臺北科技大學機電整合研究所學位論文
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本篇論文主要目的在於利用RFID提供一個有效率的方式來進行機器人的導航以及避障。假設機器人能夠判讀標籤的編碼和測量每個標籤的RSSI以及讀取地面上的標籤。然而，因為現今的天線和標籤之間存在不可避免得誤差。換句話說，錯誤必然存在於天線和標籤之間。也因此許多研究人員會加上一些其他的感應器來減少導航中產生的誤差。但如何只利用RFID完成導航才是最好的方法。本論文提出一個不同於現今的方法能夠只利用RFID以及用正三角形方式鋪在地上的標籤就可以進行機器人的導航。最後的實驗也證實本論文所提出的方法確實可以準確的利用在定位和導航中。
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CMOS-MEMS 製程是直接從一般IC 製造中的CMOS 製程加上微加工技術，使其具有機械特性，因此利用CMOS-MEMS 製程來製作微機電元件，不僅可以有一般微機電加工技術的優點，同時也因為可與一般IC 製程相容，易於與IC電路整合，形成微機電系統。本論文是利用CMOS 標準製程與微機電後製程研製電容式指向性微麥克風陣列，提出一種設計可以將兩種不同的麥克風結構做在同一晶片上；並設計一種製程方法可同時將兩種不同結構的麥克風製作完成，且可與CMOS 電路整合為晶片；同時藉由CoventorWare 模擬分析軟體針對微麥克風結構做改良設計；再利用CIC 所提供的RLS 後製程以及乾、溼蝕刻製程步驟達到指向性麥克風陣列結構的建立，最後利用覆晶封裝技術使得指向性麥克風性質可以更加良好。
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隨著能源價格上升，且需求量不斷增加，因此替代能源成為新的發展方向，直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell)可成為小型電子產品之替代能源。燃料電池組裝時，受到螺栓施加壓力不平均而導致集電板變形，這些變形將影響到電池之發電效能。本研究主要探討施加不同壓力於陽極MEA時變形量對於效能之影響與利用CCD影像估算甲醇消耗量。實驗將分為三個部分，首先，利用ANSYS模擬當改變陽極電集位置時MEA的變形量；第二部分為量測其電池功率效能，此部分可以分為改變陽極集電位置以及施加不同壓力於陽極集電位置，並探討溫度變化對於電池效能之影響；最後為利用CCD (Charge Coupled Detector) 擷取電化學反應所生成之二氧化碳氣泡影像，並利用氣泡面積估算甲醇消耗量。 由模擬結果可以得到擺放於中央位置的變形量較為均勻，其餘位置所得之變形分析結果較為不均勻；陽極集電位置在靠近陰極集電端之效能較佳，遠離陰極集電端則效能較低；施加較高壓力於陽極MEA上，電池量測效能較佳，最高功率密度可達1.18 mW．cm-2，當溫度增加時量測效能之最高功率密度為2.06 mW．cm-2，增加率為75 %。由交流阻抗測得阻值受到壓力增加而有減少之趨勢，當施加壓力為1.55 N．mm-2阻抗為0.65 Ω，施加壓力為1.35 N．mm-2阻抗為1.93 Ω；最後經由CCD量測甲醇消耗量之結果，越高負載之電流密度，所消耗之甲醇較多，使用之時間縮短，因為高電流密度電化學反應較劇烈，因此較容易造成甲醇毒化及消耗等問題產生，因此所提供效能之時間較短。
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由形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)形成的X-Y平台，結合設計簡單、耗能少、成本低等特色。有別於一般馬達控制，利用功率大小產生相對給予的熱能，當形狀記憶合金隨著溫度升高時，由低溫的麻田散鐵相轉變為高溫的沃斯田鐵相，藉此形狀收縮來拉動滑塊，並利用光學滑鼠的光感測器測量位移量，經由數位訊號處理器運算，以梯度法線上調整模糊滑動控制器的參數達到最佳的位置控制。
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本論文提出一種利用奈米碳管作為氣體感測元件，結合CMOS電路成為分子級感測晶片的方法，將測得之訊號直接傳入相連的CMOS訊號處理單元中，此訊號處理單元可為電流量測及阻抗量測單元，因此能夠直接量測、判斷所測得的微量電流訊號變化。後階段可於奈米碳管表面進行改質，作為生化感測元件之有效方法；並且利用陣列形式，在同時間內可偵測不同的氣體分子，以發揮氣體感測器的辨識能力，實現可穿戴式（Wearable）單晶片（SoC）的目的。 由於奈米碳管在感測氣體時，電流訊號大部分為 等級，換算成電阻單位約為Mega歐姆等級，利用訊號讀取電路做偵測，再利用公式推算出微結構的阻抗值及奈米碳管阻值。於電流訊號感測方面，本研究利用積分器將感測電流訊號轉換成電壓訊號，再藉由切換電容式電路作為訊號放大及讀出電路。經由全差分設計的結構，提供了一個良好的雜訊抑制能力。放大器偏移電壓可以經由相關雙取樣技術給消除掉。本系統以TSMC 0.35 μm 2P4M製程來設計感測晶片，晶片面積為1.79672*2.01684 ,工作電壓採用3.3V，以25kHz作為CMOS開關工作頻率、輸入1 kHz載波測試，可以感測範圍約10nA~數百pA之電流值。因此本研究系統確實可有效感測到微量氣體變化。
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本研究運用互補濾波器結合慣性感測元件內的加速規、磁通量計與陀螺儀的狀態量測估算出承載平台的運動及姿態角與方位角。利用加速規與磁通量計之低頻特性以及陀螺儀的高頻特性，透過互補濾波器整合訊號以達到最佳的估算效果。透過系統鑑別的方式求出感測器的頻率響應及轉移函式，並依據感測器的特性訂定截止頻率設計出互補濾波器的訊號處理架構。在實驗部分，則利用旋轉平台與線性運動平台等實驗器材來驅動慣性感測器取得不同運動狀態之慣性量測值，透過互補濾波器的融合運算功能得到低雜訊與高穩定性的姿態角，驗證所發展的互補濾波器在計算慣性姿態角的效果與可行性。 在旋轉實驗方面，透過互補濾波器的估算能夠將其輸出響應降低至±0.5 dB以內。在雙軸旋轉實驗方面，互補濾波器的Pitch角估算誤差皆低於1°，而Roll角之標準差皆低於0.2。在步階旋轉實驗結果可以得知，由互補濾波器之結果，其安定時間小於1秒，穩態誤差控制在±0.5°。由這些實驗結果可以得知互補濾波器架構在純旋轉運動下，能夠估算出精確且穩定的姿態角，而在非力平衡之實驗結果也可以證實互補濾波器架構能夠降低外在加速度的干擾，得到較佳姿態角結果。
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本研究目的在研究利用靜磁場輔助磁性奈米粒子於基因傳遞(Gene Delivery)之效能，並採取不同靜磁場形式於細胞轉染過程中進行曝照，探討基因傳遞表現量所呈現的趨勢。實驗過程以磁性奈米粒子混合DNA，利用磁場引導性特質使粒子混合體移至細胞附近，藉由內吞作用(endocytosis)來增加DNA進入細胞的效率。本研究首先建構一套適用於體外實驗(in vitro)的磁轉染基因傳遞系統，使用Nd-Fe-B強力磁鐵產生均勻磁場強度，並應用三種不同的磁性奈米粒子(Fe3O4、CombiMAG、PolyMAG)，本研究在基因傳遞過程中將細胞置於磁鐵上方曝照靜磁場，於實驗中利用不同的靜磁場形式與加入Alfa Aesar®及Chemicell®商用磁性奈米粒子，將pGL3 Luciferase報告基因傳遞至人類主動脈內皮細胞(human aortic endothelial cells)與人類胚胎腎細胞(HEK-293 cell line)，檢視對報導基因(reporter gene) 表現量與細胞存活率的影響。實驗結果顯示，單純施加DNA所得到的基因表現量並無明顯增加，但藉由靜磁場-磁性奈米粒子交互作用，報導基因傳遞效率呈現有意義提高，而加入的粒子濃度對於基因表現量及細胞存活率會有一定之影響，且高磁場強度及移動式靜磁場能有效提高基因傳遞效率，與SMF相較增加了45 %。
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本研究以自行研發之電弧奈米流體合成系統製備出水性二氧化鈦奈米木器塗料，以及商用奈米粒子與水性樹脂之混合塗料，並將此奈米塗料塗佈於中密度纖維板上，以檢測木器塗膜之性質。此電弧奈米流體合成系統以水性塗料作為介電液，正負電極使用純鈦棒；當電極受高溫電弧作用下瞬間汽化，此汽化之鈦金屬隨即受低溫介電液之冷卻作用迅速冷凝成奈米級微粒，形成懸浮性良好之鈦奈米塗料，經二週靜置後即可轉變成二氧化鈦奈米塗料。接著將所製備出之二氧化鈦奈米塗料塗佈至中密度纖維板，以比較塗膜在加入二氧化鈦奈米顆粒後與原有之木器塗料之差異性。經實驗結果顯示，二氧化鈦奈米顆粒之粒徑平均為20 nm，界面電位值可達60 mV，奈米粒子均勻分散於水性塗料中，含有奈米二氧化鈦之塗膜明度可由49.7提升至69.7增加40 %，以自製奈米二氧化鈦塗料相較於商用奈米塗料，明度有顯著的提升，塗膜視覺效果更為明亮；自製奈米二氧化鈦塗料比商用二氧化鈦塗料之木器塗膜硬度有顯著的提升；而商用氧化鋅塗料比商用三氧化二鋁塗料之硬度提升趨勢較大，在機械性質方面，對於木器提供良好的防護效果；色差性、光澤度以商用二氧化鈦、商用氧化鋅、商用三氧化二鋁和自製二氧化鈦之奈米木器塗料相較下並無多大差異性；以自製奈米二氧化鈦塗料相較於商用塗料之塗膜耐溶劑性有顯著的提升；商用奈米三氧化二鋁塗料比商用奈米氧化鋅塗料，耐溶劑性提升的幅度稍為高一點，可以得知自製奈米二氧化鈦塗料之塗膜抗溶劑之性質佳。以自製奈米二氧化鈦塗料相較於商用塗料，彩度下降的趨勢較為平緩；商用氧化鋅塗料比商用三氧化二鋁塗料下降彩度幅度較小，不論自製奈米二氧化鈦塗料和三種商用塗料，色相角都很接近無添加奈米粉體之色相角度，色相無顯著差異性，塗膜顏色對人眼視覺影響有偏往中性色的趨勢；當所有測試之奈米粉體在含量1 %時，所有的奈米塗料都達到5B級，表示塗膜附著性佳，就是塗層與木材表面之間的結合力(附著力)和塗層內部分子之間的結合力(內聚力)優良。根據測試結果，奈米塗料受切割破壞時，塗膜提供附著力、分子內聚力，顯示良好的附著效用。
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本論文研究是使用具有良好微波性質之介電材料，加以參雜第三元素提升其介電特性，以製作成介電共振器使用，並以介電共振器搭配微帶線饋入之方式製作具有藍芽頻段之介電共振器天線，搭配HFSS模擬軟體設計，以達到簡單製作、符合需求之藍芽天線。 論文內容分為二部分，第一部分主要是使用氧化鋅混合二氧化鈦，以製備成一具有良好介電特性材料，再加以參雜以提高其微波性質並應用於微波共振器，經由參雜二氧化錫之鈦酸鋅可得其最佳微波性質參數分別為介電常數28，品質因子19000，共振溫度係數20 ppm/℃。 第二部分以微帶線饋入匹配之方式設計一微帶線，搭配介電共振器使用成為一介電共振器天線並應用於藍芽頻段，所得最佳天線參數之中心頻率為2.45 GHz，頻寬 54MHz。
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本研究自行設計一新型光熱電發電模組，使用本實驗室先前學長製備之染料敏化太陽能電池，並結合奈米銅熱傳薄膜披覆於熱電產生器冷熱兩端，達到由外部吸收光能發電之虞也利用廢熱回收再發電，再於散熱端製備一填充奈米氧化銅流體的閉迴路型脈動式熱管來增進散熱效果提高整體發電效率，其中本文著重於提高熱電模組之效能應用。熱電轉換模組部分，首先採用商用奈米銅粉末，使用刮刀成膜法製備出奈米銅熱傳薄膜，當作兩系統的熱導媒介並披覆於熱電產生器上，來提升熱通量與能量輸出。接著利用真空潛弧製造系統製備奈米氧化銅工作流體，填入閉迴路型脈動式熱管應用於散熱端，利用氣液相變化增進散熱效果。光電轉換模組部分使用本實驗室先前學長所製備多層奈米二氧化鈦薄膜之染料敏化太陽能電池，結合兩系統組成光熱電模組。檢測部分首先針對熱電模組利用I-V量測系統與加熱平台進行逐一改良方式來探討其輸出效果，並利用一蓄電迴路系統與鎳氫電池，測試模組蓄電時間。最後再搭配溫度量測器，以模擬光源與實際光照方式來分析量測模組效能輸出與轉換效率。實驗結果熱電模組當熱源達到90 ℃ 時，可提升85.7%之功率輸出，光熱電模組模擬光照時TEG冷熱端溫差約達7oC，熱電轉換效率為2.17%，並共可產生11.32mW/cm2之功率輸出，比起單純使用太陽能電池提升約1.4%。