由於在材料合成技術上的突破﹐透明電子元件(transparent electronics) 的開發已逐漸受到科學家們的重視。到目前為止﹐已經被使用且證實可製成元件的材料有CuAlO2 ﹑ZnO ﹑SnO2 ﹑以及In2O3:Sn。本文所要介紹的﹐是惠普(Hewlett-Packard) 的工程師R. L. Hoffman與奧瑞崗州立大學的科學家們合作﹐使用ZnO作為透明導電通路(conducting channel)所製成的薄膜電晶體。
R. L. Hoffman等人首先在玻璃基板上﹐以濺鍍的方式鍍上一層厚200nm的ITO(indium tin oxide﹐一種透明導體) 作為電極。然後以atomic layer deposition的方式﹐鍍上一層厚220nm的ATO(為AlO3與TiO2所組成的超晶格結構﹐為絕緣體) 作為分隔導電通路與電極之間的絕緣體。在 ATO之上﹐再以離子束濺鍍的方式鍍上作為導電通路的ZnO﹐以及作為源極與閘極電極的ITO。為了提昇ZnO的電阻係數﹐在濺鍍之後還須在純氧中經過攝氏600-800度的快速退火(RTA﹐rapid thermal anneal) 。而源極與閘極的ITO﹐也須在純氧中經過攝氏300度的RTA﹐以增加其透明度。
為了測驗這薄膜電晶體整體的透明度﹐R. L. Hoffman等人作了光穿透的實驗。在所得到的頻譜上﹐他們發現可見光波長範圍內的電磁波﹐對於元件整體的穿透率達75%。與在單一玻璃基板上所測得的92%穿透率來比較﹐他們得出元件對這些波長的電磁波﹐其吸收率約為17%。
R. L. Hoffman等人聲稱﹐他們所製成的薄膜電晶體﹐有製程簡單﹑成本低(使用玻璃基板)等優點。而在元件設計上﹐還有許多可以改進的空間。例如可以增加導電通路的寬度-長度比例﹐以提高通路中的電流。此外﹐由於元件中寄生電容(parasitic capacitance)的限制﹐上述的特性均是在直流(dc)條件下所測量的。至於元件的頻率響應(交流特性) ﹐仍有待努力。基於所得的數據﹐他們樂觀地表示﹐經過適當的改進﹐以ZnO製成的透明薄膜電晶體﹐或許可以在應用在主動式陣列液晶顯示器(AMLCD, active-matrix liquid-crystal display)中﹐作為單一像素的驅動元件。
原始論文:
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R. L. Hoffman et al., ZnO-based transparent thin-film transistors, Applied Physics Letters82, 733 (2003)
以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:
1. 材料層:有機玻璃系新素材
A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。
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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護
在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:
泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶
3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X
當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。
(1) 方法一:施加高壓高頻訊號(RF / AC Bias)+ OBIRCH 透過施加高頻交流訊號,利用斷路點兩端的寄生電容(Parasitic Capacitance)產生微弱的充放電位移電流,進而引發局部微熱,再利用 OBIRCH 亮點結果比對差異。
(2) 方法二:QDm 磁場感測透視重建,找出電流斷在哪 對於 2.5D / 3D 先進封裝或 Bump/Bonding Wire 斷裂,QDm(量子鑽石顯微鏡) 能感測極微弱的磁場分布,工程師可透過電流在斷路點瞬間歸零的磁場邊界(Magnetic Field Boundary),精準視覺化找出「電流在哪裡中斷」。
3. 完全沒有電性反應,改用其他物性分析(PFA)技術 當電性迴路完全無法通電、連高頻訊號都無法傳導時,EFA 亮點定位機台將達到極限。此時宜特會建議客戶轉用 X-Ray / 3D X-Ray(CT)進行非破壞性結構透視,直接觀察打線(Bonding Wire)斷裂、Bump 脫焊或通孔(Via)斷裂位置。
4. OBIRCH、QDm 還是 3D X-Ray?Open 分析這樣選 遇到Open(開路)問題,切忌盲目加大 DC 直流電壓。應先確認是否能透過高頻/高壓觸發微弱訊號,並利用 QDm 感測磁場中斷點;若電性完全無反應,則應果斷搭配 3D X-Ray 進行結構照相,才是最節省時間與樣品成本的黃金路徑。
5. 案例示範:如何找出隱藏的 Open 斷點 針對異常 Pin 腳施加高壓或高頻交流訊號(AC Bias),利用斷路點(Open Spot)兩端產生的微弱寄生電容充放電位移,及電磁場變化量,偵測出異常斷點處。