中原大學機械工程學系學位論文
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血型分類目的在提供病人血液，使輸入的紅血球能適當存活，且 病人本身的紅血球不會受到輸入的血液成分破壞而發生溶血反應。在 血庫中心須經過自動化血液檢測機台的多項常規測試確保血液相容 性才能輸血給病人，但自動化機台價格昂貴且佔用相當大的空間。醫 院輸血的程序中常使用交叉配對實驗檢查捐血者與受捐者的血液凝 集反應程度。近來，人為操作的方式常用96 孔盤進行並透過肉眼判 定血液凝集程度，但該方法較為繁瑣及費力，不適合用來作為自動化 檢測的方式。而微流體晶片可以處理、操作微量體積的流體如試劑及 檢體，並可以在微流道內運輸流體進行稀釋、粒子分離、混合及反應。 本研究的目的旨在利用微機電技術製作出符合臨床上血液輸血前之 血型快速檢驗晶片，該晶片包含了微過濾器、微混合器、微流道、檢 測區塊、廢液存放區等相關微元件整合而成的複合式晶片。在實驗方 面，首先，晶片前端的微流道設計成可將血液分離出血漿及血球兩大 部分，並在血漿蒐集區計算出血漿採集率約為42.80%~50.80%，微過 濾器前端所採取到的白血球約為8~9 顆，而紅血球蒐集槽所採集到的 白血球數目則為0。第二，晶片中端設計微混合器作為混合試劑用， 將兩種不同色染料來驗證混合實驗，同時間採用直線流道來作為對照 組，並透過影像二值化分析兩種不同流道的混合效率，結果以微混合器的混合效果優於對照組。最後，以全血進行血型分類實驗，在晶片 末端的血型檢測區先以裸眼判讀血液凝集強度，再利用LabVIEW 撰 寫影像程式計算血液凝集面積加以輔佐，建立血液凝集強度於兩者間 的關係。在A 血型方面，血球凝集+1 的像素為6601.5，+4 的像素則 為24932.34；B 血型方面，血球凝集+2 的像素為14955.75，+3 的像 素則為22053.00。依照影像程式數據顯示，隨著血液凝集強度的增 強，二值化亦會呈現線性化增強的現象。
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膠體微影技術因製程設備、材料成本較低與可製作數十微米到數奈米的尺寸結構之特點，因此成為近期微影技術發展之重點。然而為了解決傳統粒子排列方式受人為因素難以控制排列或排列區域較小之問題，因此本論文是以自組裝氣液界面法為基礎，開發膠體微影的自動化設備，其內容著重於設備設計與製程開發兩個部分。 首先自動化設備中分為5大模組，其模組中利用步進馬達為旋轉動力源，藉由滾珠螺桿將旋轉運動轉變為直線運動，使各模組以此方式達成設計要求動作，並藉由可程式邏輯控制器精確控制其製程參數與各模組間相互配合，以降低人為之影響；接著以此開發完成的自動化設備進行製程開發，並完成4吋全晶圓面積之完整排列，藉由探討單層三角晶格最密堆積中晶粒內裂縫、與產生原因及相對應之製程參數，利用懸浮液中去離子水比例由3.4 g降低至0.68 g、注射次數由3次增加至4次及擋板回壓距離由0.1 mm增加至1 mm，始晶粒內裂縫與單粒子空洞之缺陷降低；注射幫浦模組馬達轉速由5 rpm降低至1 rpm，使粒子堆積之缺陷降低。最終分析人工與設備排列之晶粒差異及原因。
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摘要 本文探討利用磁控濺鍍法(magnetron sputtering)在壓電陶瓷(PZT) 上濺鍍銅(Cu)薄膜，藉由不同濺鍍條件如功率、鍍膜次數、氮氣濃度、真空壓力、時間等參數，製作不同參數條件，並藉由d33特性分析薄膜的關係，也利用X-ray繞射儀(X-ray diffraction, XRD)量測不同薄膜的晶相與繞射角度(diffraction angle)，利用原子顯微儀(Atomic force microscope, AFM)分析薄膜上的表面粗糙度Ra、Rz與Rq的數值分析關係。 實驗結果顯示濺鍍功率越高具有高厚度的膜層與比較高的d33壓電係數。使用X-ray繞射儀分析顯示薄膜在鐵電鈣鈦礦相(110)最高，繞射角度2σ= 30.8°有最佳晶相強度。利用原子顯微儀測量表面粗糙度量測使用同功率1.5KW濺鍍不同射層(10,15,20)的Ra值分別為(2.3,13.21,23.55）nm；使用同功率為2.0KW濺鍍不同射層(10,15)的濺射層的的Ra值分別為(10,70.17)nm。因此，可得知在相同功率下當層數增加時表面粗糙度的Ra數值是持續增加上升，在相同10濺鍍層功率為(1.5,2,2.5)kw的Ra值分別為(2.3,10,15)nm，此外相同層數下功率越高表面粗糙度數值會持續增加，實驗得到使用1.5KW濺鍍 10層可以得到良好表面粗糙度特性。
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基礎設施建築物的劣化為著重的問題，最主要的原因在於全球暖 化、極端氣候及工程品質不穩定，導致每座橋梁都必須做例行性維護 與檢測；但因勞動力人口下降，導致目前檢測逐漸趨於自動化，而無 人飛行機無非是現今最佳選擇，然而飛行機會因馬達轉速差異，導致 機身在移動時產生傾斜，進而影響到照片品質。 針對照片傾斜問題，本論文希望開發一種新型飛行機，藉由向量 控制去優化原飛行機移動所產生的傾斜問題，以利於在進行建築物檢 測、拍攝時，更快速、效率收集高品質照片。 向量控制飛行機，主要包含機體穩定、機構設置與優化照片，依 據各馬達做X、Y 方向控制，並估算穩定方程式；在機構部分，則以 機臂做改良，以達到向量控制的機能；最後會比對在有無向量控制的 情況下，是否能收集到高品質照片。
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本論文研發一台放射醫療檢查輔助用可變式輪椅輔具，平常可以當正常輪椅使用，當推入放射室時可以變形成照射床使用，並且在研發過程中評估各部位機構所選用的材料及材質的安全性，並以此規劃使用方式及應該設置的使用限制，在確認尺寸、便利性與安全性等項目後，完成可變式輪椅輔具的組裝，以組裝結果分析及規劃臨床使用的方式。 由於人體的重量分布是非均勻的，有的人頭重腳輕，有的人則明顯身體軀幹較四肢來的重，因此必須取平均值來設計本輔具，且本論文之構想與市面上的產品設計邏輯不同，因此需要重新規劃設計，並分類出2類共8種機構詳細解說選配方式及製造方式，分別為作動機構類與基本結構類；作動機構類的部分，由於需要作動使可變式輪椅能運作，因此需要供電或是油壓等包含機械動能的系統，包含4種機構，分別為躺平機構、照射板機構、升降機構與移動機構，而作動機構之間的組合則需要各種不同類型的基本結構來配合，基本結構也包含4種機構，分別是載體、底板、防傾倒機構與額外周邊。 最後則在分析比較各種不同的設計方案後，選擇可行的機構方案，將這些最終方案組合成可變式輪椅輔具樣品，並測試是否符合輔具規畫的需求。
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設計變更在塑膠模具領域是很常見的一道程序，它與設計一樣牽涉廣泛的層面，因為模具零件多樣複雜，造成模具設計變更的管理相當不容易。此外，要如何進行模具設計變更，必須仰賴工程師的經驗來決策，每次變更對開發週期所造成的影響，也不容易事先作有效的評估；因此本研究規劃一個動態式的設計變更流程，讓工程師可以在保有標準且彈性的流程中進行設計變更，並透過流程把設計過程中的變更資訊保存下來，藉由樹狀結構呈現變更歷程，以及分析設計變更決策所帶來的效益，研究中也應用變更累積之知識，開發一自動化設計檢查功能，展示設計變更管理所帶來的附加效益，透過案例之效率比較，顯示使用設計變更引導系統，可以節省約73%之變更管理時間；另一方面，本研究應用本體論以及CAD設計參數，整合CAD模型、程式碼之邏輯運算以及人機介面，建立影響性推理模型，此推理方法在設計變更評估初期，即依照變更條件自動辨識出所需要改變設計之零件，幫助決策者規劃變更之方法與步驟，提升設計變更之正確性以及效率。
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本論文完成化學共沉法製備參數於Fe3O4奈米流體粒徑之影響，並針對含有不同粒徑之奈米流體進行其黏滯係數分析。由過往文獻可發現酸鹼度、溫度、酸性溶液濃度皆會對化學共沉法所產生之粒徑造成影響，故本研究調控化學共沉時進行之環境酸鹼度、酸性溶液濃度及環境溫度，以取得不同粒徑之奈米流體。進一步，於不同溫度下對製成之奈米流體進行黏滯係數測試，觀察奈米流體之粒徑對黏滯係數之影響。 研究結果發現，當共沉環境酸鹼度提高，將使得化學共沉法所製成之奈米粒徑降低，使用較低濃度的酸性溶液進行滴定所得的奈米粒徑較使用較高濃度的酸性溶液進行滴定所得的粒徑低。隨著環境溫度的升高，粒徑則有逐步上升的趨勢。在黏滯係數分析的方面，考慮相同粒子濃度，當奈米流體中所含粒徑較小，其黏滯係數將高於所含粒徑較大之奈米流體，然而此粒徑效應所受溫度之影響並不明顯。
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本論文完成磁場效應對磁性奈米流池沸騰熱傳特性之研究，目的在探討外部磁場及粒子濃度對磁性奈米流體於加熱表面過熱度及臨界熱通量之影響。首先，藉由化學共沉法及溶膠凝膠法製備水基 奈米流體。接著，完成沸騰熱傳測試系統之設置，且利用Biot-Savart定律計算出電流與磁感應強度之統御方程式，並借助Simpson法求解出實驗所需之磁場設置條件。最後，依據沸騰熱傳實驗數據，利用Fourier熱傳導定律求得表面過熱度及臨界熱通量。 實驗結果發現在粒子濃度效應方面，表面過熱度隨濃度增加而下降，臨界熱通量則上升；在均勻磁場強度效應方面，表面過熱度隨磁場強度增加而上升，臨界熱通量則下降；在均勻正磁場梯度效應方面，表面過熱度隨磁場梯度增加而下降，臨界熱通量亦下降；在均勻負磁場梯度效應方面，表面過熱度隨磁場梯度增加先下降後上升，而臨界熱通量則先上升後下降。
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本研究的第一部分提出一種新型多噴嘴式微通道散熱器（MN-MCHS）， 詳細研究了微通道長度、長寬比、肋寬度，及幫浦功率和熱通量，發現其通道長度較短的MN-MCHS不僅明顯改善底部溫度的均勻性和熱動力性能指數(thermodynamic performance index)，也可以顯著的降低總熱阻抗。 隨著通道長度從10mm降低至1mm，溫度均勻性提高了約10倍，總熱阻提高了62％，壓降(pressure drop)降低了約12倍。在第一部分的所有情況顯示，MN-MCHS在最佳的結構下，可以消除高達1300W / cm 2的熱通量，並且使溫度保持在高於入口冷卻劑的溫度77.5℃之以下。此外，在相同的幫浦功率下，比單層MCHS與雙層MCHS分別改善總熱阻高達62％和47.3％。此MN-MCHS的結構是一種有潛能的MCHS結構，因為它可以透過優化其幾何尺寸來提高熱性能並降低壓降。 在第二部分中以可量測9.8mm×9.8mm×0.5mm的銅板作為SL-P-MCHS和MN-MCHS的襯底，使用水作為冷卻劑。 通道長度為0.2至5.6mm，以及五種不同的通道形狀，包括圓形，正方形，梯形，兩個凹形表面和兩個凸形表面，並且固定液壓直徑為200μm與雷諾數範圍700〜2200之間進行數據的研究。 利用新的網格劃分方式，找出一種最適合用於多噴嘴式微通道散熱系統的結構。其中以圓形的通道擁有最好的熱性能，可耗散高達1300W / cm 2的熱通量，並且在雷諾數為2200時最大溫度保持在低於75℃。此外，提出了一個新的方程式，透過通道長度與雷諾數，預測其入口與出口之間冷卻劑的溫度差異，以及根據雷諾數和熱通量，預測圓形通道底壁的最高溫度。 最後第三部分，以固定寬度100μm，長度2mm，高度500μm的模型進行分析。計算的模型包括通道和基板，水與矽作為冷卻劑和基板的材料，在模型的底壁上固定施加750W / cm 2的熱通量。為了研究通道深度對散熱器底壁溫度均勻性的影響，分析固定通道深度100μm至400μm，與沿著通道的長度增加100μm至400μm的通道深度。在本節實驗中發現，通道深度對散熱器底壁的溫度均勻性有非常重要的作用。與固定通道深度相比，沿著通道長度增加其通道深度可以將溫度均勻性提高到36.7％。
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本研究的重點是針對使用壓電致動器驅動的六自由度史都沃特型平台設計適當之控制方法，在受到外力影響時仍能保持很好的定位精度。首先藉由運動學分析模型與實驗測量終端位置之校正，以提高系統參數的精度。非線性的磁滯、潛變效應、漂移干擾、或溫升效應是使用壓電致動器常見之負面因素，會直接影響系統的精度以及穩定性，故設計控制方法須特別考量。本論文利用Preisach方法推導出壓電致動器的磁滯模型，以建立磁滯前饋控制器來解決磁滯問題。另利用已廣泛用於統計製程控制並能克服系統變化和漂移干擾之指數加權移動平均(Exponentially Weighted Moving Average, EWMA)方法，嘗試將EWMA方法轉移至兩次運轉對比(Run-to-Run)之數位模型參考適應系統(MRAS)，並將磁滯前饋控制器整合於內，完成一套定位控制系統。除了單級演算之EWMA方法，具有兩級演算之EWMA進階型預測校正控制器(Predictor Corrector Control, PCC)，亦將設計與驗證功能之優劣。 除了位移控制器，亦結合非線性PID控制器與常見之計算扭矩方法來設計力回饋控制器，以克服未知且隨環境變化之外力影響。配合選擇之表面研磨範例實驗，於系統中裝設力傳感器和電容式位移傳感器以即時量測工件之受力及形變。本論文進行了幾個加工案例研究，以評估所設計之複合式控制器的效能，亦與單獨使用前饋或力反饋控制器就無負載自由空間運動以及遭遇外力負載操作比較性能，證實其效果優異，無負載運行可以達到平移均方根誤差(x: 95.436 nm, y: 172.513 nm, z: 1111.581 nm)及旋轉均方根誤差(θx: 1.112 nrad, θy: 1.009 nrad, θz: 0.689 nrad)，遭遇外力負載可以達到平移均方根均方根誤差(x: 257.442 nm, y: 182.306 nm, z: 1187.987 nm)及旋轉誤差(θx: 3.35 nrad, θy: 7.015 nrad, θz: 0.687 nrad)的奈米級定位精度。