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0.6伏十二位元50-kS/s之逐漸趨近式類比數位轉換器設計及應用於腦深層刺激系統之腦電訊號量測與刺激模組設計

癲癇為一種起因於大腦皮質神經細胞活動過度或放電異常而產生的神經系統疾病，為減輕此疾病對患者之影響，許多文獻提出不同種類的腦電訊號感測與回授系統，監測患者之腦電訊號並在癲癇發生時甚至發生前給予電或光刺激。根據之前的這些研究，本論文針對腦電訊號感測與回授系統及應用於腦電訊號感測之類比數位轉換器進一步進行研究與設計。 本論文可分為兩個部分，第一部分完成一個利用市售元件組成之無線腦電訊號監測與刺激系統，此系統包含使用者介面、癲癇偵測演算法、藍芽無線傳輸電路、腦電訊號感測電路、光刺激與電刺激電路及電源管理電路。為了驗證此系統功能，亦對此系統的各個部份進行量測。除此之外，也執行動物實驗證明此系統在臨床實驗之可行性。 第二部分則為用於癲癇監測系統之類比數位轉換器的晶片設計與量測。前段實作一顆採用台積電180奈米製程的3.3伏特供應電源12位元逐漸趨近式類比數位轉換器，以及利用此類比數位轉換器與八通道前端訊號放大電路和彭盛裕教授實驗室提供之四通道電刺激電路整合的台積電180奈米製程系統晶片。除此之外，本論文研究亦改良前述之逐漸趨近式類比數位轉換器，結合節省功率消耗之跳躍式視窗架構與解決電容不匹配之離散傅立葉轉換校正，並為了進一步降低功率消耗而將供應電壓降至0.6伏，實現一個和前一次的類比數位轉換器相比，功耗更低及性能上更優化的12位元逐漸趨近式類比數位轉換器。

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一個具有單粒子事件加固比較器與數位電路之設計與實作

隨著通訊科技演進，低軌道衛星通訊蓬勃發展，然而低軌道衛星需要低成本、低功耗、小體積並且需要在外太空惡劣的輻射環境下還能正常運作。在傳統積體電路設計中，並未考量輻射效應對於積體電路的影響，所以如何設計具有抗輻射干擾的晶片，用於衛星通訊中是一大挑戰。 類比數位轉換器在電子系統中扮演極重要的角色，它是自然界類比信號與數位信號中間的橋梁，在通訊系統中也扮演很重要的角色。在各種不同的架構中，連續漸進式式類比數位轉換器為廣泛應用的其中一種，而比較器為其中最重要的一個部分，此外連續漸進式式類比數位轉換器大部分都是數位電路，因此，比較器和數位電路如何達到具有輻射加固或是輻射容忍，是一項值得研究的題目。本論文提出一個具有電阻加固比較器以及使用三倍冗餘模組架構，來達到輻射容忍，工作電壓為1.4伏特，在短脈衝雷射的測試下，所提出電阻加固比較器以及使用三倍冗餘模組架構沒有觀察到錯誤發生；傳統的比較器，在脈衝雷射測試下，出現單次事件翻轉，經過統計錯誤率為0.0017，脈衝雷射功率為98.9毫瓦。因此，所提出電阻加固比較器與傳統的比較器相比更為堅固。

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藉由電阻映射單層石墨烯之能帶結構

石墨烯是近年來被大量結合於其他半導體材料，因其在二維材料中非常具有潛力之材料，故被大量研究及探討，而本論文探討的目的為以簡易的方式了解其與矽基板組合後之能帶結構圖，相較於其他探討能帶結構之方式簡單上許多，像是使用第一原理所計算出能帶結構，並且了解經濕式轉移(wet transfer)後之石墨烯會因與水中氫氧根結合後轉變為P型摻雜之石墨烯，我們透過的方式是使用閘極調變去檢驗其為N型摻雜或P型摻雜，轉變為P型摻雜後，費米能階(fermi level)會從狄拉克點(dirac point)下降至價帶(valence band)，載子濃度(carrier concentration)也會因轉變為P型摻雜後有所改變。 我們希望感應出更多的電荷而選擇在P型矽基板及N型矽基板上成長非常薄之氧化層，厚度2.7nm左右，成長氧化層後，我們再去蒸鍍出電極，並且確認氧化層具有優異之絕緣效果，也就是具有非常小之漏電流，N型矽基板及P型矽基板所製程元件電阻率約為1015Ω•cm，因若漏電流太大會影響利用閘極調變之結果，轉移石墨烯至基板上後結構為石墨烯/二氧化矽/矽(Graphene/SiO2/Si)，並增加背電極，來對類似MOS電容之結構進行閘極調變，在到達電阻最大值時為狄拉克點，因此時的狀態密度(density of state)為最小值，而會使電阻值上升至最大點，再增大閘極電壓時，在石墨烯端會相對感應出電子，電阻會下降表費米能階往導帶方向移動，由此確認經濕式轉移後轉變為原生P型摻雜。 最後經公式計算得到石墨烯之能帶結構，與經第一原理計算出石墨烯之能帶結構中之導帶變化速度與價帶變化速度不同相符，且因使用之氧化層較薄使得矽基板會影響石墨烯，使得N型矽基板及P型矽基板得到之能帶結構有所差異，且導帶及價帶變化也不同。

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量詞消除應用於隨機布林可滿足性

隨機布林可滿足性 (SSAT) 通過允許對隨機變數進行量化來廣義化量化布林公式 (QBF)。 它的通用性使得 SSAT 能夠強大地模擬不確定性下的決策或優化問題。 另一方面，這個廣義化因為其有計數上的特性使計算複雜化。 在這項工作中，我們解決了以下兩個問題： 1）SSAT中是否有量詞消除的方法，類似於QBF？ 2）如果SSAT可以消除量詞，那麼它對SSAT求解是否有效？ 我們給予肯定的回答，並開發了基於量詞消除的 SSAT 決策程序。 實驗結果證明了與最先進的求解器相比，新方法的獨特優勢。

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用於長片段序列比對之硬體加速平台設計

DNA定序的過程通常需要將序列片段和參考基因組做比對，我們基於minimap2種子與延展的演算法設計了一個硬體加速平台，這個演算法包含三個步驟:計算種子、計算連結、計算比對。 計算種子的目的是找出在兩條序列上出現的相同片段(錨)，這部分使用了極小元取出序列上的特定片段，並利用雜湊表找出相同的片段。計算連結則是把前面所找出的錨依據它們的位置找出連結順序，這部分調整計算順序後就可以減少硬體的資料路徑增加運作頻率，並達成64倍的平行化。計算比對是比對前面相連錨中的空白片段，這部分採取的比對演算法為動態規劃，我們的硬體採用了計算單元同時計算在反對角線上的資料，並達到了最高500倍的平行化。 我們的主要貢獻是在現場可程式化邏輯閘陣列上實現長片段序列比對的硬體加速平台，輸入兩條序列後可以輸出完整的比對結果。我們完成了兩種硬體架構，一種是條狀比對寬度256，在單一現場可程式化邏輯閘陣列上實現完整功能，另一種則是使用兩個現場可程式化邏輯閘陣列達到與軟體預設值500相同的條狀比對寬度。兩者在minimap2提供的測試資料上都有9倍以上的加速倍率。

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微發光二極體顯示器之0.18 μm CMOS雙極性高壓驅動微晶片

本論文提出一個微發光二極體面板驅動晶片系統，其具備十個通道的電流抽載能力，並在其中的六個通道中提供微發光二極體狀態偵測與自我修復功能。一個完整的微發光二極體面板驅動電路至少須包含以下幾個子電路：負責產生各項電源偏壓的電源產生 ( Power Generation ) 電路、產生同步控制訊號的時序控制( Timing Control )電路、控制面板上薄膜電晶體( Thin Film Transistor, TFT )開關的閘極驅動器( Gate Driver )、提供像素驅動能力的源極驅動器( Source Driver )以及珈瑪校正( Gamma Correction )電路。本論文就其中的閘級驅動器、源極驅動器與時序控制功能進行改良，提供雙極性之閘極電壓控制以及發光二極體狀態偵測、修復和驅動功能，以期達到較佳的顯示效果與顯示壽命。 發光二極體顯示面板的源極驅動方式大致可分為三種，分別為恆定電流驅動( Constant Current Driving )、恆定電壓控制( Constant Voltage Driving )以及脈波調變控制( Pulse Width Modulation Driving )，本論文採用恆定電流方式進行驅動。本論文設計的恆定電流控制電路由電流抽載器( Current Sink )以及位準移位器( Level Shifter )兩者組成，藉由調整電流抽載器的抽載電流大小以控制發光二極體的亮度，並同時配合時序控制電路以及位準移位器正確驅動薄膜電晶體的閘級開關，以達到控制灰階和驅動薄膜電晶體開關的功能。 其中為延長面板顯示壽命，本篇提出在一個像素內( Pixel )內多植入一倍的發光二極體，在一般情況下同色的兩顆發光二極體會同時被驅動發光，而在有其中一顆損毀的情況時則會偵測並停止驅動損毀的該顆發光二極體，僅驅動完好的另一顆發光二極體，以此方式達到延長面板顯示壽命的目的。 本晶片使用台積電0.18微米互補式金屬氧化物半導體( Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS )製程實現，晶片面積為1.75×2.5 mm2，共可同時抽載十個通道，並在其中的六個通道提供發光二極體狀態偵測與修復功能。數位時序控制時脈為25 MHz，準位為0至1.8V，外部直流偏壓共使用5種，分別為12 V、3 V、2.5 V、1.8 V和-3 V。本設計之閘級驅動輸出準位均為-3至12V，依據驅動薄膜電晶體之不同共分為三種負載規格，此處分別稱為RGB-TFT、RE-TFT、G-TFT，其中負責控制三色開關的RGB-TFT模擬之上升和下降時間分別為20.45 ns和22.66 ns，負責控制開啟或關閉損壞的發光二極體的RE-TFT模擬之上升和下降時間分別為23.87 ns和19.89 ns，負責逐列驅動的G-TFT模擬之上升和下降時間分別為23.01 ns和25.4 ns。電流抽載器切換頻率為1.04 MHz，最大抽載電流為483.5 μA，解析度為8位元，即本晶片可提供0到255的灰階控制。

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運用設計自動抽象化技術增進限制隨機向量生成效能

隨著積體電路規模與複雜度的增長，功能驗證在晶片設計流程中的重要性日增。基於模擬的約束隨機驗證方法，因能有效處理複雜度指數成長的大規模晶片設計，而成為業界的主流驗證方式。但其追求高生成率與均勻分布的特性，使測試向量在策略性與目的性上都有所不足，模擬器只能在設計狀態空間中以隨機遊走的方式進行探索。本研究提出設計抽象化技術提供晶片設計與反例的宏觀全局結構模型，再結合精緻化技術來有系統性的補充與驗證目標有關的必要設計細節。據此指引生成器有目的性的生成測試向量。在大規模數位系統的實驗結果顯示，我們的方法在驗證安全屬性的能力、速度與給出的反例質量上都明顯優於原始方法。

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基於壓縮領域之指紋辨識系統

隨著3C產品與個人資料的大量成長，掌管使用權的身分辨識技術逐漸受到重視，其中利用生物特徵進行辨識的作法，已逐漸取代傳統知識型驗證成為主流趨勢，例如在智慧型手機的解鎖系統中，指紋辨識已佔有廣大的市場，而新興的屏下指紋辨識系統，能夠直接將指紋感測器安裝於螢幕下方，因此不需要額外的空間放置指紋感測器，不但使用起來更方便，也提供全面屏手機指紋辨識的做法。然而，屏下指紋易受到顯示面板與相關電路的雜訊影響，導致圖像品質不佳，要使用傳統局部特徵點的辨識作法，就須要先透過高運算與費時的指紋重建方法，以提升指紋圖像品質，此過程對於講求低運算複雜度的終端裝置是較不友善的。 針對上述問題，本文利用全域方向場(Orientation Field)提取特徵，觀察角度分布以建立頻率向量(Frequency vector)，由於方向場對於雜訊有較高的容忍度，因此高複雜度的指紋重建方法將可以被省略。為了更進一步提升辨識能力，我們使用三元組損失(Triplet loss)來訓練類神經網路模型，將原先頻率向量變換為一個轉換向量(Transformed vector)，使之拉近自身特徵間距離並推離其他資料的特徵。最後利用比對基礎的辨識方法(Matching-based method)進行指紋辨識，其中表決決策法(Vote decision method)能使自身與其他指紋間的辨識分數有更明顯的差距，以此獲得更好的辨識結果。綜合以上所述，本文設計了一個基於全域向量場的指紋辨識作法，並利用類神經網路增強萃取特徵，最後透過比對基礎方式進行指紋辨識，此作法不須要高複雜度的指紋重建過程，將更適合終端裝置使用。

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針對以React.js框架開發的網頁服務設計進行自動化靜態測試

開發者在編寫代碼時通常會使用語法分析檢查工具來確認代碼是否存在語法錯誤，儘早得知代碼錯誤可以加速開發時程，避免在進入測試階段後才發現錯誤、又返回重新修改代碼。而本研究所開發的針對以React.js前端框架開發的網頁服務設計進行自動化靜態測試之工具，透過在編譯時間對代碼進行進階的靜態分析，得到語義和邏輯的控制流程圖，提前判斷是否存在因元素觸發事件設計錯誤而造成的服務運行中斷錯誤。此外，由於網路服務迭代更新的速度頻繁，撰寫完整的測試資料也花費開發者不少時間，本工具可同時利用控制流程圖來自動化產生測試樣本，此樣本可供開發者在後續動態測試上作為使用。

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應變鉍薄膜的結構特性

本論文研究~10 nm等級厚度的鉍薄膜的結構特性；10 nm範圍為鉍薄膜以分子束磊晶法成長於Si (111)基板時，由原子團簇連接成連續平整層面後的初步階段。鉍薄膜在此厚度範圍具有可觀的量子侷限效應，其平整性也具有元件的應用性。我們針對此厚度範圍的鉍薄膜進行了高解析X光繞射、穿透式電子顯微鏡、電子背向散射繞射等分析。 所成長的鉍薄膜樣品基本上是由沿著c軸成長之孿晶晶粒構成，晶粒的尺寸在微米以上。我們採用高解析X光繞射量測(0003)、(0006)、(0009)、(00012)及(00015)面的繞射峰以干涉函數來擬合並獲取晶格常數c、薄膜的厚度。同時也以考慮結構因子、勞侖茲極化因子、德拜-瓦勒因子及X光吸收的X光繞射強度公式擬合各繞射面的積分強度，以求出鉍雙層的厚度b與德拜-瓦勒因子。我們也對(01-14)、(11-26)、(11-29)、(01-110)等傾斜面進行高解析X光繞射量測，並配合c晶格常數求取a晶格常數。我們發現同一樣品中由不同面所求取的晶格常數c其標準差大都在0.01 Ǻ以下，顯示c有相當好的一致性。晶格常數c大於文獻上鉍塊材之值，且有隨著厚度的減小而變大的趨勢，顯示薄膜在水平方向受有應力，致使垂直方向呈現伸張性的應變。雙層厚度b與c/3的比值則與文獻上塊材之值接近，顯示雙層厚度b隨著c比例變化。所求得的德拜-瓦勒因子中之Bz項略大於文獻值，顯示鉍薄膜的晶格在垂直方向維持接近塊材的有序性。在水平方向，我們發現所求得的同一樣品的a常數則散佈在\frac{7}{6}\frac{a_{Si}}{\sqrt2}與a_{Bi}塊材值之間的區間內，顯示鉍雙層在水平方向受到複雜的應力，其來源可能包括晶粒邊界的鬆弛、內部的缺陷及Si基板的影響。垂直方向則可能因為鉍雙層間準凡得瓦鍵結間隙的緩衝，使晶格常數c與b具有較好的有序性；而鉍雙層由具方向性的共價鍵組成，故晶格常數a易受應力影響而較為紊亂。 我們以穿透式電子顯微鏡拍攝之晶格影像進行快速傅立葉轉換後的倒空間之晶格結構，發現鉍薄膜與矽基板兩者晶格點具有相類似的排列，顯示兩者在水平面具有方向對準的關係。再透過選取Bi (0003)、Si (111)雙晶格點進行逆快速傅立葉轉換後，利用影像強度分布圖證實了從高解析X光繞射實驗擬合取得的厚度；而Bi (01-14)與Si (220)的逆快速傅立葉轉換後的強度分布圖則顯示7個矽原子堆疊6個鉍原子的關係。 針對準凡得瓦磊晶中磊晶層與基板在水平方向的相關性，我們也就Bi (01-14)與Si (220)傾斜面進行高解析X光繞射的φ scan。發現鉍主要孿晶晶粒與矽基板峰值的角度差大都在0.1°以下，確實具有對準的磊晶關係。晶粒尺寸在10微米等級樣品的φ scan中，除了與矽對準的鉍繞射峰之外，還伴隨著另一個差距2°至3.5°的繞射峰。我們以矽最密堆積面優選位置與7:6間距關係的模型來解釋雙繞射峰的現象。這個現象顯示準凡得瓦磊晶仍然有其晶格匹配的原則。由於準凡得瓦鍵結遠比共價鍵結微弱，此現象在10微米等級的晶粒中才能排除其他的應力而顯現出來。