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黏土電子玩具! AnnMarie Thomas: Hands-on science with squishy circuits

Scimage
・2011/04/10 ・675字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 468 ・五年級


雖然這時代是電子學時代,不過大部分的朋友可能除了小時候的燈泡實驗,就沒有創造過自己的電路還是裝置了。簡單的電路除了主動元件-像是LED或是馬達等以外,主要是電阻跟電線的接合。不過因為需要焊接或是使用麵包板,對一般人來說並不方便。

這影片介紹了怎麼利用黏土來做電路的方式,黏土其實是一些固體跟液體的混合,可以做的材料其實在廚房都找的到,只要控制成分像是鹽或糖的比例,就可以控制做出來的黏土的導電度,因為黏土的特性很容易跟任何東西疊合或是相接,所以簡單地把一些主動元件插在不同黏土的堆疊上,就可以創造出不同的電阻與線路接合的電子裝置。

雖然是簡單的應用,不過讓電路創造過程可以在自己的手上實現,是很難取代的體會,尤其是可讓小朋友體會這種創造的樂趣。有興趣的朋友可以試看看喔!

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本文原發表於科學影像Scimage

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揭開 GaN 的力量:理解電路拓樸在設計中的重要性
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/08/31 ・2948字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 德州儀器 委託,泛科學企劃執行。

從 IC 之父 Jack Kilby 在德州儀器發明世上第一顆積體電路,到現在已過了 65 年,而這項科技已經成為我們的日常,並且還在不斷進步。德州儀器不僅是積體電路的先驅者,更長期投資氮化鎵 (GaN) 的電源應用,例如資料中心伺服器電源、再生能源、或是小體積的電源供應器等,開發許多獨創的電路結構。在已到來的次世代半導體浪潮中,德州儀器早已站穩了腳步,成為高壓半導體領域的領導者。

氮化鎵作為新材料的崛起,已成為充電領域的新寵,甚至打敗了傳統的矽 (Si) 基充電頭。然而,要充分發揮氮化鎵的潛力,需要量身定制相對應的策略和戰術。

何謂電路拓樸?電路設計要考量什麼?

拓樸電路是氮化鎵最好的後勤部隊,能讓它發揮 100% 的力量。但這個拓樸電路又是什麼呢?

先來談一下比較陌生的名詞「拓樸」。拓樸是幾何學中重要的概念,主要在研究物體在連續變化下時的不變性質。舉個數學家最愛的例子,就是研究如何把一個帶手把的馬克杯變成甜甜圈。這是什麼鬼題目?這就像問炭治郎什麼時候要開 5 檔,八竿子打不著吧?但對數學家來說,這個題目是可能的,因為帶手把的馬克杯和甜甜圈有個共通特徵,就是有一個洞!只要有這個共同特徵,我們確實就可以透過一系列的數學運算,將馬克杯變成甜甜圈。

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在拓樸學中,有一個手把的馬克杯和甜甜圈是相同的。圖/wikimedia

舉例來說,漫威電影中班納博士變身成浩克,如果希望浩克的身上能看得出班納博士的影子,就必須用拓樸學先將班納博士的五官這些「特徵」定位好,製作成大家常看到有如網格的 3D 建模,變身成浩克時才不會整個走鐘(台語),臉部比例亂成一團。沒錯,拓樸解決的,是在兩種形狀間切換時,這些特徵與圖案的比例不會隨便亂跑,成為四不像的東西。

Final product image
用拓樸學先將班納博士的特徵定位好,製作成大家常看到有如網格的 3D 建模。出處:tutsplus

回到我們的氮化鎵電路,難道我們要利用拓樸學,把電路板的形狀變成一個甜甜圈或是浩克嗎?當然不是,這邊指的是用更少的元件、更低的延遲與漏電的設計,把相同功能的電路重新改寫配置。

簡單來說,電路拓樸就像是電路板上的藍圖,告訴我們如何把各種電子元件,比如電阻、電容、電感、電晶體等組織在一起,來完成我們想要的任務。

每種電路拓樸都有它的優點和適用的場合。例如,Buck轉換器可以將輸入的電壓降低,適合用在需要較低電壓的應用上。Boost轉換器則可以提升電壓,適合用在需要較高電壓的應用上。LLC轉換器具有高效率和寬輸入電壓範圍的特性,適合用在需要高效率和靈活性的應用上。PFC(Power Factor Correction)則是一種用來提高電源效率的技術,它可以使輸入電流與電壓同步,減少能量損失等等。

Boost轉換器。出處:德州儀器
Buck轉換器。出處:德州儀器

然而,這些都是以矽為主的拓樸電路,為了充分發揮氮化鎵百分之百的潛力,我們不能僅僅依賴傳統的電路設計方法和拓樸,而是要重新塑造!

GaN+電路拓樸=最強?

那麼,我們要如何重新塑造才能全部發揮 GaN 的實力呢?讓我們以一種常見的電路拓樸—功率因數校正 PFC 為例。

PFC,是電路中的交通指揮,負責將電路中電流與電壓同步,以達到最佳的效率。在電訊號經過漫長電路之後,常常導致輸出的電流與電壓波形出現時間差,不再同步。我們知道功率等於電壓乘以電流,因此兩者好好配合,才能發揮最大效益,如果兩者沒有同步,就會降低整體電路的有效功率。

高功率因數。出處:wikimedia
低功率因數。出處:wikimedia

PFC 功率因數修正電路,現在看到在做的事情,就是讓它們好好同步,降低無謂的能量浪費。目前世界各地許多法規都直接要求在電路中加入 PFC,提升用電效率。

那麼問題來了,同樣是 PFC 電路拓樸,現在我們有兩種設計,下方的圖 1-雙升壓 PFC,跟下方圖 2-圖騰柱 PFC。

圖 1、雙升壓 PFC。出處:德州儀器
圖 2、無橋接式圖騰柱 PFC。出處:德州儀器

依照我們希望體積盡可能小的需求,直覺來說你要選哪一個呢?

當然是圖 2,因為他看起來比較簡單嘛。可惜的是,市面上大多矽基半導體的 PFC,都是選擇圖 1 方案。因為圖 2 方案的簡約設計,前提是關鍵的二極體必須具備低的「反向恢復時間」。

所謂反向恢復時間,指的是電晶體在電源切斷的瞬間,電晶體內仍有殘留電荷,會反向放電,造成電路阻塞。而矽基半導體過長的反向恢復時間,會導致電源損耗上升。反之,氮化鎵因為反向恢復時間為零,可以完全適應高效的圖騰柱 PFC。

這邊提到的 PFC 只是氮化鎵的其中一種運用,別忘了,除了零反向恢復時間外,它還有著能承受高電壓與高溫的特性,再加上低漏電率的關鍵被動技能,在目前的半導體戰場上,可說是最強的挑戰者。未來在各種電源供應器上,應該很快都能看見它的身影。

當然,講到這邊,都僅止在題本作答。在實際的晶片設計中,各元件間的距離與電路安排,都需要經過多次的試驗和調整,才能找到最適合的電路拓樸和元件配置,而這也正是德州儀器所擅長的領域。

德州儀器設計出的電源供應器,已經遍佈全世界的重要設備中。除了提供高效的能源供應,節省下的能源,也直接減少了許多碳排。根據估計,對一個 100 MW 的資料中心來說,換上 GaN FET 之後,就算只有提升 0.8% 的效率增益,在 10 年內就能節省多達 700 萬美元的能源成本。尤其在 AI、量子電腦等科技發展蓬勃的現在,在「節流」這一塊的投資,真的非常重要!

看到這鋰,如果你也想訓練這個「黑科技」氮化鎵,打造更強的電路、為世界的節能貢獻一份心力。或甚至像 IC 之父 Jack Kilby 那樣,發展全新的電路架構,做出足以改變世界的創舉,德州儀器歡迎所有熱血人才加入,一起來改變世界吧!

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獨自搞定電腦與通訊的理論基礎,卻罕為人知的天才——夏農│《電腦簡史》數位時代(四)
張瑞棋_96
・2020/09/14 ・2348字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

【齒輪時代】的最後一章提到,MIT 教授凡納爾.布希除了發明微分分析儀之外,也直接或間接地對電腦發展做出重要貢獻。其中一項間接貢獻就是來自他所指導的學生夏農 (Claude E. Shannon)。這位不世出的天才雖然大眾知名度不高,但事實上,現代電腦與通訊的發展,都始於他憑一己之力提出的理論基礎。

本文為系列文章,上一篇請見:電腦運算的基礎——布林代數,是麼搞出來的?│《電腦簡史》數位時代(三)

擔任布希助理,操作微分分析儀,奠定電路基本功

夏農自小就喜歡搞電子實驗,他還曾利用鐵圍籬和八百公尺外的鄰居互傳電報。1936 年,夏農以數學和電機雙學位自密西根大學畢業後,進入 MIT 電機研究所就讀,同時在布希的實驗室當研究助理。

夏農(Claude Shannon, 1916-2001)。圖:Wikipedia

當時微分分析儀是唯一能算高階微分的計算機,所以實驗室不時會接受教授或其它研究單位的委託,為他們計算微分方程式。夏農的工作便是針對他們的問題,調整微分分析儀的設定,包括大大小小的連桿、滑輪等機械零件,以及近百個控制電動馬達的繼電器。

夏農相當樂在其中,看著微分分析儀按照自己的設定運轉,最後自動畫出答案,總令他心情愉悅。而最令他著迷的,就是在背後控制所有動作的繼電器。繼電器就像閘門,掌控電流的進出,雖然只有開與關兩種狀態,但串成迴路後,就能以特定的順序開開關關,就能讓微分分析儀解出各種微分方程式。

於貝爾實驗室實習,悟出電子迴路與布林代數的關聯性

第二年暑假,夏農到美國電話電報公司 (AT&T) 的貝爾實驗室實習。當時貝爾實驗室正在開發縱橫式自動交換機,也是利用繼電器來控制電話線路的搭接。夏農操作了一學年的微分分析儀,對繼電器的運作已了然於胸,儘管電話交換機是截然不同的機器,其中的迴路也更密集複雜,他卻能看出兩者在運作上有共通之處。

1924年的電話交換機尚需人工操作。圖:Wikipedia

無論迴路大小,都是由許多繼電器與電路所組成,不同的連接方式決定電流如何流動,進而讓機器做出不同動作。如果兩個繼電器在一條電路上前後串聯,就必須兩個繼電器都打開,電流才能通過。如果電路一分為二,各自經過一個繼電器再合而為一(這稱為並聯),就只要有一個是開的,電流就能繼續往前了。

這只是電路的基本常識,每個工程師都知道,但就是沒有人像夏農那樣,看出電子迴路與布林代數的關聯。

夏農是以數學和電機雙學位畢業,對布林代數自然不陌生,但要從實體的電路聯想到抽象的邏輯關係,真的要有超乎常人的洞見。在他眼中,繼電器只有開、關兩種狀態,恰可用布林代數中的 1 與 0 兩種數字表示。繼電器串聯相當於邏輯運算的「且」(AND),並聯則是相當於「或」(OR),不管是什麼迴路,都可以用布爾代數描述。

暑期實習結束後,夏農回到學校,立即向導師布希提及自己的想法。布希深感興趣,鼓勵他以此做為碩士論文的題目。

史上最重要的碩士論文,堪稱資訊時代的大憲章

沒幾個月,夏農就在 1937 這一年完成劃時代的論文,題為〈繼電器與交換電路的符號分析〉(A Symbol Analysis of Relay and Switching Circuits),開宗明義即宣告:「任何電路都可以用一組方程式表示,……。事實證明,其計算方式完全等同於符號邏輯所用的命題運算。」

夏農先以簡單的雙開關電路為例,說明如何用布林代數標示串聯與並聯的接法,並列出基本公理與交換律、結合律、……等運算法則。接著他再進一步分析不同型式的複雜電路,證明也都可以用布林代數表示。最後夏農強調這套方法不只可以用於現有的機器,還可以解決各種問題。

他寫道:「事實上,任何運算只要是用『若』、『或』、『且』等字眼在有限的步驟內描述,都可以用繼電器自動算出來。」

為了佐證這項主張,他提出三種全新的應用,並附上自己設計的電路圖。第一個是電路的簡化;原本使用二十個元件的電路,經由邏輯演算找出等效的表達式後,可以將元件減少為十四個。第二個與第三個應用都是他的創新發明,分別是使用五個按鍵開關的電子密碼鎖,以及二進位的電子加法器(嚴格來說仍不算電子式,因為繼電器的開關仍是利用電磁鐵的機械動作)。

電路的邏輯閘。圖:Wikipedia

這篇論文於第二年公開發表後,立即引起巨大的迴響,甚至被譽為「應該是本世紀最重要、最值得注意的碩士論文」,後來《科學美國人》雜誌也稱它是「資訊時代的大憲章」。

電路設計化繁為簡,電腦從此邁向數位時代

的確,夏農這篇論文影響深遠。原本錯綜複雜的電路圖改用布林代數表示後,就可以在實際建造機器之前,清楚計算出執行的結果,大幅減少嘗試錯誤所耗費的時間與成本。除此之外,還能如夏農所示範的,找出更精簡的電路方案。科技產品因為設計效率提升、製造成本下降,才得以更加迅速地推陳出新。

計算機的發展也受惠於夏農的創見,才開啟了數位時代(他革命性的通訊理論會在第三部另外介紹)。

夏農所提出的邏輯電路雖然以繼電器為範例,但其實這套抽象法則具有普遍性,任何有開關兩種狀態的元件皆可套用。因此即使後來繼電器被真空管取代,然後真空管又被電晶體淘汰,無論電腦的硬體零件怎麼換、電路圖多複雜,都還是基於夏農所提出的邏輯閘。

夏農已經指出一條通往未來之路,很快地,這條路上就將出現打造現代電腦的各路好漢……。

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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有機生物電子材料:連結細胞與元件,實現《攻殼機動隊》科幻未來的鑰匙
研之有物│中央研究院_96
・2017/11/16 ・3664字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

「有機生物電子材料」是什麼?

尤嘯華常跟學生說:「左手掌握分子,右手掌握奈米,就可以做很多事!」在中研院化學所尤嘯華副研究員的實驗室中,藉由模仿生物體結構,設計不同的有機導電高分子化合物。目前已合成許多仿生材料,將能因應不同領域的需求,開發出各種生物電子元件。

有機生物電子:「電子元件」結合「生物醫學」

「生物電子」技術不只存在於《攻殼機動隊》的草薙素子、《海賊王》的佛朗基體內,現今許多醫療發展,也在研究如何將電子元件植入生物體內,藉此了解神經退化疾病,或是篩選、純化癌細胞等等。 圖片來源/iStock

我們很常遇到的問題是,別人認為電子元件與生物體接觸的「介面材料」不重要,有些只專注於優秀的電子元件,但若沒有良好的接觸介面,遲早會有問題。

尤嘯華點出這個容易被忽略的問題,將電子元件放入生物體內時,大多只在意電子元件本身的功能,卻鮮少留意生物體的細胞是否會接受這個電子元件、是否會產生危險的異物反應。

生物體由有機分子組成,尤嘯華團隊開發的生物電子材料也由有機分子構成。在團隊的「有機智慧材料實驗室」中,開發出各種有機導電高分子化合物,可運用於生物醫學領域,做為人機裝置的介面材料——也就是「電子元件」與「生物體」接觸的那一層「薄膜」。不但有助電子元件完成任務,也提升電子元件與細胞接觸的相容性。

一般對「材料」的理解可能是:一塊石頭就是一塊石頭、一塊鋼鐵就是一塊鋼鐵。但「有機生物電子」所運用的「有機智慧材料」,取師於大自然中常見的含羞草,若用指尖給予含羞草壓力,植物細胞結構變化會帶動開闔反應。

記憶金屬、熱反應及光反應等智慧材料,就好比含羞草,若遇到環境中的觸發機制,會隨之產生響應式的分子結構變化。

尤嘯華仔細尋找著電腦中密密麻麻的資料夾,找出常用來向大家介紹的兩個有機生物電子研究:「仿生細胞薄膜」與「奈米晶片追蹤癌細胞轉移」。 攝影/張語辰

仿生細胞薄膜:讓電子元件與細胞順利互動

雖然生物體的中樞神經、腦細胞對「電流」訊號有反應,但若直接將電子元件植入體內,例如心臟血管支架或是矽晶片,可能會被細胞排斥、產生異物反應。因此,需要一個「模仿生物細胞結構」的「薄膜介面」,鋪設在植入生物體內的電子元件上,讓電子元件得以穩定地和生物細胞互動。

若將「目標細胞」比喻為「鎖」,則「仿生細胞薄膜」的分子結構就像一把「鑰匙」,要能與鎖的洞口相容,並開啟生物反應機制。

「仿生細胞薄膜」的原理,就是藉由了解細胞膜如何辨識體外的組織,來模仿細胞膜的成分與結構。

雖然過去的研究中,有些認為直接以「高分子」作為介面材料即可,但尤嘯華認為「有機導電高分子材料 (PEDOT) 」打造的「仿生細胞薄膜」是更好的選擇,因為本身可以導電傳輸訊號、又帶有模擬生物分子機制的特性,可以作為電子元件和細胞的黏著劑,或成為傳遞生物訊號的通道,也有助延長電子元件的壽命。

(1)細胞膜上的特定受器 (integrin) 會辨識「仿生細胞薄膜」上的特定胜肽 (peptide),宛如鎖孔與鑰匙結合。(2)為了避免細胞非特異性的沾黏,「仿生細胞薄膜」還需加上模仿細胞膜的親水性結構。 資料來源/尤嘯華提供。圖說重製/王怡蓁、張語辰

奈米偵測晶片:追蹤癌細胞數量與特性

由於某些癌症不容易切片檢驗,例如腦癌或肺癌,因此將「奈米偵測晶片」放入抽血得到的血液中,可以偵測到從原生腫瘤或轉移性腫瘤脫離出來、透過循環系統轉移的癌細胞,更準確且更方便地取得癌症資訊。

「奈米偵測晶片」加上特別設計的有機奈米結構,可用來辨識血液中的癌細胞、計算數量變化、或抓取純化癌細胞,提供數據給醫生參考。

尤嘯華團隊研發的另一個仿生細胞薄膜應用,就是透過「奈米偵測晶片」抓取血液中的「循環癌細胞」,以利後續純化出癌細胞,分析其數量變化及基因資訊。 資料來源/尤嘯華提供 圖說重製/王怡蓁、張語辰。

這項技術主要是利用有機導電高分子的奈米結構,裝上硼酸分子的官能基團,會跟癌細胞抗體上醣尾端的寡醣產生鍵結,奈米偵測晶片就能把循環癌細胞抓取下來,並進一步純化細胞。

這能用來偵測前列腺癌的癌細胞 RNA 訊號變化,幫助醫生從血液中的資訊判斷哪個病人是前列腺癌的高危險群。另一個可能性,也有機會運用於孕檢,孕婦只需抽血檢查,就能透過「奈米偵測晶片」偵測胚胎中紅血球的特性。

這項從 2008 年左右開始與 UCLA 的曾憲榮教授合作進行的「奈米偵測晶片」研究,尚有一些挑戰待優化。首先,癌細胞的量非常稀少,如何抓到取出體外,這過程很困難;其次,要確保取出的癌細胞,在離開存活環境後的生物訊號不會變質。

「我希望跟合作夥伴可以有正向循環,而不是做好一個東西讓你直接用。」尤嘯華期待能與更多醫療和生物團隊合作、討論,優化材料和元件的設計。 圖說設計/王怡蓁、張語辰。

問:科幻電影有人體植入晶片的情節,這有可能嗎?

答:科幻電影其實是很有啟發性的,對科學家來說,沒有什麼事是不可能的。只要是可以幫助人們的技術,我都願意嘗試發展。

例如,最近我們實驗室有個技術,可能有機會應用於研究神經退化疾病。透過設計生物電子元件的官能基團分子結構,可以培養取出體外的「神經細胞」,並在體外給予電流刺激、培養神經細胞。當神經細胞長好後,可以再透過生物電子元件,將它放回生物體內,確保神經細胞不會被破壞。

透過會沾黏、不沾黏的導電高分子材料 (PEDOT) 介面設計,讓有些地方跟神經細胞產生鍵接,控制神經細胞在介面上產生格狀排列。 資料來源/尤嘯華提供。

問:為何會想把「電子元件」跟「生物體」結合?

答:台灣的強項是電子產業,但我想做些不一樣的事,我喜歡原創性、概念性的研究項目。

我在美國麻省理工學院有機化學博士班時,原本研究的是「化學偵測器」,後來對「生物偵測器」也產生興趣。這兩者的設計原理相近,但偵測的對象不同。化學偵測器用於偵測炸藥或是環境中的污染物,而生物偵測器用來偵測生物體內物質的改變,像是蛋白質、醣類或 DNA 的變化。這些生物電子的開發都相當有趣,有許多醫生或是電機專業的研究人員投入研發,卻缺乏更多「材料」的開發。

現在我們實驗室的成果是從 2004 年就開始研發的,當時單純只是想知道電子元件如何進入生物體內,是否能以「有機分子化合物」的材料來協助。例如,蛋白質的胺基酸都是一樣的醯胺鍵鏈結,但在分子結構中不同的地方裝上不同的官能基,會創造出各式各樣的用途。我們的研究目標不只著重於應用層面,也希望能開發出更多有機智慧材料。

問:研究過程中,遇到的困難?

答:

最大的挑戰是與不同領域的人溝通,還有找到願意理解不同領域語言的夥伴。

在有機生物電子元件的研究過程中,需要各種合作夥伴。在前端可能要有生物學家,而且是研究分子基理的專家,而應用端則需要醫生,這樣才能知道醫界的需求是什麼。剛開始還沒有研究成果時,很難說服其他領域的人合作,所以我試著到不同領域的研討會演講,主動尋找更多合作機會。

問:研發這些生物電子材料,都能派上用場嗎?

答:(思考了幾秒後說)我們實驗室已經研發出很多介面材料,但是到底有什麼可以真正拿來應用?從科學、到科技、到應用、再到產品,這個過程非常困難,而走上市場的這條路更是艱辛。

以我博士班的指導教授 Timothy M. Swager 為例,他應用先進的科學原理,花了十幾年研發,開發出偵測 TNT(三硝基甲苯)氣體的機器,現在已經應用於阿富汗及伊拉克戰區,用來偵測炸藥及詭雷 。這是我研究生涯中,最受到啟發的事。這也不能只靠一己之力,未來我希望可以跟更多團隊合作,開發出可以改變人類生活的應用。

就算開發了 100 個材料都沒用,但第 101 個可以進入市場、幫助到別人,那就很好了。

延伸閱讀

 

CC 4.0

 

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook