(教育部)應用於智慧水產養殖之超音波系統與設計實務(2019-2020)
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。
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