中央大學電機工程學系學位論文
國立中央大學,正常發行
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本論文主要基於頻率選擇表面(或稱週期性結構，或在光學中稱為光子晶體)設計取代傳統的Salisbury screen 所製作之電阻表面電路模擬雷達吸波結構，雖然在過去的文獻中已有所謂的最佳化設計，但其往往需要使用介電系數非常特殊的材料，使得其設計變得不太實際。基於規格要求，我們分析頻帶內適合使用的材料，先在負載端設計一頻率選擇面與材料虛部阻抗匹配，並參考文獻設計Jaumann多層介質結構的電磁波吸波器，利用四分之一波長阻抗轉換器原理，在選定的材料上設計阻抗轉換器，達成阻抗匹配且設計符合實際上可製作的吸波器，以活化並充分利用現有資源，論文中也以全波模擬軟體與實驗來驗證設計理論。本論文製作之寬頻吸波器量測結果與全波模擬有相同的趨勢且有良好的吻合度。本論文所設計完成的寬頻吸波器可應用於X頻段的衛星通訊系統。
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本論文提出以輪型機器人為基礎的室內節能與環境安全功能，期望將這兩個功能應用在辦公室、學校或是家庭等室內空間，達到室內節能省電及安全維護。在室內節能方面，透過Kinect感測器的深度資訊以及紅外線資訊達成輪型機器人的自主避障與室內定位的功能，並應用骨架追蹤偵測人員，主控電腦端會根據輪型機器人的偵測結果關閉無人區域的電器，並將室內區域的用電情形儲存於主控電腦端之網路資料庫中，供使用者了解。在環境安全方面，透過Kinect深度資訊和聲音偵測，機器人可以在黑暗中偵測環境中是否有入侵者，若偵測到入侵者，就會擷取入侵者影像並通知使用者，讓使用者在第一時間得到入侵者的資訊。經多次實驗證實，本論文之輪型機器人藉由靈活地巡邏室內空間，以及在深夜成
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本論文利用Kinect與微型投影機搭配影像處理之技術實現實際電腦之虛擬鍵盤與滑鼠以及掃描功能。虛擬鍵盤與滑鼠的實現是藉由投影機投射鍵盤與滑鼠畫面至桌面上，透過Kinect擷取使用者的手指彩色影像與深度資訊搭配影像處理技術，讓使用者在虛擬鍵盤與滑鼠上能夠如實體一般使用實體鍵盤及滑鼠之功能。掃描功能的實現是利用Kinect掃描使用者在投射畫面指定的兩點對角線所形成矩形區域之彩色影像，同時將掃描後的圖縮小，顯示在虛擬介面上，供使用者查看，使用者還可利用手指在虛擬介面之掃描圖像上點選並移動，即可將掃描圖檔做儲存、移除或者將點選的掃描圖像顯示在主畫面上。此掃描功能可隨手將書面之雜亂筆記電子化，不需再使用其餘攝影工具。
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近來，我們開發850奈米垂直共振雷射(VCSEL)高可靠度高速(>25Gbit/sec)及窄光譜寬度和低功率損耗，主要有兩個重要的製程步驟，第一是鋅擴散第二是水氧化步驟，用來侷限光場及電流侷限在我們VCSEL架構上。而要在P-DBR得到好的鋅擴散輪廓，需要品質好的氮化矽薄膜，所以我們在不同的電漿氣象沉積機台做了不同的實驗來得到所要求的薄膜。關於水氧化實驗，主要問題是氧化孔大小的在晶圓上的均勻性，我們使用自製的水氧化系統做了測試，在3.5cm×3.5cm的範圍下所得到的誤差值為正負0.75um是相當好的均勻性。 我們開發獨特的製程架構及高品質850nm VCSELs晶圓，主要改變是將磊晶層成長在半絕緣基板上，及較短的共振腔(0.5)和再主動層加入了應力(15%)，達到低操作電流(7.92 kA/cm2)和低能量數據傳輸比(EDR:224fJ/bit)，以證明850奈米VCSEL在85 ℃的操作下可達到>41Gbit/sec傳輸，這成就將導致數據中心的通信蓬勃發展在市場上產生強烈衝擊。
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對於覆晶式鍵合封裝設計與分析的應用在近彈道單載子傳輸光偵測器(NBUTC-PD)上，從DC到300GHz的頻寬可獲得可靠高功率是已經被證實了。根據我們模擬與量測結果指出，當操作頻率超過100GHz時對於覆晶式鍵合結構的幾何尺寸，在速度與輸出功率的表現就變成主要的限制參數。為了克服這些問題，在鍵合過程中氮化鋁基板底座的錫金柱子必須盡可能的接近磷化銦基板上PD的主動區，利用控制距離比較更長的間距(～25 VS.90μm)，我們元件不僅表現出更寬的頻寬(225 VS.200GHz)而且還有更高的飽和電流(13 VS.9mA)，NBUTC-PD 在這樣一個優化的覆晶式鍵合結構封裝，操作頻率在260GHz操作下，有一個寬的頻帶(～225GHz)、高飽和電流(13mA)和0.67mW最高輸出功率已經同時實現了。
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本論文提出使用鎳鈷合金NiCo ( Co 10 at.% )當作互補式金屬氧化物半導體( CMOS )之汲極與源極的金屬連結材料，藉由濺鍍法沉積NiCo在矽或矽鍺基材上，再經由快速熱退火形成鎳鈷矽化物( NiCo silicide )或鎳鈷矽鍺化物( NiCo germanosilicide )去探討其材料特性。使用材料分析儀器包含：四點探針、掃描式電子顯微鏡、掃描式穿透式電子顯微鏡、能量散佈分析儀及低掠角X射線繞射分析儀。在此論文中也針對先前所廣泛使用的鎳矽化物( Ni silicide )、鎳矽鍺化物( Ni germanosilicide )、鎳鉑矽化物( NiPt silicide )、鎳鉑矽鍺化物( NiPt germanosilicide )與本論文所提出的NiCo silicide和NiCo germanosilicide去比較其材料特性差異。以熱穩定性來說，NiCo silicide能穩定至900℃，NiCo germanosilicide能穩定至600℃。由於Co的加入，可以使得NiCo在高溫依然可以得到相較於一般Ni silicide低的片電阻值，歸因於低溫相CoSi所造成的結果。在最後也探討了不同鍺濃度的矽鍺基材之NiCo germanosilicide的片電阻值變化與表面形貌變化。 本文所探討的鎳鈷合金的材料特性，對於金屬連接材料的選擇，提供了特性更好的選擇性，往後有利於微縮電晶體尺寸時所可以使用的材料。
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近年來為了有效的降低接觸電阻(contact resistance)，提出使用表面平整的磊晶金屬矽化物源/汲極結構來取代金屬矽化物源/汲極。目前有研究指出，一般成長二矽化鎳需要700℃以上的高溫，但當金屬Ni厚度小於某一臨界厚度時，即可在低溫下與矽反應成磊晶的二矽化鎳且不需要經過其他中間相(Ni2Si、NiSi)。本論文利用離子濺鍍機(Sputter)鍍膜後將Ni濕蝕刻掉，Ni會與矽形成一層超薄的鎳矽混合層，此層厚度約會小於能形成磊晶二矽化鎳所需的臨界厚度，因此再經過快速熱退火(RTA)處理後，即可在低溫下形成磊晶二矽化鎳。本論文將會在大電流密度下量測磊晶二矽化鎳與多晶二矽化鎳的可靠度(reliability)，並求出個別的活化能(activation；Ea)及電流加速因子(current acceleration factor；n)。最後利用公式來回推在正常電流密度使用下，磊晶二矽化鎳的元件失效時間。也將用四點量測機台、掃描式電子顯微鏡與穿透式電子顯微鏡，來研究磊晶二矽化鎳的電性、磊晶品質、表面型態及分析造成元件失效的原因。
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本論文以雙層頻率選擇表面方式在一寬頻吸波器上實現阻抗倒轉器，設計目標為自由空間對負載器進行匹配，選擇兩階之頻率選擇表面進行等效電路設計並以全波模擬軟體與量測實驗驗證電路設計理論。針對吸波器的特性進行分析，根據吸波材質進行基板的選用，並設計一組兩階頻率選擇表面，其兩端阻抗比值與中心頻率與頻寬的變化關係決定等效電路架構後，以雙層頻率選擇表面為架構，使用FR4基板實現等效為金屬細環形狀。本論文製作之雙層頻率選擇表面阻抗倒轉器量測結果所涵蓋的-10dB頻帶為7.66 GHz至13.22 GHz，於X頻帶之中心頻率10 GHz的頻寬為55.6%，並於頻帶內之9.02 GHz與12.38 GHz具有90度之相位差，量測結果可驗證全波模擬。本論文所設計應用於X頻帶的衛星通訊系統。
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本論文的研究目的是研製以數位訊號處理器為基礎之遞迴式模糊類神經小腦模型網路之錯誤容忍控制六相永磁同步馬達定位驅動系統。首先，本研究將錯誤偵測以及錯誤容忍控制應用在六相永磁同步馬達定位驅動系統上。接著，將所設計好的理想轉矩控制器應用在定位系統控制上做馬達轉子機械位置命令的追隨。由於六相永磁同步馬達定位系統上所存在的不確定項是難以估計的，因此在實際應用上理想轉矩控制法則是難以獲得的。有鑒於此，本研究提出了遞迴式模糊類神經小腦模型網路來近似理想轉矩控制器，並加入補償控制器來消除近似誤差，另外一種方法則是採用遞迴式模糊類神經小腦模型網路作為估測器來估測計算轉矩控制法則的非線性項，並以強健控制器來補償其重建誤差。在遞迴式模糊類神經小腦模型網路的架構上分成兩個輸入維度，第一個輸入維度採用了小腦模型網路來提升其線上學習率以及網路區域化的學習能力。除此之外，輸入的第二維度採用了遞迴式模糊類神經網路，此方法除了提升網路歸納能力外更有效的減少記憶體使用需求。最後，本研究以32位元浮點運算數位訊號處理器完成了所提出的錯誤容忍控制定位驅動系統，且利用實驗結果來驗證所提出的遞迴式模糊類神經小腦模型網路錯誤容忍控制定位驅動系統的控制成效。
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本論文提出一種併網型單級三相太陽光電系統於配電系統三相故障期間使用二維遞迴式模糊小腦模型類神經網路之實虛功控制法，其中配電三相故障為相對地故障或相對相故障。太陽能光電系統利用單級三相電流控制電壓源之變流器完成最大功率點追蹤法以及低電壓穿透能力之功能，其中最大功率追蹤法採用增量電導法。配電系統三相故障時，控制器以符合E.ON低電壓穿透規範的虛功電流比例補償，調整注入市電端之虛功量，使太陽光電系統產生之實功與注入市電之實功維持平衡以及保持穩定，並限制變流器輸出電流之最大值。本論文首先利用三相電壓大小之最小值來判斷故障電壓之大小，並且提出一種以正序電壓成分之大小判斷故障電壓大小之方法。本論文所提出之智慧型控制器二維遞迴式模糊小腦模型類神經網路將在論文內詳細介紹架構中各層之函數以及藉由最高陡降法所推導之線上學習法則，並且使用李亞普諾夫函數證明其收斂性。最後利用實驗成果來驗證所提出智慧型控制器應用於併網型單級三相太陽光電系統之實虛功控制在配電系統三相故障時之成效，並與比例積分控制器來做比較。