物聯網的發展風潮，帶動了感知層中感知技術、辨識技術、控制技術各種需求的增加，感測器種類繁多，動作、聲音、影像、溫度、濕度、氣壓、氣體、紫外線等各式各樣的感測器，空氣品質監測與氣體感測器便屬於其中之一。
2018年法國市調機構Yole Dévelopment預估，2021年氣體感測器市場可成長至9.2億美元的規模，2022年挑戰10億美元(圖1)，其中又以行動裝置與穿戴式裝置的成長幅度最大。
資料來源：Yole Développement(11/2018)
目前市面上的氣體感測器種類繁多，依其偵測的機制跟原理可大致區分為以下幾種：電化學式氣體感測、觸媒燃燒式氣體感測器、光學式氣體感測器、半導體式氣體感測器。其中仍在發展中的半導體式氣體感測器，易於整合於高密度積體電路中，能做到小型化、高效能、低耗能、低成本適合低價量產等優點而備受矚目。
晶圓製程階段確認特性 加速半導體氣體感測器開發
半導體氣體感測器的流程，大致可以為晶圓製作、封裝、測試，如圖2所示，若以一個功能完整的模組為例，我們分析其成本結構可以發現前段晶粒製程約占29%，後段封裝製程占比約28%，感測器功能測試占比21%，其他的電子零件占比則是22%(圖3)。在元件的開發階段，若是每一個實驗或是參數的調整，都必須完成封裝至元件或是模組，除了每一階段製程的材料成本，還必須增加該製程所需要的時間成本，而此時間動輒數週甚至數月，大幅度地增加元件開發的時間；因此若可以在晶圓製程階段確認氣體感測器的特性，等於提供了一種強而有力的工具，讓氣體感測器的開發者可以在晶圓製程階段得到結果的確認，並即時地回饋，讓開發者挑選調整各種方案或參數，有效地縮短開發所需要的時程。
晶圓級半導體式氣體偵測器元件驗證機台，在元件封裝前即以具計量追溯之檢測程序進行元件效能評估，可提早至少1/3的製程製作時間，得知元件的特性，大幅縮短研發該氣體偵測器元件所需要的時間；若能搭配實驗計畫的設計，將材料、圖案，或結構等參數的變化整合於單一晶圓上，則縮短研發的時間幅度，更能達到倍數以上。若將此機台設置於生產線，不但可以避免讓不良的晶粒進入封裝與測試製程線，造成無效成本的浪費，更可能提早發現不良或不穩定的晶粒產出，讓產線人員得以及時矯正，避免產出更大規模的瑕疵產品，進而降低生產成本，增加產品競爭力。
金屬氧化物半導體式氣體感測器需在一定的工作溫度(200℃~400℃)下使用，其感測原理則因半導體氧化物表面的導電率會因為氣體吸附而發生變化(氧化或還原)，達到偵測有害氣體目的。根據其工作原理可知若需在元件封裝前即確認氣體感測器的特性，則此點測設備至少需具備以下不可或缺之基本功能：(1)可通入特定目標氣體濃度，(2)具備晶圓加熱功能，使感測器晶片達到工作溫度；(3)精密點測控制電路，量測微小電流與電壓變化。然而為了達到晶圓級氣體感測器高效能點測系統，本設備更具備了自動光學對位系統、線陣列探針點測裝置、氣體濃度調整與吸附劑篩選裝置。根據以上需求所開發出之晶圓級氣體感測器高效能點測系統與各部說明如圖4。
自動光學對位系統主要由兩組光機取像模組、調校滑台與機構及對位解算軟體等所構成，以提供線陣列探針點測裝置之調校對準及以定位Keys(晶圓上對位用之十字標)進行晶圓的精確定位，以及解算兩光機取像模組與線陣列探針點測裝置和晶圓之間的幾何關係與調校參數，量測畫面如圖5，並建立晶圓之座標系統與地圖(Wafer Map)，以執行線陣列探針點測裝置之定位調校及感測器晶粒之電性點測，並連結原來的晶圓地圖屬性資料(Attributes)，以利於取得晶圓的基本資訊及更新點測結果資料到晶圓地圖資料中。
圖6為整合自動光學對位系統與高效能進氣腔裝置之點測架構之實體圖，此架構設計亦為本量測系統設備之重要核心技術，可使得系統設備具有操作簡單及備便時間短等優良的操作性。
本設備標準氣體供應系統為利用流量控制器配合背景氣體(N2+20%O2)氣體調整標準氣體濃度，以單一標準濃度氣體稀釋出各種欲量測之濃度，其方法以1000sccm流量控制器背景氣體流量，標準氣體可配合欲稀釋比例選擇以1000、500或10sccm流量控制器控制通入腔體流量，以此方式可以調整標準氣體濃度由原濃度調整至1%，1%以下則改以10sccm流量控制器控制標準氣體流量，最小可調整至0.0002%原濃度，若原標準氣體濃度為2000ppm，則最小可將濃度調整至0.4ppm，即可稀釋為原濃度1/5000。
感測器受其他物質干擾易造成量測失準
在工業或民生的應用上，感測器若是受同一環境中其他物質之干擾時，除了使量測值誤差過大，更常造成誤判的困擾；例如酒測，藉由氣體感測器偵測人體呼氣中的特定氣體濃度時，這項技術面臨到的問題大致上可分為兩個：一為選擇性，所檢測的特定氣體濃度，可能會受到呼吸中其他氣體的影響，導致檢測的結果出現誤差；二則為濕度，由於檢測是透過呼吸中的氣體成分，而呼氣中有相當高的水氣含量，所以在檢測的過程中可能會受到水氣的干擾，而影響檢測的準確度。又例如，慢性肝炎患者的呼氣中除了有氨氣外，尚有丙酮、氧氣、二氧化碳及水氣等，會對感測器造成訊號干擾。因此，在氣體進入腔體前設計一吸附劑容器，可於量測時選擇是否通過吸附劑，藉此可篩選有效之吸附劑材料。
根據計畫規格需求，選定以懸臂式探針卡作為本計畫使用的探針卡，如圖7所示，懸臂式探針卡又稱環氧樹酯式(Epoxy Probe Card)約在60年代由Rucker與Kolls所發展設計出來的，優點：價格低廉、製造時間較短、清針容易、裝配和修理起來較容易。
由於待測晶圓須要加熱至200℃，探針卡待測環境高溫，為了避免探針卡印刷電路板(Printed circuit board, PCB)板因受熱而形變，結構加強環增加結構強度，選用圖8之公版PCB，60pin走線左右各走30條線，末端排Pin將與電路PCB板對接，完成之60pin懸臂式探針卡實體圖如圖9所示，10die 60pin懸臂式探針卡待測元件(Devices Under Test, DUT)分布與探針針尖顯微鏡局部放大圖分別如圖10、圖11所示，針尖直徑量測為直徑範圍落在17.5~18.75μm，針點z軸水平位置落在+/-2.5μm，x-y平面位置落在+/-5μm。
點測控制電路模組提供多種檢測電源訊號
點測控制電路模組主要工作為提供感測器晶粒多種檢測電源訊號，並量取、紀錄其對應電性特徵，以作為判斷晶粒品質好壞的參考依據。點測控制電路板直接以商規排針與母座，和上方的探針卡模組對接，透過排針與探針串接方式，將驅動訊號分別傳送至每個晶片輸入電極；除此之外，點測控制電路亦利用其他組探針探測晶粒輸出電氣特徵，經由訊號處理電路將此類比訊號，轉換成數位形式，再傳回主控電腦繪製關係曲線，以代表每顆晶粒原始電性特徵。依照現階段檢測需求，點測控制電路模組共配置10組相同的檢測電路，可同時點測10顆感測器晶粒，縮減每片晶圓檢測時間。每組檢測電路包含：-10V~+10V可程式設定電壓輸出源、20mA定電流輸出源、精密電流感測電路、以及迴路壓降量測電路。其中輸出點測電壓部分，可根據需求自行以程式控制方式，準確設定-10V~+10V之間的電壓值輸出予晶粒，其最小調整量為±0.1V，最高可支應500mA的電流消耗。檢測電路在輸出驅動電壓同時，利用精密電流感測電路量取迴路中消耗電流，作為晶粒電性特徵之一；此外，檢測電路亦可供給20mA定電流至晶粒另一組電極，再讀取此部分壓降狀態，當作另一項特徵資訊，而其量測精度可分別達到1uA與0.1mV。點測控制電路與探針卡可視不同檢測晶圓型式，設計客製化模組並可輕易置換，以因應多樣化點測需求，增加檢測機台應用彈性。
