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系統識別號 U0002-1608201213065300
中文論文名稱 仿生尾舵與微轉子引擎之製作
英文論文名稱 Fabrication of bionic tail rudders and micro-rotor engines
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 詹東霖
研究生英文姓名 Dung-Lin Jan
學號 699370978
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-13
論文頁數 91頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-李其源
委員-戴慶良
中文關鍵字 微機電製程  致動器  雷射切割  水銀  汪克爾引擎 
英文關鍵字 MEMS  actuator  laser cutting  mercury  Wankel engine 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文第一部分參考孢子囊毛細結構驅動原理研製仿生尾舵,應用於微飛行器( MAV, micro aerial vehicle )之轉向,分別以SU-8厚膜負光阻與不鏽鋼為致動器材料,並利用SU-8 LIGA-like製程與雷射切割不鏽鋼之方式,成功製作出仿生尾舵之機構,再利用表面改質技巧增大毛細驅動力,最後以新穎微制動器機構與垂直尾翼作接合,盼望此設計可作為未來轉彎姿態控制之尾翼致動器使用。
本文第二部分參考微機電汪克爾引擎之先前文獻,將驅動液體水改良為水銀,微機電製程技術係以感應耦合電漿蝕刻矽晶圓,搭配聚二甲基矽氧烷( PDMS )翻模,之後在玻璃片上製作出電極,作為加熱、測溫與導熱冷卻之用。為避免加熱時熱量從玻璃片底部散失出去以及電性絕緣之故,於玻璃片上鍍膜1μm 之聚對二甲苯( parylene )高分子材料,並且以氧氣電漿技術接合PDMS腔體與玻璃片,最後灌注水銀、密封製作電路板並打線設計,經由加熱電極觀察利用溫差方式驅使轉子作動。

英文摘要 The 1st part of this thesis is to animate the working principle of the sporangial capillary structure for making bionic tail rudders of micro aerial vehicles ( MAVs ) . Two kinds of materials including SU-8 resist and stainless steel foil are used. The corresponding SU-8 LIGA-like process and the Nd : YAG laser cutting are performed as well. The surface modification techniques are added to enlarge the capillary actuation force. Finally, the fabricated tail rudders are installed on the vertical stabilizer of a MAV for testing.
The 2nd part of this thesis is to refer the prior MEMS Wankel engine and to replace the working fluid of water with mercury. Regarding MEMS process,inductive coupled plasma ( ICP ) etching and the PDMS molding method are used for making the engine wall. Another glass slide is evaporated with metal electrodes for power heating, temperature sensing and cooling. After coating a parylene isolation layer, the PDMS engine body is bonded to the glass slide via oxygen plasma treatment. Finally, the engine is filled with mercury and sealed on a print circuit board for the heating testing and for moving the rotor as well.
論文目次 目錄
誌謝 ...........................................................................................................I
中文摘要 ................................................................................................... II
英文摘要 .................................................................................................. III
目錄 ......................................................................................................... V
圖目錄 ................................................................................................... VIII
表目錄 .................................................................................................... XII
第一章仿生尾舵之介紹 ............................................................................... 1
1-1 仿生尾舵之研究動機 ............................................................................. 1
1-2 仿生尾舵之文獻回顧 ............................................................................. 2
1-3 相關探討與須改進之研究 ...................................................................... 8
第二章仿生尾舵之設計與製作 .................................................................... 10
2-1 仿生尾舵之設計 .................................................................................. 10
2-2 控制板與驅動角度之設計 ..................................................................... 11
2-3 垂直尾翼之原理 .................................................................................. 13
2-4 以雷射切割製作金屬元件 ..................................................................... 15
2-5 材料選用 ........................................................................................... 16
2-6 仿生尾舵之製造 .................................................................................. 18
2-7 光罩設計 ........................................................................................... 18
2-8 光罩製作 ........................................................................................... 20
2-9 晶片清潔 ........................................................................................... 20
2-10 微影製程 .......................................................................................... 21
2-11 仿生尾舵之製作程序 ......................................................................... 25
2-12 Parylene 介紹 .................................................................................. 28
2-13 Parylene 沉積過程............................................................................. 29
2-14 雷射切割金屬 ................................................................................... 30
第三章仿生尾舵之實驗量測與探討 ............................................................. 32
3-1 實驗設備架構 ..................................................................................... 32
3-2 SU-8 結構驅動測試 ............................................................................. 33
3-3 不鏽鋼結構驅動測試 ........................................................................... 34
3-4 表面改質 ........................................................................................... 36
3-5 O2 電漿改質角度................................................................................ 36
3-6 加熱不鏽鋼 ........................................................................................ 37
3-6 接觸角量測 ........................................................................................ 39
3-7 粗糙度量測 ........................................................................................ 42
3-8 仿生尾舵應用於微飛行器之構想 ........................................................... 43
3-8-1 垂直尾翼重量量測 ............................................................................ 43
3-8-2 實際應用於微飛行器 ........................................................................ 44
第四章微轉子引擎之設計 .......................................................................... 46
4-1 微轉子引擎之研究動機 ........................................................................ 46
4-2 微轉子引擎之文獻回顧 ........................................................................ 47
4-3 微轉子引擎之研究目的與研究架構 ........................................................ 51
4-4 微轉子引擎之設計改良 ........................................................................ 52
4-4-1 電極之設計 ..................................................................................... 53
4-4-2 電路板之構型 .................................................................................. 53
4-4-3 工作液體 ........................................................................................ 54
4-4-4 微轉子引擎之封裝構想 ..................................................................... 54
4-5 材料選用之估算 ................................................................................. 55
第五章微轉子引擎之製造 .......................................................................... 59
5-1 光罩設計 ........................................................................................... 59
5-2 高深寬比微加工製程 ........................................................................... 61
5-3 微轉子引擎之 MEMS 製程 .................................................................. 62
5-3-1 腔體母模 ........................................................................................ 62
5-3-2 PDMS 腔體翻模 .............................................................................. 65
5-3-3 SU-8 轉子製作 ................................................................................ 66
5-3-4 黃金電極製作 .................................................................................. 67
5-3-5 電極薄膜包覆 .................................................................................. 68
5-4 微轉子引擎之封裝 .............................................................................. 70
5-4-1 利用氧氣電漿鍵合微轉子引擎 ........................................................... 70
5-4-2 灌注水銀 ......................................................................................... 71
5-4-3 電路板之製作 .................................................................................. 71
第六章微轉子引擎之實驗量測與探討 .......................................................... 73
6-1 實驗設備架構 ..................................................................................... 73
6-2 電極量測 ........................................................................................... 74
6-3 電極加熱量測 ..................................................................................... 78
6-4 引擎測試 ........................................................................................... 80
第七章結論與未來建議 ............................................................................. 81
7-1 結論 .................................................................................................. 81
7-2 未來方向與建議 .................................................................................. 83
參考文獻 ................................................................................................. 85
附錄 A .................................................................................................... 90
圖目錄
圖 1- 1 市售之 e-Bird .................................................................................. 2
圖 1- 2 Engle Ⅱ微飛行器 ............................................................................. 2
圖 1- 3 氣動式制動器 ................................................................................. 3
圖 1- 4 氣動式制動器受熱後之球型示意圖 .................................................... 3
圖 1- 5 以聚對二甲苯製作出之熱制動器 ....................................................... 4
圖 1- 6 熱制動器抓取螃蟹卵........................................................................ 4
圖 1- 7 蕨類孢子囊制動之原理 .................................................................... 5
圖 1- 8 孔雀開屏式毛細結構之示意圖 .......................................................... 6
圖 1- 9 孔雀開屏式毛細微結構 .................................................................... 6
圖 1- 10 毛細驅動微型控制鉸鍊 3D 示意圖 ................................................... 7
圖 1- 11 控制鉸鍊之環狀毛細結構受液珠沾濕................................................ 7
圖 1- 12 以水的毛細力驅動進行尾舵之新穎微制動器機構 ............................... 9
圖 2- 1 仿生尾舵之 3D 示意圖 ................................................................... 10
圖 2- 2 改良設計仿生尾舵之架構 ............................................................... 11
圖 2- 3 仿生尾舵尺寸 3D 示意圖 ................................................................ 12
圖 2- 4 尾翼重心配置 ............................................................................... 13
圖 2- 5 垂直尾翼工程視圖 ......................................................................... 13
圖 2- 6 壓克力製作之垂直尾翼 ................................................................... 14
圖 2- 7 雷射切割元件設計圖....................................................................... 15
圖 2- 8 成對毛細結構之特徵參數 ............................................................... 17
圖 2- 9 製程架構 ...................................................................................... 19
圖 2- 10 仿生尾舵光罩 .............................................................................. 19
圖 2- 11 旋轉塗佈機 ................................................................................. 21
圖 2- 12 紅外線背面對準雙面曝光機 .......................................................... 24
圖 2- 13 正光阻與負光阻之製備程序 .......................................................... 24
圖 2- 14 仿生尾舵製作流程 ....................................................................... 25
圖 2- 15 SU-8 光阻厚度相對曝光劑量之對照 ............................................... 27
圖 2- 16 顯影完成之 SU-8 仿生尾舵 ........................................................... 27
圖 2- 17 聚對二甲苯 N、C、D 材料與化學架構 ........................................... 28
圖 2- 18 Parylene 機台:拉奇 LH300 ........................................................... 29
圖 2- 19 Nd:YAG 雷射切割機台 ................................................................. 30
圖 2- 20 雷射切割之示意圖........................................................................ 31
圖 3- 2 量測實驗架構 ............................................................................... 33
圖 3- 3 SU-8 毛細結構彎折角度 ψ 之定義 .................................................. 33
圖 3- 4 仿生尾舵毛細結構 SEM 照 ............................................................ 34
圖 3- 5 仿生尾舵之不鏽鋼毛細結構 ............................................................ 34
圖 3- 6 不鏽鋼毛細結構彎折角度 ψ 之定義 ................................................. 35
圖 3- 7 OM 拍攝毛細結構彎折角度 ψ 之定義 .............................................. 35
圖 3- 8 表面改質不鏽鋼毛細結構彎折角度 ψ 之定義 .................................... 36
圖 3- 9 表面改質不鏽鋼毛細結構彎折角度 ψ 之定義 .................................... 37
圖 3- 10 表面改質不鏽鋼毛細結構彎折角度 ψ 之定義 ................................... 37
圖 3- 11 加熱不鏽鋼片架構 ....................................................................... 37
圖 3- 12 加熱毛細結構變化情形 ................................................................. 38
圖 3- 13 接觸角儀: FTA125 ....................................................................... 39
圖 3- 14 量測表面結構圖 ........................................................................... 40
圖 3- 15 接觸角量測 ................................................................................. 40
圖 3- 16 表面形貌儀: α step-500 ................................................................ 42
圖 3- 17 鑽孔之示意圖 .............................................................................. 43
圖 3- 18 垂直尾翼重量量測 ....................................................................... 44
圖 3- 19 將仿生尾舵接合於固定端與自由端 3D 示意圖 ................................. 44
圖 3- 20 將仿生尾舵接合於固定端與自由端實際圖 ....................................... 45
圖 4- 1 史特靈引擎之作動原理 ................................................................... 47
圖 4- 2 汪克爾引擎循環之示意 ................................................................... 48
圖 4- 3 微型活塞式引擎 ............................................................................ 49
圖 4- 4 微型汪克爾之尺寸 ......................................................................... 50
圖 4- 5 腔體之結構 ................................................................................... 52
圖 4-6 電極之示意圖 ................................................................................. 53
圖 4- 7 絕熱鍍膜之設計............................................................................. 53
圖 4- 8 電路板之結構 ................................................................................ 53
圖 4- 9 水銀之示意 ................................................................................... 54
圖 4- 10 製作設計圖 ................................................................................. 54
圖 4- 11 引擎之圖形 ................................................................................. 58
圖 5- 1 腔體結構光罩 ................................................................................ 60
圖 5- 2 轉子結構光罩 ................................................................................ 60
圖 5- 3 電極結構光罩 ................................................................................ 60
圖 5- 4 電極薄膜光罩 ................................................................................ 61
圖 5- 5 ICP 系統硬體架構 ......................................................................... 62
圖 5- 6 腔體母模 ...................................................................................... 63
圖 5- 7 ICP 蝕刻之矽晶基材 ...................................................................... 64
圖 5- 8 量測之蝕刻深度 ............................................................................ 64
圖 5- 9 聚二甲基矽氧烷之化學結構 ............................................................ 65
圖 5- 10 翻模完之 PDMS 腔體 .................................................................. 65
圖 5- 11 SU-8 轉子之製作流程 .................................................................. 66
圖 5- 12 電極之製作流程圖........................................................................ 67
圖 5- 13 製作之電極晶片 ........................................................................... 68
圖 5- 14 包覆 parylene 高分子材料 ............................................................ 68
圖 5- 15 蝕刻完之電極薄膜結構 ................................................................. 69
圖 5- 16 氧氣電漿轟擊基材表面之示意圖 .................................................... 70
圖 5- 17 微轉子引擎接合之示意 ................................................................. 70
圖 5- 18 灌入水銀之微轉子引擎 ................................................................. 71
圖 5- 19 電路板製作流程 ........................................................................... 72
圖 5- 20 微轉子引擎整體架構 .................................................................... 72
圖 6- 1 微轉子引擎之實驗架構 ................................................................... 74
圖 6- 2 電極位置表示說明 ......................................................................... 74
圖 6- 3 電極示意 ...................................................................................... 75
圖 6- 4 C1 電阻-溫度校正 .......................................................................... 75
圖 6- 5 C2 電阻-溫度校正 .......................................................................... 75
圖 6- 6 C3 電阻-溫度校正 .......................................................................... 76
圖 6- 7 C4 電阻-溫度校正 .......................................................................... 76
圖 6- 8 電阻-溫度曲線關係圖 ..................................................................... 77
圖 6- 9 以紅外線熱像儀量測加熱電極之溫度 ............................................... 79
圖 6- 10 微轉子引擎加熱測試 .................................................................... 80
圖 7- 1 垂直尾翼構型 ................................................................................ 84
圖 A- 1 表面電阻值量測 ............................................................................ 90
圖 A- 2 E1 不鏽鋼毛細結構彎折角度 ψ 之定義 ............................................ 91
圖 A- 3 E2 不鏽鋼毛細結構彎折角度 ψ 之定義 ............................................ 91
表目錄
表 2- 1 應用於微機電高分子材料楊氏模數 .................................................. 16
表 2- 2 仿生尾舵之因子 ............................................................................ 18
表 2- 3 仿生尾舵之角度計算....................................................................... 18
表 2- 4 製程參數 ...................................................................................... 31
表 3- 1 接觸角量測平均值 ......................................................................... 41
表 3- 2 粗糙度平均量測 ............................................................................ 42
表 4- 1 微轉子引擎之相關設計 ................................................................... 51
表 4- 2 熱傳導係數 ................................................................................... 55
表 4- 3 計算因子 ...................................................................................... 56
表 4- 4 計算腔體中的變化 ......................................................................... 56
表 4- 5 水銀之黏滯係數 ............................................................................ 56
表 4- 6 計算腔體中之轉速 ......................................................................... 58
表 6- 1 電極量測關係式 ............................................................................ 77
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