臺灣博碩士論文加值系統

本論文研究目的在於研發低成本塑膠射出成型之模內壓力感測器。主要設計目標有三：1. 降低生產製造成本，2. 希望將部份IC納入感測器結構內而仍輕薄短小， 3. 維持應有的基本機械特性。採用一般CAE及CAD軟體進行模擬與分析，分析項目包括：探針之挫曲，接觸壓電分析；探針及整體感測器之結構模態、簡諧及步階激振響應等動態分析。經由反覆地分析、實測、評估與修改，有以下三種壓力感測器符合設計要求：Ⅰ、探針式內建積體電路，Ⅱ、純探針式，Ⅲ、封閉式壓力感測器。並依設計藍圖製作出實體，加工成本不超過一萬五元。

A low cost pressure sensor used in plastic injection die is developed in this study. A lot of efforts were exerted for this design to achieve three targets: 1. reduction of the production cost, 2. includes certain circuit units inside sensor with body being small and light, 3. preserve the deserved mechanical characteristics. Adopt typical CAE and CAD packages to perform simulations and analysis for a designing sensor. It is analyzed that the project includes：1. probe buckling, 2.contact analysis between probe and piezocrystal, 3. modal analysis for the probe and integral structure. 4. responses of harmonic exciting as well as step load. After a succession of evaluation, analysis, test and rectification. There have three kind of pressure sensors could be met the requirement：Ⅰ、Probe type with integrated charge amplifier. Ⅱ、Simple probe type without integrated charge amplifier. Ⅲ、Closed cap pressure sensor. Finally a solid of prototype sensor is made, but the fabricating cost is lower than 15000 NT dollars.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2研究動機 2
1.3論文架構 5
第二章　文獻回顧及壓電理論 6
2.1文獻回顧 6
2.2 壓電材料 7
2.2.1 壓電原理 7
2.2.2 壓電特性 8
2.3壓電材料之特性及應用選擇 12
2.4 壓電轉換方程式 14
第三章　壓力感測器設計 18
3.1設計概述 18
3.1.1 設計需求 20
3.2設計Ⅰ-探針式內件積體電路 22
3.2.1 組合與細部設計 24
3.3設計Ⅱ-純探針式感測器 25
3.3.1 組合與細部設計 27
3.4設計Ⅲ-封閉式壓力感測器 28
3.4.1組合與細部設計 30
3.5 感測單元分析 31
3.5.1 挫曲及應力分析 31
3.5.2 探針感測端之分析-Ⅰ 33
3.5.3 探針感測端之分析-Ⅱ 38
3.5.4. 薄圓板感測端之分析 39
3.6 接觸壓電分析 43
3.7 結構動態分析 47
3.8 結構模態分析 47
3.8.1 模態分析-Ⅰ 48
3.8.2 模態分析-Ⅱ 51
3.8.3 模態分析-Ⅲ 53
3.9 簡諧響應分析 56
3.7.3 暫態響應分析 58
第四章 實測與驗證 60
4.1 實驗機構 60
4.2設計Ⅰ 62
4.3設計Ⅱ 63
4.3.1 設計Ⅱ實驗數據 65
4.4 設計Ⅲ 66
4.4.1 設計Ⅲ實驗數據 67
第五章 結論與建議 69
5.1 結論 69
5.2 建議 71
參考文獻 72

[1] A. Brandolini, A. Gandelli, A Piezoelectric-Hybrid Tactile Sensor for Robotics, in Proceedings of 1988 ISHM Symposium, Seattle, WA, U.S.A., October 17-19, 1988.
[2] A. Brandolini, A. Gandelli, High-precision Single-cell Hybrid Tactile Sensor for Large Object Manipulation, in Proceedings of 1989 ISHM Symposium, Baltimore, MD, U.S.A., October 24-26, 1989.
[3] G. D’Antona, A. Gandelli, Modular Technology in Developing Thick-Film Sensors, in Proceedings of 1991 ISHM Symposium, Orlando, FL, U.S.A., October 21-23, 1991.
[4] 曾俊仁，模組化即時控制技術於射出成型機之應用，國立中山大學機械工程研究所碩士論文，2000
[5] KISTLER INFORMATION（NO.46），1992年4月
[6] 黃蓉芬，感測器專題研究，工研院量測技術發展中心，1994.
[7] 游展彬，內藏式模具壓力感測器之研製，國立臺北科技大學機電整合研究所碩士論文，1998
[8] 周卓明，壓電力學，全華科技圖書股份有限公司，2003
[9] 汪建民，陶瓷技術手冊，中華民國產業科技發展協進會與中華民國粉末冶金協會出版，1988
[10] 池田拓郎，陳世春譯著，基本壓電材料學，復漢社出版，1997
[11] 邱碧秀，電子陶瓷材料，徐氏基金會，1989
[12] 周卓明，層狀壓電薄殼之研究：設計，製成與實驗，台灣大學應用力學研究所博士論文，1997
[13] 周忠誠，壓電元件與複合壓電結構之動態特性分析與實驗量測，台灣大學應用力學研究所博士論文，1998
[14] 吳朗，電子陶瓷：壓電陶瓷，全欣資訊圖書股份有限公司，1994
[15] 吳建峰，壓電感測器及致動器之分析，逢甲大學機械工程學系碩士論文，2000
[16] http://www.kistler.com/web/portal.nsf/Open
[17] http://www.nireco.co.jp/
[18] http://www.tdk-winhouse.com.tw/p5.htm
[19] DaryI L.Logan，材料力學，文京圖書有限公司，1994
[20] S. Timoshenko. Elementary Theory and Problems. 3rd Edition. D. Van Nostrand Co., Inc.. NY. 1956.
[21] 任重，ANSYS實用分析教程，北京大學出版社，2003
[22] D. Boucher, M. Lagier, and C. Maerfeld. Computation of the Vibration Modes for Piezoelectric Array Transducers Using a Mixed Finite Element Perturbation Method. IEEE Trans. Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-28, No. 5. 1981.
[23] Allik, H., and Hughes, J. R., Finite Element for Piezoelectric Vibration, International Journal Numerical Methods of Engineering, No. 2, pp. 151-157 1970.
[24] W. T. Thomson. Vibration Theory and Applications. 2nd Printing. Prentice-Hall, Inc.. Englewood Cliffs, NJ. 1965.
[25] R.K. Vierck. Vibration Analysis. 2nd Edition. Harper & Row Publishers. New York, NY. 1979.
[26] 孫以材、劉玉玲、孟慶浩，壓力傳感器的設計製作與應用，冶金工業出版社，2004
[27] 陳精一、蔡國忠，電腦輔助工程分析ANSYS使用指南，全華科技圖書股份有限公司，2001
[28] 劉年晟，PZT壓電厚膜之製程及添加劑之影響探討，逢甲大學機械工程研究所碩士班碩士論文，2004