中央大學機械工程學系學位論文
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步進馬達在現今需要高精度驅動動力源的設備中已被普遍使用，除了 使用簡單及成本低之外，其最大的特點是停止精度高，中、低速的轉矩 高，且響應性強，故可直接使用開路控制。但位於高速區域必須考慮到共 振或轉矩不足等問題，造成失步或停止轉動，故本實驗以以鑽床平台的快 速定位為目標，利用調變脈波速度的方式，且不改變馬達外加電壓的情況 下達成精準定位。 本論文使用 FPGA 做為控制器設計介面，將其應用於單軸鑽床平台之 步進馬達，做一定位及加減速控制，並利用旋轉編碼器量測出馬達位置， 進而得知鑽床平台定位時的誤差及位移時的加減速狀態。 最後，討論並呈現定速度及變速度的驅動方式之實驗結果，並選出最 佳之驅動方式。
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柴氏長晶法是現今用以生長大尺寸矽單晶的一個主要方法。為了提高晶體的品量，則需要有效的控制晶錠之氧濃度以及其電性。矽晶圓片最佳電阻率可以透過於晶棒生長過程中，加入一些常見的摻雜劑（硼，砷，磷，銻，...）於矽熔湯中來達成。 在本研究中，有限體積法（FVM）數值模擬方法，用於研究砷的摻雜對固液界面氧氣濃度的影響使用進行了。本研究的實驗數據由SAS公司提供，而在砷濃度中電阻率的轉換是透過轉換公式來計算，並將實驗數據與模擬結果進行比較。將模擬結果與實驗數值相比較後，很顯然，兩者於晶棒的電阻率之變化趨勢是一致。 矽熔湯重摻砷之氧濃度含量比非摻雜的情況下熔湯中的氧濃度明顯偏低，主要原因是由於砷的摻雜會降低二氧化矽中氧的活度係數，進而降低氧的熔解。由於砷的偏析係數較小，所以砷的濃度隨生長晶體高度增加而增加。砷部分會集中在晶錠的中間，而相較於晶體邊緣則較少。 此外，若增加於熔湯中砷的含量，將降低在晶體中之氧含量，但增加徑向砷之含量。砷摻雜量與電阻率之間是成反比關係。 最後，提拉速度和旋轉率對於電阻率之影響亦被考慮。在結果中顯示出晶錠中電阻率，隨生長速率及坩堝的旋轉速度增加而增加，但隨晶k體的旋轉速率增加而降低。
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本研究目的在透過有限元素分析(FEM)，計算一有機金屬氣相沉積(MOCVD)反應腔體之旋轉載台在製程時受到高溫熱負載及不同轉速作用時的應力分佈與變形。考慮的負荷條件分別為無轉速只受溫度負載之狀態，以及主軸轉速10 rpm、100 rpm、500 rpm、1000 rpm、1500 rpm之情況。另外，本研究亦以系統化觀點考慮整個旋轉載台的溫度分布對氮化鎵薄膜磊晶翹曲及薄膜殘留應力的影響。此外，本研究亦以簡易模型分析不同晶圓直徑與材料、不同薄膜與晶圓厚度、加入緩衝層與否及溫度梯度對於晶圓翹曲及氮化鎵薄膜殘留應力的影響。為驗證本研究所建立有限元素分析模型之有效性，將模擬結果與前人以不同厚度氮化鎵磊晶在藍寶石晶圓量測實驗結果作比對，模擬結果之晶圓翹曲及晶圓曲率半徑改變趨勢和實驗結果一致，證實本研究所建立模型之有效性，可適用於評估各種磊晶參數對於晶圓翹曲及薄膜殘留應力的影響。 旋轉載台結構應力分析結果顯示此旋轉載台在同時受到溫度負載及各轉速的作用下，各個組件將不會有永久變形之情形發生。此外，轉速的提升對於結構應力的影響很小。溫度分布分析結果顯示，在同一個穩定的熱源條件下，以藍寶石晶圓磊晶氮化鎵薄膜的製程，旋轉載台上半部零件包含主承載盤、晶圓承載盤及晶圓，其溫度高於以矽晶圓磊晶的製程，且前者上半部零件溫度梯度皆小於後者。研究結果顯示有溫度梯度將增加晶圓翹曲及薄膜殘留應力，所以溫度均勻性對於磊晶製程是一重要參數。此外，氮化鎵薄膜磊晶於藍寶石晶圓，其薄膜殘留應力為壓應力，而磊晶於矽晶圓，其殘留應力為張應力；以裂縫生成的觀點來看，氮化鎵薄膜磊晶於藍寶石晶圓優於矽晶圓。 薄膜磊晶分析結果顯示不論磊晶於藍寶石晶圓或矽晶圓，增加磊晶薄膜厚度，晶圓翹曲量亦會增加，但薄膜殘留應力下降。增加晶圓厚度能有效的減少晶圓翹曲量，亦是業界常用的方法之一，但薄膜殘留應力會上升。考慮同厚度的晶圓，晶圓直徑的增大會造成翹曲量增加，甚至超越其本身厚度，此為大尺寸薄膜磊晶的一大挑戰，因此實務上直徑越大的晶圓將搭配越厚的晶圓以減緩翹曲。模擬結果顯示於薄膜及晶圓間添加緩衝層能夠降低薄膜殘留應力，且降低的程度隨著緩衝層厚度的增加而提升，因此，薄膜的可靠性可以透過加入緩衝層來改善。
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本文主要探討目標為齒輪組之動態響應分析與齒輪故障時對系統動態特性的影響。研究方法為利用有限元素軟體ANSYS建立無裂紋齒輪組與有裂紋齒輪組的幾何模型，首先分析出齒輪接觸點的接觸力與變形量後計算出齒輪的嚙合剛度，接著討論當裂紋位置改變或齒輪被施予的負載改變時對於齒輪嚙合剛度的影響，並為了縮短分析齒輪嚙合剛度的時間，可將齒輪的嚙合剛度簡化成二個部分分別求取後再串聯，最後再以集中質量法，將以等效質量、等效彈簧、等效阻尼建立起齒輪動態系統模型，將齒輪的嚙合剛度代入齒輪的運動方程式，並以數值方法求解齒輪的動態響應，分析無裂紋齒輪組與有裂紋齒輪組在各種不同轉速下以頻譜分析找出有裂紋齒輪的故障特徵。
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本文主要目的為探討半主動式狀態變換壓電吸振器，應用於受外力作用而產生振動之懸臂樑，在懸臂樑表面貼附成對陶瓷壓電材料，外接一組由電阻、電感、二極體所組成之吸振電路，模擬類似機械式吸振器之吸振電路，並藉由二極體的限制電流方向之特性，電流分流之間的切換達到電路狀態變換的效果，即二極體之被動式控制取代由速度或位移回饋訊號之狀態變換吸振電路。 內容包含被動式電路和半主動式狀態變換電路之減振效果分析，首先從漢米爾頓原理推導懸臂樑結構方程式與自然頻率，接著推導狀態變換吸振電路方程式，並將結構方程式與電路方程式進行耦合，使用數值程式求解聯立常微分方程式，求得系統之位移響應與電路中參數響應。透過不同型態電路設計與電路參數調整，研究出較佳的半主動式狀態變換吸振電路設計，接著透過實驗驗證數值模擬分析之結果，歸納出合適設計之半主動式狀態變換吸振器。
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本研究目的在探討還原環境對於玻璃陶瓷和金屬連接板接合件的接合強度及破壞模式的影響，所使用的玻璃陶瓷為核能研究所開發一款代號為GC-9的材質，金屬連接板則是使用代號為Crofer 22 H的商用肥粒鐵系不銹鋼。藉由製作兩款三明治試片，分別量測接合件在室溫與800 oC還原環境下的剪力及張力強度，同時評估還原環境時效處理對接合件強度的影響，並比較在還原環境與氧化環境下接合件所受之影響。 結果顯示，經一千小時還原環境時效處理的剪力試片，在常溫下接合強度比未經時效處理之試片增加24%，而在高溫下則下降19%；張力試片的接合強度亦有相同之趨勢，與未時效相比較，時效處理後接合強度在常溫下增加與高溫下減少的幅度分別為47%與51%。時效處理後常溫接合強度增加的主因可能為：(1) 時效熱處理的過程中，改變GC-9玻璃陶瓷基材中缺陷的大小、形貌；(2) 時效熱處理時有應力鬆弛的現象；(3) 時效熱處理後，GC-9玻璃陶瓷結晶化程度提高。而在時效處理後，高溫下接合強度降低的主因為時效熱處理時，在GC-9玻璃陶瓷基材中的玻璃相與結晶相之間形成微孔洞所導致。 由微結構及破斷面分析結果發現，接合件試片有四種破壞模式：(1) 破裂發生在玻璃陶瓷基材的內部；(2) 脫層現象發生於玻璃陶瓷基材與鉻酸鋇層的界面；(3) 脫層現象發生於金屬連接板與氧化鉻層的界面；(4) 破裂發生於玻璃陶瓷/鉻酸鋇/氧化鉻的混和層內。將微結構及破斷面分析結果與接合強度做比對，發現當破裂只發生於玻璃陶瓷基材的內部時通常伴隨的較高的接合強度，而破裂發生於界面或混和層時會有較低的接合強度。 在還原環境與氧化環境下，未時效試片的接合強度與破壞模式並未有明顯差異，而在一千小時長時效處理後，還原環境與氧化環境皆會降低試片之接合強度，下降的幅度皆為19%。
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本論文以電化學技術來研究結晶程度不同(0%, 25%, 50% 和100%)的Zr48Cu36Al8Ag8和(Zr48Cu36Al8Ag8)Si0.25金屬玻璃在0.1M 氯化鈉水溶液中的腐蝕行為。金屬玻璃Zr48Cu36Al8Ag8 與 (Zr48Cu36Al8Ag8)Si0.25中的結晶化程度，分別以471℃和480℃持溫的時間長短來控制。電化學腐蝕研究方法包括開路電位(OCP)、直流電極化阻抗(PR)、塔弗曲線(TP)、循環陽極動態極化(CAPD)、電化學組抗頻譜(EIS)等測量，以估計試片之腐蝕速率。 由電化學研究結果歸納出: Zr48Cu36Al8Ag8及(Zr48Cu36Al8Ag8)Si0.25的腐蝕速率隨著所含結晶百分比由0%增高至25%而明顯下降，然而隨著結晶百分比由25%增至50, 70甚至100%時，腐蝕速率則隨之增大。與Zr48Cu36Al8Ag8相比，添加0.25%Si的(Zr48Cu36Al8Ag8)Si0.25耐蝕性較佳，尤其以含25%結晶百分比的 (Zr48Cu36Al8Ag8)Si0.25試片抗蝕性最佳(其腐蝕電位最高；腐蝕速率最低)，之所以具有如此優異的抗蝕性歸因於熱處理時試片內部應變能的釋放。反之，當試片內結晶百分比由25 %增至50 %以上時，結晶程度提升，晶界數量增加，晶界處成為主要腐蝕區域，進而加速了腐蝕速率。試片的密度測定，顯示(Zr48Cu36Al8Ag8)Si0.25之密度高於Zr48Cu36Al8Ag8，推測填加Si原子於Zr48Cu36Al8Ag8金屬玻璃時，將會填入玻璃結構的空隙位置，增高此金屬玻璃原子之堆積密度，因而在相同結晶百分比下，(Zr48Cu36Al8Ag8)Si0.25的結構比Zr48Cu36Al8Ag8緊密，較具抗蝕性。
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本論文預測技術平台建置主要是針對集中捲嵌入式永磁同步馬達（Interior permanent magnet synchronous motor，IPMSM）的振動問題進行有限元素法求解。運用有限元素軟體求取馬達的電磁場分佈，後續將帶解的電磁場模型進行電磁與機構之雙重物理耦合場問題求解，以模擬逼近於真實馬達電磁與機構間的交互作用力產生的振動問題。 另一方面，我們將規劃一套實驗平台主要針對壓縮機內部馬達單體進行直接量測振動物理量。之後將前述的模擬結果與實驗平台所量測的馬達振動物理量做一致性的比較及驗證，以建立相關的know-how與知識庫。 最後，透過上述的比較及驗證我們可以開始進行分析哪些是造成振動主要的因素並且運用本論文預測技術平台可調控馬達相關電磁或機構參數，以研究調控參數對振動響應，進行診斷及改善工作，從而提出改善振動之具體方案及建立具備高技術含量的振動預測技術平台。
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本論文主要目為在一般辦公室環境噪音下，建立一套可判別風扇是否為良品之儀器設備。由某電子公司提供於無響室所測得五種不同型號風扇之相關資料，如：聲音檔、時域訊號、頻域訊號及風扇頻譜圖，觀察各風扇頻譜圖並配合人耳所聽到的聲音與心理感受，建立不同型號風扇異音判別指標，且整合找出風扇通的用判別指標。 接著實際進行風扇量測，由兩支麥克風，一支量測風扇聲音，一支量測背景噪音，將各別所測得之時域訊號進行訊號處理，並搭配本文所提出之排除背景噪音方法後呈現出風扇頻譜圖，同時也探討縮短量測秒數之風扇實驗結果。將所有訊號處理過程及風扇判別指標撰寫入LabVIEW程式，並用燈號表式是否通過各判別指標，最後實際呈現LabVIEW程式對風扇之量測結果。 最後以本文撰寫完成之LabVIEW程式實際量測風扇，扣除擷取訊號秒數，從訊號處理到燈號呈現出風扇在各判別指標為OK或NG僅花費2到3秒，且使用儀器量測是經由訊號處理完後轉成風扇頻譜圖，再經由所選取之判別指標，故能判別出人耳所不能辨別的異音，提升風扇品質。
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本論文使用實驗室已建立之加壓型固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)鈕扣型實驗載具，量測分析陽極端使用甲烷燃氣所產生之 碳沉積效應，以及其對鈕扣型陽極支撐全電池性能曲線(I-V curve)與電化學 阻抗頻譜(Electrochemical Impedance Spectra, EIS)之影響。實驗條件為固定氣體流率(陽極CH4 + N2: 50 + 150 = 200 sccm 和陰極Air: 200 sccm)，在溫度 750 oC 和壓力1 atm，分別使用加濕(約3% H2O)與未加濕陽極甲烷燃氣，並分別量測其I-V curve 與EIS，以探討加濕效應對碳沉積之影響。在固定負 載條件下(0.8 V)，持續量測電池性能16 小時 (每隔2 小時量測一次，共9次含開始第一次量測)，以探討在固定負載條件下之電池操作時間對碳沉積對和電池性能的影響。在進行前述碳沉積實驗前，於陽極端先通入氫氣(H2： 200 sccm)，並量測其性能和EIS，以作為碳沉積實驗之基本比較數據。並且， 在碳沉積實驗後，以氫氣還原法，通入氫氣取代陽極甲烷/氮燃氣，以探討 碳沉積是否可以被還原？以及其對電池性能有何影響？最後，使用掃描式 電子顯微鏡－ 微區元素分析儀(Scanning Electron Microscope － EnergyDispersive Spectrometry, SEM-EDX)，來分析驗證使用甲烷燃氣的電池碳沉積現象。實驗結果顯示可知，使用加濕甲烷燃氣能明顯降低EIS 之極化阻抗，並且有效地提高電池性能。例如：在750 oC 和0.7 V 條件下，使用未 加濕甲烷燃氣的功率密度為130 mW/cm2，而使用加濕甲烷燃氣的功率密度 ii則可被提升至256 mW/cm2。由SEM-EDX 針對陽極支撐全電池片所拍攝之 微觀照片，確認使用甲烷燃氣的電池片有碳沉積現象之存在。本研究結果， 應有助於進一步地了解SOFC 使用天然氣(甲烷)為陽極燃氣，所形成碳沉積 之現象，及其對SOFC 電化學反應機制之影響，這對未來SOFC 產業之建 立和推廣應有所助益。