• 學位論文

具空間異向性之喇叭之理論與實驗研究

根據聲學理論的基礎，本論文研究一圓柱杯型超聲波傳感器之結構振動，用以發射與接收超聲波而產生空間異向性波束。當結構的發射面積與尺寸很小的時候，其設計參數之間會相互影響。本論文針對超聲波傳感器之主要效能指標：異向性波束、共振頻率、殘響時間與聲源位準等所相應的參數加以分析，並定義結構設計參數，同時引入有限元素法來模擬分析。為了印證有限元素模擬的結果，本論文建構了一套檢測平台，來自動量測超聲波傳感器之遠場空間異向性波束，並以雷射都卜勒干涉儀對其振動板表面位移作驗證。接著透過有限元素分析進行影響超聲波遠場波束之參數研究，由其中發現提高超聲波傳感器的共振頻率是窄化其遠場波束寬度最有效的方法，但是卻要犧牲其遠場波束之異向性。接著，在固定頻率的情況下，振動板形狀對縮小遠場波束寬度影響最小，但若設計得不當，反而會使遠場波束變寬。最後，振動板形態在厚度上於鉛直兩側具有斷差之形態，是另一個對窄化遠場波束寬的重要參數。此外，利用實驗的方法，測定超聲波傳感器內面壓電片之電性阻抗，並以等效電路模擬之。再利用所得之等效參數，與電路模擬軟體接軌來預測殘響時間。此外，將所設計之具空間異向性波束超聲波傳感器實際進行障礙物可偵測範圍測試，以證明其異向性波束可以產生異向性可偵測範圍。此一設計想法與平台可以提供車用超聲波感測器設計之參考。 由於壓電超聲波傳感器具高機械品質的特性，因此，將之作為非線性參量陣列之單體，以小面積發射面產生一高聲壓超聲波，並利用振幅調變的方式與空氣非線性的特性產生解調波束。為了精確地量測大動態範圍的超聲波聲壓訊號，本論文以1/3八度音程分析訊號，並利用濾波的功能將高聲壓高頻載波衰減，以釋放多餘的量測動態範圍來研究解調波的特性。並對訊號作可靠度分析。由實驗可以發現，具異向性波束之超聲波傳感器可以發射與載波相同之異向性波束的可聽見聲波。此外，其低頻響應在1kHz以內相當平整。另外，也針對高聲壓之開放型超聲波發射器進行同樣的實驗研究，發現其解調之遠場波束幾乎不受調變頻率之影響。再進一步以超聲波發射器陣列初步驗證其解調聲波可應用於空間局部聲音消除之可行性。最後，將超聲波發射器配合集音罩的結構，以改善其解調波之遠場波束。

• 學位論文

毛細幫浦於微流道中傳輸與混合行為之研究：實驗與分析

本研究中，成功採取無動力式流體驅動方法以達到混合之目的，而不需要任何外加主動機制，如幫浦、閥門、或外加電動力、電磁力等能量，這些往往會使得整個檢測系統佔據許多空間，因而限制住了微小化與積體化之目的，所以造成許多不便性。然而，表面張力乃唯一的機制可以驅動流體順利進入微流道內。本混合器之流道是無側牆之設計，接著利用底層親疏水間隔以及雙面塗佈疏水材質(鐵氟龍)的玻璃做為流道之上蓋，如此便可以驅動流體順著親水流道區域進入微流道之中。透過理論分析與實驗之比對，在固定流道寬度為100 μm 時，其可找出一最佳流道高度為13 μm，能使得流體僅在表面張力作用下有最大流率約為0.65 nL/sec。對於本混合器而言，最重要的便是要使得兩流體達到完全混合之目的。為此，吾人在流道底部巧妙的置上不對稱交錯式凹槽結構，其可讓兩流體產生螺旋狀三維運動，藉此有效地提高其混合效率。實驗中，流體得以在1.3公分內便能達到完全混合之狀態 同時，此元件亦能應用於血液之驅動，因此吾人首先藉此分析血液在微流道之中流動時，於不同傾斜角下之動態特性。為了節省成本之目的，本流道改採以玻璃底材為主要製程。由實驗中可以發現血液流速在傾斜流道自 （血液往下流動）變化至 （血液往上流動）時，乃呈嚴格遞增之趨勢。此變化趨勢竟然與去離子水的趨勢完全相反。這種獨特的行為可以由吾人所建立出來的動態平衡方程來加以解釋，該方程是由表面力、重力、以及黏滯力以取得平衡。如此可藉由計算黏滯力，並進而推得其對應的有效血容比。發現血容比在血液往下流時因為重力作用會使得紅血球容易堆積於前緣，因而使得黏滯力大大提升，其流速便明顯降低了。 在提升驅動效能的研究方面，吾人考慮利用超疏水介面取代原有的鐵氟龍之設計。吾人利用電感耦合電漿蝕刻法的交互蝕刻機制，並找出最佳之製程參數，藉以成功的在矽晶圓上製備出緻密的矽草結構。該結構可以將去離子水支撐起來，懸浮於矽表面之上，進而達到理想之超疏水介面，其接觸角約為 。同時，在驅動效能測試上，以超疏水介面取代之後，去離子水的平均流速是原有之1.21倍。探究其原因，是由於流體在親水流道中運動時，會與兩側的鐵氟龍疏水介面有所接觸，因而產生摩擦力。然而，對於超疏水介面而言，它可以形成空氣層並隔絕流體，使得親疏水特性更加明顯，如此便能有效的降低來自兩側的摩擦力，進而藉此提升驅動效能。

• 學位論文

利用生物有機場效電晶體應用於生物檢測訊號之研究

近年來由於個人健康醫療之市場需求日益增加，迫使生物感測領域在性能與商業性上不斷精益求精，開發出多種型態之新型生物感測器，而其中電晶體生物感測器(NWFET、CNT FET)之精準度與便利性使其被賦予高度之觀注，然而其高成本之特性卻成為商業化之阻礙，反觀於此，電化學式生物感測器因發展歷史久遠，技術純熟，具有訊號輸出穩定與成本低廉兩大特性，使其在商業市場上屹立不搖，有鑑於此，若能將電晶體生物感測器與電化學生物感測器結合，將兩者之優點結合於一新型之結構，勢必能夠為未來之生物感測器開發上提供新的衝擊，因此，本論文首度提出以生物層搭配高導電性之定錨材料成為電晶體之半導體材料材，建構出新型之生物場效電晶體結構，並利用半導體特性分析儀做為量測之儀器，所使用之生物分子為甲型胎兒蛋白(AFP)與S100，在兩種不同之生物樣本中，皆能觀察到施加閘極電壓可達到電流差異放大之現象，其放大比例最高可達二倍，而在S100 濃度測試中亦成功以施加閘極電壓(-20V)將元件之精準度由無施加閘極電壓的無法偵測情形大幅提升至1μg/mL，更加確認施加閘極電壓的確可以造成電流差異(current difference)的放大，並透過BSA 分子進行專一性測試，確定經由本論文之晶片設計可成功偵測專一性之反應，因此，在本論文中之先期研究可成功確立此結構之可行性。

• 學位論文

火焰燃燒法備製奈米錳鋅/鎳鋅鐵氧體及電磁特性討論

鐵氧體材料具有特殊的介電與磁特性且被廣範應用於日常生活，例如高功率電源轉換器、磁讀寫及電磁吸收體等。鐵氧體材料的製程方式包含了固態法、共沉法、溶膠-凝膠法、水熱法，以及近幾年由Patil等人所發表之火燄燃燒法。根據文獻，火燄燃燒法所備製的鐵氧體材料仍須經由長時間的高溫熱處理以去除反應不完全的雜相。而高溫熱處理過程所需的能量及時間，相對地提高了材料備製的成本。因此，若能夠省去高溫熱處理的步驟，必將提高材料製程的效率並且降低製程成本。 本實驗透過改變火燄燃燒法的製程參數，備製鐵氧體材料。將未經高溫熱處理的樣品，經由X光粉末繞射儀及掃描式電子顯微鏡觀察其結晶特性，並利用振盪樣品磁度儀及阻抗分析儀量測樣品的磁電特性。經由實驗結果得知，透過特定的製程參數，可在不經高溫熱處理的前提下，備製高純相的鐵氧體材料，且其磁特性亦明顯提升。 透過本實驗所改進的火燄燃燒法，可備製高純相及良好磁特性的鐵氧體材料，且因不須經由高溫熱處理，大幅提升了材料製程效率。關於材料特性的量測及分析，將在本論文中進一步討論。

• 學位論文

應用磁光鉗於癌細胞機械性質之研究

分析細胞內部的力學特性將有助於了解細胞本身的性質；如近幾年研究發現細胞外型影響細胞存活率之高低，以及受感染之細胞其機械性質明顯不同等等，因此探討控制細胞外型與遷徙的細胞骨架(Cytoskeleton)其與周圍胞器之間的力學特性等，為相當值得研究之課題。為了探討細胞內部的力學特性，精密的細胞操作儀器是必需的。例如原子力顯微鏡適合細胞機械性質的局部量測、光鉗適合DNA和RNA之研究以及磁鉗將磁顆粒與生醫結合應用。本研究以可控制磁顆粒的磁鉗並結合光鉗作為探討細胞力學特性之生物操控儀器。 為從事本論文探討，實驗研究首先著手架設整合磁鉗與光鉗於奈(微)米級的磁顆粒和癌細胞的操控，並將其應用於探討細胞之機械性質。藉由量測細胞力學特性所得之數據，再代入等效的數學模型(modified Voigt model)，並進一步利用curve fitting method將細胞的黏彈性行為數據化成彈性係數和黏滯係數。藉由探究不同細胞的機械性質，將有助於瞭解細胞於不同力學情況與生化環境下的反應機制。 本研究所使用的細胞為人體的腎臟癌細胞(human renal cancer cell, 786-0)並利用其吞噬的特性將磁顆粒引入細胞內。再施予一交變的磁場，磁力大小為95 pN，進而藉由分析磁顆粒的位移反應而得到癌細胞的黏滯係數為介於8.3 Pa×s至39.3 Pa×s，而彈性係數則是3.7 Pa至11 Pa。另外，從實驗結果也顯示接近細胞膜之區域，其彈性係數高於細胞質的五倍，但黏滯係數則低兩倍之多。因而磁光鉗為一套十分具有發展潛力之系統且利用本系統將可有效率的量測與分析細胞之機械性質，此更可應用於日後探討細胞之力學行為並發展於生物醫學的領域。

• 學位論文

金屬奈米核殼粒子對螢光增益之研究

根據Maxwell電磁理論、Mie理論、並矢格林函數，整理三維金屬奈米粒子受到平面波與電偶極波源入射後其散射電磁場之解析解。最後更進一步定義激發效率、量子效率、螢光增益與平均螢光增益，探討其近、遠場性質。 本研究首先整理平面波入射實心散射體問題，並經由Mie理論求得散射係數與散射電磁場級數解，並進一步將實心散射體延伸推廣至核-殼散射體。而電偶極波源入射實心散射體問題，則是經由並矢格林函數求得散射係數與散射電磁場，並且同樣將實心散射體延伸推廣至核-殼散射體。實驗上以電偶極波源模擬螢光分子，而金屬奈米粒子靠近螢光分子的激發過程與放射過程，可利用上述兩部分解析解模擬。但實驗過程中並無法確定螢光分子的位置與方向，故最後將透過向量疊加的特性得到平均螢光增益。

• 學位論文

薄膜體聲波濾波器於無線通訊應用之研發

隨著無線通訊的蓬勃發展，其已成為人類生活中不可或缺的一部份，但由於人的需求隨著科技日新月異而不斷提高，優良的通訊品質與多媒體的大量傳輸支援變成顧客之首選，其取決於系統中的關鍵零組件。在新一代無線射頻前端模組中，薄膜體聲波濾波器將會是最具優勢之帶通濾波器組件，因為其具有高操作頻率、高品質因子、高負載功率，且可與積體電路整合等優點。基於此緣故，本論文以薄膜體聲波濾波器應用於無線射頻為研究主軸，文中完整涵蓋薄膜體聲波濾波器之設計、製作與量測分析。 薄膜體聲波濾波器係由數個薄膜體聲波共振器串並聯而成，故論文一開始推導出薄膜體聲共振器之電性阻抗特徵，接著將前者應用在傳統階梯式濾波器之理論中，作為薄膜體聲波濾波器之設計架構，此過程中提出一套完整清晰的標準設計流程。為提供與積體電路設計之共同模擬平台，本研究將薄膜體聲波元件之等效電路模型建立於電子設計自動化之模擬軟體中，以提供研究者準確且迅速的設計參考。經過實驗結果與模擬相互驗證，證明此模型不論是在元件本身特性或與積體電路整合之模擬及製程變化所造成元件特性影響之推估，皆具有極佳的精準度與可信度。同時，為了追求高良率之薄膜體聲波濾波器製作，本論文中先描述出利用微機電製程製作元件時之關鍵要素與結構中各層薄膜製程，最後以實際圖例說明來展示薄膜體聲波濾波器之製作流程。 優異的薄膜體聲波濾波器仰賴於具備高品質因子與充足機電耦合係數的共振器單元，本論文先以薄膜體聲波共振器研發為基礎，量測相關特徵參數作為薄膜體聲波濾波器設計模擬時之參考。接下來，論文中依據前述設計製作方法研發適用於目前無線通訊頻段之薄膜體聲波濾波器，考量目前無線通訊頻段需求之潛力後，研究中選用2.4-GHz及5.4-GHz之無線通訊標準作為目標，並依據規格需求研製出2.4-GHz及5.4-GHz頻段之薄膜體聲波濾波器，主要可應用於802.11b/g/n、藍芽、4G-WiMAX 無線通訊系統中。 最後，本論文將研究專注在關於薄膜體聲波濾波器與積體電路整合之課題，其中包含薄膜體聲波濾波器與低雜訊放大器電路整合之研究與薄膜體聲波濾波器整合於高阻抗開關鍵移式射頻接受器之研究。研究過程中，利用前述之共同模擬平台，將所設計的薄膜體聲波濾波器與電路同時模擬，並利用0.18微米CMOS標準製程進行電路製作，最後由後製程來實現薄膜體聲波濾波器。研究中已研製出薄膜體聲波濾波器整合低雜訊放大器之元件，同時，研製出匹配此接受器之薄膜體聲波濾波器。本研究成果證實了薄膜體聲波濾波器與積體電路於單晶片整合之可行性。

• 學位論文

熱電模組最大發電功率之研究

在目前世界上每一個先進國家都在為了發展新能源而努力，經過一次的能源危機後，積極發展的能源有太陽能發電、風力發電、熱電…等。本文中將利用熱電發電晶片作為電力來源，利用最大功率點追蹤與升壓電路的配合來使熱電發電晶片能提升其使用範圍。 在文中將介紹熱電基本原理、最大功率轉移、單晶片控制、升壓電路原理與設計。由於升壓電路中有一個開關，其是由半導體元件來當作開關，而利用脈波寬度調變做為開關的控制，並且由8051單晶片程式控制脈波寬度調變的範圍，達到最大功率點追蹤的目地，文中使用的最大功點追蹤法為增量電導法，使得輸出能有效的維持在最大功率點上，提高熱電發電晶片的使用範圍，並能與充電電路形成一完整的系統。

• 學位論文

組裝壓力對PEMFC陰極兩相流影響計算分析

本論文利用有限元素工程模擬軟體COMSOL建立二維兩相流質子交換膜燃料電池數值模型。本論文研究燃料電池陰極側輸入為空氣時，組裝壓力的不同對於氣體擴散層氧氣和液態水的分布情形。使用的模組包含應力應變模組，計算氣體擴散層經過壓縮之後的孔隙度，氧氣和液態水的擴散對流模組、質量守衡模組和動量模組。此外並分析雙極板材料為不鏽鋼時，質子交換膜燃料電池性能和氧氣和液態水飽和度的分布情形。 研究結果得知，當組裝壓力增加時，肋條下之氣體擴散層受到壓縮而變形，使得孔隙度降低，以致於影響到氣體擴散層的滲透性和擴散性，造成氧氣不易傳輸，質傳阻抗增加，導致燃料供應不足發生質傳損失，使電池性能受到影響。雖然組裝壓力的增加會減少接觸阻抗，但必須另外考慮燃料的質傳阻抗和電池性能的影響，才能找出較佳化的組裝壓力性能曲線。當雙極板材料為不鏽鋼時，由於組裝壓力較小時，接觸阻抗明顯較大，以至於歐姆阻抗相對增加，導致歐姆損失較為嚴重。因此當組裝壓力增加時，不鏽鋼的歐姆損失相對較低，使性能曲線較佳。

• 學位論文

平面式玻璃片膜鉗制技術—沙漏構型微孔洞製程，高產能離子通道量測，與微流體系統整合

平面式片膜鉗制技術(planar patch-clamp technique)為一種革命性的離子通道量測方式，其除去於顯微鏡下操控傳統玻璃電極之繁瑣步驟，且可以符合快速篩檢的需求。然而，現行之片膜鉗制晶片部分之緊密電阻(seal resistance)具備十億歐姆阻抗(gigaseal)之比例低落，或是單一晶片製作費用昂貴歸咎於微製造技術之製程方式。鑒於此，本文提出一種經濟、簡易之製程方式，利用平面玻璃基材製作出片膜鉗制晶片，並具備達到優良緊密電阻之能力。以兩階段式二氧化碳雷射鑽孔製程方式，以簡易之玻璃回融機制，於150微米厚度之矽硼酸玻璃蓋玻片上製作出特殊沙漏構型、呈現漏斗狀之微孔洞；其微孔洞之表面具備平滑、無殘渣及新鮮高活性之特性。此玻璃回融機制藉由二相流之模擬計算，以納維-斯托克斯方程式(Navier-Stokes equation)搭配等位函數法(level set method)成功地描述玻璃回融之細節過程，證實本計算方式掌握此玻璃回融之主要物理機制。此外，本工作亦有系統地廣泛探討雷射鑽孔的參數對於微孔洞製程之影響，以期製作出符合需求之微孔洞。 製成之平面式片膜鉗制晶片具備1-3微米之微孔洞，在多種細胞測試下證實其可達到十億歐姆阻抗(gigaseal)之緊密電阻(seal resistance)以及量測細胞膜表面離子通道之能力。利用PC-12細胞首次證實此晶片具備達成gigaseal之能力；此外，三種細胞株達到gigaseal之統計，分別為human embryonic kidney (HEK-293T) 62.5%，Chinese hamster ovary (CHO-K1) 43.6%，以及Jurkat T lymphocyte 66.7%。實驗結果亦展現於HEK-293T細胞上量測到其本身之全細胞(whole-cell)離子通道電流，以及於Jurkat細胞上量測得單一離子通道(single-channel)之開闔電流，因此證實了本晶片可以不同形式之量測方式進行片膜鉗制技術。 平面式片膜鉗制晶片更進一步與微流體濃度產生器進行整合以提供快速之實驗流體交換。透過調整不同流體注入孔之相對流速，即可產生一系列具線性濃度之流體並傳送到待量測之細胞區域。透過此濃度產生器之整合，成功地在不同滲透壓之流體下進行離子通道量測，探討HEK-293T細胞本身之體積調節氯離子通道(volume-regulated chloride channel)。除此之外，本工作亦提出一種利用簡單原則所設計之對數型(logarithmic)微流體濃度產生器，可產生時間上或空間上之對數濃度流體，可用於高通量篩檢之藥物劑量反應分析。 本工作之平面式片膜鉗制晶片利用新穎之製造技術，使單一晶片價格降低，並具備產生高比例gigaseal之能力。本技術成功地在不同片膜鉗制方式下量測離子通道量電流，並與微流體系統整合以提供快速液體交換。此法可更進一步應用於其他單細胞分析，或擴展為片膜鉗制晶片陣列形式應用於化合物識別以及藥物評估等相關議題。