研發服務平台亮點成果獎─佳作獎

使用平台：台灣半導體研究中心「CMOS-MEMS電路設計與下線服務」

如果人工智慧（AI）是機器人的腦，那麼感測晶片就是機器人的感知器官。隨著科技發展日新月異，機器人從前僅能執行簡單的重複性工作，但現在已經可以執行複雜與精密的任務，也可以與人類共同協作，而促成此演進的關鍵因素之一是微機電系統（MEMS）技術。簡言之，透過MEMS的研發與突破，使得感測晶片技術大幅躍進，帶動智慧機器人朝向更聰明、更多功的方向發展。

深耕微機電研究　與產業發展並肩前行

國立清華大學動力機械工程學系講座教授方維倫致力於微機電技術研發，近年來，在觸覺感測中樞晶片（tactile sensing hub）更是展現亮眼的研究成果。方維倫說明，微機電系統是許多產業不可或缺的關鍵技術，可以用來製造感測器與致動器，因其具有尺寸小、價格低、耗電少等特色，所以廣泛應用於手機、穿戴式電子產品、家電、汽車等產品。2023年的SEMICON Taiwan高峰論壇，日月光集團營運長吳田玉指出，隨著大數據（巨量資料）、AI、自駕車等技術的崛起與迅速發展，除了人機互動之外，機器和機器間的協作，也變得相當重要，因此「PMMP」（people-machine-machine-people）的時代即將到來，並預期視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等五感將是其中的核心技術，顯示微機電系統感測與致動晶片的時代已經來臨。

方維倫投入微機電研究已逾30載，1991年時，方維倫於美國卡內基美侖大學機械系攻讀博士學位，當時微機電在全球仍是一項很新穎的技術，他透過參加電機系資料儲存中心的研究計畫，開啟了微機電研究的旅程，成為卡內基美倫大學機械系第一位從事微機電研究的博士生。取得博士學位後，方維倫回到台灣清華大學任教，帶領學生繼續從事微機電的創新研究。方維倫說：「微機電是我一生的志業。」近年來CMOS-MEMS觸覺感測中樞是他深耕的其中一項技術，主要以元件和系統兩個方向進行，研究團隊所產出豐富的前瞻研究成果，屢屢獲得企業和國際重要獎項的肯定。

運用半導體中心資源研發感測晶片　目標超越五感極限

方維倫實驗室致力於整合不同功能感測器的觸覺感測中樞晶片，「剛開始我們專注於研究觸覺力感測晶片，主要在協助機器手感知其施力，才不至於造成機器手施力過大捏壞物品，或者施力過小讓物品滑落。然後我們進一步將『力』感測擴充至廣義的觸覺感測，稱為觸覺感測晶片，希望能夠讓機器手成為一感測平台，實現人類五感中的多項感測功能，甚至具備人類無法感測的能力，例如夜視或超音波感測。」方維倫相當看好觸覺感測晶片的發展前景，以及其多功的應用場域，例如透過晶片的輔助，可以讓機器手準確偵測接觸物體的溫度，而我們的手僅能辨別接觸物的冷熱；又或者可以在黑暗中透過紅外線等技術，讓機器手得以辨識周遭環境等，以輔助其和周遭物體的互動。這些類似甚至超越人類感官的各種感測晶片，正是方維倫團隊不斷耕耘的研究方向，未來根據具體的觸覺感測應用需求，甚至希望整合不同的感測器於單一晶片，形成所謂的觸覺感測中樞系統單晶片(System on Chip, SoC)。

然而，欲整合多種感測器於單一晶片，在製程與設計上都面臨很大的挑戰，方維倫要特別感謝台灣半導體研究中心（簡稱半導體中心）的鼎力相助，研究團隊在找尋開發觸覺感測中樞相關技術的過程中，發現半導體中心所提供的CMOS製程平台最為合適，透過半導體中心所搭建的橋梁，讓團隊成員得以使用頂尖半導體代工廠的CMOS製程平台，讓各式元件設計的創意得以實現。除此之外，還可以利用半導體中心的無塵室機台設備，來進行CMOS晶片的各式後製程，完成感測元件的製作。

獲得國際肯定　半導體中心是幕後推手

在半導體中心的支持下，方維倫團隊開發出多種不同的觸覺感測晶片，其中又以全球第一顆不具懸浮彈簧結構的觸覺力感測晶片最具代表性。該晶片是利用CMOS製程固有的金屬膜層於晶片上製造線圈，然後於晶片表面以模造的方式，形成高分子彈簧，彈簧的剛性可輕易地以高分子厚度來調整，最後將金屬（力接觸凸塊）以組裝的方式，放置於高分子表面。方維倫說明，不具懸浮彈簧結構可以大幅提升元件的可靠度，另外利用金屬凸塊作為力感測器必須的受力介面，搭配CMOS晶片的感應線圈，即可完成電感式力感測器，是目前設計和製程方面最為簡單的力感測晶片，獲得頂尖國際研討會IEEE Sensors Conference 2020最佳論文獎的殊榮。

方維倫表示，半導體中心除了擁有完整且優異的硬體設備，還有許多頂尖的研究人員協助團隊突破研發障礙，例如半導體中心的電路設計專家，很有耐心地與學生討論研究過程與結果，並協助排除各項問題；還有製程服務的機台工程師，也對製程參數的調整方向提供了很多建議，同時為學生建置專屬測試參數，以便讓學生更有效率地排除可能失敗的情況。方維倫也特別提到，由於有半導體中心的協助，團隊也成功獲得與瑞典皇家理工學院學術合作機會，促成國際交流。

最後方維倫感謝道：「感謝國研院提供的台積電和聯華電子專業且穩定的CMOS製程平台，使我的團隊成員得以專注於感測器的設計，以及相關測試設備的架設與測試技術的開發。我也很感謝歷年來的實驗室成員，他們的創意和努力，方得以實現獲獎的CMOS-MEMS觸覺感測中樞晶片。」