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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:顏煜唐
研究生(外文):Yu-Tang Yen
論文名稱:利用電腦輔助設計方法于壓電微夾持器分析
論文名稱(外文):Using CAD/CAE Method for PZT Microgripper Analysis
指導教授:吳德和
指導教授(外文):Der-Ho Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:125
中文關鍵詞:電腦輔助設計微夾持具壓電材料微機電系統田口法
外文關鍵詞:CAE/CADMicrogripperPiezoelectricMEMSTaguchi
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由於微機電技術的發達,以及在各項微產品的應用也越來越廣,這些成品均可透過微小感測器及微小致動器達成,而對於這些元件的開發,包含開關、閥門、薄膜、轉換器及微夾持具等,未來將會將所有機、電、材、光全部放在一片晶片上,形成所謂chip in the Laboratory。
本論文主要目的利用有限元素法分析壓電微夾持具,利用ANSYS6.0軟體模擬懸臂樑上下貼覆壓電材料,施加電壓時的靜態分析;系統響應方面,單一壓電元件模態分析、簡諧響應,並對以矽為基材貼上壓電片作為驅動器之微夾持具進行暫態分析,並與理論值及文獻作驗證和比對,再使用微機電模擬分析軟體(CoventorWare),製作一組微夾持具,最後再利用田口法於最佳化分析,以求得微夾持具最佳位移量,研究完成,以期建立一套完整CAD/CAE整合模式,以利業界在設計、研究及開發微夾持具或其他產品時更有效益。
The main objective of this paper is to use Finite Element Methods to simulate and analysis PZT microgripper. Applying ANSYS6.0 to simulate two piezoelectric of state, piezoelectric of signal is modal shape, harmonic response and transient response. The mask and etch of simulating is MEMS Software,CovetorWare, to get the Microgripper. The experimental is studied in detail to compare the simulation results from ANSYS. Finally, Taguchi method is used to study the optimum design variables for microgripper.
目錄
摘要………………………………………………………….……Ⅰ
英文摘要……………………………………………………….…Ⅲ
誌謝……………………………………………………………... Ⅳ
目錄…………………………………………………………….…Ⅴ
圖目錄………………………………………………………….…Ⅸ
表目錄………………..………….………...………….…….ⅩⅡ
第一章 緒論…………………………………………………….....1
1.1 前言及研究背景……………………………………….…1
1.2 研究動機及目的……………………………………..….. 3
1.3 文獻回顧…………………………………………….……4
1.3.1 壓電材料相關文獻…………………………………4
1.3.2 微夾持具相關文獻…………………………………6
1.4 全文概述……………………………………………….…7
第二章 微機電技術…………………………………………...…..9
2.1 微系統之技術及製程….………………………………..10
2.1.1 塊材微加工.……………………….…………..…10
2.1.1.1 成長與沈積…….………….……………..11
2.1.1.2 曝光顯影……..….…….…….…………...11
2.1.1.3 蝕刻……………….………….…………..11
2.1.2 表面微加工.…………………………….…..……16
2.1.3 LIGA製程…...……………………….…………17
2.2 微致動器(Microactuator)及微感測器(Microsensor)…...20
2.2.1 壓電致動器.…………………………………...…20
2.2.2 壓電感測器.…………………………………...…22
第三章 壓電材料……………………………………………..….23
3.1 壓電材料特性……………………..……………….....…23
3.2 壓電方程式………………………..……………….....…26
3.3 懸臂樑理論分析…………………..……………….....…32
3.3.1 靜力分析…………….…...………………………34
3.3.2 壓電式懸臂樑理論分析…………………….…37
3.3.3 系統自然頻率分析………………………………41
第四章 模擬分析與比較……………………………………..….43
4.1 靜態分析…….…………………..……………….....…43
4.2 系統自然頻率分析………………..……………….....…47
4.2.1 單一壓電元件……….…...………………………47
4.2.2 懸臂樑壓電元件….…...………………………55
第五章 微機電系統模擬……………………………………...…64
5.1 薄膜沈積……………………….………………….…….65
5.2 微影…..………………………..………….……….…….65
5.3 蝕刻…..………………….………….…….……….…….66
5.4 模擬製程....……………….……………………….…….66
第六章 田口法穩健化………………………………………...…72
6.1 田口法…………..….……………………………………72
6.1.1 品質特性的種類….…...…………………………73
6.1.1.1 望目特性第一類型.……….……………..73
6.1.1.2 望目特性第二類型.……….……………..74
6.1.1.3 望目特性第三類型.……….……………..75
6.1.2 直交表…………….…...…………………………75
6.2 穩健分析步驟…..….……………………………………76
6.2.1 目標函數的定義….…...…………………………76
6.2.2 控制因子及水準數.…...…………………………76
6.2.3 選擇直交表……….…...…………………………76
6.2.4 平均數分析……….…...…………………………77
6.2.5 變異數分析……….…...…………………………79
6.2.6 信心區間…………….…...………………………79
6.3 微夾持具穩健設計……………………...………………81
6.3.1 模擬分析………….…...…………………………83
6.3.2 兩階段最佳化…….…...…………………………88
6.3.3 S/N的變異數分析.…...…………………………91
6.3.4 品質特性的變異數分析.…...……………. .……94
6.3.5 信心區間……………….…...……………. .……97
第七章 結論與未來發展…..…………………………..……….100
7.1 結論…………………………………………………….100
7.2 未來發展……………………………………………….104
參考文獻………………………………………………….……. 105
符號索引………………………………………………….……. 114
附錄A……………………………………………………………117
附錄B……………………………………………………………119
附錄C……………………………………………………………122
作者簡介…………………………………………………….…..124
圖 目 錄
圖2-1 晶格排列方式………. .…………… ……..………...……12
圖2-2 等向蝕刻……………………………………………….…13
圖2-3 非等向蝕刻………………..………………………...……13
圖2-4 微機電製程……………………………………………….15
圖2-5 壓電微幫浦………………………… ……………………21
圖2-6 壓電電阻加速度感測器….………………………………22
圖3-1 未極化及極化後示意圖………………………………….24
圖3-2 堆疊壓電陶瓷…………………………………………….25
圖3-3 壓電晶體應力及剪力圖………………………………….26
圖3-4 壓電材料各型態轉換圖………………………………….29
圖3-5 樑受外力作用下產生位移圖…………………………….32
圖3-6 樑承受純彎曲圖………………………………………….33
圖3-7 應力分佈圖……………………………………………….34
圖3-8 微小樑結構自由體圖…………………………………….34
圖3-9 壓電材料系統圖………………………………………….37
圖3-10 一般懸臂樑系統圖…..………………………………….39
圖4-1 靜態微結構圖…………………………………………….44
圖4-2 e-type變形圖………………………..…………………….45
圖4-3 d-type變形圖………………………..…………………….46
圖4-4 單一壓電元件…………………………………………….47
圖4-5 e-type之自由邊界壓電元件模態圖..…………………….48
圖4-6 d-type之自由邊界壓電元件模態圖..…………………….48
圖4-7 懸臂式壓電元件………………………………………….49
圖4-8 e-type施加1N之頻率響應圖…………………………….50
圖4-9 e-type施加1N取db後之頻譜圖………………………….51
圖4-10 d-type施加1N之頻率響應圖…………………….…….51
圖4-11 d-type施加1N取db後之頻譜圖……………………….52
圖4-12 e-type施加1伏特電壓之頻率響應圖………………….54
圖4-13 d-type施加1伏特電壓之頻率響應圖……….………….54
圖4-14 暫態響應模型圖…..…………………………………….55
圖4-15 步階力……………..…………………………………….58
圖4-16 模擬與文獻暫態響應比對圖………………..………….58
圖4-17 電壓位移量變化圖…………………………..………….60
圖4-18 激振頻率與振幅變化圖……………………..………….61
圖4-19 微夾持具模型………. .….…………………..………….62
圖4-20 整組微夾持具撓度圖….. .…………………..………….63
圖5-1 模擬分析流程…………..………..…………..………….68
圖5-2 玻璃基座光罩圖…..…..……………………..………….69
圖5-3 玻璃基座及矽微夾持具的光罩圖…………………….…69
圖5-4 整體結構光罩圖……………………………………… …70
圖5-5 各種薄膜的相關特性…..……………………..………….70
圖5-6 微夾持具立體圖………..……………………..………….71
圖5-7 微夾持具側視圖………..……………………..………….71
圖6-1 壓電微夾持具模型………. .….………..……..………….81
圖6-2 魚骨圖…………………..……………………..………….82
圖6-3 第1組模擬分析位移圖...……………………..………….85
圖6-4 S/N回應圖……………..……………………….……….86
圖6-5 品質特性回應圖………..……………………..………….87
圖6-6 預測最佳變形圖………..……………………..………….89
圖6-7 信心區間比較圖………..……………………..………….99
表 目 錄
表2-1 微機電系統比較表……………………………………….19
表2-2 LIGA之應用…………………………………………….19
表3-1 各壓電參數……………………………………………….30
表4-1 變形量比較表…………………………………………….46
表4-2 自然頻率比較表………………………………………….49
表4-3 第一個共振頻率比較表………………………………….52
表4-4 第二個共振頻率比較表………………………………….53
表4-5 第三個共振頻率比較表………………………………….53
表4-6 電壓與位移量變化……………………………………….60
表4-7 激振頻率與壓電元件振幅關係………………………….61
表6-1 參數及水準數…………………………………………….82
表6-2 直交表………..……………………… ..……84
表6-3 各因子對S/N比的回應表…………………………… …86
表6-4 各因子對品質特性(10-5m)的回應表………………… …87
表6-5 控制因子的分類……………………………………… …88
表6-6 確認實驗模擬分析…………………………………… …90
表6-7 位移量對S/N比的變異數分析……………………… …92
表6-8 S/N第一次統合誤差………………………………… …93
表6-9 S/N第二次統合誤差………………………………… …93
表6-10 位移量對品質特性的變異數分析…………..……….…95
表6-11 品質特性第一次統合誤差……….…………..……….…96
表6-12 品質特性第二次統合誤差…………………..……….…96
表6-13 確認實驗值及預測最佳值…………………..……….…97
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