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環形陀螺儀模態振形之研究

陀螺儀的發展至今已數十年，由於一個對稱元件在高速旋轉下，其方向不會改變的特性因而被廣泛應用於飛機、艦艇及衛星等軍事用途上，至現在更發展應用於汽車及電玩等民生工業；而陀螺儀的種類也由初期轉子式陀螺儀演變成現今振動式或光纖式陀螺儀。 不同於傳統轉子式陀螺儀，振動式陀螺儀具有使用期限較長且啟動時間短等優點；因而現行所使用及研究的陀螺儀多以振動式陀螺儀為主；振動式陀螺儀其結構上的設計形式也分為許多種類，包括音叉式、樑式及半球殼等，本研究中之陀螺儀以金屬圓環為主體，由壓電材料來驅動及感測，探討陀螺儀振動之振型及模態分析；進而讓此陀螺儀達到持振與節點抑制，以利將來可使用力平衡方式判定角速度與感測電壓間的關係。 根據實驗的結果，可以確定其第一共振頻率模態及此環的第一共振頻率數值，於此研究中並且利用設計之回授電路讓此環形陀螺儀達到持振與抑制節點振動，而往後也將使持振及抑制節點的振動頻率一致並減少雜訊的干擾，方便未來使用力平衡方式來檢測角速度訊號。

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高階AT石英板與高頻壓電薄膜振盪器之設計模擬及實驗

頻率控制元件在各種電子電路中幾乎無所不在，從與個人生活息息相關的手錶、電腦、電視及近年迅速普及的手機、衛星定位系統(GPS)，到飛機、太空、武器系統等，振盪器所提供的精準訊號源均扮演極為重要的角色。在眾多種類的頻控元件中，由於AT石英的穩定度高，使得它成為在數百萬赫茲到數十百萬赫茲頻率範圍內，最重要的一種振盪器；但隨著各類電子產品小型化及功能日新月異的趨勢，對於更高穩定度與更高頻訊號源的需求十分迫切。本論文目的在建立一個創新、有效率並且夠準確的AT石英板振動理論與模擬方法，用於設計AT石英振盪器，以滿足高穩定度頻率源的應用。此外，本文亦研究高泛音體聲波壓電振盪器(High Over Tone Bulk Acoustic Resonators, HBARs) 的重要參數與設計準則，以提供高頻應用的一種解決方案。 本論文首先以R.D. Mindlin的二維石英板振動理論及P.C.Y. Lee建構的有限元素模型為基礎，利用石英弱機電耦合的特性，提出機械振動與壓電響應分離的理論與計算，發展具電極構造的小尺寸石英板理論及有限元素分析方法。此方法可有效率的對石英板振動進行計算與模擬，將原本以一般泛用有限元素軟體模擬需數週甚至數月的計算時間，縮短到數小時至數天即可完成，並且證明其有足夠的準確度可供高階AT石英振盪器開發之用。 在第二部分，利用所提出的理論與自行撰寫的有限元素程式，對AT石英振盪器進行設計開發與實驗。在此部份中，第一個實驗說明如何設計最佳的石英板及電極面尺寸避開模態耦合，進而解決振盪器溫度特性跳動的不穩定問題；第二個實驗則是驗證低頻圓邊晶片(beveled quartz plate)之圓邊量設計；第三個實驗是對石英振盪器的等效模型參數(包括串聯電阻、電容、電感及並聯電容)萃取；第四個實驗為以雙層階梯式電極達到能陷(energy trapping)效果，以解決小型化晶片圓邊製程不易的問題；第五個實驗則是計算晶片研磨加工之路徑，希望獲得更平坦的石英板表面，並探討製程中機械研磨之表面破壞層深度。 第三部份是以Z. Wang建立的共振頻譜法(resonant spectrum method)為基礎，研究高泛音薄膜體聲波壓電振盪器的電極效應及基材對振盪特性的影響。壓電薄膜振盪器的振盪頻率雖高，但受限於製程條件，壓電薄膜無法像單晶結構一樣有很高的Q值，若將壓電薄膜與兩層電極的三明治構造附著於高Q值的基材上，壓電薄膜以基頻，而基材(厚於壓電膜)以泛音模態振盪，如此可得到Q值遠高於僅單獨有壓電薄膜的振盪器，但是基材卻同時會對其他參數造成影響。在此部份中，我們模擬電極效應對各泛音頻率，以及基材對振盪器的Q值、機電耦合係數、電容比與等效電阻等的影響，適當的選擇基材厚度，進而設計適合應用端需求的。 綜言之，本論文提出一個新的、有效率並且夠準確的AT石英板設計模擬方法，可大幅縮短開發高精度AT石英振盪器的時程，此外亦對於石英振盪器的圓邊、研磨等重要製程進行相關的研究；另一方面，模擬高泛音薄膜體聲波壓電振盪器的重要特性參數，並且建立初步的設計準則，為高頻應用提供一可能的解決方案。

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流動液體薄膜受熱破裂之臨界狀態研究

本文針對沿垂直平板自由流下液膜的流態，及在平板上因熱點而導致液膜破裂之現象進行實驗。在研究液膜因表面溫度梯度而造成表面張力梯度所產生的熱毛細現象中，所使用的圓形熱點直徑為3mm，是目前已知文獻中最小者。而使用的流體介質有純水及70%甘油水溶液兩種。研究的重點主要放在液體受熱毛細力作用以致拉扯破裂時之臨界條件探討。本文臨界熱通量的範圍為20~1860 kW/m2，液膜流態包含從層流區至穩定波動流區(雷諾數範圍為0.2~55.2)。並且針對熱點尺寸與文獻比較之結果，發現相較於垂直流動方向，沿流線方向之加熱區長度對液膜受熱而破裂之臨界值有較關鍵的影響，而且其長度越長，所需之臨界熱通量越小。本文以純水為工作流體之實驗結果發現，液膜在圓形熱區邊緣破裂之臨界溫度梯度為11.4 ℃/mm，此結果與文獻在矩形熱區邊緣之臨界溫度梯度為10~15 ℃/mm之結果相符，此說明熱點形狀與液膜破裂之臨界條件無直接相關。

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應用壓阻式微懸臂梁生物感測器偵測巴斯德桿菌之研究

近年來台灣的養殖魚業蓬勃發展，而水質檢測一直是其中不可或缺的一環，當魚群處於含菌量高於正常值的海水內，便會開始產生疾病甚至大量死亡，因此如何快速定性與定量檢測海水內之含菌量成為重要的課題。海鱺為台灣高經濟價值之海水養殖魚類之一，其受感染最嚴重之病原體為巴斯德桿菌，感染巴斯德桿菌症之魚群若不及時給予治療，則會引起細菌性敗血症，致死率相當高。 目前常見之生物感測器大多利用化學或螢光標定的方式來檢測，由於螢光處理複雜，發展免標定病原體之生物感測器是重要方向，本研究利用力學為基礎以微懸臂梁作為生物訊號的轉換機制，透過化學分子(Linker)鍵結專一性抗體與特定病原體，將生物鍵結時對微懸臂梁所產生的表面應力轉換成電訊號輸出，並以後端放大濾波電路處理再輸入電腦做分析。本研究以巴斯德桿菌作為應用對象，實驗結果顯示利用壓阻式微懸臂梁生物感測器檢測數個不同濃度之巴斯德桿菌液，可成功地偵測真實訊號，並以定性與定量地分辨不同濃度之訊號，也透過多次實驗得到每個濃度的訊號範圍(104~108 cfu/ml)，並以掃描式電子顯微鏡的觀察得到巴斯德桿菌鍵結於微懸臂梁上的實證。藉由實驗可知本研究設計之壓阻式微懸臂梁生物感測器的最低量測濃度大約在2×104 cfu/ml，也是目前利用表面應力機制可量的最低濃度，且為目前量測裝置體積最小的系統，並且擁有快速檢測、即時取得反應訊號的優點。未來利用微機電製程來製作壓阻式微懸臂梁生物感測器，可將體積微小化並降低製造成本。

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壓阻式微懸臂梁生化感測系統溫度效應之量測、消除與應用

在廣大市場及快速發展的生物技術下，生物晶片的發展，正以低成本、具有高靈敏性、可攜帶式、速度快、少量濃度即可達成檢測的優勢，並逐漸取代傳統相形笨重和高成本且速度緩慢之檢驗設備。而微奈米機電系統技術(Micro/Nano Electromechanical System Technology)是一跨領域整合技術，可將生物檢測晶片的尺寸製作於微米與奈米間，已成為科學與生醫跨領域的重要技術。 　　本論文研究以壓阻式微懸臂梁作為力學感測之生醫晶片，偵測生物分子專一性鍵結所引起之表面應力，可作為生物標記蛋白質之疾病偵測，因此，其應用潛力相當高。由於壓阻式微懸臂梁之量測對溫度相當靈敏，因此在實務應用上一直受到限制。本文首度提出一創新的方法，可以成功地將微懸臂梁對熱效應靈敏的影響消除，顯著降低溫度引起的雜訊並進而提升微懸臂梁的偵測訊雜比與靈敏度，可使微懸臂梁的量測去除龐大的恆溫槽，使得整體量測系統可微型化與可攜式，甚至未來可植入式。 　　常見雙根微懸臂梁系統，利用惠斯通電橋電路上的特性將電訊號讀出並放大，由於這兩根感測與參考微懸臂梁的表面材質不同，其訊號會隨著化學酸鹼濃度的不同而干擾真實訊號，本研究選擇以單微懸臂梁之方式進行量測，且為了避免壓阻自熱效應(self-heating)，影響訊號的準確性，均使用0.3伏特的操作電壓。本實驗所使用之單根壓阻微懸臂梁，每1℃的變化約會造成 ＝ 的變化量 (轉換為電壓表示約25.73μV/0C)，而偵測生物蛋白質分子也僅產生約8μV)，因此，溫度對微懸臂梁的影響非常顯著。藉由實驗結果發現，此訊號的變化，主要來自於壓阻熱效應 (Temperature Coefficient of Resistance )， 　(轉換為電壓表示約24μV/0C)。再者，單根微懸臂梁本身結構為多層材料組合而成的複合梁，每一種材料的熱膨脹系數不同，所引發梁彎曲的雙膜效應(Bimorph effect) = (約4.45μV/0C )，因此，本論文透過單根微懸臂梁結構作為量測的方式，首次可以區分微懸臂梁本身的壓阻熱效應的電訊號比雙膜效應約大10倍。再者，雙膜效應與溫度影響的壓阻係數為各別獨立的雜訊，目前仍無法由文獻中最廣為使用之全對稱性惠司通電橋來解決，因此，本文首度提出一創新的方法，透過溫度補償機制，才有辦法將量測的應用面更上提升。　　　　 　 本研究在微懸臂梁感測晶片上，額外置入一固定壓阻作為溫度感測，利用固定壓阻(Resistor on chip)與微懸臂梁壓阻(Cantilever resistor )的溫度量測(Calibration)，將阻值與溫度間的關係使用二次函數表示成 、 ，a∼f均為量測之參數，與材料有關，利用溫度T的量測，就能在 與 間作轉換與減除，藉以達到溫度補償之效果。並在大溫差環境下，證明本方法具有優越的溫度補償能力。 　　最後，在不需任何恆溫裝置，使用具溫度監控與溫度補償功能之壓阻式微懸臂梁生物感測系統，利用人體內發炎指標C-反應蛋白抗原作為量測，並藉由量測結果計算出C-反應蛋白之抗原與抗體，在懸臂梁表面所造成的表面應力、專一性鍵結之結合常數，成功地驗證壓阻式微懸臂梁的感測能力與本系統架構的可行性。 　　總結，本文壓阻式微懸臂梁系統不僅具有生物、化學量測的能力，更同時具有溫度監測與溫度補償之雙重功能，相較於原本需使用恆溫裝置才有機會作準確量測的壓阻式微懸臂梁感測系統，又有了微小化與更多應用面的突破。

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整合次波長圓環型孔洞與準分子雷射開發高深寬比光學鑽孔儀的先導性研究：以三維積體電路矽導通孔為應用平台

本研究論文開發出一套整合次波長圓環型孔洞與KrF準分子雷射的光學鑽孔儀。由次波長圓環型孔洞可聚焦成突破繞射極限的微小光點與長焦深特性為出發點，以設計鈦、鋁之氧化物包覆其金屬之新型結構以及以矽薄膜為材料之次波長圓環型孔洞結構作為探討的方向，針對矽晶圓作為鑽孔對象進行雷射鑽孔。本論文中除了探討鈦與鋁金屬薄膜在烤箱氧化之情形以及實際以準分子雷射對不同材料進行雷射損壞閥值測試外，亦利用FDTD模擬找出上述材料在KrF準分子雷射248 nm波長下形成長焦深之點狀聚焦條件的最適膜厚，同時亦探討此結構半徑大小、波長、玻璃基板、表面電漿與膜厚對聚焦的影響，以此證明只需要改變圓環狹縫的膜厚，必能至少找出一組在遠場呈現點狀聚焦的似貝索光束，亦以能量計算及實際鑽孔測試說明即使不產生表面電漿使得穿透能量無額外增強，但由於此結構的聚焦光點極小提高能量密度仍能達到鑽孔目的。整合次波長圓環型孔洞與準分子雷射之鑽孔儀所鑽的孔洞，在重覆率10Hz、1000發脈衝下，可將矽晶圓鑽出孔徑小於1μm的孔洞，深度約140 nm，不到目前使用遠場雷射鑽孔最小孔徑的1/3，相當於進場雷射鑽孔的孔徑大小，但鑽孔深度確可達近場雷射的14倍以上。此研究對三維積體電路之矽導通孔提供一個更好的製程方式，可望鑽出高深寬比的孔洞，使之微小化並有更好的效能。

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以肥皂膜觀察單一振動圓柱之尾流研究

肥皂膜水洞自從Couder(1984)提出運用後，因其具有架設簡單、彩色、且最接近二維流場的特性，故深受流力研究者喜愛，也有利於流體力學基本知識的推廣。本研究中，吾人建立了一台雷諾數可達300以上之水平連續流動式肥皂膜水洞，也再次證實流場中的三維不穩定現象(Mode A、Mode B)皆不存在，趨勢與Barkely and Henderson(1996)純二維流場模擬吻合。吾人在研究中並發現：在相同高雷諾數下之靜止圓柱尾流，在水平連續流動式肥皂膜水洞所觀察到的，與垂直流動式肥皂膜水洞中所觀測到的略有差異，此可能與在垂直肥皂膜水洞之流速遠較於水平者高有關。 此外，本研究亦在水平肥皂膜流場中，利用其顯影的便利性去觀察單一振動圓柱尾流隨著圓柱振動頻率與振動振幅改變時的變化。吾人發現在低雷諾數(Re=68)及大振幅下可發現文獻所認為不存在的雙偶渦漩(2P)之尾流模態；而此現象在振幅變小時會轉變為單-偶渦漩對(P+S)之尾流模態，此實驗結果與文獻、模擬比較大致吻合；另外，在觀察2S模態轉變為P+S模態的分界，也有發現其隨著雷諾數降低而有向上偏移的趨勢。實驗中也發現在相同雷諾數、振動頻率與振幅的條件下，不一樣之圓柱振動波型，會出現不一樣之尾流型態。

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心電圖型態分類:應用本質模態特徵

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CMOS微型位移電容感測器之電路設計與製作

本論文的主旨是探討CMOS微型位移電容感測器之輸出電壓與電容改變量的關係，在實現CMOS位移電容感測器之佈局圖後，將此佈局圖下線並做出實體晶片，接著量測此晶片並分析各節點訊號，進一步討論內部元件運作情形是否正常。本晶片主要是用摺疊疊接式放大器做為主體，接著佈局離散元件，最後接上pad完成佈局圖，下線做出實體晶片後加以量測並改正。 本論文使用國家晶片系統設計中心(NSC Chip Implementation Center, CIC )所提供的台灣積體電路(TSMC)0.35微米 Mixed-Signal 2P4M Polycide3.3/5V的製程，並使用Synopsys公司出的Hspice電路模擬軟體與思源公司的laker軟體進行模擬及佈線。

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以奈米結構提升有機太陽能電池效率之模擬與實驗

本篇論文是以嘗試製作具奈米尺度之結構應用於有機太陽能電池元件中，並藉由模擬進一步探討金屬奈米結構之功用包括表面電漿子效應和光散射效應，期待對有機太陽能電池之光轉電效率能有提升之功效。 理論方面，藉由有限時域差分法計算電磁場分布及以數學軟體作資料分析進一步驗證奈米結構對有機太陽能電池效率提升之影響。例如探討不同金屬材質、大小、形狀、週期對有機太陽能電池之主動層穿透率和局域強度的變化關係。藉此設計出數種有機太陽能電池元件，確認其對有機太陽能轉換效率能否有提升之可行性。 實驗方面，主要製作三種有機太陽能電池元件，第一種為藉由化學合成之金奈米粒子加入有機太陽電池中，第二、三種則是利用電子束微影技術製作包括圓形，三角形，正方型之二維金屬奈米陣列及不同週期之一維金屬光柵於有機太陽能電池之ITO電極上，期待對有機太陽能電池效率能有提升作用。並藉由量測有機太陽能電池元件之電壓與電流曲線和光電流來探討金屬結構對效率的影響。另外，利用奈米壓印和蝕刻方式製作具週期性奈米排列之主動層結構。 最後，提出一個新的有機太陽能電池元件結構，希望藉由金屬奈米結構控制光在主動層的分佈狀況，並搭配吸光材料的位置配置關係，使得光的吸收能達到一個極值，使效率達到最佳化的結果。