提高MEMS電聲元件精準度　非接觸式量測技術萌芽

以電聲元件為例，微機電系統(MEMS)麥克風與微型揚聲器之製程已如火如荼進行，然而兩者之聲音/語音品質，是否能達到更佳的特性與品質，在設計時，除電訊測試部分必須經過聲音振動測試，品管過程中也必須通過嚴格之聲音測試。

接觸式量測難以確認動態特性

微機電系統之定義為一個微小化的智慧型系統，包含感測、處理或致動的功能，是一種結合光、機、電、材、控制、物理、生醫、化學等多重技術領域之整合型與微小化系統製造技術。  

目前普遍的微機電系統量測技術分為接觸式與非接觸式兩種。接觸式包括原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)、掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)和穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)等。但掃描式電子顯微鏡所使用的試件必須是導電體，而非導體如礦物、聚合物等須真空蒸鍍處理，鍍上一層導電性良好之金屬膜或碳膜，再作觀察。生物及醫學的試件則須先作脫水乾燥處理，或利用液態氮作冷凍處理，然後再蒸鍍。  

如果是要準備穿透式電子顯微鏡的試片，其厚度尚有100奈米之限制。而這些電子顯微鏡的量測結果，雖然有比例尺可供判斷長度、距離，但是二維的平面影像，對於三維的幾何形狀如斜面結構、高低差的試片，並不能精準比對出數據，而且還有主觀的人為判斷因素。對於要求精準的微機電系統而言，無法得到這些實際的數據，就不能對本身的技術做正確的評估。  

再者，除了上述限制之外，電子顯微鏡能提供的只有靜態的幾何參數資料，對於其運動的情形並不可知。最終結果與設計不同的原因究竟是因為斷路或是設計錯誤並無法得知。而且在微機電系統的研發及設計過程中，最令工程人員困擾的，莫過於微結構的動態特性和傳統結構有根本上的差異。因此，對於微結構動態特性的確認，就成為接觸式量測方式之另一個極限，而若採用非接觸式雷射都卜勒(Doppler)技術，則可以光學方式彌補接觸式量測方式之種種缺陷，精確量出微結構靜態和動態之特性。

雷射都卜勒結合多項技術優勢

就目前已問世的非接觸式雷射都卜勒設備 來看，其同時整合三種測試技術於同一平台 上，分別是掃描白光干涉儀(White Light Interferometry)，特別適合靜態高解析度物件表面輪廓特徵(Topography)、雷射都卜勒振動計(Laser Doppler Vibrometry)，針對即時的微結構離平面振動特性量測(Out-of-plane Vibrations)及閃頻顯微照相術(Stroboscopic Video Microscopy)，針對入平面振動(In-plane Vibrations)特性進行量測。  

當將微機電設計與測試循環整合為一後，微結構系統分析儀能量測並提供精確的3D動態與靜態響應資料，如此能增加裝置性能，藉由縮短設計週期減少嘗試錯誤法(Trial and Error)過程以降低開發與製造成本，並增加產能。另外，傳統標準的微系統電性測試對於封裝與未封裝裝置極為重要。  

‧	白光干涉技術原理
	利用白光干涉技術與干涉式顯微物鏡，可以得到精度在奈米等級的高解析度X-Y-Z圖像，粗糙度、高低差、角度、斜率、水平與垂直距離等資訊也能得到(圖1)。且光學非接觸式的技術不會對物件造成破壞。 圖1　白光干涉架構與結果

‧	雷射都卜勒技術原理
	雙頻(Heterodyne)雷射干涉儀構造如圖2，將發出的雷射光用分光鏡分成兩道雷射，一道光不受改變稱之為參考光(Reference Beam)，另一道光經待測物反射稱之為量測光(Measurement Beam)，最後將此兩道光疊加在一起。當兩道光同相，則形成相長干涉(亮)；而兩道光反相，則形成相消干涉(暗)。 依據此干涉的結果，就能推算出待測物的振動速度。利用這樣的雷射量測技術，可以量測到的頻率範圍從0～20MHz、振動速度則從每秒50奈米～30公尺、位移量1pm～10公尺、加速度自10-8～107g不等。 由於光屬於電磁波並遵守波動特性，因此雷射輸出的光波可想像是一道正弦波，其波長約632.8奈米，且雷射光波具有波長精準，足以精確量測；波長短，足以高分辨率量測；與全部波皆同相，產生干涉等三個重要特性。光的波長、速度和頻率的關係式如下： 將雷射光的波長(632.8nm)代入則變為：

‧	閃頻顯微照相技術原理
	利用閃頻照相(圖3)，對振動物件的不同相位作取相動作，再將這些靜態影像組合起來，便能夠還原物件在特定頻率下的運動行為。利用專屬的演算法同時得到系統共振頻率、暫態響應(Transient Response)、相位變化(Phase Variation)、位移、波德圖(Bode Plot)與其他分析資料。 圖3　不同相位閃頻照相原理圖 將雷射都卜勒與閃頻技術結合，可以高靈敏度雷射都卜勒技術快速地找出系統所有振動頻率，再利用閃頻顯微技術進一步得到更精確的平面振動的振幅大小(Amplitude)與相位資訊。

雷射都卜勒適用於電聲元件

隨著微機電系統麥克風的當紅，相關非接觸式量測技術已經可以大幅應用於電聲元件領域上，以下針對相關實際案例進行說明。  

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新式揚聲器

有著獨特聽覺與視覺特徵的新式揚聲器(Balanced Mode Radiator, BMR)(圖4)是一種新的揚聲器設計方式。為了提供適當的聆聽保真度，必須嚴格地要求控制薄膜特性。而非接觸式掃描式振動儀能在不接觸與無加載的情況下，在動作中進行量測，並成功加速新品的研發與製造。 圖4　新式揚聲器 相較傳統以圓錐狀薄膜為基礎的電動力學喇叭，新式揚聲器最大的不同在於使用懸掛的圓盤當作是輻射薄膜版。而乾淨外表和平坦表面的特色，不僅有著獨特聲音特性，也考慮到創新工業設計的理念。在聽覺上，新式揚聲器被設計能涵蓋人類耳朵可以聽到的頻率範圍。在特徵模態的頻率上，其運動型態就像是彎曲的波浪，對聲音上的表現來說，膜版的質量密度、彎曲剛性、阻泥跟剪力都是重要參數。 考慮到消費市場的成本因素，新式揚聲器的設計在德國，而大部分的元件則在中國大陸製造。在產品發展階段，所有的元件都在中國製造，在德國組裝、測試。 每個元件的形狀與材質都不斷修改，直到達到令人滿意的成果。這個也被稱為黃金樣本(Golden Sample)的黃金標準(Golden Standard)，常被當作建立生產線時的參考。 為了通過認可，稱之為釋出樣本(Release Sample)的最初原型被送回德國驗證。雖然兩者的元件都是按照相同的規格製造，但是釋出樣本比黃金標準少了些聲音的清晰度。 為了解差異的原因，可以量測頻率響應(On-axis)(圖5)。在18kHz以上，釋出樣本較黃金標準大聲，也就是聲音比較清晰。但此結果常與主觀的判斷相反，需要更深入的測試。 圖5 頻率響應圖示 接下來使用掃描式振動儀作振動分析，能夠快速地得到平均速度與平均加速度的資料。圖6中，加速度頻譜在上，速度頻譜在下。聲壓量測最明顯的差別發生在7k～12kHz的範圍，與12k～18kHz的範圍相反。在頻率範圍(7k～12kHz)的差異，比較可能成為判斷聲音是清晰還是模糊。在兩個平均頻譜下，較清晰的黃金標準都有較高的值，證實了上述的主觀判斷結果其實正確無誤。 圖6 平均加速度(上)與平均速度(下)之頻譜圖 圖7再比較在10kHz下的工作振形(Operational Deflection Shapes, ODS)，很明顯的，釋出樣本有著圓形對稱的彎曲模式，而黃金標準的旋轉對稱結構破壞了圓形對稱，且後者的新式揚聲器膜版有較小的材料等向彎曲剛性。 圖7 10kHz下之工作振形 從以上測試可以看出，若採用非接觸式掃描式振動儀作結構響應，將能鑑定與描述喇叭的動態材料特性、澄清先前相互矛盾的初步音壓(SPL)量測和聽覺測試，還能避免因嘗試錯誤而省下來的寶貴研發時間。

‧	薄膜壓力感測器
	薄膜壓力感測器(圖8)藉由暫時、可回覆的機械結構之改變來偵測壓力，基本結構包含不到1毫米的薄膜和矽基蝕刻電路，不僅成本低也符合汽車的大量應用。在封裝步驟之前就可挑出有問題的薄膜，省卻接下來的組裝，可增加良率並降低成本。 圖8　薄膜壓力感測器

‧	喇叭薄膜
	一個好的喇叭薄膜設計，除了動態的運動型式外，薄膜上的花紋也是一個重點。花紋的排列方式、樣式、形狀都與薄膜的材料特性如密度、剛性、阻尼等對薄膜動態行為有相互牽連的關係。除了動態的行為之外，其他的參數都能精準的控制。薄膜的運動情形必須要有新技術來讓工程人員得以掌握。 考慮到薄膜特性與設備朝向輕薄短小的發展趨勢來看，非接觸式光學量測技術是一個可行的方法。如圖9，利用雷射都卜勒與白光干涉技術，分別能求得薄膜的動態行為與靜態的幾何形狀。 圖9　薄膜動態行為與靜態的幾何形狀 從前文可以看出，非接觸式量測技術可在微機電系統麥克風與微型揚聲器產品設計過程中量測動態與靜態之特性，未來可將測試結果輸入分析軟體進行模態分析，使得產品最佳化並縮短上市時間。

(本文作者為山衛科技技術總監，並兼任東南科技大學電子工程系助理教授)