微电镀控制系统-中央大学机械系-国立中央大学.doc

1. 前言 微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）是目前科技界公認最具發展潛力及前瞻性的研究領域之一[1]。MEMS 須整合機構、電控、光學、化學、精密量測、精密定位等技術，以達到超精密化、極微細化、高密度化等要求。目前在微結構的製造技術上以蝕刻（Ecth）技術、光刻鑄模（LIGA）技術、薄膜（Thin Film）技術和微細機械加工等四種技術為主，前三種方式是以消去材料為主的製程技術，這些技術在製造 2D 或 2.5D 的結構上有比較好的表現，但是對於像針狀物、螺旋線、空心管等 3D 微小元件的製作，則比較困難，此外，這些方法對環境要求較高，還有設備昂貴、加工速度緩慢、使用材料有限等缺點。 有鑑於此，麻省理工學院學者 Ian W. Hunter [2][3]等人於 1996 年所提出的局部微電鍍技術，改以析鍍的方式建立微結構，成功的做出微米、奈米範圍鎳、銅材料的針狀物和螺旋線狀物等微小元件。其有成本低廉、加工快速、可做多樣式產品且全部製程皆可在一般大氣下（Open Air）而不限制於無塵室中執行等優點，十分符合 MEMS 的最終目標，進而將成為一新世代 3D 微結構製程技術。但其微小元件成品外觀，卻有析出物成長速率不均、外表凹凸不平且有鬚狀物包附產生等缺點，其品質和精度還不適合 MEMS 實際的運用，尚有待改良。 為了精進及突破現有的瓶頸，本文建構出微電鍍所須之硬體架構與技術及軟體控制法則，以探究微電鍍成品不良的原因，期望以伺服電鍍電流的方式，改善析出物的品質。 2. 微電鍍控制電路方塊圖 微電鍍控制系統是在原電鍍迴路上串接一個小電阻，透過電流感測器量取電鍍電流，經 A/D 轉換器將類比的電流資訊轉為微處理器可運用的數位資訊，在微處理器中使用條件判斷(rule base)的控制法則，決定馬達是否移動及移動的位移量，控制訊號經 D/A 轉換器由驅動器驅動馬達使電鍍陽極移動。為了方便控制，在電鍍迴路上使用一個電驛(Relay)，以控制電鍍開始及結束。電路控制迴路方塊圖如圖1，各個電路方塊說明如下。 Figure 1. 單軸閉迴伺服電流微動機構之電路方塊圖 2.1. 電流感測器 簡易的電流感測器如下圖： Figure 2. 簡易電流感測器 在原電路迴路上串接一個小電阻 r ，經差動放大器取得電阻兩端的電壓差 △V， 由 i = △V / r 公式，可算出原電路迴路的電流。此差動放大器宜選用儀表放大器(Instrumental Amplifier)，因為儀表放大器具有較大輸入的阻抗，這樣對原來的電路系統影響較小，所得的電流值會接近原電路系統的電流值。 但將以上的電流感測器應用在微電鍍系統，當使用較大的電鍍電壓時，電鍍迴路在短路的瞬間有極大的電流，造成儀表放大器工作失常，甚而導致控制系統當機。探究其原因判定是儀表放大器內部並沒有對輸入端作好隔離，雖然在設計時已提供了較大的輸入阻抗，但是在電鍍短路的瞬間還是讓過多的電流流入晶片中，致使工作失常。 要達到電路的隔離，可選用光偶合器(optocoupler)或稱為光隔離器。光偶合器是將輸入的電流大小轉為發光二極體(LED)發光的強弱，經光二極體(photodiode)感測發光強弱改變其逆向電流，這個過程是透過光作為轉換，可使受檢測電路與檢測電路隔離，以減少受檢測電路的干擾。當輸入電流愈大時，發光二極體愈亮，光二極體的逆向電流愈大，使電晶體的集極飽合電流愈大。由此可將感測電流電路設計如下圖： Figure 3. 光偶合器感測電流電路 圖中限流電阻是在電鍍短路時，限制最大電流以保護光偶合器。電鍍電流愈大，檢出電阻兩端的壓差就愈大，反之亦然，經由實驗，可得到檢出電阻兩端的壓差與電鍍電流的關係。 2.2. A/D 轉換器 前一個階段取得的電壓差是一個類比的訊號，必須經過 A/D 轉換之後，才能給微處理器讀取、計算。 此 A/D 轉換器並不須要很高的轉換速度，只要選取樣頻率可達 1kHz 以上就可以了。如： ADC0804[4] 八位元A/D轉換，轉換時間小於 100uS ，加上轉換控制及資料的讀取時間，取樣頻率約為 10kHz ，就很夠用了。 2.3. 微處理器 A/D 轉換後的數值，再交由微處理器計算得到真正的電流值。依此電流值的大小，再決定微步進馬達的控制訊號。 為求開發上的便利，使用自行開發的 ADSP2101[5] 數位訊號處理介面卡[6]。在設計此卡時已經考慮到了擴充性，將 ADSP 數位訊號處理晶片與 PC 間的資料傳遞設計在母板上，而依不同實驗所須要的電路則由使用者設計在子卡上，子卡藉由兩組 40 PIN 的排線連接母卡，