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電子元件都硬邦邦沒彈性?輕如羽毛又可揉捏的電子感測器在這裡啦

活躍星系核_96
・2019/06/27 ・1621字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

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  • 作者:蕭其峯、李昊璁、張哲維

在現代生活中,我們的周圍充滿各式各樣的電子元件。根據著名的摩爾定律預測,電子元件的體積會隨著時代的進展越來越小,甚至可以微小化植入人體中。但是電子元件若要在人體上應用,除了體積之外,另外一個重要的考量就是柔軟度。若材質是軟性且無異物感,便十分適合應用於人體等生物醫學之中。而現今的技術,電子裝置不僅可以做到可彈性變形,甚至還可以嵌合到口腔內部囉!

又軟又輕薄的電子感測器

(a)東京大學染谷隆夫等人開發的有機電子薄膜感測器示意圖(b)其輕薄程度可與羽毛相比較(c)可像紙般揉捏摺疊的電子感測器。圖/Kaltenbrunner et al, 2013

這次由東京大學工學系研究科教授染谷隆夫(Takao Someya)等人開發的有機電子薄膜感測器。上圖(a)為這項電子感測器的示意圖,是一個十分具有彈性的薄膜(塑性材料),上面包含12×12個像素的感應器。電子感測器有諸多應用,可以作為壓力(觸覺)感測、溫度感測器,現行市面上的的壓力、溫度感測器都是以堅硬材質製成。

有機電子薄膜感測器的輕薄程度甚至可以媲美羽毛,能用比羽毛更緩慢的速度降落到地面上。並同時具有最小達 2μm的極薄厚度,更早之前的技術僅能將這樣的電子感測器做到厚度 25μm,技術上有許多突破。

上圖(c)即是實際電子感測器揉捏後的照片,經過揉捏仍能正常運作,而這項以前技術中不存在的力學性質,使得利用這項技術生產出來的物件適用範圍更廣。因為具有可任意變形的特性,這個電子感測器可以貼合任意形狀的物體,甚至是貼合人體。不難想像,如果可以貼合人體皮膚,搭配上重量輕盈以及彈性舒適等等優點,這樣的裝置非常適合應用於生物醫學、運動科學等領域,進行許多監測或調控。

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薄膜電晶體製造技術的突破

薄膜電晶體 (TFT) 的主要材料,相對於傳統電晶體多用矽,這裡主要使用DNTT(一種有機化合物)[註1]圖/Kaltenbrunner et al, 2013
為發揮更大的應用價值,一般希望將薄膜電晶體(thin film transistor ,以下簡稱TFT)製作得越輕薄越好。原先的製程上必須在薄膜電晶體上多鋪一層「平坦化膜」讓粗糙的基板變得光滑,因為電介質的厚度是奈米尺度,如果表面過度粗糙易影響薄膜電晶體在製程上的成長,然而塗上「平滑化膜」使得整體厚度加厚了。

比起舊技術來說,新技術省略了「平坦化層」,讓這層增加厚度的兇手消失了,厚度得以從 25μm 下降到 2μm。然而,要讓電子元件做到更薄的厚度,其突破關鍵在於直接氧化部分閘極端的鋁金屬作為電介質,因為金屬氧化物會有很乾淨的平坦面,如此一來便可省略平坦化膜。

優秀的材料性質:

  1. 抗折、抗揉捏,折疊半徑(bending radius)小達 5μm,韌性十足
  2. 抗拉伸,承受 233% 的拉伸應變(tensile strain)
  3. 可承受反覆多次的拉伸,經 200 次的拉伸,性質的改變小於 4%
  4. 耐高溫,可達攝氏 170 度
  5. 耐鹽,可以承受生理食鹽水的浸泡長達二週的時間
應用於生物醫學作為人體的健康感測裝置。

這種有機電子薄膜能耐高溫,又可承受生理食鹽水的浸泡。集合上述許多優點特性,包括對不同環境條件的適應能力(例如不同的溫度、鹽分)、超輕薄的體積和質量,且具有韌性的力學性質,還能直接黏貼於待測表面(例如直接黏貼或包裹在人體的肌膚上,進行溫度感測),使得這項電子元件能應用的範圍十分廣泛,諸如生物醫學、健康管控、機器人等等。

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  • 本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告,感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

 

  • 註1:本次介紹的薄膜電晶體主要使用DNTT為形成通道(channel)的地方,其他零件的材質如下:閘極(gate):鋁(Al);源極(drain)、汲極(source):金(Au);基板substrate:PEN(一種塑膠);閘極端的電介質:共兩層,鋁的氧化物層和SAM層(單層的磷酸分子)。
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活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 128 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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半導體晶片的微小奇蹟:原子層沉積技術(ALD)
PanSci_96
・2024/09/02 ・1842字 ・閱讀時間約 3 分鐘

在半導體技術的快速進步中,晶片的製造已經達到了前所未有的微小尺度。當今的晶片不僅需要高度集成,還要求每層薄膜的厚度縮小至僅有幾層原子厚。這樣的挑戰驅使半導體產業不斷探索新技術,如環繞式閘極、3D 封裝以及極紫外光(EUV)曝光技術等。

然而,這些技術的成功依賴於一個至關重要的基礎步驟:製作極其薄的材料層,而這正是原子層沉積(ALD)技術的核心所在。

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為什麼需要如此精細的薄膜製程?

半導體製造是一個高度複雜的過程。晶片的每一層都需要精確的材料沉積,以確保其功能和性能。在半導體產業中,即便是台積電這樣的領先企業,也無法單獨完成所有製程。從晶圓到光阻劑、曝光機等材料和設備,都需要來自全球各地的供應商。這樣的龐大產業鏈反映了製造晶片的難度,正如著名科學家石神千空所言,半導體製造猶如「地獄級」的挑戰。

在半導體製程中,微影製程是核心技術之一。微影製程的基本概念是將一層層材料「蓋」在晶圓上,通過沉積、曝光和蝕刻三個步驟,逐步構建出完整的晶片。首先,工程師會在晶圓上製造一層絕緣層,然後進行沉積,添加所需材料(如絕緣體、半導體或金屬層)。接著,塗上一層光阻劑,並通過曝光技術(例如 EUV 極紫外光曝光機)刻出所需圖案。最後,進行蝕刻,去除未被保護的材料,留下圖案。這個過程會重複進行,以構建出複雜的結構。

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薄膜技術的挑戰

在製造薄膜時,選擇合適的技術是至關重要的。薄膜製程大致分為物理和化學兩大類。物理方法包括蒸鍍、濺鍍和分子束磊晶等,而化學方法則有化學氣相沉積(CVD)和化學液相沉積等。在半導體行業中,化學氣相沉積(CVD)是一種常見的薄膜製程技術。CVD 過程中,氫氣、氬氣等載氣將原料氣體帶入反應室,經過化學反應後,材料會在基板上沉積成膜。

然而,隨著半導體技術的進步,晶片結構變得更加複雜,例如從平面電晶體到現今的 FinFET 鰭式場效電晶體,再到 GAA 環繞式閘極電晶體。這些複雜的結構對薄膜技術提出了更高要求。CVD 在處理這些結構時可能會遇到困難,尤其是在高精度和均勻度方面。這時,原子層沉積(ALD)技術便成為了解決這些問題的關鍵。

隨著晶片技術進步,晶片複雜的結構對薄膜技術有了更高要求。圖/envato

ALD 技術的原理與優勢

原子層沉積(ALD)是一種改進的化學氣相沉積技術,它將沉積過程分為兩個步驟。首先,注入第一前驅物,與基板表面反應。此階段需確保前驅物只與基板產生反應,形成一層原子厚的薄膜。當表面飽和後,注入第二前驅物,與已附著的前驅物反應,形成目標材料,完成薄膜的製程。

例如,製作氧化鋅薄膜時,第一前驅物是二乙基鋅。二乙基鋅在基板上反應後,會形成一層單分子厚的二乙基鋅。隨後,用氬氣沖洗掉多餘的前驅物,再通入水,水與二乙基鋅反應,生成氧化鋅。這樣的過程能確保薄膜的厚度均勻且精確。

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ALD 技術的主要優勢在於其能夠精確控制薄膜的厚度,即使在非常複雜的結構中,也能確保每一層薄膜達到預期的厚度。這使得 ALD 在製造先進的半導體元件中具有不可替代的地位。

ALD 的未來與 ASM 的角色

ALD 技術自 1977 年由芬蘭材料學家圖奧莫.松托拉開發以來,已經歷經了近 50 年的發展。1999 年,松托拉將 ALD 技術出售給荷蘭半導體設備公司 ASM,這使得 ALD 技術得以在 ASM 的支持下持續進步。ASM 目前在 ALD 市場中擁有超過 55% 的市場份額,這反映了 ALD 技術的重要性和廣泛應用。

隨著半導體技術的不斷進步,ALD 技術也在不斷演化。除了傳統的 ALD 技術,電漿增強型 ALD(PEALD)也逐漸成為新興技術。PEALD 通過電漿技術來提高反應效率,解決了 ALD 在某些情況下反應率不足的問題。這使得 PEALD 能夠更好地應對複雜的薄膜製程需求。

原子層沉積技術(ALD)在半導體製程中扮演了至關重要的角色。隨著技術的不斷進步,ALD 技術已經能夠應對更加複雜的製程要求。ASM 作為 ALD 技術的領導者,不斷推動技術創新,以維持在半導體產業中的領先地位。面對未來,ALD 技術必將繼續發揮重要作用,推動半導體技術向更高的精度和性能邁進。

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從真空管到晶片:科技革命的關鍵里程碑
數感實驗室_96
・2024/05/25 ・670字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

奇幻故事中常見的魔法石可以輸出源源不絕的能量,其實在現實生活中的 20 世紀末期,人類真的發明了魔法石!

想像一下,手機開啟視訊,可以看到遠方的景色和親友,這不就像遙視、千里眼嗎?或者問 AI 上網查資料,就像內建大賢者。連開手電筒都像是探索地底迷宮的照明法術一樣!這些譬喻讓我們意識到,許多看似理所當然的科技實際上就像魔法一樣神奇。

晶片的原理

晶片進行的是邏輯運算,就像我們做的數學計算一樣。它裡面有許多微小的電子元件,類似於樂高積木一樣,用來進行各種運算。過去的電子元件是大型真空管,後來發明了電晶體,但仍需大量使用。直到有人提出了積體電路的概念,將許多電晶體整合在一起,這才開啟了晶片時代。

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從真空管到奈米晶片,科技的進步無所不在。現代的魔法石就是這些晶片,它代表著工程師的智慧和創造力。科技或許是一種新型的魔法,由無數工程師代代相傳,用理性和創意塑造出來。所以,現代的魔法並非來自大自然或神秘的力量,而是來自人類的智慧和努力。

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更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab的 youtube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/