高敏感度加速度計用於半導體製造設施的交通與鐵路振動監測

高敏感度加速規有著超高解析度、寬頻帶、抗干擾等優點，在基礎建設中扮演重要的監測角色，而半導體製造由於對於精度有著特別高的需求，因此微振量測也成為半導體廠的測試重點，2002年，譜威科技與Rockwell Automation合作，獲得了台灣高鐵局（BOTHSR）的合同，設計並建造了一個系統，用於監測台灣高鐵沿線的振動、噪音及相關環境參數。該系統旨在監測來自（主要是道路和鐵路交通）源頭的振動，這些振動可能影響到半導體製造廠，從而保護晶片生產的質量，此系統於2011年量測到日本東京311大地震的地震訊號。

本文取自PCB Pizotronic 白皮書

 "High Sensitivity Accelerometers to Monitor Traffic and Railroad Vibration for Semiconductor Manufacturing Facilities"

 Written By Edward Lin, Prowave Engineering, Taiwan Carmine Salzano, PCB Piezotronics Inc., Depew, USA 

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晶片層上的圖案以數十納米為單位進行測量，而導致製造錯誤的振動非常微小（在百萬分之一g的範圍內）。常規用於製程監測的加速度計無法測量這些可能危及半導體質量的微小偏移。幸運的是，高靈敏度加速度計（通常用於測量地震和低頻振動）能夠在納米尺度上進行偏移測量。

根據特定應用需求，加速度計可能需要定制化。需求包括：  

• 低排氣：防止微小顆粒影響半導體生產質量，並符合任何嚴格要求進行測試。  

• 特殊連接器和電纜

• 氣密性：PCB地震加速度計已具備這一特性，因其採用激光焊接技術。  

壓電加速度計在滿足半導體製造過程中嚴苛的振動監測需求方面具有獨特的優勢。憑藉其低噪音和高靈敏度特性，它們能夠測量低幅振動事件，例如來自附近的民用活動甚至地震活動。  

圖2：高靈敏度ICP®加速度計的應用 - 低頻與地震

高敏感度加速度計

高靈敏度IEPE加速度計專為檢測與大型結構、地基及地震相關的超低頻振動而設計。這些傳感器通常具有卓越的測量解析度，這得益於其較大的尺寸，能夠提供相對較大的輸出信號和更低的噪音底限。它們採用鈦或不銹鋼密封外殼，具有氣密性。一些型號配備了軍用風格的2針連接器，提供了額外的電氣隔離，以實現更佳的射頻（RF）和電磁干擾（EMI）保護。  

高靈敏度加速度計亮點：  

• 解析度低至 1 μg rms（寬帶）。 
• 擴展的低頻測量能力。  
• 氣密封裝設計。  

應用領域：  

• 半導體製造  
• 智慧基礎設施：監測地基穩定性、樓板振動及安全系統。  
• 地震檢測/搖晃疲勞分析  
• 橋樑與地基的結構測試  
• 地質構造研究  

選擇合適的高靈敏度壓電加速度計對於基礎設施結構健康監測（SHM）至關重要。高靈敏度設計具有四項不常見於一般用途IEPE加速度計的獨特特性：靈敏度、感測範圍、頻率範圍和低頻譜噪音。  

 

了解高靈敏度加速規393B31

 高鐵全線監測與半導體製造廠

在台灣，振動監測系統被用於高鐵沿線的四個監測站。該系統能有效識別鐵路和道路交通對半導體製造設施的影響，幫助企業主動管理外部振動因素。2002年，譜威與Rockwell Automation合作，獲得了台灣高鐵局（BOTHSR）的合同，設計並建造了一個系統，用於監測台灣高鐵沿線的振動、噪音及相關環境參數。該系統旨在監測來自（主要是道路和鐵路交通）源頭的振動，這些振動可能影響到半導體製造廠，從而保護晶片生產的質量。

 

圖5：地圖上PCB ICP®傳感器的位置，對應半導體製造場地

圖6：PCB ICP®加速度計安裝於盒內及綠色盒位置

系統設置了四個監測站，分別位於樹林（新北市）、新竹、善化（台南）和橋頭（高雄）。該項目中使用的傳感器類型包括：

• 加速度計：用於監測高速列車通過時的振動。傳感器安裝在地面和地下。所有地面傳感器均為PCB 393B31型號，地下則使用TOKYO SOKUSHIN傳感器。

• 壓力傳感器：使用PCB 106B50型號，測量列車通過隧道時的壓力變化。

• 聲學傳感器：戶外型麥克風，用於測量環境噪音。

• 氣象傳感器：用於測量溫度、濕度、大氣壓力、風速/風向及降雨量。

• 光學傳感器：用於檢測和計算列車速度與方向。

所有數據均被同時且持續地測量，確保不中斷的監測數據記錄。

圖7：PCB 393B31加速度計在Z軸上的典型加速度數據

圖9：PCB 393B31加速度計在X軸上的典型加速度時間歷史數據

圖10：PCB 393B31加速度計在X軸上的典型加速度FFT數據

圖11：由PCB 393B31加速度數據積分得到的X軸典型速度數據

圖12：由PCB 393B31加速度數據積分得到的X軸典型速度時間歷史數據

圖13：由PCB 393B31加速度數據積分得到的X軸典型速度FFT數據

圖8至圖13突出了監測站和PCB加速度計的功能。即使民用基礎設施距離監測站超過100米，該系統仍然能清晰地識別列車經過的情況。當列車經過時，振動水平升高，這一現象可以在加速度和速度數據中清楚地看到。這一信息的詳細程度使終端用戶能夠監控、預測並保護其半導體製程免受附近環境和民用因素的影響。

地震檢測

雖然該測量和監測系統的目的是提供對附近環境和民用事件的時間和振幅的洞察，但該系統在區域地震事件的監測和檢測方面也表現出色。  
由於該系統的連續測量特性，當2011年日本發生大地震時，傳輸到台灣的地震波信號被完整記錄下來。  
2011年東北大地震於日本當地時間14:46發生。在善化監測站，根據光學傳感器的記錄，台灣時間13:50:28和13:56:24分別有一列高速列車通過。大約在台灣時間13:52，一組地震波形被記錄下來。  
根據計算，仙台到善化的距離約為2800公里（S波速度為每秒4公里，傳輸時間約為6分鐘；P波速度為每秒7公里，約為10分鐘）。可以確定，該信號是由日本地震傳輸的地震波。  
 

圖14：顯示地震與測量站相對位置的地圖

圖15：地震的時間歷史圖

結論

壓電傳感器，特別是高靈敏度的IEPE加速度計，已成為半導體製造各階段振動監測的關鍵工具。它們能夠檢測來自鄰近民用基礎設施、環境因素或地震活動的最小振動，對於維持產品質量至關重要。這些傳感器具有低噪音、高靈敏度以及堅固的結構特性，使其在廣泛的頻率範圍內能夠有效捕獲可靠數據。  

當集成到全面的監測系統中，例如台灣高鐵沿線的監測系統，壓電傳感器使半導體製造商能夠主動管理和減輕可能影響生產的外部振動因素。這種主動保護產品質量的方法幫助製造商優化生產流程，減少停工時間，並避免昂貴的生產錯誤。  

除了其在半導體製造中的主要應用外，壓電傳感器在更廣泛的監測領域中也展示了其多功能性。例如，在2011年東北大地震期間，這些傳感器意外地展現了其檢測地震活動的能力。這些傳感器在實際系統中的成功應用突顯了它們在現代工業和環境應用中顯著提升運營效率和安全性的潛力。  
 

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