摘要-

         本研究計畫擬用三年時間，透過設計模擬、製程優化、與量測分析，開發一在空氣中具有高輸出功率之壓電式微型超音波傳感器製程平台，並利用其製作的元件實現超音波觸覺與手勢識別。本計畫第一年將購買利用絕緣層上覆矽技術製造的已有各種大小與形狀之空腔在其內的晶圓，減少因自行製作空腔的製程誤差上導致的時程延宕與人力成本，一開始將先針對基本結構與先進測試結構進行少量的試產，從中汲取經驗同時整合各項製程設備。為提升設計新元件的效率，本計畫將使用有限元素法與數值分析法建立元件的模型，並使用雷射都卜勒、奈米壓痕、光學輪廓、阻抗分析等技術分別量測元件之動態模型、靜態模型、機械特性與電性阻抗。同時，本研究亦將分析現有的使用傳統壓電式超音波傳感器製作之超音波觸覺與手勢辨識系統，了解其聲學特性與工作機制以制定本研究欲開發之元件的規格走向。本計畫第二年將製作更多測試結構並優化流程，特別著重於壓電材料的極化上以獲取最大輸出功率，各種分析模型也將進一步優化並使用不同軟體做比較。在最後一年中，將整理各式製程參數產出標準化流程，並將開發出的元件與多頻道研究用超音波影像系統做整合，展示其在超聲觸覺與超聲手勢辨識上的可應用性。

摘要-

         本計畫“前瞻性無鉛微型壓電式超音波傳感器(PMUT)的開發與優化:從材料走到元件”，將致力於發展新型的無鉛微型壓電式超音波元件平台，不僅是打造創新的應用，並且開創一個環境友善的系統。在此計畫中，我們將探討無鉛材料的製備與合成，材料的應用與優化，薄膜製備於軟性基板，一邊建立無鉛微型壓電式超音波傳感器(PMUT)的初階版本，也同時一邊驗證元件的表現。為了達成計畫目標，本團隊由三個不同國家的小組所構成，利用各個小組的專長互相交流，整合出最佳成果。在台灣的團隊，主要負責壓電材料的應用，製備初版微型壓電式傳感器，以及模擬元件表現驗證的部分；在拉脫維亞的團隊，主要負責無鉛材料的製備，在過往他們有當豐富的經驗，能製備出特性良好的無鉛壓電材料；在立陶宛的團隊，他們目前已經握有成熟的壓電材料分析的技術，是寬能隙介電材料及聲學分析領域的專家。相信在多個團隊的合作之下，將大大提升此無鉛材料元件的發展性。

         本計畫的目標，是打造出一個可以廣泛應用於生醫和其他各種領域的，無鉛材料微型壓電式超音波傳感器。我們藉由多種製備方式，例如:脈衝雷測沉積系統，刮刀徒步系統，創造出元件更多的應用性，相信能完成一個特性卓越的壓電式超音波元件平台。

尚在規劃中

摘要-

         本研究計畫之目的為探討如何使用市售的單頻道超音波傳感器搭配自行設計的聲波掃描鏡製作一用於動物實驗之穿戴式超音波影像系統。預計將使用SolidWorks輔助，自行設計結構，建構出所需要的Acoustic Scanning Mirror主體，再以Phrozen機台3D列印實作，安裝馬達、磁鐵及線圈，製作出精確穩定的系統主體，並使用Labview及Arduino的搭配控制馬達並擷取由微型超音波傳感器得來的資料，將所獲得的資料收集彙整，建立出二維的超音波影像。預計製作出微型化超音波影像裝置，並應用在動物實驗中，除了節省超音波檢測上人員操作的時間，以及降低研究資料擷取的難度與成本的浪費，也讓研究人員得以即時觀察實驗動物最新的超音波影像。

摘要-

         本研究計畫之目的為建構一可簡易操控與編程之超音波全息投影系統，利用超音波傳感器陣列於空氣中產生多個焦點，製造出數個低壓區將聚苯乙烯顆粒懸浮於空中，並使用預設之程式控制各顆粒的懸浮位置與移動方向，並在三維空間中排列成想要的圖案，藉此建立一超音波三維全息投影影像系統。為專注於可行性之探討，將以Ultrahaptics的UHEV1超音波傳感器模組為硬體架構並使用近年來普遍應用於各種虛擬實境遊戲的Unity為開發引擎，預計將能建構一上手快速之三維超音波全息投影平台，提供全息影像系統的新選擇。

摘要-

        在高爐煉鐵生產過程中，操作人員目前須透過測溫桿上的熱電偶進行爐內氣體的溫度分布感測，然而現有之測溫桿需實際伸入爐中，故容易造成料流軌跡的破壞，在佈料時往往能在測溫桿下方觀測到料面凹陷的現象，此現象會導致爐內氣流之分布不均，從而影響煉鋼爐運作之效率，且進料時爐料也有機率撞擊到測溫桿，導致熱電偶之損壞，且測溫桿長度長達五公尺，故更換時常需消耗大量人力與時間，從上面幾點問題，可看出使用測溫桿進行爐內氣體溫度感測與現今智慧化高溫爐的發展方向不符，故需要找尋更佳知替代方案。

         根據上述現有二維測溫方式所遭遇之困境，本計畫預計延續上期計畫之聲波測溫的方式，藉由聲波傳遞速度受介質溫度影像改變之關係，計算爐內氣體溫度，並配合聲波傳感器陣列之使用，在爐內構成數十條聲波路徑之聲波速度，推算出各路徑上氣體之平均聲速，最後在藉由重建演算法的開發，將數十條路徑之聲速轉換為二維之平面氣場溫度分布，提供給現場人員做爐內溫度分布調控之參考。在前案中已能在理想模型下順利重建氣體溫度的二維分布，然而在實際聲波的測溫實驗中仍有些許技術難度尚待軟硬體優的優化來克服，故此期計畫中之工作主要包含：

1)開發不受高溫區域大小與形狀影響之聲速計算演算法。此演算法將能根據系統得到之脈衝回聲訊號正確計算出該路徑之聲速，不被聲速傳遞時因高溫氣場瞬息變化產生之不穩定干涉型態所影響。

2)優化聲波訊號擷取電路，增加訊雜比，使聲波計算演算法有更穩定可靠的資料來源。

3)架設非聲波式二維氣體溫度分布感測系統，以驗證本聲波二維氣體溫度分布感測系統之可靠度。

4)開發能將現有37個熱電偶感產生之數據轉換成二維平面溫度分布之演算法，並根據現場需求設計人機介面程式。

5)進行高爐現有之汽笛脈衝回波系統與上期計畫開發之超音波二維溫度分布感測系統之硬體整合

6)蒐集並分析高爐運作時爐內常見之雜訊，並設計可成功於高爐內環境下接收與發射之聲波傳感器。

7)優化於上期計畫中開發之可在實驗室操作之小型二維超音波陣列平面溫度感測系統，驗證第一項開發之聲速計算演算法對超音波二維平面氣場分布演算法的準確度之提升。

8)優化於上期計畫中開發之可在實驗室操作之小型二維超音波陣列平面溫度感測系統，使其能及時顯示二維氣場溫度之變化，並與第三項開發之二維氣場溫度分布驗證系統做比較以評估其可靠度。

擔任執行秘書

摘要-

         高爐煉鐵生產過程中，操作人員透過測溫桿上的熱電偶進行二維的爐內氣體溫度分布感測，然而由於測溫桿需實際伸入爐內，故會造成料流軌跡的破壞，在佈料時測溫桿下方常可觀測到料面凹陷的現象，使得爐內氣流之分布不均，影響煉鋼爐運作之效率，且進料時爐料會撞擊到測溫桿，故常造成熱電偶之損壞，測溫桿長度約五公尺，故更換需消耗大量人力與時間。

         根據上述現象有二維測溫方式所遭遇之困境，本計畫預計使用超音波測溫方式，藉由聲波傳遞速度受介質溫度影響改變之關係，計算爐內氣體的溫度，並配合超音波陣列之使用，在爐內構成數十條超音波路徑並藉由計算個路徑之聲波速度，推算出各路徑上氣體之平均溫度，最後再藉由重建演算法的開發，將數十條路徑之溫度轉換為二維平面氣場溫度分布，提供給現場人員做爐內溫度分布調控之參考。本案工作主要包含：

1)開發超音波二維平面氣場分布重建演算法。此演算法將根據數十條超音波傳遞路徑量測的結果，運算出各路徑之聲波平均速度，  從而得知各路徑之平均溫度，最後再根據各路徑之溫度計算出各區域之氣體溫度，並繪製平面氣場溫度分布圖形。

2)結合商業化矩陣演算軟體MATLAB以及其聲波傳遞模擬模組K-wave，建立一套二維超音波陣列溫測模擬程式，藉由可編程之超音波探頭數目、超音波探頭位置分配、爐內氣體溫度之分佈等，驗證上述開發之超音波二維平面氣場分佈驗算法的可靠度，其中氣體溫度之分佈除可自行設計外，亦可匯入現有測溫桿之資訊做演算法準確度比對。

3)評估可成功於爐內環境下接收與發射超音波訊號之規格，並協助超音波探頭之安裝與訊號測試。

4)建立一可在實驗室操作之小型二維超音波陣列平面溫度感測系統，驗證第一項開發之超音波二維平面氣場分佈演算法的準確度，並同時開發第三項工作完成後，各超音波探頭的控制電路、硬體介面、以及控制程序之撰寫，並可用以評估於高爐安裝之超音波平面溫度感測系統得穩定度與偵測速度。

摘要-

         本課程「工業物聯網技術於智慧水產養殖之應用」是少數將物聯網、硬體電路設計、深度學習、超音波系統等跨領域技術應用於水產養殖之教材，而且兩個課程模組皆包含三個可以獨立推廣的單元，可以涵蓋不同領域學生的需求，進一步提升教材推廣的機會。兩個模組的推廣亮點及預期成果說明如下：

• 智慧水產養殖物聯網建置與整合 (中山大學資工系鄺獻榮教授)

本課程模組包含跨領域的知識與技術，不僅介紹物聯網、硬體電路設計、深度學習等技術，並透過一系列實作單元，動手建置一個可以協助解決傳統水產養殖問題的智慧水產養殖物聯網系統，適合想要學習物聯網基礎知識、想要學習硬體電路設計、以及想要學習深度學習基礎知識之對象。由於教材涵蓋領域廣泛且可以分為三個部分獨立推廣，可以達到良好的推廣成效。

• 應用於智慧水產養殖之超音波系統與設計實務 (成功大學電機系黃致憲教授)

本課程模組之推廣亮點為國內少數針對水產養殖之超音波系統開發的實驗室，除提供實作單元實際操作的環境外，實驗室之人員將提供開發人員進行新式水產養殖超音波技術開發之諮詢與設備使用指導，實驗室之設備也將提供開發人員做付費(僅針對需定期維護校正之設備)或免費使用。預期每年將能訓練10~15名擁有超音波系統設計與建置能力之工程人員，並開發2~3種創新水產養殖超音波技術。

摘要-

         電阻抗成像(Electrical Impedance Tomography)系統優點為可非侵入式的快速產生出人體內部影像，特別常應用於在活動時阻抗變化明顯的器官如肺臟等，但目前EIT系統能為普遍使用，主要原因為成像準確度與X-Ray、EBT等比較起來尚有些差距。不同EIT系統之硬體部分往往大同小異，然而在訊號的處理與成像上則各有不同，特別是演算法的部分，故本計畫將針對演算法部分進行比較與改善。

         本計畫案之重點為著重在比較各種現有之EIT成像演算法，根據高頻呼吸器對肺部特定區域造成之阻抗變化，針對此區域最佳化成像速度與影像準確度以滿足未來臨床實驗之需求，並藉由分析不同演算法之優劣，找出下一階段自行開發EIT成像演算法之改善方向。本案工作主要包含：

1)參考德國學者Bartłomiej Grychtol 於2014年發表的” Functional Validation and Comparison Framework for EIT Lung Imaging” 中的EIT演算法分類，使用EIDORS 與 Netgen 將量測所得資料在不同的肺部模型與逆問題求解方法下做成像並與實驗之結果做比較。

2)與負責訊號實測部分的負責團隊互相配合，討論需要的量測數據，如不同大小的肺部模擬實驗，二維的電極資料等，目的在於先始可控制且已知變化量的擬真實驗進行成像演算法的準確比對，並針對準確度與成像速度最佳化。

3)將深入探討 : 肺部呼吸時造成的胸腔大小改變導致電極位置與角度產生之變化、高頻呼吸器實驗著重之區域進行肺部模型建立的特化、高頻呼吸器實驗造成之導電率變化模式行逆問題求解方式篩選、以及電極排列與三維肺部影像成像的相關性。

背景與動機-

       在過去的十年中，物聯網（IoT）和人工智能（AI）的蓬勃發展提高了對多功能感測器和致動器的需求，由於微機電系統（MEMS）技術的成熟，最先進的MEMS傳感器主導了感測器/致動器市場，然而，作為全球領先的半導體製造國，台灣的MEMS供應商的市場份額明顯較低，因此台灣應複製半導體和IC設計產業的成功經驗，找尋突破點以啟發MEMS產業的進一步發展。

目前超音波傳感器最常見應用為超音波影像系統，近年來它在診斷成像中如非破壞性影像、深層組織影像與即時影像等發揮重要作用，然而，由壓電材料製成的傳統超音波傳感器的尺寸限制其在物聯網應用中的可行性。

       微型超音波傳感器技術，特別是壓電式微型超音波傳感器（pMUT），由於pMUT是透過壓電材料層驅動懸浮的薄膜振動，具有體積小，與空氣/水的聲阻抗匹配大，驅動電壓低等優點而受到廣泛的關注，微小尺寸和低驅動電壓使其易於嵌入空間狹小的硬體中，低聲阻抗的不匹配可實現更高頻率的應用（> 250KHz），進而帶來更高的解析度。但是，要推動該技術與現有的壓電換能器技術競爭並適用物聯網行業的觀點，例如具有成本效益的大規模生產和可靠的質量，仍然存在一些挑戰。此提案主旨在與TSRI的專家合作，透過培訓NCKU的學生，共同開發可滿足IoT應用要求的可靠pMUT平台。

研究方法-

第一年

在第一年中，將基於PZT，AlN或PVDF的堆疊於二氧化矽形成的薄膜上之結構，構立壓電式微型超音波傳感器（pMUT）平台的原型。pMUT平台的開發將包含三個主要方面:

(1) 壓電材料的極化過程

關於極化過程，pMUT的性能主要受壓電材料的參數所影響，與其他材料相比，PZT具有較大的壓電係數，因此PZT應該是本研究中最有效率之壓電材料且能夠產生最大的輸出聲壓，儘管如此，對於不同的壓電材料，在晶圓上預製膜/後製膜上的極化結果仍然不太清楚。在此計畫中，將對每種壓電材料進行不同極化過程的全面研究，以從根本上進一步了解其機械原理。

(2) 製備薄膜的背蝕刻製程

pMUT的聲學特性主要取決於元件結構層的機械特性，當陣列元件增加到數千個時，用於製備薄膜的背蝕刻製程在響應頻率的一致性及超音波系統的表現上扮演重要角色。在此提案中，將致力於研究可達成高深寬比蝕刻的製程技術及光罩設計，以確保背蝕刻結果與預期設計相符合。

(3) pMUT的模擬模型和有限元素分析

為了預測製備結果並對元件所需規格優化製程參數，將建立與設計之pMUT相同材料層的有限元素分析模型，此模型具有軸對稱性且考慮其電與機械之間的轉換關係，其中pMUT壓電材料的機械特性將利用奈米壓痕機械性質分析儀量測，而壓電電荷常數（d31）則可透過雷射干涉儀量測。

第二年

基於前一年構建的pMUT平台原型，在第二年，將集中在優化製程流程以及制定設計標準上，同時亦將改善pMUT結構以提高性性能:

(1) 背蝕刻製程和極化的可靠性

為了將pMUT應用於不同的物聯網需要一個可靠的平台提供研究人員修改他們的元件設計。

在背蝕刻方面，除空腔外，將進一步研究背蝕刻被技術以製備出溝槽、通孔等不同需求的孔洞；在極化方面，將評估不同條件的極化過程，特別是對整合有所限制的製程，例如，RTA的高溫和PZT中使用的熱極化會限制它與CMOS的製程整合及材料選擇。

(2) 建立pMUT的設計標準

根據測量結果和FEM模型，將進行全面分析以定義pMUT平台的設計標準，透過設計流程，研究能夠快速製造出專門針對特定物聯網要求的pMUT設備。

(3) 優化電源效率的結構

近年，已有研究指出透過改變振動裝置周圍的結構可以調節阻尼係數，為了達到特定物聯網應用所需的聲學特性，優化品質因數的基礎與系統研究是必要課題。

第三年

去年為不同的物聯網應用設計不同的pMUT，今年將量測其特性且透過設計與製程方面進行優化，建立展示系統以提高產業的未來利益，並提出詳細的製程流程及設計標準，且提供未來研究人員如何使用此pMUT平台的指南。

(1) 為不同的物聯網應用製備pMUT元件

根據特定物聯網應用所要求的感測器或致動器，利用此計畫開發的pMUT平台將可製造出多種性能良好的pMUT，並發表這些元件的分類報告以區別表現結果。

(2) 開發展示系統

分別使用上述pMUT元件為不同的IoT應用建立可靠的概念驗證系統。

(3) 分別交付設計和製程協定pMUT平台

將包含設計標準與FEM模型在內之pMUT平台整理建檔

背景與動機-

        最近，物聯網(IoT)的蓬勃發展提升了感測、驅動與成像的需求，由於微機電系統(MEMS)技術的長期發展，MEMS傳感器主導了感測器/致動器的市場，然而，作為全球領先的半導體製造國，台灣對MEMS技術的研究相對較少，因此台灣應複製半導體和IC設計產業的成功經驗，找尋突破點以啟發MEMS產業的進一步發展。

        超音波傳感器已廣泛應用於非破壞醒檢測、指紋辨識、細胞處理和醫學成像中，傳統的超音波傳感器由d33厚度模式塊狀壓電陶瓷製成，其共振頻率直接取決於壓電層厚度，限制了設計的靈活性以及其應用範圍；相反的，壓電式微型超音波傳感器(pMUT)提供了一種替代的方法來製造具有高頻和靈活尺寸的超音波傳感器，此外，pMUT具有功耗低、頻寬高、成本低以及易於製造大型陣列的優點，由於這些優勢，已有研究團隊將PMUT應用於測距、指紋辨識和光聲成像中。

        目前已有多種壓電材料用於製作pMUT，包括聚偏二氟乙烯(PVDF)，鋯鈦酸鉛(PZT)和氮化鋁(AlN)等，由於PZT具有較高的壓電常數，使用PZT陶瓷將顯著提升壓電式MEMS元件的表現，然而，將PZT薄化至50 µm以下與製程整合極具挑戰性，因此製作pMUT中很少使用PZT陶瓷，同時在薄化PZT的過程中，發現了包括孔隙率，碎裂和晶圓級均勻性在內的缺陷，但是，厚度小於10 µm的PZT陶瓷在製造具有特定頻率的微型元件中仍是必須的，尤其是在製備pMUT陣列上更為重要。

        此提案的目標為開發一種新的濺鍍PZT方法，製備出厚度2µm以下且具有極佳壓電特性的PZT，並可應用於pMUT上，與當前的常規塊狀陶瓷PZT或溶膠-凝膠PZT相比，使用濺鍍沉積可以提高可靠性和製程整合性。目前，TSRI的研究員正在與NCKU合作，透過NCKU進行材料分析和元件模型模擬來優化PZT薄膜的特性，本計畫能夠建立一個可靠的pMUT平台，以滿足IoT應用的需求。

研究方法-

        在未來一年中，將建立一個基於濺鍍PZT的壓電式微型超音波傳感器(pMUT)平台，在已有圖案的SOI晶片上建立結構層，pMUT平台的開發包含四個主要方面:

(1) 壓電材料特性分析：

關於壓電特性的表現，pMUT的性能主要受壓電材料的參數所影響，與其他製備方法相比，濺鍍PZT最容易與其他製程整合，因此被認為是製造pMUT最有效的方法，儘管如此，沉積層仍然需要通過不同測量方法進行優化，包括XRD，SEM和PE曲線。在此計畫中，將對濺鍍PZT薄膜進行包括不同方面的全面研究，以從根本上進一步理解機械原理。

(2) 製備薄膜的背蝕刻製程

pMUT的聲學特性主要取決於元件結構層的機械特性，當陣列元件增加到數千個時，用於製備薄膜的背蝕刻製程在響應頻率的一致性及超音波系統的表現上扮演重要角色。在此提案中，將致力於研究可達成高深寬比蝕刻的製程技術及光罩設計，以確保背蝕刻結果與預期設計相符合。

(3) pMUT的模擬模型和有限元素分析

為了預測製備結果並對元件所需規格優化製程參數，將建立與設計之pMUT相同材料層的有限元素分析模型，此模型具有軸對稱性且考慮其電與機械之間的轉換關係，其中pMUT壓電材料的機械特性將利用奈米壓痕機械性質分析儀量測，而壓電電荷常數（d31）則可透過雷射干涉儀量測。

(4) 利用PZT濺鍍技術優化pMUT特性

pMUT的性能與其結構層、半徑和壓電係數的組合具有高度相關，透過將模擬結果和測量及果相互匹配，建立設計流程，以快速評估在不同共振頻率或輸出聲壓下所需的參數。在此計畫中，第一步將嘗試不同的厚度及尺寸來優化PZT濺鍍層的性能，對於具有不同厚度和半徑的PZT層，將評估其機電耦合係數(k31)，接著，將使用模擬模型提出針對特定物聯網應用所需之共振頻率的初步設計，製備出的pMUT將利用LDV和標準麥克風進行特性分析，以修改此平台的聲機械耦合係數，最後，將對所有TSRI用戶建立並開放使用濺鍍PZT及其設計標準的pMUT平台。