超微小的矽壓阻式熱引擎

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！

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）。

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？

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。

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。

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。

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）。

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！

工業革命是從對熱與動力的關係開始，因為發現了怎麼把熱有系統的轉成機械能，於是熱機開始推動了各種機器，把人從勞力中解放，才讓人類的社會進入了一個新的時代。傳統的熱機基本原理是經由熱機中介質的膨脹收縮，把能量由熱的流動中擷取能轉換成機械能的部分來使用。但是這樣的熱流動跟機械能的轉換其實發生在更多地方，不是只有像引擎那樣的設計才能做到。其中有一類的運動是因為不均勻加熱而讓物體表面產生流體的運動，當這樣的效應以微觀層次來看的時候，只有一個粒子放在流體裡，溫度梯度讓小粒子開始跟表面的流體有相對堆進，就會看到所謂的熱泳動現象－粒子會在溫度梯度中運動 －這個過程同樣是由熱流來產生機械能。

利用這樣的原理，影片中設計出一種單邊鍍金的玻璃小球，大小只有萬分之一公分。因為照射光之後，鍍金的那邊會因為吸收光而被加熱（就像陽光下金屬會很燙一樣），所以會讓周圍的液體開始往鍍金那方向流動，粒子自己則往沒有鍍金的方向跑。利用這種效應，只要把兩顆這樣的粒子接在一起，就變成了一個小旋轉引擎，只要一照光就不停的旋轉。影片中可以看到旁邊沒有固定的粒子正在做布朗運動，而被固定住的小馬達（有一半黑黑的粒子）也因為布朗運動而不停的前後擺。當一照光之後，固定的粒子開始旋轉，因為熱梯度產生的液體流動也把那些晃動的粒子吹開。這實驗證實了這樣的效應存在，只要好好設計也有很大的效果。這研究雖然設計簡單，但卻是貨真價實的熱引擎，或許一些微小機械設計有一天都能基於這樣的熱功原理被做出來。其實在自然界的生物中，各種生物分子也不停的消耗能量並轉換成各種分子運動，或許是細胞骨骼的變動，許是酵素的催化震動。也許過不了多久，熱機的概念跟粒子的非平衡運動就會走到跟生物分子相遇的那天了！

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本文原發表於科學影像Scimage

[Original publish date:Jan 23, 2011]

編輯 HCC 報導

荷蘭物理學家利用矽壓阻材料［piezoresistive silicon］設計了超小的熱引擎，可能應用於鐘錶機構或機械感應器。原始論文：“Piezoresistive heat engine and refrigerator”，Nature Physics　(2011) , doi:10.1038/nphys1871

熱引擎一般依賴液體或氣體的膨脹與收縮而運作，當元件體積變的更小，工程師發現若需要獲得合理的功率輸出，要設計能處理高壓與流體速度的結構是相當的困難。由卡諾熱機方程式得知，效率需要極大的溫差，所以元件變小時，效率跟著降低，所以液體或氣體驅動的熱引擎體積很少會小於10的7次方 立方微米。

荷蘭NXP Semiconductors公司的Peter Steeneken與其同僚使用以結晶矽製作的壓阻塊克服了上述限制。壓阻材料的電阻隨著外加壓力而變化，受壓時，電阻增加，材料膨脹時，電阻降低。

Peter Steeneken研製的微小熱引擎包含一個平坦的結晶矽共振器，體積為1125 立方微米，於一端帶有兩支平行樑，體積很小，僅0.34 立方微米。共振器外觀很像附有一個重底座的音叉。因為兩支平行樑根部固定在基底上，所以當其中的一支樑以毫安培直流電加熱時，整個元件會上下撓曲。

元件操作的關鍵點為樑的溫度、壓縮與電阻之間的相互作用。當元件受壓時的電阻最大，電阻隨之增加溫度。不過升溫讓樑延伸，電阻跟著下降，溫度也往下落。低溫再次讓樑受壓，整個過程以超過1.2 MHz的頻率進行振盪運動。

Steeneken認為機械元件較單純的電子震盪器更為穩定，所以此元件可以替代鐘錶裏的石英震盪器與電子放大器，Steeneken也相信由於震盪頻率隨著質量大幅改變，因此該元件可以當作感應器。

甚至此熱引擎可以兼作致冷機［refrigerator］，此時兩支平行樑不與電流源連接，而接上電壓，所以經由布朗運動施加在元件上的震盪被減弱，因此能冷卻週遭環境。一個微小的致冷機能用來冷卻其他的機械感應器或鏡面，降低熱噪音，從而提高精度。

Steeneken的熱引擎係以電流加熱，Oregon State University工程師Richard Peterson認為若Steeneken能以熱源驅動震盪器，論文將更有見地。

參考來源：

• Physics World : Heat engine may be world’s smallest