氣量，是一項非常重要的參數。本文所做的第一個實驗，就是要測出感測裝置的封裝凝膠吸收水氣的程度。在實驗時，用兩個鋁製的小杯子，一個裝的是氟矽凝膠、另一個則是氟碳凝膠，在實驗開始前，兩者所盛的凝膠重量都在十公克左右。其中一杯放在攝氏85度、相對溼度85％的環境當中，另一杯則放在攝氏85度、溼度普通的密室內。先前的內部研究顯示，氟矽凝膠在高溫高溼度的環境下會變輕。因此特地另外準備了一份控制組樣品，同樣也放在攝氏85度的環境下；控制組的重量會減少，但不會吸收水氣。

《圖八　凝膠重量隨時間的變化》

(圖八)所顯示的便是凝膠在暴露於潮濕高溫環境下，重量減少的狀況。圖中的箭頭指出潮濕環境下的實驗組與控制組的差異。這種差異係由吸收水氣而造成。(圖九)顯示的是從另一種角度觀察的結果。兩者在經過54小時後吸收的水氣量都呈現增加的趨勢。

《圖九　由於濕氣而導致重量隨時間增加》

以經過24小時後的結果來比較，氟碳凝膠吸收的水氣比重大概只有氟矽凝膠的三分之一。到了54小時後，兩者的差異更增加到4倍之多。因此結論是，氟矽凝膠的吸水性超過氟碳凝膠。

故障分析

把數個以氟矽凝膠封裝的裝置暴露在高度潮濕的環境下，進行故障分析。從(圖十)當中CrSiN電阻的光學影像分析來看，

《圖十　具退色區域的CrSiN電阻》

靠近雷射切割過的區域都有退色現象。退色的區域必定集中在切割後電壓較高的一側。並且會從切割過的邊緣地帶向外側四面擴展。目前已經得知退色區域是因為氧化而引起，並且會在電阻當中形成一條高阻抗路徑。逐漸擴大的氧化區域會讓電阻值上升，連帶影響輸出的準確性。為了進一步了解氧化的特性，我們對兩個電阻樣品進行了穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy；TEM）分析。

以TEM分析時，其中一件實驗組裝置具有退色的電阻區域，另一個控制組裝置則無。接著把圖十中的實驗組裝置拿來，觀察它退色區域的橫剖面。另外也在控制組裝置約略相同的位置做橫剖面觀察。兩者的TEM分析結果均顯示在(圖十一)當中。

《圖十一　TEM剖面的控制組（上半圖）與實驗組（下半圖）比較》

經雷射修整過的區域都沒有隔離層和Cr-Si-N層的存在。（注意樣品中已經加上了好幾層其它物質，以便進行橫剖面處理。）每一層都可以由平行式電子能損儀（parallel electron energy loss spectroscopy；PEELS）或是X射線能譜分析儀（energy dispersive x-ray spectroscopy；EDS）加以辨識。

實驗組的裝置顯示，退色的CrSiN區域已變成顏色較淺的部分。光譜分析指出，顏色較淺的部分就是已經氧化的CrSiN。控制組的CrSiN層則看不到氧化現象。

壓力測試

接下來測試的是在高張力加速測試（Highly Accelerated Stress Test；HAST）中，氟矽凝膠和氟碳凝膠的差異。此處的觀點，在於觀察氟碳凝膠是否更為穩定、以及穩定性提昇的程度。早先的理論指出，故障過程均肇始於晶片上有受腐蝕的電阻，該電阻表面原本有隔離層被覆，隨後隔離層因雷射修整而被破壞。控制組裝置則以一群沒有任何凝膠被覆的裝置組成。

三群測試裝置，每一群均包含30個裝置，表一顯示各組的規格及測試結果。

所有測試群均接受了張力加速測試（HAST）。測試條件是攝氏130度、相對溼度85％、33PSIG、5伏特偏壓。所有裝置在測試前均已檢查過，並記錄其偏移電壓。在96小時的HAST測試當中，所有參與測試的裝置都是每隔24小時取出一次，以便進行額外的電氣特性測量。偏移電壓與起始值間的差異（delta）都是每隔24小時計算一次。所有的結果都顯示在(圖十二)當中。其中氟碳測試組的讀數始終保持一致。而氟矽測試組的結果則和無凝膠的一組相仿。證明在相同狀況下，氟碳凝膠的表現勝過氟矽凝膠。

《圖十二　HAST測試之結果（單位為與起始值間的delta mV）》

結論

經過雷射修整的CrSiN電阻必須要與濕氣隔離，才能防止鏽蝕和隨之而來的故障現象。壓力感測器採用氟矽凝膠，可作為矽晶片與週遭環境之間的緩衝。眾所週知，凝膠會使得部分濕氣入侵到晶片當中。本文則已經證明，在高溼度的環境下，氟碳凝膠可以為MEMS壓力感測器提供更佳的可靠度。

（作者均任職於Freescale飛思卡爾半導體美國亞利桑那州鳳凰城Tempe辦公室）

＜參考資料：本文所引用的數據，係以飛思卡爾半導體所製造的4kPa MEMS壓力差偵測計測試而得，該偵測計內含單晶片訊號放大器、壓力量測線路，並具備溫度補償特性。＞

延 伸 閱 讀	未來智慧手機的電源管理技術 MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面：（1）設計與仿真技術；（2）材料與加工技術（3） 封裝與裝配技術；（4）測量與測試技術；（5）集成與系統相關介紹請見「 MEMS簡介」一文。 目前一項引起廣泛重視的器件製造技術是MEMS（微電子機械系統）技術。MEMS技術目前在光纖網路中發揮極大的作用，特別是這一技術在提高元件規模和光纖網路的可管理性方面的潛力。你可在「 MEMS元件將在光纖網路的發展中至關重要的作用 」一文中得到進一步的介紹。 對於想知道「MEMS到底為何物」的技術人員來說，從事MEMS研究的最初障礙就是「術語」。從特殊工藝術語，到最新的應用術語，範圍很廣。在「 MEMS是「產業之米」？還是？」一文為你做了相關的評析。

市場動態

經過三年的研發，晶圓代工廠臺積電（TSMC）表示，將IC製造工藝與微機電系統（MEMS）相融合的努力將可在2006年開始有所成效。相關介紹請見「臺積電承諾2006年推出MEMS平臺」一文。 電子所與菱生精密簽約，合作微型高傳真麥克風封裝技術開發。這項獲得經濟部技術處支持的專案，預計投入近七千萬元的研發經費，開發高品質、低成本的微機電（MEMS）麥克風及其相關技術，期能在輕薄精巧的3C電子產品快速成長之際，適時切入關鍵的超微小型麥克風市場並佔有一席之地。你可在「 工研院與菱生精密合作開發MEMS麥克風封裝技術」一文中得到進一步的介紹。 近年來許多大型公司都將微機電系統（MEMS）部門分拆出來組建成獨立的公司，感測器供應商德國羅伯特博世（Robert Bosch GmbH）也加入其中，成立了一家專注於MEMS業務的子公司Bosch Sensortec。在「 博世分拆MEMS部門，瞄準醫療與消費類應用」一文為你做了相關的評析。