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整合式微型壓阻微懸臂樑生物感測器之研究及其應用

在地即時的疾病檢測已成為可攜式微型化生物感測器發展的重要目標。微型化生物感測器為了能提供使用者多樣且複雜的疾病進行診斷，需要達到針對疾病標記蛋白質與病源體之量化且準確的檢測。此外，為了因應在偏遠地區以及非醫院區域診斷的需求，生物感測器朝向具有免螢光標定、可攜式、低成本且高可靠度的特性。本研究發展一個整合式非螢光標定微型壓阻式微懸臂樑生物感測平台，用以檢測疾病相關之標記蛋白質與病源體。此平台包括壓阻微懸臂樑晶片、微流道、白金微型溫度感測器以及可拋棄式電路板之封裝。壓阻微懸臂樑係利用微機電製程技術製造，為多層材料所組成，其長度為300微米，寬度為50微米，以及1.2微米的厚度，其靈敏度為 (奈米)-1，而最低可量測之表面應力為0.065 (牛頓/米)。 本研究提出以單根自感式壓阻微懸臂樑為生物感測之配制，有別於一般以雙根懸臂樑於惠斯通電橋的檢測配置。此一新型配置，將可解決壓阻微懸臂樑感測器因化學效應所產生的訊號誤判的問題。此外，溫度效應所造成之感測測懸臂樑與參考懸臂樑之差異，亦無法藉由傳統惠斯通電橋配置消除。因此，本研究提出溫度控制的方法，以解決一切溫度效應所引發之雜訊，最低可將溫度控制至0.3℃以內。 本研究使用自行研發的整合式微型壓阻微懸臂樑生物感測器，成功地進行對心血管疾病標記蛋白質－C反應蛋白以及養殖魚類病源體－巴斯德桿菌之檢測。其中，C反應蛋白的檢測靈敏度可至1 微克/毫升，此為心臟疾病檢測的指標濃度，而其重複性之變異係數為17 %至21 %。巴斯德桿菌之初步的檢測，重複性之變異係數可低於5 %。所有的檢測都有對照組實驗，作為專一性的驗證。此微型生物感測應用，成功驗證此平台具有量化且準確的檢測能力。此外，此平台為一整合性可攜式檢測系統及可拋棄式裝置，具有可商業化的潛力。

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流體在平行板間受導電梯度與水平電場作用之動力穩定特性分析

在微流體裝置(microfluidic device)中，以電力取代壓力來驅動流體是最有效的方式。電流體力學(electrohydrodynamics, EHD)整合了電學與流體力學，產生了相當豐富有趣的新現象。特別是當流體內部具有導電度梯度(conductivity gradient)存在時，通電的結果導致自由電荷的堆積，進而引發不穩定對流現象的發生。這種不穩定現象最常被應用至微流體的混合器上，因此是目前微機電技術中相當重要的研究課題之一。本論文主要是在利用線性穩定性分析方法探討具有導電梯度分佈的電滲流場(electroosmotic flow, EOF)之穩定性特性。理論模型則假設在填滿稀薄二元電解液(dilute binary electrolyte solution)的兩無限平板間，通入一水平方向的電場，電雙層(electric double layer, EDL)內的流體受電場作用而產生邊界滑移速度，進而推動流體運動。由於流場內部存在導電梯度，使得自由電荷與電力呈現不均勻的分佈。當外加電場持續增加超過某一臨界值時，流場便會開始變得不穩定。為了瞭解此滑移速度在此系統中所扮演的角色，我們分別計算有EDL及無EDL兩個情況。研究結果發現，在低導電度梯度時，EDL所產生邊界滑移速度的確增強了此流體系統的不穩定作用。然而在高導電梯度時，在EDL中的則塔電位(zeta potential)增強時，似乎對系統有更穩定的影響。本研究藉由大量數值結果的呈現，嘗試解釋其中重要的物理機制，成果將有助於電流體穩定現象的進一步了解。

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壓電超聲波能源轉換器的電彈性理論

由於近年來生醫感測系統與微機電技術的整合，許多生醫晶片或生醫感測器的體積已縮小至可植入人體的尺寸而達到可即時監測病患之生理狀態。然而長時間的監測系統需可長期供應的能源以供運作。根據此需求，本論文提出了使用聲波做為能量傳輸的概念，使用壓電材料做為聲波發射器和接收器，目標為將接收器植入人體內與植入式晶片或感測器結合，並由體外之發射器提供超聲波能量經過人體組織至接受器，再轉換成電能並儲存至電池，以隨時提供晶片或感測器使用。 本論文以Mason model為基礎，成功建立一維之壓電能量傳輸模型用以預測能量傳輸之效率。先以此模型萃取壓電材料之參數做為模型參數之基礎，可藉由輸入各材料參數、波傳距離和衰減係數並加以計算後可預測能量傳輸的效率。再者，設計聲阻抗匹配層希望可增加傳輸效率和頻寬。最後實驗驗證部分使用了鋯鈦酸鉛(PZT)壓電材料做為發射器和接收器，鋁合金(6061T6)和壓克力做為雙層聲阻抗匹配材料。並利用洋菜做為模擬人體組織之替代材料用以傳遞聲波能量。理論模擬顯示加上聲阻抗匹配層後功率增益可由-12.4dB增加至-6.9dB，實驗結果顯示可由-12.4dB增加至-9.3dB，在-20dB頻寬部分理論模擬顯示由14%提昇至89%，實驗結果顯示由9%提昇至78%。未來希望可縮小接收器之尺寸以達到可植入人體之目標，並設計後端儲存電路以有效儲存接收之能量。

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GPS病態定位方法之評估與設計

一般GPS接收機定位時，需要至少能夠觀測到四顆衛星。但若環境高樓遮蔽，造成衛星訊號不佳的問題，使得最低需求無法滿足，則可能造成接收機無法使用的情況。 為解決此病態定位問題，本文使用多種方式，諸如高度固定輔助法、鐘差預測法與虛擬距離預估器等，解決病態定位下的問題。再進一步精準的定位，我們考慮最小平方法、卡爾曼濾波器、約束濾波器等，並用最好的方式求得定位解。 不同衛星數目的情況下，使用不同方式處理，有使用的時間限制與約束條件；因此除了整合各種演算法，成功完成病態定位外；再利用模擬器設計靜態與動態實驗，針對衛星不足情況發生時，評估在容忍誤差範圍內，各方法可使用的時間。

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電噴流在無黏性介質中之線性穩定性分析

電噴流已廣泛被應用在各種科技產品中，如利用電紡技術製造奈米絲、利用封裝技術製造微粒膠囊等，均為電噴流在生活上的應用。然而流體經由注射管口噴入空氣中時，必然會受外界擾動產生不穩定而破裂。欲瞭解電噴流內部各種物理機制的影響，則必須藉由分析其不穩定性方能得知。 本研究之主要目的，乃是利用標準的線性穩定性分析方法來研究帶電液體噴流（charged liquid jet）的不穩定特性，並分別討論各種物理機制對於噴流不穩定性的影響，最後再與前人的實驗數據進行比對。而，藉由本理論模型，本研究可描述實驗上所觀測到之現象背後的物理機制，並進一步提供應用工程師在技術改良上的參考依據。 研究結果顯示：在通電予噴流後，其不穩定性將較未通電時來得更強，其中螺旋模態（helical mode）的不穩定性更比其他模態來得容易發生；另外，空氣阻力對於噴流的影響則依流體與空氣的密度比而在程度上有所不同。這樣的結果也與前人的實驗相符。因此，對於電噴流的不穩定行為，本文之理論模型已可提供適當的描述。

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一維多層性材料之機械振動系統研究及其在光學黏度計之應用

本文主要探討一維震動機制系統(one-dimensional mechanical systems with piecewise constant properties)的分析與應用。而振動分析的第一步驟通常是利用數值解或分析解找到自然頻率(natural frequency)下之振盪頻譜。對一個有固定材料參數的振盪系統如同樑(beam)、繩(string)和懸臂樑(cantilever beam)是比較簡單處理的。然而，很多實際的應用包含了不連續的非固定的材料參數。 對一個複合系統(composed system)來說，數值解常常被用判定其模態。但藉由數值計算並無法正確得到各個參數(彈性係數、密度、斷面長度、斷面材料等)對複合系統的影響。為了求得各參數對該複合系統的影響，分析解是有必要的。 本文假設一維系統與N段固定參數(N-piecewise constant properties)，並導入一「有效傳遞速度」(effective propagation velocity)求得其分析解。為了測試本理論在第二模態(N=2)的可靠度，利用散射光圖樣辦識的光學實驗方法得到，第一模態頻率的實驗數據與分析解所得的解相同。為了延伸此分析解，吾人設計一實驗如下：將一繩(fiber)之下半部分浸入液體中並振動該繩，並視液體為阻尼後量測該繩的振盪機制。無論是最大振幅(maximum vibrational amplitude)或是能量帶寬的變異(power bandwidth variation)，分析解所得之值與實驗數據是吻合的，而由該設計實驗所推出分析解也列在本論文中。

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使用半古典格子波茲曼法之軸對稱不可壓縮流體模擬

在近十年間，格子Boltzmann法(Lattice Boltzmann Method，LBM)已發展成為相當重要的一項研究流體流動的工具。本文的研究中，使用格子Boltzmann法來計算流體在三維軸對稱管流，在不同的Knudsen數，包含了滑移區跟過渡流區，並使用新發展的半古典格子Boltzmann法，來模擬量子氣體。 半古典格子Boltzmann法是利用Uehling-Uhlenbeck Boltzmann-BGK方程式，藉由Hermite多項式展開推導而得到的。根據邊界上的滑移運動，採用了一個調和係數(accommodation coefficient)來模擬氣體在邊界上的交互作用。 不同的Knudsen數，包含了滑移區跟過渡流區中，模擬了三種不同的粒子統計，計算而得到質量流率跟速度分佈曲線，最後順利發現Knudsen minimum現象的存在。由發現Knudsen minimum現象的展現可做為演算法驗證的方式，並和本研究使用量子統計得出結果做為比較。 當流體流過一圓球，球後方會產生漩渦，模擬三種統計下，漩渦的差異；改變雷諾數，比較在相同統計下，漩渦的變化；最後，比較三維軸對稱圓球流與二維圓柱流的結果並且說明三維的減少效應。

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多載具擬剛體隊形之設計

本論文主要為發展一可改變隊形之多載具運動模式，將擬剛體形變的理論應用在最佳化的隊形設計上，整個系統的隊形變化由一齊性形變張量所規範，稱之為擬剛體隊形，每一個載具的位置可透過隊形幾何中心的位置及齊性形變張量求得。從幾何的觀點來看，擬剛體運動之系統可用 來描述，係一維度為12的空間，設計一個隊形在空間中移動的問題可以簡化為求解12個系統變數。避開障礙物及到達目標的最佳化設計成本函數可以由系統變量及隊形的初始狀態來表示，所獲得的最佳化隊形可以容許發生旋轉、拉伸及剪應變等變形。根據實例設計結果驗證我們的研究是可行且有效的。

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高溫型質子交換膜燃料電池陰極二維理論模型建立分析

本論文是對高溫型質子交換膜燃料電池建立理論模型，使用的數值模擬軟體是COMSOL Multiphysics，這是一套擁有多種物理模型的軟體。燃料電池的模型是建立在陰極的二維分析，模型元件包含氣體擴散層、觸媒層和質子交換膜，而氣體擴散層反應物的供給模擬兩種流道使用的情況。使用的理論包含物種的質傳、多孔性介質的流場、電荷守恆和電化學反應原理。在觸媒層的模擬是採用液、固態兩相的電解質介面，探討在含有電解質成分的觸媒層和質子交換膜，因相關物理性變化對燃料電池性能的影響。 模擬結果顯示，影響電池性能的主要因素是在觸媒層和交換膜內的電解質，因為電解質對氧的溶解度和擴散性會因為溫度和摻雜在交換膜上濃度的不同，而有很大的變化，提升溫度和摻雜等級能有效的強化燃料電池的性能，模擬還使用不同的氧氣濃度、氧氣加溼和不同流道等環境變素，最後比較各種參數對性能的影響性，其中摻雜等級、操作溫度和氧氣濃度這三個因素是決定性能的關鍵。

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微粒子影像測速儀應用於輪蟲運動的研究

縱古觀今，已有許多研究學者在仿生領域有許多學術上的研究貢 獻。諸如鳥飛魚游等大型動物的運動機制，但是鮮少有人去研究微生 物之運動機制方面的細節。而在本研究中，目的就是去探究旋輪蟲頭 冠上的纖毛擺動對流場所造成的影響，而此流場的影響又會對其運動 有怎樣的幫助或抑制。以纖毛所產生之流場結構、影響轉向的因素與 推進力量作為研究主軸，並探討與其他生物的運動做比較後的差異， 希望能更進一步了解旋輪蟲的運動行為。實驗分析是去量測旋輪蟲纖 毛擺動所產生之渦漩的速度向量場，並且進一步計算此相對應的推進 力量，來了解旋輪蟲是如何在水中進行此高效率且極富機動性的的游 泳運動。此外，在實驗過程中並無對旋輪蟲做任何的操控與限制，因 為旋輪蟲是一個極微小的微生物(長度100~400μm)，而且對週遭環境極敏感。因此從微粒子影像測速儀量測及流場觀察中可以發現，兩個影響到旋輪蟲轉向的因素為渦漩對強度的差異和旋輪蟲蟲體自身的擺動扭曲。接著由定性的流場視覺化分析結果可知，旋輪蟲有三種不同的運動模態： (1) 輪蟲原地擺動纖毛不轉向 (2) 輪蟲原地擺動纖毛做順逆時針的轉向 (3) 輪蟲游動前進。三者皆以數位攝影機記錄其流場結構，並採用微粒子影像測速儀(micro-particle image velocimetry, μ-PIV)做定量的分析。μ-PIV流場的量測顯示渦漩對是由旋輪蟲的纖毛擺動所 產生的，且蟲體中央的推力是由於纖毛擺動產生一股往後的噴流所導 致。當旋輪蟲於原地擺動纖毛不轉向時，頭冠前方所產生的兩渦漩之 強度差異很小。當旋輪蟲於原地擺動且纖毛做順時針的轉向時，左前 方之渦漩的大小及強度皆大於右前方之渦漩，反之亦然。當旋輪蟲游 動前進時，一共會產生四個渦漩，除了前方兩渦漩外，亦會於蟲體兩 側產生兩個的渦漩，且在蟲體兩側的渦漩對之大小及強度也是大於前 方兩渦漩的。其中，頭冠前方所產生的渦漩對主要是幫助兩旁水流往 蟲體中央集中並朝向尾巴往後噴出，因此給予自身作用力而成為游泳 前進的主要推力。而蟲體兩側的渦漩主要是可以幫助旋輪蟲游動前 進，因為此兩渦漩減少了旋輪蟲在游泳過程中的摩擦阻力。輪蟲前進 最大的速度可達到5.17mm/s。經過計算後，可推知前進最大的推力可 達到0.197nN，所以每單位重量的最大推力為5.25μN/g。故旋輪蟲約需耗費此數量級的力量，才可將其尾巴固定在某一基質上。