中原大學機械工程學系學位論文
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本文在微觀尺度下以數值分析法模擬最密堆積之選擇性雷射燒結製程的溫度分佈，其中假設雷射能量為一高斯分佈函數並沿著一特定方向以特定速度移動來加熱粉末，在考慮粉末的非線性熱傳、熱對流與熱輻射的情況下探討光斑大小、速度所帶來的影響。 在這其中確定了當光斑半徑小於或等於粉末半徑時只有沿著雷射移動路徑下的粉末是可以達到燒結溫度並燒結成一實體，且明白光斑大小與溫差成反比，光斑愈大溫差愈小反之則愈大，故如何在最小的光斑大小中達到一最均勻溫度是本文的重點；從結果得知在製程前期，因粉末接近室溫且雷射移動速度相對於粉末大小過於快速導致在製程前期粉末無法得到足夠的能量來進行燒結，是故以改變速度的方式來使得製程中的能量分佈不均來達到完整燒結與均溫的效果。
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本研究在理論探討水火箭飛行軌跡與動態特性。主要目的在分析箭體內氣壓及水量對水火箭垂直飛行高度、速度及加速度隨時間變化之影響。過程中，首先利用Reynolds傳輸定理以推導水火箭之動量守恆方程式。接著應用連續方程式、Bernoulli方程式及等熵程序關係式以推導噴口處流速及箭體內氣壓與水量間之變化關係。最後，透過數值求解箭體飛行之初始值問題以預測水火箭垂直飛行高度、速度及加速度等飛行軌跡與動態特性，並與實驗數據進行比較。 單節水火箭之研究結果發現，數值預測可得到與實驗數據相近之結果。進一步發現，在一定箭體內水量下，當箭體內氣壓越大，水火箭垂直飛行高度越高、最大速度越快、加速度越大；在一定箭體內氣壓下，當箭體內水量由少遞增，一開始水火箭垂直飛行高度增加、最大速度增快、加速度遞減，隨後高度降低、最大速度減慢、加速度持續遞減。雙節水火箭之研究結果發現，數值預測亦可得到與實驗數據相近之結果。逆止閥是影響雙節水火箭飛行軌跡與動態特性的重要因素。在一定箭體內水量及氣壓下，透過上下節箭體內水量之適當比例，可使水火箭達到最佳飛行效果。相較於單節水火箭，雙節水火箭之垂直飛行高度可明顯高於單節水火箭。
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現今日常生活充滿各種塑膠產品，為了減少生產成本、提高產品強度、改善產品外觀與響應環保等要求，發展出了許多綠色成型技術，例如：氣輔、液輔以及共射成型等，其中共射成型又稱三明治成型，能以單一射出程序製造多層結構之複合塑膠產品，其製程是先將一定料量之皮層熔膠短射至模穴內，再射入核心熔膠將模穴填充完整，在業界通常利用回收二次料或是強度佳的塑料作為核心料，達到降低用料成本以及增強產品強度，或是透過適當的料量比例來減少殘留應力並增加機械強度與表面品質。 而本研究目的在共射成型過程加入氣體反壓技術來增強機械強度、減少殘留應力之分佈，因共射成型具有兩種熔膠的流動波前行為，皮層厚度分佈和核心穿透長度較難以控制，而核心熔膠也會因為噴泉流效應造成射出不穩定，因此本研究利用氣體反壓技術運用在共射成型上，來抑制流動波前行為，探討氣體反壓技術，對核心穿透效果和機械強度的影響，並透過不同氣體反壓大小，探討核心熔膠的穿透長度和穿透面積對於強度的影響。實驗結果顯示，加入氣體反壓機制能有效增加核心料穿透穩定性，改變核心料的穿透長度、穿透面積、減少殘留應力以及增強成品強度。
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為了提升先進半導體元件的操作特性，相關技術之趨勢隨著年份發展除了持續對通道長度進行微縮、金屬閘極/高介電係數氧化層製程以及採用高遷移率的通道材料，包含:鍺、矽鍺和三五族材料，同時導入源/汲極(S/D)晶格不匹配引致應力源和沉積時內含高內應力之接觸蝕刻停止層薄膜(Contact Etch Stop Liner, CESL)，綜合上述各方法來延續莫爾定律之準則。另一方面，當技術節點由20奈米發展至16/14奈米之鰭式電晶體時，元件亦由二維平面式朝向三維之鰭式電晶體方向發展，前述之三維鰭式電晶體結構有別於傳統之平面電晶體，且基於製程的複雜化和材料應用之複雜程度，因此釐清鰭式電晶體中各組件之沉積和磊晶製程對其機械性質之影響，同時考慮並分析後閘極製程(Gate-Last Process)之力學響應，為分析應變工程對鰭式電晶體之效益之關鍵議題。綜上所述，本研究著重於比傳統矽基材有更優異遷移率之鍺基元件分析，針對短通道之平面式電晶體以及鰭式電晶體之佈局樣式影響和元件增益幅度進行分析，以尋求圖案化結構設計上之優化和複數應力源之影響幅度探討。分析結果指出當鍺基之NMOSFET於源/汲極鑲埋Ge0.86Si0.14合金並額外沉積一含+1 GPa拉伸應力之CESL層時，其最大載子遷移率增益為55.14%。具源/汲極鑲埋Ge0.93Si0.07合金、延伸閘極和啞作動區之鍺基NMOSFET，其最大載子遷移率增益為31.40%。另一方面，具源/汲極鑲埋鍺錫合金、延伸閘極和啞作動區之鍺基PMOSFET沉積一含-1 GPa壓縮應力CESL層，其最大載子遷移率增益為81.99。而對三維鰭式電晶體之佈局樣式設計來說，則建議採用較長之源/汲極區域長度和較短之通道長度以增進元件通道方向之應力值。
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弱精症或寡精症為導致男性不育的重要因素。為了提高受孕機率，針對治療男性不孕症最有效且直接的方法多採單精子卵漿內注射(ICSI)，但此方法經費昂貴、成功率僅約六七成且無法直接於體內執行。2015年由Nasr-Esfahani及Marziyeh提出精子表面整體呈負電性，愈強的負電荷值可能表明精子有更完整的細胞膜，故若能將精子表面與帶電性磁性奈米粒子結合，並通過磁場梯度作用以磁控技術操控精子的移動速度與位置，應可直接提升精子與卵子的接觸機會。 近十幾年來，磁控磁性奈米粒子在生物技術中的應用已經相當廣泛，如傳遞藥物、去除血栓等，由於四氧化三鐵(Fe3O4)磁性奈米粒子具有很高的生物相容性與超順磁特性，因此本研究建構一套磁控精子移動之系統，透過靜電力使帶正電之Fe3O4磁性奈米粒子吸附精子，採用靜態磁場並改變磁場強度及距離，即可誘發磁性材料產生動能，進而帶動精子而達到操控精子移動之目的；若使用帶負電Fe3O4磁性奈米粒子時，透過磁流體之運動亦可間接推動精子移動，但其速度會較慢。 實驗結果顯示透過永久磁鐵產生靜態磁場及磁場梯度後，帶正電Fe3O4磁性奈米粒子與精子細胞膜上負電荷相互吸引而可控制精子移動速度與位置。在磁場強度1.48T時，附著帶正電奈米粒子的精子平移速度約40μm/s，但若使用帶負電之磁性奈米粒子時，因無奈米粒子吸附於精子上，精子不受磁場約束而自由運動；當精子在磁流體溶液中，無論帶正電或帶負電磁性奈米粒子均可藉由磁流體運動帶動精子移動，當磁場強度1.48T時，精子平移速度分別約為100μm/s與80μm/s。而移動速度對磁場強度和磁場梯度呈線性依賴性，與永久磁鐵和精子之間的距離呈二次依賴型。顯示本研究成果已初步驗證精子移動磁控技術是可實現的。
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基於密度的拓樸最佳化透過材料內插法的應用，可以解決從離散最 佳化到連續梯度的問題，但是材料插值法對狀態空間中的搜尋與最終設計 有著不利的影響，目前也尚未被探討過。在許多文獻中提到材料插值法更 準確地被稱為材料屬性模型，但是大部分的測試都不是在熱傳導領域的拓 樸最佳化中。本文分別對三個利用材料插值法的拓樸最佳化，與三個可調 性可預測有效熱傳導率的模型進行研究。拓樸最佳化的材料插值法使用： 1) 基於SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) 理論懲罰方法中的冪 次現象 (Power law)；2) Rational Approximation of Material Property (RAMP)； 3) 雙曲正弦函數 (Hyperbolic Sine function)。另外三種可調性可預測有效熱 傳導率的模型使用：1) Krischer’s model；2) Maxwell-Hamilton model；3) Kirkpatrick’s EMT (Effective Medium Theory) model。這六個模型在材料性 質與體積分數(或是拓樸最佳化中的密度變數)間有一個可調參數，為了進 行公平的比較，六個實驗分別定義不同的材料屬性模型，並且透過RMSE 公式，適當的可調參數在本研究模型中可以被定義，最後再將不同模型之 間的關係進行總結。 本文在熱傳的”接入問題 (access problem)”中利用Adrian Bejan的理論 ，在不同的模型中透過簡化的關係，從拓樸最佳化程序得到四種不同的網 格大小 (mesh size)共100組的最佳搜索空間。經過後處理後，共有60組的 設計結果效能提升，分別為考慮最大溫度與幾何結構相比Adrian Bejan 理 論低於2.84 倍的設計。進一步探討不同材料性質的模型，定義與比較不同 的性能指標，這些指標包含：1)經過前處理與後處理後的目標函數；2)最 高溫度；3)平均溫度；4)一個定義材料在設計設計空間中的分布的擴散值； 5)一個確定性值定義每個設計變數的質量；6)計算與迭代時間。基於這些 性能指標的觀察，不同的模型被製作出來。在研究中發現，SIMP 與雙曲 II 正弦函數在非常陡峭的模型中相當不穩定；Krischer’s 模型在中間值具有豐 富的結果，但是不適合用在後處理；並且在Maxwell-Hamilton’s 模型中同 時觀察在RAMP下的穩定性與可預測性。SIMP與Kirkpatrick’s EMT模型 產生了高性能結構，並且與經過後處理的Landauer’s EMT模型有著極大的 不同，這六個固定的模型可以代表其他所有可調性模型，同時本研究也觀 察其他幾個改變原來趨勢的模型。 為了進一步驗證這些理論，比較了在不同體積分數下的模型，發現 到較高的體積分數可以產生更好的結構；目標函數在前處理與後處理呈現 反比的趨勢，並且交界處即為Landauer EMT 狀態，本文針對此問題提供 最好的狀態去尋找高性能的離散結構。最後也發現到接入問題的解類似一 種分散的設計，並且傳遞參數不會變化太大；確定性隨著模型的陡度增加 而增加；模型陡度的增加對於計算的平均時間也略有增加。最後，本次模 型中有部分迭代次數較高，並且使用尚未經過拓樸最佳化程序的模型，在 很陡度很陡的情況下計算也能收斂。
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產品在製程上經過不斷改良與測試，押出成型後，表面瑕疵為首要判斷產品優劣條件。利用影像瑕疵檢測原理進行產品檢驗，降低目視所造成的誤判。若能使用影像分割法來判別瑕疵的樣貌，就可以在前製程中調整參數，預防問題的發生。 本研究採用影像分割法來檢測表面瑕疵缺陷，利用影像攝影機搭配架設低角度LED光源打光方式取得影像。在分析瑕疵過程中以六道程序來顯現Mura缺陷區域: ①影像的對比度增加。 ②再把影像灰階化後添加高斯雜訊。 ③利用限制對比適應性直方圖等化方法來改善影像失真的缺點及亮度平衡。 ④採用離散餘弦反轉換將頻率域發現的特徵轉成空間域的影像。 ⑤並將離散餘弦反轉換與限制對比適應性直方圖等化影像相互相減。 ⑥再二值化取得最終所得之影像。 本研究中透過影像分割法，可觀察影像在各項程序呈現的瑕疵狀況，並運用上述所提及的架設方式與六道檢驗程序，以相同參數值對三種素材膠片做瑕疵影像處理。分析後的結果均能將瑕疵顯現且更加呈現瑕疵細微的狀況。以此方式可降低購置設備的成本及目視的誤判，最終達到檢視細微瑕疵分析的成效。
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現今工業發展趨向微型工業，為了達到精密加工，平台設備之定位及其控制精度之優劣極為重要，目前大多數移動平台都以螺桿與馬達搭配結合作為驅動方式，依據馬達與螺桿之精度來計算平台之微動位移量，然而平台在微量移動上會因螺桿與馬達控制之影響造成位置誤差，例如:控制器飽和現象會造成系統的穩態誤差及機構的跳躍振動等外部干擾，因此造成目前平台定位精度約為一微米。本文設計一套高精度微型移動平台，利用馬達搭配螺桿驅動微型移動平台，微型移動平台是利用縮放儀原理，將一般螺桿之移動量依比例縮小，不僅能夠降低成本也可減少誤差，並達到高精密度的效果。在微型平台的控制上，利用傳統PID控制器結合模糊理論進行平台控制，達到較佳的控制效果，並搭配光學尺所擷取之微動平台之位移訊號進行回授，以達到較好的定位及路徑控制。
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本論文主要以數位訊號處理器進行可變結構控制器搭配外力估測器，以補償單邊磁浮軸承轉子系統造成之震動與質量不平衡之現象。 數位訊號處理器又簡稱DSP(Digital Signal Processor)，是一種高運算速度的微處理器，可以及時處理資料，對於現實生活中許多連續的類比訊號進行量測或濾波。DSP不僅效率高，體積小，消耗功率也小所以運用相當廣泛。 工業上大多數傳統機器設備都有噪音、摩擦、損耗等問題，磁浮軸承是一種藉由磁力使得轉軸與軸承之間並不直接接觸，來達到零摩擦力的理想。藉此可延長機械零件之壽命並降低能量損耗，加上不需要潤滑油其潔淨功能符合IC產業的需求、溫度的適用範圍極廣、無汙染、可以在特殊的環境中使用等多項優點。 隨著科技日新月異，輕量化低功率也是科技近年來的趨勢，而大型系統的控制會是追求精準而不繁複，而本論文使用體積小高效率低功率之DSP，將估測偏心外力與實際偏心外力、估測位置與實際位置作比較，並建立可變結構控制器，使系統具足夠之強健性，改善主動式磁浮軸承進而達到良好的準確性及穩定度。
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本研究已完成開發一台適用於大容量儲能電池或動力電池組點焊所需自動化機台，由於目前大容量儲能或動力電池皆由同種小型圓形電池芯串並聯組裝後，再透過人工方式點焊而成最後產品。為了避免人為操作造成點焊品質不一並加快生產速度，因此利用自動化技術配合選用之點焊機，構成一組大型動力電池組自動點焊設備，以確保大容量儲能電池或動力電池焊接之品質。 本研究將自動化點焊機台分為準備區與自動點焊區兩部份交互作業。在兩個準備台分別進行電池之備料及點焊的動作。點焊的數量與位置可透過電腦程式在電腦人機介面上選取需要點焊的區塊後，即可進行自動點焊動作。此監控系統除了可監控目前點焊情況外亦可透過管理系統則可儲存目前點焊電池之相關資料。在點焊過程中，會有點焊銅柱損耗及積碳現象，需要將積碳清除否則會影響點焊品質，因此於機台上也有架設磨除銅柱積碳區，可設定在點焊過程中穿插磨除積碳確保點焊品質。 藉由本自動化點焊系統可有效提升大容量動力電池之生產品質及產能，同時可大量減少人力，並將透過電腦軟體將廠商目前人工操作經驗轉移建立一套完整之品質管理系統，藉此達到增加工作效率、準確性以及減少成本等效果。