逢甲大學　研發處－研發通訊第六期〔研發能量〕

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研發通訊第六期

研發能量

逢甲大學／美律公司成立「電聲實驗室」　開啟電聲前瞻科技研究

陣列式微機電電容式麥克風之研發

背景
　　麥克風是一種動態壓力感測器(dynamic pressure sensor)，主要將聲音轉變為電壓或電流信號之轉換器(transducer)。因聲音造成壓力梯度，使麥克風內部振膜產生變形，利用不同的換能技術，將此變形轉換為電壓或電流訊號輸出。如果紀錄之聲音在播放時要接近原音，麥克風之頻寬與動態響應範圍必須接近人耳(20~20kHz)。
　　目前麥克風的市場需求非常大，據估計光是家用電話手機、行動電話手機中所使用的麥克風，每年至少就有7億個以上的需求。以傳統方式所製造的麥克風，一般而言，體積較大，忍受惡劣環境能力較差，無法承受較大聲壓，且產品品質控制不易，故雖具有價格低廉、發展歷史悠久、技術層次較低等優點，但對於較特殊的工作環境與系統整合要求較高時就無法適用。而一般較高級的麥克風，則由於製造程序繁雜，成本過於昂貴，亦無法滿足業界的要求。目前國內麥克風製作廠商頗多，多屬傳統產業，主要以製造駐極體式麥克風為主，應用對象為一般消費性電子產品，如家用電話手機、錄音機等。價格方面亦以價廉為主要訴求，品質穩定性也不錯。國外的麥克風大廠則多以製造高價麥克風為主，單價可至新台幣萬元以上，主要用在錄音室、精密儀器等要求高品質的輸入場合。另外，由於未來助聽器市場商機潛力，歐美日麥克風大廠亦多兼研發助聽器。由於助聽器系統整合要求度高且在市場趨勢(輕薄短小)要求下，各零件亦相對地希望能微小化與品質提昇；理論上，麥克風亦是越小越好，可避免高頻失真。

研究動機
　　近年來IC製造技術不斷發展，晶片的體積不斷縮小，目前最小的麥克風也有鈕扣電池般大小，但在多媒體領域應用廣泛的麥克風之製造工藝卻停滯不前。直到矽微細加工技術(silicon micro-machining technology)的出現，使感測器的發展出現重大的變革，利用此技術，使得感測器的體積得以大幅度的縮小，矽壓力感測器是其中最成功應用範例，已佔有95%以上的壓力感測器市場。目前3C商品設計趨勢皆朝輕、薄、短、小之方向，使產品能夠整合各種功能，提高其附加價值。以微機電製程所製造的矽麥克風(Silicon Microphone)，尺寸僅達現今廣泛使用的駐極體麥克風的30%不到，卻有同樣的性能表現，因此在可見的未來，矽麥克風必將取代傳統生產技術所製造的麥克風。矽麥克風的另一項優點是，可直接整合於IC製程，配合目前電子產品的主流安裝模式─表面黏著技術SMT (Surface Mount Technology)，與其所需的電路整合成為系統晶片(System on Chip, SoC)，此舉可將麥克風系統所用的分離元件數目降低，大量節省人工焊接、組裝元件所需的成本，並減少產品不穩定度。因此，目前國際知名電聲研發公司如美國Knowles Acoustics與丹麥Sonion Microtronic均投入大量的人力發展更小體積、更省電、更便宜及可SMT的電聲元件。
　　鑑於此，本校機電系黃錦煌教授於2003年~2005年與亞洲第一電聲廠「美律實業有限公司」合作開發MEMS Microphones。

研究目標
　　以微機電製程所製造的矽麥克風有：壓電式（歷史最久）、壓阻式、駐極體式、電容式麥克風等四種，它們的特性比較如下表所示。

微加工特性比較表
矽麥克風	壓阻式	極板電容式	駐極體式	壓電式
輸出阻抗	低	高	高	高
功率消耗	高	低	低	低
零敏度	低	高	低	低
溫度特性	差	良好	差	差
CMOS製程整合能力	良好	良好	可	可
所需製程	IC 體微細加工	IC 體加工面加工	IC 體加工面加工 Electret	IC 壓電材料體加工
外加偏壓	需要	需要	不需	不需

　　綜觀各方面的表現，由右表得知，極板電容式（以下簡稱電容式）和駐極體式矽麥克風有較佳的評價，較適合作為量產之技術；其中駐極體製程目前無論在製程穩定性與IC製程相容性又比電容式差，所以本計劃的研究目標以發展陣列式微機電電容式麥克風為主。
微小化不是MEMS Microphone最大的優勢，MEMS Microphone最吸引研發者眼光的是積體電路整合性。以整合系統層次而言，由低至高如下:

Microphone w/Pre-Amp
由於Condenser microphone為高輸出阻抗，需外接源極隨耦器之電路方能得到較低阻抗之訊號供後端處理，此電路的雜訊程度會直接的影響麥克風的性能，因此目前以JFET做為Pre-Amp是大多數廠商的選擇，但就系統整合角度而言，台灣半導體代工廠在CMOS技術經驗遠較Bipolar製程為佳，因此JFET與MEMS之整合較不易執行。進來美國國家半導體公司 (National Semiconductor Corporation) 使用CMOS技術推出兩款全新的放大器：LMV1012與LMV1014，取代現有的麥克風放大器技術，因此清晰度獲得大幅改善。這兩款製成的放大器功率消耗較低，有助延長電池壽命，而且具有更強的抗雜訊干擾能力，比接面場效應電晶體 (JFET) 更優勝。因此發展Microphone w/CMOS Pre-Amp對台灣現有代工廠應較有發展潛力。

Arrayed Microphone w/Pre-Amp
由於MEMS元件的尺寸很小，且以IC製程而言，除晶片使用面積外，感測器陣列所需的製造成本和單一感測器幾乎相同，因此可輕易地將麥克風陣列化，麥克風陣列無論在噪訊判別，音源鑑定方面都極具發展潛力。

Arrayed Microphone w/Pre-Amp + RF module.
因成本因素，只用於軍方或許多特殊用途的無線收發模組，若能夠普及於消費性商品，將會有相當大的市場潛力，而MEMS與IC製程之整合設計應用，將是降低成本的關鍵。

Arrayed Microphone w/Pre-Amp + DSP
由於可聽音頻範圍約在10Hz~10KHz之間，可聽音波長約在34mm~34m間，若以1/4波長來作為麥克風陣列的間距，音波波長會使MEMS微小化的優勢不再，故應用數位處理的方式，可以訊號延遲的方式，使得麥克風的排列更為緊緻。另一方面，利用訊號處理的技巧，可以設計出可改變指向特性的麥克風。

成果
　　陣列式微機電矽晶麥克風之光罩圖如圖一所示。單位曝光光罩面積由7x7個麥克風單體圖形所組成。美律陣列式微機電矽晶麥克風之上視圖如圖二所示。
　　本案合作期間，美律公司廖祿立董事長深覺台灣沒有電聲人才培育系所，為使台灣電聲產業能再進步，故捐資逢甲大學成立「電聲碩士學位學程」與「電聲實驗室」，契合國家電聲前瞻科技、未來電聲產業人才的培育之功能。逢甲大學則於中部科學園區內（本校中科校區）設置符合ISO3745、ISO7779國際級電聲實驗室(含全/半無響室、回響室)，並於2006年設置電聲碩士學位學程。

圖一陣列式機電矽晶麥克風之光罩圖

圖二美陣列式微機電矽晶麥風之上視圖

機電系／黃錦煌教授提供

貴儀中心購置高解析度薄膜X光分析儀

　　 X光繞射技術屬非破壞性檢測，在材料之分析由早期粉末應用到目前之薄膜應用，近幾年來薄膜技術的不斷開發及其應用日新月異，相關材料性質及功能的改良，極需藉由精密儀器對其薄膜結構（含厚度、方向性、組成及結晶性等）作進一步分析，中心新購置之高解析薄膜X光分析儀，是目前國際間公認功能性強大之分析儀器，對薄膜表面結構的分析有極大助益，從金屬、陶瓷到半導體，甚至Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物及磁各種材料，都可以適用；除薄膜及傳統塊材外，同時亦可從事如奈米粉體或多層薄膜的結晶相、晶面間距、結晶結構與晶粒度分析及其stress和texture等分析量測。
　　中心此次購置之HRXRD屬德國Bruker D8 DISCOVER系統，此系統採用18KW旋轉式陽極X光源，結合θ-2θ水平式精密定位測角儀，提供高功率之入射光源。光學系統配置Bruker原廠獨家專利設計之Push-Plug膜組化光學配件，使系統θ-2θ精度再現性可高達0.0001°，同時可非常靈活運用地實現組合，以滿足不同測試需求，不需花費太長調校時間；設備提供七個軸樣品自由度之尤拉環樣品座設計，適用各種應用量測；為滿足不同領域應用需求，架設完整之軟體分析平台（Search Match、EVA、TOPAS、LEPTOS等），供不同研究分析之數據精化處理。因此本校所購置之儀器主要可支援應用層面為粉末繞射（相鑑定、結構解析…）、高解析薄膜繞射分析（薄膜結構、厚度、組成…）、全反射量測（薄膜特性、密度、粗糙度…）、織構分析、殘餘應力測定、低掠角繞射分析及小角度散射等奈微米材料研究分析。因此，在提高材料分析及研究能量架構上，高解析度薄膜X光分析儀在學術研究上及產品研究開發等領域，是不可或缺之分析工具。

高解析度薄膜X光分析儀

共儀中心提供

逢甲中科校區提升產學研發能量

　　逢甲中科校區基地座落於東大路與科園路交會處，位處中科園區樞紐入口；第一期科研大樓預定於2007竣工啟用，內部空間規劃包含：單一服務窗口、展示專區、多功能活動空間、e 化行政辦公室、會議及研討室、多功能訓練教室、研發試量產線、貴重儀器設備區、育成廠商培育室等。
　　本校有鑑於目前產業界均瞭解研究發展的重要性，但卻普遍苦於投資風險過高且缺乏培育研究發展人才之能量，而在觀望中不斷流失競爭優勢，因此在中科校區將新增「聯合設計產學合作」之交流平台，便是為了解決上述困境而提出的－以開發創新產品技術為目的，由產學共同出資建置商品化導向之研發中心，配合本校團隊、企業出資聘人參與來共組研發團隊進行研發，並隨著研發進程逐步培訓提昇企業研發人員專業能力，使產品技術開發與人才培訓在實踐中同步進行；期間輔以技術授權與移轉之機制，使本校得以與產業界共享研發成果。此外，本校建教合作廠商美律實業股份有限公司捐贈新台幣六百萬元與本校合作成立之電聲實驗室，也將設置於科研大樓內，由本校建置無響室環境，美律實業捐助相關儀器設備，作為雙方未來研究合作、產品開發與人才培育的基地，亦將借由此實驗室開辦電聲學程，如基礎聲學、電聲學、電聲量測方法與實驗及超聲波基礎原理與應用等核心課程，將使本校成為亞太地區電聲研究重鎮。
　　美國矽谷的成功之於史丹福大學的產學合作經驗，將成為本校努力追求的標竿，藉由靈活創新的產學合作模式，帶動教學、研究的提升發展，加速催動知識的創新產出，活絡本校「服務－教學－研究」功能，即是中科校區最大的使命。

逢甲中科校區

研發處提供

學思樓新建工程－逢甲研發能量再提升

　　本校各學院發展空間目前皆獲得支持，惟理學院與工學院空間發展已達飽和，其中許多實驗室係由教室改建而成，不但空間運用捉襟見肘，實驗室公安衛問題更是日益浮現；另一方面，因應校務持續發展以及「三年百人」師資所需之空間需求大增，本校遂新建一座科技大樓，名為「學思樓」。
　　學思樓座落於目前學思園所在位置，在建築量體上，將銜接校園內原有建築律動，融入學思園既有的生態水池與綠地，在優質的人行動線設計下，可引導師生更易親近學思園，探訪全新設計的悠然造景，感受寧靜的人文氣息，重新整合與理學院相鄰之步行廣場，使空間達到最佳協調性同時產生有趣的意旨；車行動線也藉以整合，可大幅改善周邊停車秩序。學思樓新建工程規劃為地下一層、地上九層，總樓地板面積達五千餘坪，總經費預估為三億五仟萬元，預定於2007年完工啟用。
　　學思樓將以具備完整實驗設施為規劃方向，將由研究能量充沛之材料系、化工系進駐，可滿足二系所的空間需求，使每位教師平均空間擴充至90平方米，可與指標性學校並駕齊驅；另一方面，學思樓擁有高規格的實驗室設計，採用RC防爆材質管道間、獨立式風管、各自獨立污水及中水排放系統及滿足未來十年成長所需容量之變電系統，所有實驗室公安衛問題可徹底解決；學思樓亦整合本校研究成果豐碩之奈米研究中心及能資研究中心，並規劃特聘教授研究專區，可形成完整材料與化工學群，期能以新創空間，整合本校相關研究群，使本校研發量能充分發揮、提升。

學思樓

研發處提供

逢甲增添十項專利　展現雄厚研發實力

　　本著鼓勵的出發點，本校一直在專利這一塊領域中努力耕耘，截至目前為止，已提出百餘件專利申請案，並取得53件專利，其中包含了中華民國、美國及中國大陸之專利。
　　綜觀逢甲大學在近五年來的專利發展上，逐漸累積相當的經驗與能量，除了已經完成的專利之外，更積極向德國、英國等歐洲地區國家、以及日本、韓國、東南亞、澳洲等地進行專利之申請與佈局，期能在不久的將來，以專利所有權人的角色，站上專利的世界舞台。

2006年取得之專利

專利號	國別	專利名稱	發明人
ZL02155719.5	中國大陸	電致色變材料及其製備方法和電致色變裝置	吳石乙、陳為峰
I252440	中華民國	土石流偵測無線通報系統及方法	李秉乾、周天穎、衷嵐焜、張英暉、林哲暉、蕭淵展、曾建華
US7036219	美國	Method for Menufacturing a High-Efficiency Thermal Conductive Base Board	何主亮
I255407	中華民國	雨量偵測無線通報系統及方法	李秉乾、周天穎、衷嵐焜、張英暉、林哲暉、蕭淵展、曾建華
I254752	中華民國	矽基介電絕緣材料之全程電化學無電鍍沉積製程	陳錦山、陳松德、楊聰仁、林中魁、駱榮富
I256297	中華民國	生理量測智慧衣系統	邱創乾
I261662	中華民國	多量測用途光電間距之次像素經度估測系統	林宸生、卓家軒
I261639	中華民國	一種碳纖維織物之製造方法及其說明	柯澤豪
I262225	中華民國	用於生理量測之高導電非織物電極片	石天威
I262530	中華民國	場發射雙面顯示器、雙面背光模組、多面液經顯示器、雙面照明設備及其等的製作方法	蔡宜壽、鍾添淦、易子民、劉旺林、詹子奇

研發處／技術授權中心提供