台湾自主研发科学仪器历程及成绩

李嫣 李旭丰

从进口到自制

仪器为科技发展之母。早年台湾科技基础条件落后，科学仪器几乎完全依赖进口。在物资匮乏的上世纪60年代，申请动用稀缺的外汇购买昂贵的实验用仪器，可以想象会有多难。史料记载，当时研究人员常常通宵达旦，排队守候在某家拥有实验仪器的研究所门外，就为了能够获得1小时借用仪器的时间。

1967年8月，吴大猷回台就任台湾科技主管部门负责人。作为长期从事实验物理研究的科学家，他不仅深知仪器设备对于科研工作的重要性，而且通晓一般科学仪器的原理构造，抗战时期他在西南联合大学任教时，就曾在简陋的条件下亲手制作实验仪器，从事原子结构及振动光谱的研究，不仅发表了多篇有世界影响的论文，而且培育出像杨振宁、李政道这样的杰出物理学人才。

在吴大猷的提议下，1968年3月，台湾科技主管部门成立科学资料仪器制造供应中心筹设小组。同年9月，在新竹地区清华大学红楼（图书馆）及科仪馆内正式设立科学资料及科学仪器中心，集中从外国购置台湾最紧缺的科技文献资料和贵重仪器设备，然后免费向岛内学术界及企业开放，同时对外提供仪器修理及维护服务。

不久，他们接受岛内一些学校的委托，从自行研制教学用显微镜、真空计开始，逐渐尝试制作简单科学仪器。到1973年，该中心自建一座小型光学工场，用手工抛光方法研磨出一块块透镜，共研制出十余种大学物理实验设备（包括多种核能仪器）及电子教学示范仪器，还协助其他研究机构设计制作质谱仪、惯性导航系统、X光绕射仪、单射仪、中子活化分析设备、电磁振动仪、摄谱仪等特殊仪器设备。当时行政主管部门负责人蒋经国亲自前来视察，还召开岛内首次精密仪器发展座谈会，指示建立全台湾中小学教学仪器修护服务制度。

成立精密仪器发展中心

由于他们的产品逐渐供不应求，台湾科技主管部门在1973年4月对该中心进行改组，把图书资料部分剥离，成立独立的精密仪器发展中心，并迁出清华大学，在台北市南港区中研院内自立门户。此后，该中心进一步研发出多种工业上用重要仪器，如分析金属材质用的光谱仪、切割材料用二氧化碳激光器、光学研究用氖氦激光器及精密示波器，还开始研发医用仪器及600倍至1500倍电子显微镜等光学仪器。

到1980年，他们已建起岛内设备最齐全的实验性光学研磨、光学镀膜及精密机械加工车间，并设立光学标准室、激光实验室与超高真空实验室，开展绕射分光、光波干涉、激光长度测量系统及精密光学元器件等技术研发工作。1983年，台当局将光电列为八大重点科技领域之一，科技主管部门拨出专款，由该中心负责光电组件发展计划，先后研制出复通式高精度分光仪、光学精密定位干涉仪、掺钕钇铝榴石激光器、激光精密测长仪、塞曼稳频激光器等。

随着该中心发展规模越来越大，原有场地不够使用，因此在1987年1月整体迁至新竹科学园区研发六路20号新址，除了开发生产显微投影机、万能投影机与缩影阅读机等仪器外，还协助第一家外资光学仪器公司在新竹园区设厂，帮助培训技术人员。

当时，新竹园区内诞生许多半导体企业，由于集成电路制造设备很多技术都涉及真空与光学仪器，该中心具有实际工作经验的研究人员和工程师顿时炙手可热，甚至整个部门直接被厂商挖走的新闻常常充斥报端。许多大企业所需关键人才都出自该中心，几乎成了岛内各厂商的人才库。

服务高科技产业

上世纪90年代，该中心的任务逐渐由支持学术界调整为服务高科技产业，包括承担兴建同步辐射中心首条光束线装置、研制“中华一号”卫星海洋水色照相仪酬载等任务，积极开发自主光电遥测技术能力，从机载系统开始，一一建立起光学组件设计、杂光分析、光学镜头制造、系统组装测试、航空摄影及空中影像数据处理等各项技术，并自行完成一套与“福卫二号”卫星光电遥测酬载相同，具有4光谱波段的机载多光谱仪、植被及土地变迁观测仪。

在该中心带动下，台湾精密仪器产业也开始发展壮大。到2004年，产值达到240亿元新台币，范围涵盖电子测量、制程控制、光学理化分析、医疗及其他领域。据统计，当时精密仪器企业约有550家，从业人数约2万人，营收约570多亿元新台币，利润约30亿元。

2005年，任台湾科技主管部门将精密仪器发展中心划归财团法人“国研院”，并更名为仪器科技研究中心，承担为台湾精密仪器产业打头阵的角色。台当局“第六次全台科技会议”将微机电及精密机械列为“台湾科学技术发展计划”重点发展领域，台湾经济主管部门制定了精密仪器产业技术发展策略，希望借此建立自主性关键技术的能力，同时支持“两兆双星”等光电产业发展。台湾科技主管部门则将该中心列入到“纳米重点科技计划”的核心设施建立与分享运用体系中，制定了“精密仪器发展中程纲要计划”，推动其建设岛内仪器科技基础平台，以支持前瞻学术研究所需自行开发仪器设备服务，协助促成特色学术领域产生，提升台湾在科学仪器及工业测量仪器技术方面的水准与产品层次，并建立研制卫星遥测酬载系统及关键零组件的基础技术能力。

在上述发展计划的指引下，该中心通过技术引进和自主研发，攻克了一批能有效带动和引领科学仪器行业发展的关键核心工艺技术和核心部件，掌握许多颇具特色的光电系统、真空技术及光机电系统整合等关键核心技术，研制开发出一批重大科学仪器设备，如非球面负形抛光系统、原子层沉积（ALD）系统、光学镀膜监控系统、纳米球模板技术、高真空化学束磊晶系统、晶圆定位线上检测仪、数字式流体晶芯片操控平台、数字显微相机及液晶面板背光模组辉度线上全检仪等9种仪器系统。其中背光模组辉度线上全检仪为全球首创，这种仪器可取代当时欧、美、日的离线检测设备，其检测速度比日本设备快30倍以上，推出后即促成岛内液晶面板业获得2亿元新台币以上的大笔订单。

近年来，该中心先后研制出VCDi-660植被与土地变迁观测仪、卫星影像高光谱仪、30英寸BLU大型光源辉度与色度测量仪、视讯MTF检测仪、自由基检测仪与多功能生化检测仪、12英寸原子层沉积系统、标准型脉冲激光沉积系统、CMOS光吸收微型分子生物检测系统、光学透镜偏心测量仪、智慧型光谱影像系统、显微镜自动对焦系统、“福卫5号”卫星主镜等专业仪器设备。

经过40多年发展，他们不仅打造出先进且扎实的仪器制造技术，而且成为台湾岛内唯一具有研制太空等级光机电仪器的工程整合机构。该中心目前定位是建设仪器科技服务平台、发展前瞻新颖仪器科技，主要任务是：提供前瞻学术研究所需要的仪器科技，促成科学上的新发展；支援产业所需的仪器系统和技术，协助产业技术升级，促进台湾经济发展；培育仪器科技研发人才，推动仪器自制，提升台湾仪器科技水平。

主要成绩及发展方向

该中心研发方向主要集中在光机电整合、精密光机工程及真空与微结构等三大技术领域。光机电整合方面的研究方向有智能仪控设计与整合、先进光学组件研制与仪器系统的开发、光电遥测；精密光机工程主要研究方向有精密光机制造与检测、非球面光学制作检测、超精密自由曲面加工、大口径航天级非球面镜加工、天文观测个性化仪器、曝光机光学系统；真空与微结构方面有先进镀膜制程设备开发、光学薄膜镀制与分析检测技术、微结构制作工艺。

该中心下设先进光学组、光机电系统组、真空科技与纳米制程组、精密光机工程组、生物医学仪器技术组、遥测光电仪器发展组、产学研合作小组、技术服务组、环安卫与能源小组等技术部门，约有工作人员160余人，其中研究与工程人员约占70%，技术人员占16%，拥有表面探针显微系统、扫描式电子显微镜、表面轮廓仪、影像光谱仪观测系统、聚焦离子束蚀刻系统、原子层沉积系统、离子束辅助溅镀系统、微结构制程与检测设备等核心设施，并建有遥测影像服务平台、仪器技术整合服务平台、嵌入式仪控技术服务平台、光学设计实作服务平台、微型生物医学仪器开发服务平台、真空制程与检测技术服务平台、仪器技术训练服务平台等，提供对外服务。2013年中心收入为4.13亿元新台币，主要为政府补助款。

目前，该中心主要执行台湾科技主管部门制定的“仪器科技发展计划”及“国研院”自己的整合型科技计划，2013年研制成功400～700纳米多波长近场光学讯号解调系统、显微偏振光谱检测技术平台发展、快速RF射频扫描显微镜驱动系统、“福卫5号”卫星遥测取像仪、强制流ALD系统及可携式上皮组织取像仪。

他们在完成“福卫5号”卫星遥测系统所需三套主次镜抛光（主镜口径466毫米，精度RMS10纳米）后，其大口径非球面抛光技术已扩展至半导体产业设备所需光学元件及系统制作。该中心技术团队正在持续改进短波长用大口径非球面制程与检测技术，发展曝光设备所需高精度投影镜头，以建立半导体产业设备关键性替换元件本地化制作技术。另外还完成表面形状误差小于λ/10的6英寸i-Line 波段用球面透镜，同时建立其制作标准作业流程，以及研发新型镜片夹具，以解决传统镜片脱模变形问题。

该中心开发的等离子辅助原子层沉积技术具有薄膜成长温度低、密度高、杂质少等优点，适合生长高级低覆盖率薄膜的制程系统，系半导体元件尺寸微小化所需的重要技术。其自主开发真空腔体、等离子源、前驱物管路与程序，并完成贵金属钌与氮化钽的制程验证，以突破目前商用设备功能与制程参数设定的限制，提供岛内半导体厂商元件所需材料制程的研究开发。

可携式上皮组织取像仪是该中心与高雄医学大学附设中和纪念医院合作研制而成，结合医疗与光电技术，以皮肤疾病为标的，利用405纳米的紫外光波段光源照射，可穿透皮肤深度约3纳米至皮肤基底层，使上皮组织病变部位一览无遗，镜头前搭配一组自行开发的光谱均化透镜，可拍摄皮肤癌组织的主要分布区域。此仪器可在光动力660纳米波段光照治疗前，准确定位癌症病变。该仪器历经三年开发，现已获得台湾卫生福利主管部门医疗器材销售许可认证。

该中心最近还开发出一种轻量化无人直升机用4波段相机载台系统，由两台高像素全画幅数码单反相机组成轻量影像酬载系统，使用单一长效锂电池，可供拍摄800～1000张照片，航拍1～1.5个小时，系统机构仅重4.6千克，并具有自动垂直稳定与抗震的机构设计，可减少影像晃动。在电子电路部分，RGB及NIR波段影像拍摄时间同步误差小于1毫秒，单一相机存储容量32GB（可扩充至64GB），搭配1200万像素高解析度影像模组，可进行生活环境安全监控与天然灾害范围评估、生态多样化及变迁，以及本土原生物种保育监测等特定用途。

在科技服务方面，该中心通过仪器技术服务平台，2013年完成仪器技术服务1989件，接受与执行产学研委托计划合作项目73件，并成立“光学系统整合研发联盟”，希望藉由中心研发平台，与产学界共同携手开发先期工程样品，加速从科学创意、原理概念到样品试量产的时间，以提升台湾高端光学系统制造与销售的竞争力。

为探讨光学物质对于各种偏振状态光束的响应特性，该中心成功建立了一套具有宽频波段测量能力的显微偏振光谱检测技术平台，通过整合商用显微镜以及光谱仪，搭配自制显微光谱量测模组，可针对可见光到红外波段光谱范围（400～1700纳米）进行样品微观光谱量测，具有偏振光状态自动化检测、偏振校正技术，以及超宽频校正技术等技术特点，使用消色差物镜，量测最小区域可达直径5微米；光谱解析部分在红光632纳米波段，可小于2纳米，在近红光1300纳米波段，可小于4纳米；并可藉由量测模组切换亮场或暗场进行测量，应用领域包括液晶检测、材料显微光谱分析、超颖物质特性检测，以及化学偏振光谱分析。

此外，该中心还与承担卫生科研的“国卫院”及台湾大学签署合作备忘录，在新竹生物医学园区生医研发中心共同建立“磁振造影系统研发及影像服务平台”，合作提升岛内自行研发磁振造影系统与其相关元件技术，促进高端磁振造影应用，并针对岛内具潜力之脑连结体研究与认知精神临床应用进行整合。最近又与新竹清大、交通大学、中央大学分别签署育成联盟合作协议，扩大运用大学创新育成中心的商务辅导能力与中心之核心技术能力与资源，培育研发成果产业化，吸引更多新创事业或研究团队进驻育成中心，在研发与产学合作方面协助进驻的创业团队。

该中心同时运用研发资源与能力，协助培育高级科研人才，2013年度培训硕、博士研究生共126人次，并开办仪器技术高科技人才培训课程22班、科技讲座13场，培训1381人次。此外，举办i-ONE国际仪器创新奖竞赛活动，提供教学参访服务1593人次。截止到2013年，中心已经获得各国和地区授权专利量97件，并通过技术知识授权及学术界委托研究两种方式进行技术转让。