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系統識別號 U0002-1209201410373400
中文論文名稱 整合異質材料與製程之微轉子引擎研製
英文論文名稱 Integration of Heterogeneous Materials and Processes for a Micro-rotor Engine
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 何柏緯
研究生英文姓名 Po-Wei Ho
學號 601370090
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-01
論文頁數 114頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-康尚文
委員-洪國永
中文關鍵字 微機電製程  熱阻計算  異質材料微轉子引擎  模擬分析 
英文關鍵字 MEMS process  Heterogeneous Materials Micro-rotor Engine  Thermal resistance calculation  Simulation Analysis 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文參考史特靈引擎的溫差驅動原理,應用於汪克爾引擎並將之微小化,主要目的在於改良,研製新型的微轉子引擎,分別微縮尺寸到10 mm × 5.3 mm 、5 mm × 2.65 mm 二種。首先經由ANSYS模擬分析,觀察前二代的熱傳導方式,之後改變前兩代的材料參數,觀察熱傳方式是否改變,並深入探討及比較,獲得新一代微轉子引擎的設計方向。為選用適合之材料搭配之異質材料微轉子引擎。後續利用微機電技術製作異質材料微轉子引擎,以ICP製作矽晶圓腔體和翻模母模,搭配聚二甲基矽氧烷PDMS翻膜製程,成功製作出腔體結構,玻璃轉子結構則以雷射切割技術製作。最後利用氧氣電漿做表面改質,將PDMS及矽晶圓腔體作接合,並鍍上parylene防止洩漏。於測試方面,先利用超音波震洗機確定轉子於製程中無沾黏於PDMS或Pyrex 7740表面,之後自行組裝加熱端及冷卻端,測試異質材料微轉子引擎是否可利用溫差改變流體體積而驅動轉子轉動。
英文摘要 This study presents a novel concept of design and fabrications of an ultra-small engine, the configuration refers to Wankel engine. The engine operates with the temperature difference which refers to the concept of Stirling engine. There are three size have been 10 mm × 5.3 mm, and 5 mm × 2.65 mm. First through the ANSYS simulation analysis, thermal conduction was observed before the second generation. After changing the material parameters of the previous two generations, the author observes whether to change the heat transfer way, and access to micro-rotor design direction for the new generation of engines. That is the integration of heterogeneous materials and processes for this micro-rotor engine. The subsequent MEMS technology are to produce silicon wafer mold cavity by ICP and turn the master model, to poly dimethyl siloxane (PDMS). The production of glass rotor is done by laser cutting. Finally, with using oxygen plasma treatment, the author bond the PDMS and the silicon wafer cavity. To prevent leakage the engine was coated with parylene outside. On the testing stage, the author applied ultrasonic cleaning machine to shake the rotor without sticking to the surface of PDMS or Pyrex 7740. After the home-made test facility of heating and cooling-side, the micro-rotor engine with heterogeneous materials can be tested to verify whether the temperature difference between the device can drive the rotor.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 研究目的 10
1.5 研究架構 10
第二章 有限元素模擬分析 13
2.1 模型與網格建立 13
2.2 模擬環境設定 15
2.2.1 元素選擇 15
2.2.2 材料設定 16
2.2.3 模態分析設定 18
2.3 微引擎模擬分析 18
2.3.1 初步分析 19
2.3.2 改變加熱位置及材料 22
2.3.3 實際測試 26
2.3.4 結果探討 27
第三章 異質材料微轉子引擎之相關設計 31
3.1 外殼方程式 31
3.2 異質材料微轉子引擎之設計 32
3.3 腔體之構型 33
3.4 材料選用 33
3.5 異質材料微轉子引擎之模擬 36
第四章 異質材料微轉子引擎之製造 39
4.1 光罩設計 39
4.2 光罩製作 41
4.3 基本製程技術 41
4.3.1 晶片清潔 42
4.3.2 微影製程 43
4.4 高深寬比微加工製程 48
4.5 陽極鍵合技術 50
4.6 異質材料微轉子引擎之製程 51
4.6.1 矽晶圓腔體製作 52
4.6.2 翻模母模之製作 55
4.6.3 PDMS腔體翻模 58
4.6.4 轉子製作 59
4.7 氧氣電漿表面改質技術製作 61
4.8 高分子薄膜防止PDMS之洩漏 64
4.8.1 Parylene介紹 65
4.8.2 Parylene沉積過程 66
4.8.3 Parylene防止PDMS材料之洩漏 67
第五章 異質材料微轉子引擎之實驗與探討 69
5.1 沾黏測試 69
5.2 初步實驗儀器 71
5.3 初步加熱測試 73
5.3.1 量測儀器校正 74
5.3.2 矽-玻璃結構加熱測試 76
5.4 實驗架構改良 80
5.4.1 加熱端改良 80
5.4.2 冷卻端改良 81
5.5 整體測試 83
5.5.1 整體實驗架構 83
5.5.2 異質材料微轉子引擎加熱量測 84
5.5.3 加入陶瓷壓電片加熱測試 96
5.5.4 更改液體加熱測試 99
第六章 結論與未來方向 102
6.1 結論 102
6.2 未來方向 105
參考文獻 108
附錄 A 113


圖目錄
圖 1 1史特靈引擎之作動原理 4
圖 1 2汪克爾引擎循環之示意 5
圖 1 3微型活塞式引擎 6
圖 1 4微型汪克爾發動機 6
圖 1 5轉子式史特靈循環引擎 7
圖 1 6淡江大學微機電研究群之微型汪克爾引擎 8
圖 1 7淡江大學微機電研究群之微轉子引擎 9
圖 1 8論文架構 12
圖 2 1幾何模型網格化 15
圖 2 2 SOLID70幾何元素 16
圖 2 3模擬分析種類 18
圖 2 4微汪克爾引擎底面加熱熱通量流向 20
圖 2 5微汪克爾引擎底面加熱熱梯度流向 20
圖 2 6微轉子引擎底面加熱熱通量流向 21
圖 2 7微轉子引擎底面加熱熱梯度流向 22
圖 2 8微汪克爾引擎底邊加熱熱通量流向 24
圖 2 9微汪克爾引擎底邊加熱熱梯度流向 24
圖 2 10微轉子引擎底邊加熱熱通量流向 25
圖 2 11微轉子引擎底邊加熱熱梯度流向 25
圖 2 12矽加熱變化情形 26
圖 2 13 PDMS加熱變化情形 27
圖 3 1微轉子引擎外殼的形狀 32
圖 3 2腔體之結構 33
圖 3 3熱傳方向之示意 34
圖 3 4異質材料微轉子引擎底邊加熱熱通量流向 36
圖 3 5異質材料微轉子引擎底邊加熱熱梯度流向 36
圖 3 6異質材料微轉子引擎加入轉子熱通量流向 37
圖 3 7異質材料微轉子引擎加入轉子熱梯度流向 38
圖 4 1腔體結構光罩 40
圖 4 2翻模結構光罩 40
圖 4 3正光阻與負光阻之程序 44
圖 4 4旋轉塗佈機 45
圖 4 5紅外線對準雙面曝光機(Mask aligner OAI model 200 IR) 47
圖 4 6 ICP系統硬體架構(STS MESC Multiplex ICP) 49
圖 4 7陽極接合裝置 51
圖 4 8陽極接合原理 51
圖 4 9腔體製作流程 52
圖 4 10感應耦合電漿蝕刻完之四吋矽晶圓腔體 55
圖 4 11翻模母模製作流程 57
圖 4 12感應耦合電漿蝕刻完之四吋翻模母模 57
圖 4 13聚二甲基矽氧烷之化學結構 58
圖 4 14翻模完之PDMS腔體 59
圖 4 15雷射切割轉子 61
圖 4 16 PDMS經氧氣電漿表面處理之示意 62
圖 4 17異質材料微轉子引擎結合之示意 62
圖 4 18 Bonding後之異質材料微轉子引擎 63
圖 4 19灌入水銀之異質材料微轉子引擎 64
圖 4 20聚對二甲苯N、C、D材料與化學結構 66
圖 4 21聚對二甲苯沈積過程 67
圖 5 1超音波震洗機 70
圖 5 2激震後之轉子變化 70
圖 5 3加熱板 71
圖 5 4最高工作電壓14.4V致冷片 72
圖 5 5紅外線熱像儀 72
圖 5 6熱電偶數值紀錄器 73
圖 5 7數位攝影機 73
圖 5 8初步加熱實驗架構 74
圖 5 9玻璃熱電偶溫度量測曲線 75
圖 5 10玻璃紅外線熱像儀溫度量測曲線 75
圖 5 11使用自製夾具夾持矽-玻璃結構 77
圖 5 12紅外線熱像儀觀測 77
圖 5 13矽-玻璃結構溫度數據 78
圖 5 14加熱端實驗架構改良 81
圖 5 15致冷片加裝銅散熱鰭片和風扇 82
圖 5 16冷卻端改良溫度趨勢 82
圖 5 17改良後整體實驗架構 84
圖 5 18滿水銀異質材料微轉子引擎的加熱測試 85
圖 5 19滿水銀異質材料微轉子引擎的溫度變化 86
圖 5 20加銅管異質材料微轉子引擎的加熱測試 87
圖 5 21加銅管異質材料微轉子引擎的溫度變化 88
圖 5 22半滿水銀異質材料微轉子引擎的加熱測試 89
圖 5 23半滿水銀異質材料微轉子引擎的溫度變化 90
圖 5 24橫立式異質材料微轉子引擎的加熱測試 91
圖 5 25橫立式異質材料微轉子引擎的溫度變化 92
圖 5 26小尺寸異質材料微轉子引擎的加熱測試 93
圖 5 27小尺寸異質材料微轉子引擎的溫度變化 94
圖 5 28加銅管小尺寸異質材料微轉子引擎的加熱測試 95
圖 5 29加銅管小尺寸異質材料微轉子引擎的溫度變化 96
圖 5 30陶瓷壓電片 97
圖 5 31大顆異質材料微轉子引擎加入壓電片輔助震動 98
圖 5 32小顆異質材料微轉子引擎加入壓電片輔助震動 98
圖 5 33液體更改為水之腔體變化 100
圖 5 34針筒注射之腔體變化 101
圖 A 1 3D列印轉子 114


表目錄
表 2 1網格優劣比較 14
表 2 2模擬分析使用之材料熱傳係數 19
表 2 3微汪克爾引擎和微轉子引擎熱通量比較 23
表 3 1本研究材質之熱傳導係數 34
表 3 2計算因子 35
表 3 3計算腔體變化 35
表 5 1熱電偶和紅外線熱像儀飽和溫度比較 76
表 5 2致冷片溫度數據 79
表 5 3冷卻端改良溫度數據 83
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[41] http://www.paryleneengineering.com/, 引用時間:2014/6/20。
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