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應用壓電微幫浦於迴路式水循環系統之開發與應用

隨著半導體製程技術逐漸進步，電子元件的發熱量也愈來愈高，而在高功率電子元件晶片表面的發熱量並不是均勻分布，甚至會有熱量聚集在一點的情形發生，稱之為熱點，此高度溫度分布不均的狀況，容易造成電子元件的損壞。 本研究利用微機電製程技術，成功的開發出一種新型迴路式水循環系統，其功能在於推動工作流體，將熱點的熱帶到晶片表面的其他位置，增加熱的擴散，如此可以使晶片表面的溫度分布更加均勻。本研究針對迴路式水循環系統設計五種不同的幾何形狀，並利用微粒子影像測速儀得到在不同操作電壓與頻率下的流量，在操作電壓40 V、操作頻率為0.9 kHz時，可以提供91.4 μl/min的流量。實驗結果也顯示此裝置確實可以增加電子元件熱的擴散。 本裝置並具有製程簡易及高整合性等優勢，更可與電子元件製程互相整合，實為未來發展高效能與高可靠度之電子元件所不可缺乏之關鍵系統。

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次波長超長焦深光束直寫儀的研究與開發：從奈米光學元件的理論與製造到系統性能驗證之研究

傳統光學系統受限於繞射極限，為了追求更小的聚焦光點，焦深將迅速縮小到接近一般試片的表面粗糙度。另一方面，Durnin在1987年首先提出無繞射光束的概念，此光束的焦深比一般透鏡聚焦光束大數十至數百倍。然而，其聚焦光點仍無法達到次微米甚至是次波長等級。 拜微機電技術進步之賜，次波長光學元件研究如雨後春筍般蓬勃發展。其中，表面電漿光學就是其中一例。本論文利用次波長結構結合表面電漿光學設計新型光學元件。文中提出結合金屬次波長結構與發光二極體產生長焦深次微米聚焦光點，以及利用銀和鎢的次波長圓環光學頭結合不同入射偏極態產生各種次波長無繞射光束，並提出一種新型貝索光束直寫儀，整合基礎物理研究以及光機設計，製作出具有超長焦深次波長光束，可應用於直接刻寫出高深寬比結構。 模擬方面提出了完整的模擬流程，包括利用嚴格耦合波理論快速估算出射光指向角，利用叢集電腦進行三維有限差分法模擬，並利用數值方法得到柱狀表面電漿子之色散曲線。模擬結果與實驗有良好的一致性。這些模擬不僅可幫助我們用來預測未知的物理現象，更可以提供我們設計的相關參數。 光機設計中，利用了電腦輔助設計軟體對結構進行配置與模擬，結合所設計之次波長圓環光學頭，產生次波長無繞射光束。為了達到自動化圖形刻寫，利用了圖形控制程式與被控元件整合，透過適當的校正流程，能夠使系統得到最佳的曝光效果。 實驗方面，我們使用倒立式顯微鏡觀測指向性出射的現象，並使用近場光學顯微鏡量測次波長圓環結構的近場及遠場特性。不但發現銀次波長圓環結構能夠依照不同的圓環材質與入射偏極態產生不同的類次波長無繞射光束，其出射光具有高穿透能量、次波長聚光點、及長焦深等特性。結合貝索光束直寫儀，成功地在AZP4620正光阻上製作出線寬為1 μm、深寬比達到5:1的高深寬比結構。

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無閥式微幫浦之腔體設計與作動機制研究

本研究透過專利與期刊論文之檢索首先針對機械薄膜微幫浦的各式動力源與閥門結構作一趨勢分析，結果發現「壓電式」動力源為所有研究應用之主流；微幫浦可依閥門分為「有閥」與「無閥」兩大類；有閥又可分為主動閥與被動閥，而被動閥在歷年專利與論文的累積數量上皆占第一，但其近幾年之成長已趨向飽和，故可知此一技術發展已邁入成熟期。目前業界側重於微幫浦的主動閥研究，而在學界因為無閥式結構簡單、不需耗能且無疲勞、阻塞等特色，在近幾年大幅成長漸成主流，但其也意味著無閥式微幫浦仍在萌芽開發期，甚具高發展性與可專利性，因此，吾人選定壓電無閥式微幫浦為本文之主題。 有別於傳統利用微機電技術所製作之矽晶片微幫浦，吾人採用塑膠基材與雷射加工之方式以節省模型製程開發的時間與成本。另外，因為目前無閥式微幫浦的研究皆僅止於整流器之創新設計，尚未有文獻針對振動腔內之流場作分析，所以本文在流體力學相似律的基礎上，藉由流場可視化與流力分析，在文獻中第一次系統性探討微幫浦設計參數對振動腔內渦漩發展型態之影響。由流場分析結果發現：振動腔內最大渦漩之尺寸，決定於進、出口渦漩流之發展及其與腔體壁的相互作用。而本文也發現：微幫浦之流體傳輸效率與進、出口渦漩對之發展緊密相關；例如：平均流場之出口端渦漩對的「中心距」、「中心眼位置」、「出口端平均噴流速度」以及「渦漩對平均強度」，皆與幫浦效率之消長有完全一致之趨勢。而後，吾人更進一步依據上述流場渦漩發展之分析，並參考澎湖七美「雙心石滬」之幾何構形，設計出一全新的無閥式雙心振動腔體之微幫浦設計，實驗結果發現幫浦效率可明顯提升約一倍。 此外，本文也對噴嘴/擴散器的效能探討，發現改變擴散器之張角(2θ)、細長比(L1/W1) 及喉部入口設計等之效能趨勢皆與習知巨觀水力試驗裡的擴散器結果一致。在本文之實驗雷諾數範圍(Re=50~100)下，吾人發現擴散器的最佳設計為2θ=10o及L1/W1=18。而吾人亦改變噴嘴/擴散器的相對位置(定義為旋轉角α)，發現在α為45度與135度時，流量各約有30%、15%之提升；但在α為90度時性能卻沒有改變。而在多進(口)、多出(口)之微幫浦設計測試中，可發現兩進一出之設計約有20%流量之增加；但在一進兩出之設計淨流量則明顯縮減約40%。上述結果說明改變噴嘴/擴散器之相對位置與進、出口數量會對腔體內漩之發展情況造成影響，而使得幫浦的效率有所變異。 另外，微流元件性能之重複性在過往的相關文獻鮮少被提及，經常可發現其容易受環境因素或製程的影響使得性能難以被維持或重現。因此吾人在本文也發展出一標準實驗加工及測試流程，以確保本文各項設計參數實驗結果之可信度及可重複性。 本文最後利用力與電流類比的方式建立一無閥式微幫浦經驗模型，可提供作為變更設計參數時，估算系統共振頻之參考輔助工具。

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單晶石英加速規之自然頻率理論分析

本文主要分析(YXl)-88度石英樑以及雙端固定音叉式石英振盪器之共振頻率，首先分析石英樑的共振頻率，利用漢米爾頓定理(Hamilton's Principle)與變分法建立統馭方程式與邊界條件，再使用分離變數法求得特徵方程式、並利用解析解求得特徵值，求得到共振頻率。對於雙端固定音叉式石英振盪器分成同向(in-phase mode)與異向(anti-phase mode)振盪，同向振盪(in-phase mode)可將質量塊視為提摩盛科樑，中間樑為尤拉樑，而對於異向振盪(anti-phase mode)，對質量塊提出新位移場模型，中間樑視為尤拉樑。同向(in-phase mode)與異向(anti-phase mode)振盪兩者都與石英樑方法一樣，利用漢米爾頓定理(Hamilton’s Principle)與變分法建立統馭方程式與邊界條件，再使用分離變數法求得特徵方程式、並利用解析解求得特徵值，求得到共振頻率，所得到的解析解與實驗結果相當符合。利用相同方法分析單音叉的同向(in-phase mode)與異向(anti-phase mode)共振頻率，並建立32.768KHz的理論尺寸。

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金屬奈米結構對螢光增益之研究

本研究根據Maxwell電磁理論，探討三維金、銀奈米粒子與可見光波交互作用的現象。研究方法使用多重中心展開法，以多個展開中心展開散射體之散射場及內域場，透過在散射體邊界上取點及滿足邊界條件以建立一係數矩陣方程組，並以奇異值拆解法求解矩陣。 研究內容包含入射平面電磁波激發奈米粒子的表面電漿共振，並利用產生的局部電場激發螢光分子，計算此分子處的激發效率；此分子達激發態以後，利用一電偶極波源模擬此螢光的輻射場，並與奈米粒子作用後，研究其產生的螢光增益效果。 本研究探討了橢球、核殼球形、核殼橢球、圓柱以及圓盤形狀奈米粒子的螢光增益效果，並仔細整理出這些結構下能達到最好的螢光增益效果。