中央大學機械工程學系學位論文
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近年來，板式熱交換器被廣泛應用冷凍空調系統中，但是熱交換器流道入口處存在著冷媒分佈不均的問題。當板式熱交換器作為蒸發器時，入口處的兩相冷媒因液態冷媒的慣性力與重力比汽態冷媒大，導致大部分液態冷媒流入熱交換器尾端，而汽態冷媒則流入熱交換器前端。為了解決冷媒分佈不均之問題，目前多於流道入口處設置入口分佈器以解決此問題，卻衍生出另一流道冷媒流動分佈不均之問題。 為了解決單一流道冷媒流動分佈不均之問題，本研究以不同開口方向之入口分佈器設置於板式熱交換器內。接著利用紅外線熱像儀觀察板片上的表面溫度場，分析出冷媒的飽和區與過熱區，用冷媒過熱區面積大小以判斷單一流道的冷媒流動分佈狀況，找出最佳入口分佈器的開口方向，希望能提供後人設計或改良入口分佈器之依據。
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柴氏長晶法是目前最常用來生長矽晶體的方法，但其長晶過程中容易產生氧雜質，影響晶體品質，過去多以調整長晶參數的方式，進行製程優化，但目前該方法已無法解決，需尋求其它方法突破瓶頸。而外加水平式磁場方式可以有效降低傳統柴氏長晶法之晶體中氧雜質濃度，並提高晶體徑向氧雜質濃度分佈之均勻性，但在水平式磁場作用下，熔湯受羅倫茲力影響，呈現三維型態，將增加晶體生長及模擬的困難度。因此，本研究利用三維數值模擬方法，於柴氏晶體生長過程外加水平式磁場，探討水平磁場的影響並深入瞭解其作用機制，再藉此分析生長參數對熔湯流場、溫場與氧雜質分佈之影響，以生成低含氧量單晶矽。 在長晶參數部分，低坩堝轉速不僅可以降低堝壁溫度，並會造成自由液面的徑向流速變慢，使過多的氧雜質可在自由液面蒸發為氧化矽，模擬結果顯示坩堝轉速若小於1rpm時可大幅的降低氧雜質濃度；而當降低晶體轉速時，雖然可以降低氧雜質的濃度，但是卻使得晶體徑向氧雜質分佈開始變得不均勻，破壞晶體品質。因此坩堝轉速為水平磁場下控制晶體氧含量多寡的一重要因素。在氬氣流量方面，流量增加時，雖然更容易將自由液面處的氧化矽雜質帶走，但卻使得熔湯中原本逼近靜止的流動受到擾動，進而加快氧雜質進入晶體，因此，晶體中氧雜質濃度隨著氬氣流量增加呈現上升的趨勢。另外，對於不同晶體大小而言，生長大尺寸晶體影響氧雜質蒸發量，使得更多氧雜質進入晶體，因此欲生長大尺寸晶體，勢必得面臨雜質過多的問題。 除了生長參數影響外，不同的長晶階段氧雜質濃度亦會有所差異，本研究模擬結果顯示晶體頭部和尾部為氧雜質濃度最高的地方，晶體軸向氧雜質濃度呈現不均勻曲線，該現象與中美公司實驗結果趨勢一致。藉由模擬結果可知長晶過程中，坩堝內熔湯的深度、流動型態、堝壁溫度及氬氣流速的快慢，是導致不均勻軸向氧雜質分佈的原因。為了提高軸向均勻性，本研究調整加熱器位置和坩堝轉速，透過此方法，軸向不均勻性可以分別改善約6.6％及24.7％。
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相較於傘齒輪，鉋切錐形齒輪對由於為錐形齒輪與正齒輪之組合，可有較低組裝誤差敏感度，同時齒面幾何關係複雜度低、易於設計，若藉由模具生產方式製作，更可降低成本；因此在大軸交角、大量生產的傳動機構應用場合具有取代傘齒輪的潛力。但由於在點接觸設計下，受載齒對接觸情況類似正齒輪對，負載分配形成非連續狀況，此結果可能導致齒對接觸開始、結束或齒對變化發生負載急遽變動以及齒頂邊緣應力集中現象，進而易導致齒面磨耗、破損，甚至造成齒根斷裂。因此為能廣泛應用，必須確認齒輪之承載能力是否滿足設計要求，特別是應用於粉末冶金模造齒輪之場合。 因此本論文之研究目的，即在魏健宇[4]所提出之錐形齒輪對非標準設計的基礎上，提出齒形拋物線隆起方式修整錐形齒輪齒面，藉以改善負載分配，得以漸進變化。為確認修整模型之可行性，本論文分別提出無負載及受載齒面接觸分析模型，並以測試齒輪對實際進行不同組裝誤差下齒印量測，最後則進行疲勞破壞測試實驗，以確認所設計之齒面疲勞強度。 本論文首先在錐形齒輪對設計上，加入最大比滑率之影響做為設計指標以降低齒面磨耗。並利用正齒輪漸開線接觸點法線特性，簡化齒面接觸分析模型中之齒面接觸點之求解，再以此方法分析探討在修整參數、組裝誤差等對接觸點在齒面位置偏移以及傳動誤差之影響。分析結果顯示：(1) 修整量越大，其接觸開始(結束)位置附近之接觸點往大(小端)之偏移量越大；(2) 無負載之各組裝誤差下，無修整錐形齒輪對接觸率與偏移後接觸點所在之壓力角值成反比； (3) 接觸點偏移至大端之組裝條件下，傳動誤差曲線在接觸開始位置即產生不連續狀況，其餘組裝條件下傳動誤差曲線相似，為連續拋物線。 另一方面，嚙合齒對受載齒面接觸分析模型係利用影響係數法建立，以求得各組裝誤差下嚙合過程負載分配、齒面應力分佈及受載傳動誤差。分析結果顯示在理想組裝下：(1) 嚙合過程負載分配變化連續，且接觸開始、結束之負載為零；(2) 接觸結束位置附近之接觸斑受小齒輪齒頂邊緣之影響，會發生小面積之邊緣應力集中現象；(3) 受載傳動誤差曲線為連續拋物線，且隨負載越大，其變化振幅值越低。而在組裝誤差下，接觸點會偏移至大 (小端)，此時：(1) 齒對接觸結束(開始)之負載不為零，且隨接觸點偏移量越大其負載越大；(2) 嚙合過程中之負載變化與受載傳動誤差曲線於單齒對接觸開始(結束)之位置會產生不連續狀況。 各組裝誤差下接觸位置除以齒面接觸分析進行模擬外，並以以齒印量測實驗及CAD干涉模擬分析兩種方式進行驗證，驗證結果顯示數值模擬結果與實驗結果極為相近。 齒輪齒面疲勞測試則以有、無修整之粉末冶金錐形齒輪對於功率封閉型的測試平台上進行過載疲勞破壞測試，以預估其疲勞強度壽命。由實驗結果可知，在相同負載及運轉圈數下，修整錐形齒輪對之齒面破壞程度遠較未修整齒輪對小。而在量測之振動頻譜分析上，由結果可知修整錐形齒輪整體振幅較未修整為低，而齒輪在第一倍嚙合頻率之振幅降低受到負載分配改善之影響尤為明顯。
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本研究使用電化學沈積方式製作出微米等級的三維元件，在研究過程中，將陽極軸與電鍍試片之間的距離固定，逐步的調整電源供應器的電流與三軸移載平台的移動速度，以製作出外觀平滑且完整的結構。 在研究過程中，發現鍍浴需要循環。用以將電鍍過程中電化學反應在陽極軸上產生的氣泡沖離陽極軸，並補充在電沈積過程中鍍浴金屬離子的消耗。如果循環量不足，來不及沖走電化學反應產生的氣泡，則製作出的三維結構將會形成不平滑的塊狀組織。 由於電化學沈積的速率非線性，所以無法使三軸移載平台的Ｚ軸配合電化學沈積的速度來移動，因此本研究是先固定電源供應器輸出之電流，然後調整移動速度來配合沈積速度，試圖取得一個平衡點。即使如此電化學沈積的速度與陽極軸移動速度依然會有些微的差距，此時，我們用陽極軸與電鍍試片的間距來彌補電化學沈積的速度與陽極軸移動速度之間的速度差，以解決此現象所延伸出的相關問題。 本研究的目標在於尋求一個可以改善鍍物品質的方法，而在本研究中也已得到初步的解決方案，並且成功的製作出一些可用的結構。未來我們可以嘗試將此製程應用在其他製造領域，進一步的將機構細微化和大幅度降低製造成本。
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田口方法（Taguchi Method）提供企業一個可以有效提昇品質的模式。然而，多數田口方法的應用只能針對單一品質特性實施參數設定的最佳化。近年來，多準則決策（Multiple Criteria Decision Making, MCDM）方法被廣泛用來解決多重品質特性最佳化（Multi-Response Optimization）問題。 在考量工程人員進行多重品質最佳化問題選擇時，會有如「重要」或「優秀」模糊概念選擇所產生含糊和猶豫的情況。近年來，直覺模糊集合的概念已被發現在處理含糊和猶豫情況比起模糊集合有效。 本文重點在研究系統方法及探索在直覺模糊環境下多重品質最佳化問題，而當中的每個品質回應值的重要程度，由工程師選擇後運用直覺模糊推論所給定。 本研究所提出的方法，用於處理多重品質最佳化問題，可評估各品質參數回應值的直覺模糊集合數據，包含理想解類似度順序偏好法(TOPSIS)、多準則妥協排序法(VIKOR)及相似性測度方法。這些解決方案可減少直覺模糊運算時的複雜度，並提高在直覺模糊環境下的多重品質最佳化問題的效率。 文中提供電漿輔助化學汽化沈積（PECVD）製程和雙邊表面黏著技術電子組裝作業兩個案例，用來驗證研究方法的有效性。這些研究案例顯示所提出的研究方法對於確定最佳因子水準組合是有效率的方案，其不同於過去所提出的多重品質最佳化方法，不僅使用的直覺模糊推論優於模糊推論，在計算速度上也比過去研究更有效率。
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石英具有良好的熱穩定性、透光性、絕緣性及壓電特性廣泛應用於機械結構、光學元件及震盪元件。隨著微機電技術的進步，石英也開始應用於微機電系統元件上，在這些應用中其表面特性經常為重要考量的因素，表面潤濕性為化學檢測微系統及生醫晶片中重要的參數，於表面製作微奈米結構則為表面改質的有效方法。 本研究使用熱退火製備之白金奈米點作為遮罩，並利用氟化氫銨水溶液對石英晶圓進行濕式蝕刻得到奈米針狀結構，藉由掃描式電子顯微鏡觀察針狀結構形狀，再量測表面接觸角分析其與表面結構關係，並與理論模型進行探討。研究結果隨膜厚增加，奈米點粒徑隨之上升，而分佈密度下降。白金奈米點雖附著性較差但仍可阻擋蝕刻液，利用不同粒徑與分佈之奈米點，配合不同蝕刻時間即可在石英表面蝕刻出不同高度與分佈密度之結構。在靜態接觸角方面，量測結果與模型比對後發現液滴在此結構下會滲入至結構間並接觸到結構間底部，使接觸角下降。分析參數後得知接觸結構間底部面積比例隨分佈密度增加等比例下降；結構高度則影響下降的幅度，結構高度越高則下降幅度越大。在動態接觸角方面，具有結構之表面呈現相當大的遲滯現象，其原因可由液滴在表面的狀態作解釋，在此針狀結構表面液滴會滲入結構之中，使其不易於表面上移動。遲滯角隨表面粗糙度增加而變大，因其滲入結構的程度與表面粗糙度有關，當表面粗糙度上升時，液滴仍為部分接觸結構間底部的狀態，代表滲入的狀況更為嚴重而使遲滯角更大。
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金屬有機化學氣相磊晶(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)技術廣泛使用於LED磊晶生長，目前市面上主要的MOCVD設備包括TurboDisc、行星式與近耦合噴淋式，每種機台皆有其優缺點。近耦合噴淋式腔體具有良好的沈積均勻性與反應氣體使用率，由於進氣系統會受到預反應影響，導致噴嘴處容易產生堵塞的現象而影響磊晶生長，必須定期清理避免磊晶生長受到影響。本研究針對近耦合噴淋式腔體之沈積與噴嘴堵塞情形進行研究，利用有限元素法進行數值模擬。模擬中考量腔體內熱流場、質量傳輸及化學反應之耦合，並針對反應過程產生的各物種之濃度分佈及其對沈積貢獻度進行深入探討。研究中除了建立磊晶成長與噴嘴堵塞評估機制，並針對噴嘴進行改善設計，以減少噴嘴處沈積改善噴嘴阻塞。研究結果顯示在化學反應影響下，噴嘴處的物種以TMG(trimethyl gallium)與加合物(adduct)為主；載盤處的物種以MMG(monomehyl gallium)為主；而DMGNH2(dimethyl gallium amide)在腔體中生成的量極少。在進氣流速與比例影響分析中，流速增加會造成載盤處長率提高、噴嘴處長率下降；TMG質量分率提高則載盤長率與噴嘴的沉積都會增加。最後進行進氣設計改良分析，分別在噴嘴處加入阻擋物與倒角，當阻擋物長度增加，載盤長率會提升，噴嘴沉積會減少，但會造成磊晶均勻性降低。當倒角長度增加，載盤長率略為下降，噴嘴處進口的沉積減少。
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牛血清蛋白(bovine serum albumin,BSA)，是血清中的簡單蛋白質，常被用在分子生物學、免疫學、食品科學及蛋白質化學等生化研究上；相較於其他蛋白質，BSA能使細胞膜穩定，具有抑制脂質之過氧化、產生乳化及防凍等作用，另外有價格低及容易純化等優點，所以常當作實驗材料或基準蛋白質。BSA的結構是由蛋白質二級結構反覆摺疊而成的緊密立體球狀結構，當對原生態BSA加熱後，其動能提升，造成蛋白質分子鍵結強烈振動而破壞，最後凝聚形成無序組織的變性蛋白質。蛋白質熱變性的研究中，最常使用的方法是示差掃描熱量分析法(differential scanning calorimetry, DSC)，並藉由量測熱量與溫度關係探討蛋白質在變性狀態與原生態間的焓差、熵差及比熱差。然而，相關研究很少探討熱變性對熱傳輸性質的影響。文獻指出，因為生物組織的個體差異，以不同量測點、量測方法將使得熱傳導係數有很高的分散性，導致量測困難;是本研究覺得相關文獻較少的可能原因。 本研究中，使用DSC探討BSA水溶液在熱變性過程與熱量的關係，同時利用雷射閃光法(laser flash analysis, LFA)，研究熱變性對有效熱傳導係數及對有效熱擴散係數的時間相依性的影響。實驗量測5~20 wt%BSA水溶液之密度、比熱及有效熱擴散係數，計算出有效熱傳導係數隨溫度的變化。研究發現在水溶液中之BSA的含量越高，其熱變性過程所需的能量也越大，反應出的比熱變化也最大。在熱擴散分析中，LFA並無法正確地量測出熱變性過程的有效熱擴散係數，但可以反映出不同程度之熱變性對熱傳輸現象之影響。結果顯示，有效熱擴散係數隨BSA濃度增加而提高，在大於熱變性溫度後有明顯的提升，並與持溫時間呈線性成長；隨著BSA水溶液濃度的增加，熱變性過程對有效熱擴散係數的影響也更為劇烈。熱變性的程度對BSA溶液的傳輸特性具有一定的影響力。透過本研究探討蛋白質之熱變性將能了解生物分子熱傳輸現象在修復醫學及生醫檢測上且有潛在的應用與重要性。
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摘要 本研究的目的是設計一個機械力刺激人體膀胱癌細胞的微流體晶片，機械力包括了剪應力與正向應力。微流體晶片上有三條流道，每條流道分別有3個培養區做細胞培養，透過Syringe pump和閥門的控制分別對每條流道施加三種剪應力，再對培養區上方施加正向應力。 在對人體膀胱癌細胞刺激之前，分別對裝置中的機械力做裝置上的測試，剪應力測試使用一般染色液檢測閥門的緊密度，確保每條流道只受到單一剪應力；正向應力測試使用螢光染液觀察培養區螢光強度的變化，用來檢查培養區不會因受到外力而變形。 最後，我們將人體膀胱癌細胞(TCC)培養在微流體晶片的培養區中，分別對細胞施加3組剪應力刺激10分鐘(0.0018 dyne/cm2、0.044 dyne/cm2、0.66 dyne/cm2。)，再對每組施加3組正向應力刺激1個小時(0KPa、10KPa、100KPa)，之後在培養箱中培養24小時，對每組受到不同刺激參數細胞進行拍照，比較刺激前與刺激後的細胞數目。實驗結果顯示受到最大剪應力刺激的細胞，細胞數目有減少的趨勢；0KPa與10KPa正向應力刺激對細胞數量呈現正成長，到了100KPa細胞數目呈現了負成長。
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本論文主要目的為探討正齒輪之齒頂修整與齒形誤差對動態特性之影響。首先利用有限元素軟體進行負載下接觸分析，計算其接觸應力與齒輪對之嚙合剛性。接著以等效阻尼(equivalent damping)、嚙合剛性與傳動誤差建立齒輪系統動態模型，並利用龍格庫塔法(Runge-Kutta methods)計算齒輪系統之動態傳動誤差(Dynamic Transmission Error, DTE)與加速度變化，比對不同齒頂修整參數與齒形誤差對於齒輪系統動態特性之影響。 實驗的部分則是於泛用型齒輪嚙合測試機上架設加速規，先量測機台之共振頻率，在避開共振頻率下擷取振動訊號，並運用經驗模態分解法EMD(Empirical Mode Decomposition, EMD)及快速傅立葉轉換FFT(Fast Fourier Transform, FFT)探討嚙合頻能量變化與齒形誤差之關係，並運用所建立之齒輪系統動態模擬流程互相比對，結果顯示模擬之振動訊號與實驗所得振動訊號，在嚙合頻能量變化與齒形誤差趨勢相符。