研發服務平台亮點成果獎─優等獎
亮點成果：CMOS-MEMS共振式電容換能器平台與雙間隙CMUT陣列
使用平台：台灣半導體研究中心「CMOS-MEMS晶片設計與下線製作服務」

拿著一把鐵尺，一端置放桌面、另一端懸空，在懸空的那一端進行敲擊後，鐵尺呈現自然擺動，「振動，就是質量加彈簧，當動能與位能達到平衡時，就會有自然共振頻率」，國立清華大學奈米工程與微系統研究所/動力機械工程學系清華講座教授李昇憲指出，在尺寸微縮時頻率就會增加，因此當使用到半導體晶片的尺寸，這個頻率就可以被用在通訊、感測系統上，得以測量壓力、轉速等。

獨特的共振器研究領域 居世界領先地位

從大學時期就對振動學深感興趣，李昇憲在研究所期間開始使用壓電元件或靜電元件來驅動共振器。共振器是一種能夠發出特定頻率波動的裝置，透過調整結構參數與目標物體產生共振效應，以往的共振器大多是真空封裝做通訊使用，不與外界進行溝通，但他想要擴展共振器的技術與應用層面。

後來在美國密西根大學攻讀博士期間，因為工程應用的關係，從振動學出發踏入微機電系統（MEMS）領域，結合微製造，整合電子元件跟機械運動元件（例如薄膜、懸臂梁等）形成微型系統，可以應用在微型感測器、致動器、共振器等物件中，例如現在手機中的加速規、陀螺儀、高度計等都是相關的應用。

學成返國後，結合臺灣強大的積體電路優勢，利用半導體或微製程製作電子元件或機械元件，「我要在晶圓上，不只使用IC電路，還要創造可動元件」，打造獨特的CMOS-MEMS共振器研究領域，李昇憲目前在全球CMOS-MEMS共振器領域的研究居領先地位。

整合 CMUT 與介面電路 打造超音波單晶片系統

李昇憲利用台灣半導體研究中心（簡稱半導體中心）提供的下線服務、製程矽智財（Process IP）與晶片製造資源，採用T18製程（TSMC 0.18 μm CMOS 1P6M）進行CMOS-MEMS共振式電容換能器的設計與製造。共振式電容換能器是一種將電能轉換為聲音的裝置，透過高極化電壓使薄膜帶電，驅動薄膜振動產生聲波。

透過半導體中心的設計平台，李昇憲團隊在晶片設計中將獨家製程技術應用於電容式微機電超音波換能器（CMUT）的製造。CMUT是一種基於電容微機電系統技術的超音波探頭，能將電能轉為超音波，或將聲波轉換為電訊號。李昇憲實現全球首創雙間隙CMUT-on-CMOS，憑藉著高效率超音波輸出與高接收靈敏度，成功引起國際關注，不僅獲得IEEE IEDM 2024全球電子元件旗艦級國際研討會的Highlighted Paper，更獲得國際頂尖期刊《自然‧電子》（Nature Electronics）報導，顯見其技術突破與學術價值。

應用在超音波探頭 為遠距醫療開啟更多可能

藉由製程平台，李昇憲成功實現價格低廉且無須繁瑣工序的製造技術，不僅簡化設計與製程，所需時間也大幅低於其他複雜平台，使其成為MEMS和CMOS整合元件設計驗證的理想選擇。緊接著，研究團隊進一步整合CMUT與介面電路，顯著降低晶片面積與寄生電容效應，最終在單一晶片上打造超音波單晶片系統（Ultrasound System on Chip，USoC），目前已成功獲得臺灣與美國專利，鞏固技術創新與應用潛力。

電容式微機電超音波換能器和超音波單晶片系統，可以應用在醫療場景的超音波探頭上。李昇憲指出，傳統的超音波體積大、價格高，僅有醫療單位會採購使用。當電容式微機電超音波換能器和超音波單晶片系統導入超音波工具，應用在超音波探頭上時，就能實現體積小、價格低的目標，能推出家用、攜帶型的超音波檢測工具，且因大幅降低成本，自然可以普及，有望結合雲端工具、人工智慧判讀，為遠距醫療的實現開啟更多可能性。

擴展共振技術 在半導體中心支持下創新晶片設計

將共振技術的核心，拉到半導體、搭配電路的世界，是李昇憲研究的主要動機。選定「超音波」的方向，在研究過程中必須考慮回波的大小、衰減問題、介質特性等等，再加上透過CMOS製程製造可動的機械元件，在單一晶片上實現機械、電路一條龍全整合，亦即在CMOS電路晶片上，創造可動件，用於超音波，就會變成一組薄膜陣列、一組電路形成單晶片整合，不會產生兩個晶片、需數千根導線連通的技術瓶頸，因為「全整合帶來小尺寸、低功耗、信號保真度」的研究成果，才會成為國際重要期刊的亮點研究報導。

此次成功實現全球首創雙間隙CMUT-on-CMOS，實則是十年來努力的成果，實驗過程歷經多次失敗，薄膜塌陷、應力破裂等，在一次又一次琢磨的過程中，逐漸摸索出一套非常重要的know-how，透過設計，讓上千顆薄膜同時作動，對此他特別感謝半導體中心的全力支持，對於他回到臺灣之後的研究與教學工作，扮演了重要的角色。

本研究運用半導體中心提供的下線服務，將晶片設計連接到台積電的晶圓製程，實踐晶片的部分製程；另一方面，為了維持晶片設計的獨特性，李昇憲在清華大學的無塵室中進行特殊的蝕刻，完成「雙間隙」的製程。他特別感謝半導體中心，「半導體中心給我們一個很好的平台，讓我們可以構思：該如何站在它的肩膀上開發更獨特的元件與應用，如果沒有半導體中心的平台，也沒辦法實現創新的想法」。

未來，李昇憲希望將本研究的成果推向產學合作，將研究成果應用在產品上、推向市場。這必須將現有技術做得更可靠、良率高、更大量、更便宜，才有機會商品化、被市場所接受，進而透過科學研究的成果推動人類生活的進步。