(科技部)臺拉(lv)立(lt)雙邊協議型擴充加值(add-on) 國際合作研究計畫-使用無鉛鈣鈦壓電材料之壓電式微機電超音波感測器製程之開發與優化(most 109-2923-e-006-002-my3)(2020/01/01-2022/12/31)
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。
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。