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研究生:黃俊維
研究生(外文):Chun-Wei Huang
論文名稱:微懸臂梁感測器之力學模型與最佳化設計
論文名稱(外文):Mechanical Modelling and Optimal Design of Micro-Cantilever Sensor
指導教授:張正憲張正憲引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:應用力學研究所
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:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:72
中文關鍵詞:微懸臂梁感測器力學模型壓阻材料有限元素法
外文關鍵詞:micro-cantilever sensormechanical modelpiezo-resistive materialsfinite element method
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本文建立一個簡單的力學模型,連結分子間作用力與微懸臂梁感測器表面作用力的關係,並由修正的Stoney方程式與材料力學的方法推導微懸臂梁撓曲與表面作用力的關係。基於此模型作適當假設,由數值模擬微懸臂梁之撓曲與時間關係,模擬結果與文獻實驗數據趨勢符合,確立微懸臂梁感測器的外力作用機制,並完成程序化的分析模式。此外,壓阻式微懸臂梁感測器不須經由光學量測,適用於微小化,為了提高壓阻靈敏度,藉由此模型作有限元素法分析,模擬在微懸臂梁上鑿不同形狀的洞,找出最佳的壓阻式微懸臂梁設計。
A simple mechanical model is set up to relate the ntermolecular forces and the surface resultant forces and the tip deflection of the micro-cantilever beam. A computer simulation including a random docking process is performed to develop simulating the relationship between the tip deflection and docking time. Comparing with experimental data, the tendency is consistent. Besides, due to the convenience of the piezo-resistive cantilever sensors without resorting to laser detection, a finite element analysis is made for the better design of the piezo-resistive cantilever sensors with different shape of holes, which can heighten the sensitivity of detection.
摘要 I
ABSTRACT II
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 XI
符號對照表 XII
第一章 導論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究方法 4
1.4 論文架構 5
第二章 基礎理論 6
2.1 表面應力與化學反應 6
2.2 微懸臂梁感測器之表面作用力 8
2.2.1 由修正的Stoney方程式 8
2.2.2 由材料力學之梁理論 10
2.2.3 兩種推導方法比較 11
2.3 力學模型之假設 11
2.4 壓阻式微懸臂梁感測器 14
2.4.1 壓阻材料性質 14
2.4.2 壓阻機電性質 15
2.4.3 壓阻之電阻值 19
2.4.4 提高壓阻式微懸臂梁感測器靈敏度之方法 19
第三章 分析模型建立 21
3.1 數值模型之建立 21
3.1.1 數值模型 21
3.1.2 MATLAB數值結果與文獻實驗數據比較 25
3.2 有限元素分析軟體ABAQUS模擬 27
3.2.1 ABAQUS前處理 27
3.2.2 ABAQUS之數值結果 28
3.3 MATLAB與ABAQUS數值結果之比較與探討 30
3.3.1 差異原因探討 30
3.3.2 模型修正之討論 33
3.4 模型之優劣以及分析程序之統整 34
第四章 壓阻式微懸臂梁數值結果與討論 37
4.1 各種幾何形狀孔洞 37
4.1.1 無洞 38
4.1.2 圓形洞 38
4.1.3 橢圓形洞 40
4.1.4 矩形洞 42
4.1.5 菱形洞 43
4.1.5 比較 45
4.2 孔洞深度 47
4.2.1 圓形孔洞 47
4.2.2 橢圓形孔洞 49
4.2.3 比較 51
4.3 其他幾何形狀微懸臂梁(ㄇ字型) 52
4.4 結果與討論 53
第五章 結論與展望 57
5.1 結論 57
5.2 未來展望 57
參考文獻 59
附錄 62
附錄A. STONEY方程式推導過程 62
附錄B. 有限元素軟體ABAQUS簡介 65
附錄C. MATLAB程式碼 70
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