臺北科技大學機電整合研究所學位論文
國立臺北科技大學,正常發行
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近年來，各先進國家都非常重視產學合作，認為企業與學校合作，可加強研發成果的應用，並帶動產業成長及提高國家競爭力。但如何透過良好的產學合作模式來提昇產業的競爭力成為當今重要的議題。 本研究以T科技大學與M公司的產學合作為例，透過國內外產學合作相關文獻的探討，檢視目前國內產學合作的模式；再以描述個案的研究方式，說明T科技大學產學合作的推動策略，以及如何依據M公司的發展及需求，提出改善建議，以及協助申請政府經費挹注。 透過深入的個案研究，本產學合作成功的模式，所建構之多元組合的產學合作方式，可作為教師與企業推動產學合作的參考。產學合作的方式非常多元，面對企業的需求都需要客製化的服務，因此建構多元組合產學合作的模式，是貼近廠商的需求，除了協助解決企業技術研發及人才培育等問題外，另外促進企業升級轉型以及提升競爭力，才是產學合作的核心價值。
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本研究之吊牌槍主要構造由外殼、板機、複合齒輪、齒條、及進給機構所組成，其設計特色在於：板機的改良，使轉動樞軸的位置由上方移至下方，可使使用者利用較有力的手指進行操作；複合齒輪及齒條經過設計，達到所預期的行程；進給機構可依照使用者所需，選擇不同的膠針。本設計之優點為使機構簡化，製作成本相對較低；作動更加確切，可避免發生卡針的情況；改良後板機更加省力，有效降低長期使用所產生的疲勞感。本研究過程中依照吊牌槍進行相關專利的蒐集，藉此訂定出吊牌槍的基本架構，而經由電腦輔助軟體進行3D繪製模型，確認各機構作動是否正確，且無干涉情況。最後進行打樣實體原型，確認設計過後的可行性。本研究相關成果已申請獲得新型專利。
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磁感測器或磁強計(magnetometer)的量測系統有許多皆為低頻及微弱的訊號，因此，需要對這些訊號進行某些形式的調變工作，才能將量測訊號帶離雜訊區，使正確的量測訊號被解析出來。微磁通閘感測器感應訊號經方波相位調變(square wave modulation)後，再經由混波器和移相電路解調變，即可將真實相位訊號解析出來。本論文電路設計能偵測磁通閘感測器或巨磁阻等磁感測器之第一或第二諧波對外磁場之響應，並以數位移相電路調整相位，配合類比諧波偵測電路之運作，整體電路架構可分為數位移相電路、類比諧波偵測電路及交流驅動電路，感應訊號透過類比諧波偵測驅動電路，能使磁感測器的響應轉換為正比於外加磁場的輸出電壓。電路設計採用國家晶片設計中心(CIC)所提供之TSMC 0.18 μm 1P6M CMOS製程技術完成設計，並對晶片電路進行量測與分析，也將晶片電路與磁通閘感測器結合量測，當激發頻率25 kHz及激發電流111 mA，測得焊線式微磁通閘的電壓轉移率為0.744 V/T；使用儀器測定的結果為2.289 V/T，此差異的原因可能是電路放大率過大、或高頻干擾使訊號飽和失真。待這些問題改進後，未來可將驅動電路與感測器之激磁線圈整合在同一顆晶片上，實現系統化晶片 (systems-on-chip，SOC)之磁場感測器。
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本研究利用微小型機械式結構進行儲存及藥物釋放，目的為取代傳統型醫療行為中，使用針筒來傳遞藥物的方式。本研究方法乃選擇一通過認證的鈦金屬植體，並使用Pro/Engineer設計出可與此鈦金屬植體結構相對應之機構，此機構有一存放液體藥物的腔室，搭配可選擇刻度位移式或壓力式兩種機械式推桿裝置，使用高分子聚合物-甲聚醣調製不同濃度的溶液進行釋放實驗。位移式釋出的重量百分比可從0.283 %至1.095 %，另一壓力式釋出的重量百分比可從0.021 %至0.885 %，因此兼具儲存與準確藥物釋放的功能，以利於未來可應用於人體中的藥物傳遞。此外在壓電式推進方式，使用COMSOL Multiphysics流場模擬軟體，進行壓電流體耦合結構分析，其結果發現氧化鋅壓電片，經過逆電壓效應，平均出口流速可達3.31*10-6 mm/s，實際購得壓電片進行實驗，結果顯示有壓電片的高分子釋出量在80分鐘後可比無壓電片增加50 %，而由此兩種不同的藥物釋放機構，可針對不同需求之藥物做釋放上的應用，機構設計與人工牙植體結合，以期可植入口腔中之上頷骨位置，因此處含有較多的結締與血液組織，可利於乘載機構與藥物的釋放。
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本研究將矽晶圓穿孔 (Through Silicon Via，TSV) 利用超臨界電鍍製程充填銅金屬並製作出具TSV結構之晶片，有別於一般導線只能在2D平面上做佈線，3D結構優勢在於可增加晶片上導線的分佈範圍，由平面增加為多層，因此具有降低成本，減少封裝空間、體積和重量等優點。本研究將晶圓切割成晶片，並使用ICP (感應耦合電漿離子蝕刻)的蝕刻製程技術在晶片上蝕刻TSV，研究超臨界二氧化碳壓力與電流密度之製程參數，探討改變製程參數如何影響電鍍充填TSV銅柱與電阻值，檢測結果將超臨界與傳統電鍍做比較討論。檢測方面則探討TSV銅柱的密封性，使用氦氣測漏儀檢測TSV銅柱是否填孔性良好，而本研究探討TSV的電性檢測為主要重點，電性檢測方面則是量測橫跨於TSV兩端之電阻值，接著在TSV的兩端通高電流(10安培)以檢測TSV是否能承載得住而沒有燒斷，最後將晶片切割剖面以觀察超臨界電鍍所充填之TSV銅柱是否有孔洞的缺陷，並比較超臨界與傳統電鍍製程時間的差異，本實驗之超臨界電鍍製程無加入添加劑輔助電鍍填孔，而是利用超臨界的特性達到填滿TSV孔洞為目標，量測結果壓力值在2000 psi、電流密度為3ASD的電鍍參數較佳，電鍍填孔性效果較好、可承受10安培高電流導通、而超臨界電鍍時間最短為3hr。
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後超臨界二氧化碳電鍍製程是將超臨界態的二氧化碳與鍍液混合後卸壓至常壓下，利用過飽和二氧化碳回復成氣態時所形成的微小氣泡混合於鍍液中，此氣泡微胞附著於電鍍基材表面，使附著部分絕緣，氣泡成長後離開基材表面，達到類似於脈衝電鍍的效果。由於常壓下鍍液中的二氧化碳氣泡會隨時間逐漸增大並散逸掉，因此藉由超音波激發微小二氧化碳氣泡並利用其增加類似脈衝電鍍之影響而得到更佳的鍍層品質。本實驗執行後超臨界電鍍，並將超音波喇叭錐置於鍍液中進行振動。電鍍過程中，藉由磁石攪拌、超音波攪拌與複合攪拌(磁石+超音波)三種不同攪拌方式以及超音波振動子之控制電壓，找出較佳之鍍層表面形貌與機械性質。實驗結果發現複合攪拌在電流密度為40 A/dm^2，可以得到較小的晶粒大小，表面粗糙度較平整，較薄的鍍層硬度提高至320 Hv以上而一般電鍍為160 Hv到300 Hv，但會產生較高的鍍層內應力約320 MPa；而控制電壓30-50 V對於後超臨界鍍液中二氧化碳微泡之激發狀態，隨著電壓的提高有逐漸劇烈的趨勢，在40 V和50 V製備的鍍層表面有鎳碎屑鍍散佈，對於表面粗糙鍍之改善有限，所得的晶粒大小也較大，但鍍層硬度值之變化較趨緩，過多的二氧化碳微泡容易造成鍍層包覆氣泡而內應力提高。
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本研究以先前利用PCB印刷電路板製作磁通閘磁場感測器為理論基礎，設計平面的激發及感應線圈以及搭配磁通導引器，使感測維度推展至三軸。新型的設計將激發線圈與感應線圈整合於同一平面上，利用兩面的PCB電路板進行雙面曝光，以將激發線圈與感應線圈分別製作於兩片上，其後再加上十字形磁芯。第三軸的磁場感測，則是透過於磁芯上置放一肥粒鐵材料之空心圓柱作為磁通導引器，將垂直於平面之磁場會聚導引至十字形磁芯，並切換感應線圈之串聯模式進行感測。本研究針對磁通閘的設計進行模擬與實驗驗證，分析了磁通閘設計所涉及線圈尺寸、磁芯尺寸等對感測能力的影響，以及激發電流與頻率等條件設定所造成感測結果的不同。經實驗結果顯示，在最佳化之設計基礎上完成之磁通閘，X軸與Y軸的量測在激發頻率50 kHz及激發電流550 mA下，轉移率為122.42 V/T而1 Hz雜訊可達0.115 nT/√Hz。另外，在Z軸的量測則在激發頻率50 kHz及激發電流500 mA下，轉移率為11.61 V/T而1 Hz雜訊為6.29 nT/√Hz。此感測器設計驗證了具備三軸感測能力之平面線圈的磁通閘感測器之概念可行性，未來首要目標在於提升第三軸感測的磁場電壓轉移率，並以此概念進行晶片製作，期待實現為小體積、低功耗並具備三軸全域感測能力之磁通閘磁感測器。
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帕金森氏病(Parkinson’s disease，PD）患者常有靜止行顫抖、步態凍結、步態不穩等問題，容易影響日常生活功能，當PD患者發生步態凍結事件時，如何即時幫助提醒患者再次行走，是本文研究課題，主要目的在設計開發對帕金森氏病患者輔助行走之護膝型雷射提醒裝置。在市面上已有針對手杖結合視覺提醒的產品設計，但是大多數PD患者尚未需要使用手杖等助行器，另外其視覺提醒產品步距皆固定，因此本研究考量便利性、攜帶性及適合性，而研究設計可結合護膝的雷射裝置，利用視覺的提醒並且可調步距作裝置的開發設計，裝置能夠有效即時的給予提醒，在需求時能給予PD患者幫助。 本研究裝置設計利用腳底開關與單晶片以及加速計做溝通判斷控制，本裝置當PD患者有所需時，透過腳底開關傳至護膝型雷射裝置裡的單晶片裡，接著在PD患者腳前方打出雷射光線，提醒PD患者跨過此雷射光線，使PD患者能順利前進行走，亦可透過步進馬達控制雷射燈頭，調整所需之步距；另外，本研究利用加速計搭配腳底開關，作步距演算及FOG偵測，將所走之距離及步頻，透過藍芽即時傳至電腦觀看，判斷其步態情形；先前研究步態參數有步頻、步速的演算顯示，現在增加步距演算開發，使步態參數顯示更完整。 目前本研究裝置視覺提醒成效，經由實際帕金森患者測試，具有一定的成效。帕金森患者使用本研究裝置，能將原實驗路徑行走時間由40~60秒降為20~30秒，步數由50-70步降為18-30步；帕金森患者透過視覺輔助，減緩小碎步、步態凍結等相關問題，將可在更進一步研究，更有效減緩帕金森患者步態不穩的問題。
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本研究為咖啡機核心機構之設計與分析，主要構造為螺桿、沖泡缸、彈簧、密封圈及偵測器，其設計特色為雙螺桿可較穩定的上升，不需再設計一導引機構來導引，以及利用密封圈的特性使咖啡不易溢出；及採用偵測器可偵測位置，以提供單元正確訊息。本設計之優點為雙螺桿更穩定，且基座為鈑金鎖固，可防止咖啡機因螺桿帶動時而扭轉，以及利用彈簧的特性來壓渣不同的分量。本研究首先進行專利公報及相關文獻蒐集，進而定義出設計之條件及偵測器之控制邏輯，再以電腦繪圖軟體繪製咖啡機核心機構之3D模型，並確認所設計之結構無干涉情況，並模擬動作過程，驗證此設計的作動機構無誤。最後經由實體製作確認咖啡機之可行性。本研究之相關內容已提出專利申請。
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本研究欲設計一新式電動代步車之防滑差速器，以六連桿七接頭之機構實現本設計。設計特色在於使用電磁閥驅動肘節機構、槓桿機構，並推動錐形體襯套與行星架嚙合，設計出符合小施力大效果，達到兩行星齒輪轉速同步，使左右車輪轉速一致避免打滑，達到防滑差速之效果。本研究使用簡易機構，整體構造簡單、易於加工，故製造技術相對簡單且成本低廉，而現今習知差速器之設計大部分離合器皆由齒形嚙合作動，本研究利用錐形體襯套嚙合行星架為一漸進式耦合動作，有益於延長機件壽命。本研究針對各種類型之防滑差速器進行專利及相關文獻蒐集，依實施方式加以歸類整理並分析，並依據設計條件擬定機構類型。本研究使用CAD軟體繪製防滑差速器之3D模型，並使用CAE軟體進行動態模擬與分析，擬定具有足夠強度之模型尺寸，以完成一新式電動代步車之防滑差速器。本研究之相關成果已提出專利 申請。