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衝擊產生器的設計參數與其響應頻譜探討

電子零件在量產前皆需經過衝擊認證，目的在於測試電子零件接腳處是否會因工作環境中的衝擊而造成脫落、斷裂或失效。在進行衝擊測試時所使用的衝擊測試原理主要有固定波型衝擊法與衝擊響應頻譜法(Shock Response Spectrum, SRS)，其中前者在衝擊作用時間與波形振幅的匹配調控上較為困難，且只能考慮單一波形與單一頻率的情況，較不具一般性，因而近來衝擊響應頻譜法是廣為接受的測試方法。 衝擊響應頻譜法是將真實環境的受衝擊系統模擬成單自由度彈簧阻尼振動系統，並推導在特定的激勵源下，不同自然頻率系統所能承受的最大加速度值，進一步將其作圖即可得衝擊響應頻譜圖。因此若能設計一衝擊產生器，使該衝擊產生器所產生的衝擊響應頻譜，能涵蓋真實環境中之衝擊所對應的衝擊響應頻譜，如此一來便可利用此衝擊產生器取代成本昂貴的衝擊測試機台。 以炸藥作為激勵源的衝擊產生器，可以極低的設備與操作成本產生相當理想的衝擊響應頻譜，幾乎包絡了真實環境的衝擊響應頻譜。然而該衝擊產生器經實驗測試後，會有多處應變過大與炸藥乘載座變形之情況，其中前者會減短衝擊產生器壽命，後者則不利於衝擊產生器的二次使用，且該衝擊產生器重複使用二次後即斷裂。由於此衝擊產生器具簡單與低成本的絕對優勢，有一定量的使用需求，故在整體設計有改善的必要。本文針對前述的衝擊產生器原型進行構件的關鍵尺寸探討，由ANSYS LS-DYNA摹擬的動態響應找出更優良的尺寸參數；此外，亦依據改善後模型，給出MIL-STD 883E各衝擊規範的對應炸藥使用量，使此衝擊產生器能更廣泛的應用於不同條件下的衝擊測試需求。

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第三型裂縫受動態荷重之分析

本文主要在探討於均勻(Homogeneous)的一無限線彈性(Linear Elastic)內之多個共線裂縫，受反平面(Anti-plane)動態荷重之應力強度因子(Stress Intensity Factor)。本文利用差排(Dislocation)模擬裂縫，建立裂縫面上應力分布的積分方程式。求解方法是先將相關積分方程式做拉普拉斯積分轉換，再使用高斯─柴比雪夫(Gauss-Chebyshev)積分法，將方程式進行離散，進而得到拉普拉斯轉換域之數值解形式，再使用拉普拉斯逆變換(Laplace inverse Transform)，計算裂縫之應力強度因子。 本文計算了單一裂縫、對稱或非對稱雙裂縫及對稱三裂縫的應力強度因子。由單裂縫的結果與理論解之比較顯示本法具有極高的準確性。

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彈性板受集中載重之分析

本文的目的在於探討二維正向性無限平板受到集中力作用所產生應力情形。其內容有無限板受到 方向集中力作用，無限板受到 方向集中力作用，無限板受到兩點集中力模擬純彎矩，無限板受到三點集中力模擬彎曲四種不同情形。其中無限板受到 方向集中力作用，無限板受到 方向集中力作用為基本解，且無限板受到兩點集中力模擬純彎矩，無限板受到三點集中力模擬彎曲可由基本解疊加後得到結果。 本文將上面四種模型的應力分成兩部份，第一個部份為材料力學部份產生支應力，第二個部份為在集中力附近所產生的應力分佈，稱之為西華德-逢卡門修正項(Seewald-von Karman correction)，本文稱其為局部區域效應(Local effect)。此兩部分的應力相加為無限板受集中力作用之完整解。材料力學解的部份有使用到尤拉-伯努利樑理論以及受到 方向集中力作用的理論。局部區域效應部份的應力使用到非奇異性的二維異向性材料之邊界積分方程式來計算。

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結合聲電效應之板波與表面聲波感測器研製

由於體積小、敏感度高，表面聲波與板波感測器已廣泛應用於各式感測，而聲電效應即為其重要感測機制之ㄧ。然由於板波之傳播機制較徹體波或表面聲波複雜許多，現存文獻中仍缺聲電效應與板波波傳之互制行為探討。有鑑於此，本論文分析聲電效應作用下，表面波與板波感測器之特性，並藉以為研製微尺寸板波感測器之基礎。在實驗方面，文中首度研製以氧化鋅奈米結構為感測材料之表面聲波紫外光感測器，更以氧化鋅薄板同時激發板波與作為感測層，製作出一板波紫外光感測器，並分別探討其特性。 本文首先介紹表面聲波傳遞時受聲電效應影響之理論模型，並討論當一壓電半導體材料與自由載子產生交互作用時，其表面波波速、衰減係數與壓電半導體導電度之變化。接著，針對板波，對聲電效應理論模型引入頻散關係，並以此修正之聲電效應理論，探討板波受自由載子影響時之傳播特性。文中以氧化鋅材料為例，研究在聲電效應影響下單層板與多層板板波之傳遞行為。 為了探討聲電效應於表面波傳遞時之影響，本文製作一以氧化鋅奈米柱為感測材料之表面聲波紫外光感測系統，並針對其即時監測之效能、靈敏度、重複性與穩定性做測試與討論。此外，亦首度將量測到的頻率漂移代入聲電效應之理論模型，反算出受紫外光照射一段時間後之氧化鋅導電度，並與理論做一比較與研究。 以第二章板波頻散關係與聲電效應互制之分析為基礎，本文研製一新型板波紫外光感測器。文中，分別製作出氧化鋅/氮化矽/矽結構與氧化鋅/氮化矽薄板之板波紫外光感測器，並對此兩種感測器做量測與比較。研究成果顯示在0.06mWcm-2的紫外光照射下，以氧化鋅/氮化矽薄板為結構之板波紫外光感測器有明顯的波傳損失。表示引入板波頻散關係後，此修正之聲電效應理論可成功設計出感測效能優異之板波感測器。 綜言之，本文提出一分析聲電效應與板波波傳之理論模式，可用於設計單層或多層板板波感測器。在實驗方面，本文基於理論分析設計，亦首度製作出以氧化鋅奈米柱為感測層之表面聲波紫外光感測器以及氧化鋅/氮化矽薄板之板波紫外光感測器。

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平面被動閥式微幫浦之最佳化設計

平面被動閥式微幫浦之制動原理為利用壓電薄膜驅動緩衝腔體後，產生之往復流場來推動閥門動件進行開關的動作。相較於無閥門微幫浦之特性，由於採用被動閥門元件，能提供良好之導流效率(71%)。 　　根據實驗結果，減少閥門動件質量對於降低微幫浦在幫浦模式以及補充模式間的切換時間有其f顯著效果，並能提供更有效的導流效率。採用質量為13.6μg的閥門動件之微幫浦Type1，在工作條件為30V及800 Hz下能提供266μl/min的流量，而當微幫浦採用質量減輕為10.6μg以及6.8μg之閥門動件時，微幫浦Type2及Type3之體積流率分別提升至290μl/min與360μl/min，結果顯示微幫浦的效能與閥門動件質量有關。 　　研究採用微粒子顯像測速儀(Micro-Particle-Image-Velocimetry)來觀測閥門動件的暫態運動以及下游閥門之導流效率。根據實驗結果，閥門動件在幫浦模式以及補充模式間的切換時間，會隨著閥門動件質量的降低而減少，因此導流效率也隨之增加。本研究開發之微幫浦可滿足微流系統的性能需求，並利於微型全分析系統(Micro-Total-Analysis-System,簡稱Micro-TAS)以及實驗室晶片(Lab on a chip)之整合與應用。

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高功率零電壓切換壓電變壓器與均流架構設計

本文研究以圓盤型壓電變壓器並聯驅動T5 14W燈管，並設計兩種壓電變壓器，其一為單一輸出電極圓盤型壓電變壓器，須配合均流架構以驅動多根並聯燈管；其二為四輸出電極圓盤型壓電變壓器，雖然四輸出電極壓電變壓器較為複雜，但不須搭配均流電路便可直接驅動四根並聯T5 14W燈管。研究目的是希望以壓電變壓器作為電子安定器以取代傳統的電磁式安定器，並可一次驅動多根並聯燈管，而驅動多根並聯燈管雖然設計較複雜，但卻能節省成本。以往以壓電變壓器作為電子安定器的應用時，功率範圍約在10~20W等級，而本文所用的圓盤型壓電變壓器經測試最高可輸出52.8W。 本文以壓電變壓器的等效電路進行雙埠網路分析來預估壓電變壓器的升壓比、效率…等等的電學特性，同時也以等效電路推導阻抗匹配點。零電壓切換(Zero Voltage Switching, ZVS)也是本文的重點之一，為達到零電壓切換於壓電變壓器前串接一小電感，以其與壓電變壓器之輸入靜電容的共振頻率在壓電變壓器本身共振頻率的1~3倍之間為最佳設計。最後本文以圓盤型壓電變壓器製作具零電壓切換的壓電式換流器，實驗結果顯示，兩種壓電變壓器皆能成功點亮四根燈管。其中，四輸出電極架構的效率為88.9%較電容均流架構的效率82.3%高；但在總輸出功率方面，電容均流架構的總輸出瓦數為52.8W，較四輸出電極架構50.4W略高。而在均流程度則是以電容均流架構較均流，但差異不大。本文的實驗結果顯示以壓電變壓器與均流架構並聯驅動多根T5燈管以取代傳統電磁式安定器是可行的。

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小血管分層血液模型之微連續體理論與數值分析

本研究主要探討小尺度的血液流動問題(直徑尺寸介於40μm~500μm)，考慮分層現象、紅血球的濃度分佈與紅血球顆粒之微觀平均旋轉與變形量。以雙層流體模型進行理論分析，雙層模型的外層為牛頓流體，內層為微形流體，我們解得旋轉場、速度場、體積流率與管壁上之無因次應力場理論解。理論之模擬結果符合F效應與F-L效應。最後將理論延伸應用於：(1)解析狹窄血管模型的阻力與管壁應力問題，(2)提出以微形流體為架構的穆瑞定律。 對於分層現象與紅血球的濃度分佈問題，本研究建立了小尺度血管濃度-管徑-分層位置之理論式，將分層厚度視為相依變數，使獨立變數因而降低，提高了雙層流體模型之微形流體各場量理論解的應用性。 數值模擬方面，提出邊界上旋轉場的修正參數β1，並以數值方法逼近速度場實驗結果反算求得最佳修正參數β1，建議值為0.3。實際問題中，計算了冠狀動脈狹窄管在各種濃度下對應之無因次阻力與壁面無因次剪力，將模擬結果與各種血液病症之實驗結果相互對照；最後，我們提出微形流體理論對穆瑞定律之修正。 本論文為微形流體數值計算過程中高度不定自由度解析過程提供了一套化簡的方法，理論解推廣的問題皆有數值模擬結果與實驗數據相互比較。

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二維鐵電薄膜之晶域分佈模擬

由於鐵電材料具有許多特殊的材料性質，近年來成為熱門的研究題材，也被廣泛地應用於感測器、致動器以及傳動元件上。而這些特殊性質是源自於材料內部微結構作演化達成秩序性排列所導致的宏觀反應。因此，為了正確的模擬材料行為並有效地利用這些材料性質，瞭解材料微結構演化機制成為首要的基本工作。本論文藉由能量之描述，建立可用於模擬二維鐵電薄膜微晶域演化的新式相場法數學模型。 穩定態的鐵電微結構其實是系統總能量演化至最低態時的晶域分佈。欲求得此分佈我們需要一套具多變量且適用於各種邊界條件下之微結構模擬的架構，來描述系統在降低能量項的過程中，驅動微結構聚結化、細微化、選擇與校列等相互抗衡的機制。不同於傳統相場法，新式相場法引入「多階層狀結構」的觀念，選擇區域的層狀體積分率作為場變數，來表示晶域的組成狀況。如此一來，系統的能量基態結構便可以用解析的數學式描寫。 過去研究團隊所處理的薄膜問題略可視為薄膜表面之模擬，變數在平面兩軸向上具有無限域之週期性質；相較於過去的研究，我們用不同的視角切入薄膜問題，以薄膜之縱向面作為探討與模擬的研究課題，即是考慮到薄膜上下邊界面所帶造成的影響。 此次研究為使用新式相場法模擬二維鐵電薄膜在正方晶態中所構成的穩定微結構。在薄膜厚度較大的設定下，模擬結果呈現滿足諧和條件且如同非薄膜時的晶域分佈。再以不滿足諧和條件之晶格排列狀況作能量計算，並與 COMSOL軟體之計算結果作比較，驗證理論與模擬程式的正確性。最後，我們調變薄膜厚度與各項參數，由模擬結果來討論薄膜厚度對諧和條件滿足性的影響及其原因。

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麻田散鐵薄膜或薄膜於基材上具平面法向異向性之微結構模擬

麻田散鐵材料由於擁有形狀記憶效應，在智能材料中受到格外的重視，近年來已被大量應用在感測器以及致動器元件上。這些特殊的性質其實源自於這些材料擁有的顯微結構，內部秩序性的顯微結構排列與演化導致了巨觀非線性反應的產生。所以，如何有效且正確的使用這些材料，分析與模擬材料顯微結構，進而取得外界刺激、材料顯微結構、非線性反應之間的關連性，是最為重要的課題。本文以過去研究團隊所發展之理論模型為根基，發展出一套能夠描述二維麻田散鐵材料薄膜系統以及薄膜基材系統微結構演化的新式相場模型並且進行數值分析模擬。 本文藉由能量極小原理搭配變分法推導其個別演化方程式，並且利用快速傅立葉建立計算材料內應力之快速演算法。對於薄膜系統之數值模擬，(1) 我們首先驗證其計算應力場演算法之正確性，(2) 接著為過去研究團隊在法線方向之壁接觸角度所建立之假設，證明其可信度，(3) 最後系統性的改變模擬參數，觀察與分析其個別能量最低時的微結構排列圖形。對於薄膜基材系統，我們重複步驟(1)與(3)，同樣得到了許多令人滿意且與實驗結果相符合的結果。在未來可為進行相關實驗或者進行類似模擬的研究員，提供相當有幫助的資訊與概念。

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二維麻田散鐵多晶薄膜微結構模擬

本團隊提出一套以能量低點拘束理論來建立麻田散鐵微結構演化的理論架構，本理論以演化過程中能量逐步趨小的方式進行收斂，藉由能量最小原理觀察在能量最低點的微結構排列方式。在模擬上，使用快速傅立葉轉換計算應力場。 我們設計了簡單的二維兩晶粒薄膜模型，其中一晶粒以θ 角的轉量有別於另外一晶粒，觀察晶粒界面間的諧和關係。此外，對形狀記憶合金，我們在模型中施以外加應變，再執行模擬，並且對施加的應變和模擬結果內變數繪製成圖，查看外加應變對於微結構造成的影響， 亦持續觀察在單晶和多晶之間的分別。 在多晶中，晶粒的微結構會隨著θ 角轉量而旋轉，理論上其轉動的量也是θ，但是模擬結果中顯示晶粒彼此界面上缺乏諧和性，雖然如此，內部微結構的演化結果造成宏觀來看整塊模型沒有變形，並且處於能量最小的情況。 外加應變和內變數繪製成遲滯曲線圖，我們比較了單晶和多晶在不同厚度的結果，發現受到厚度的影響不大；而其他條件一樣時，多晶的狀況越複雜，需要越大的應變來驅使內變數轉換，也就是遲滯曲線圖轉換較晚。