(產學)以iot為應用標的之微型超音波傳感器之製程開發與優化(2019)
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
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。