[[alternative]]Novel surface tension-driven micro hinges

碩士[[abstract]]本文以出平面制動器之研究為出發點，微飛行器（MAV, Micro Aerial Vehicle）之翼面控制為構想，模仿蕨類植物孢子囊細胞因環境濕度變化所引起之開合運動，設計並製作出新一代透過表面張力驅動之孔雀開屏式（peacock-like）微型控制鉸鏈。 為預防微型控制鉸鏈作動時，因驅動結構本身剛性不足而造成型變區 域不在預設範圍內，故本文採用具有高楊式模數且易於製作之SU-8 厚膜負光阻為材料，搭配黃光微影製程，製作出質輕且具控制力之出平面制動器，隨後並實際以微飛行器翼膜材質之聚對苯二甲酸乙二醇酯膜接合本微型控制鉸鍊，搭配工作液體進行噴霧驅動測試，驗證應用於微飛行器之可行性。 最後，盼望所製作出之微型控制鉸鏈，其控制翼面之構想最終能實際 應用整合於微機電系統領域，如微飛行器甚至奈米級飛行器（NAV, Nano Aerial Vehicle），在控制元件上提供一新選擇。[[abstract]]On the basis of controlling the flight attitude of MAVs, the author presents a biomimetic out-of-plane actuator which imitates the behaviors of fern sporangia after various humidity. We designed and fabricated an innovative peacock-like micro hinge which adopts surface tension as the driving force. To prevent this micro hinge be out of our expecting range due to its inadequate stiffness, this study chose SU-8 negative photoresist which has high Yang modulus as the material and fabricated a light but wellcontrolled out-of-plane micro actuator by photolithography process. Subsequently, we attached this device to the PET film and testing its feasibility to MAVs by spraying working liquid on the micro hinge. Finally, we hope the novel idea of mounting and controlling the flight attitude can be integrated to MEMS technology and applied to flapping MAV or even NAV in the future.[[tableofcontents]]目 錄 中文摘要 ----------------------------------------------------- I 英文摘要 ----------------------------------------------------- II 目錄 ----------------------------------------------------- III 圖目錄 ------------------------------------------------------ V 表目錄 ------------------------------------------------------VIII 第一章 緒 論----------------------------------------------------- 1 1-1 研究動機----------------------------------------------------- 2 1-2 文獻回顧----------------------------------------------------- 3 1-3 研究目的----------------------------------------------------- 10 1-4 各章提要----------------------------------------------------- 13 第二章 毛細驅動微型控制鉸鏈之設計-------------------------------- 14 2-1 仿生式制動器------------------------------------------------ 14 2-2 制動原理------------------------------------------------------ 14 2-3 設計內涵------------------------------------------------------ 19 第三章 毛細驅動微型控制鉸鏈之製作 -------------------------- 25 3-1 材料選擇----------------------------------------------------- 25 3-2 微型控制鉸鏈之製作程序 -------------------------------- 27 3-3 微型控制鉸鏈之製作成果 -------------------------------- 32 第四章 毛細驅動微型控制鉸鏈測試之觀察與結果 -------------- 37 4-1 SEM 量測--------------------------------------------------- 37 4-2 微型控制鉸鏈驅動測試 ---------------------------------- 40 4-3 測試方法----------------------------------------------------- 41 第五章 毛細驅動微型控制鉸鏈應用於MAV之構想 ---------------- 44 5-1 控制原理------------------------------------------------------ 44 5-2 微型控制鉸鏈接合於MAV 之構想 ---------------------- 46 5-3 微型控制鉸鏈接合翼膜------------------------------------ 48 5-4 圓柱陣列構型液體輸送元件 ------------------------------ 50 第六章 結論與未來建議-------------------------------------------------- 53 6-1 結論 -------------------------------------------------- 53 6-2 未來方向與建議--------------------------------------------- 54 參考文獻 ------------------------------------------------ 57 作者發表之著作------------------------------------------------ 60 附錄A 以ICP 製作之矽質元件----------------------------------------- 69 A-1 ICP 製程------------------------------------------------------- 69 A-2 製程檢討---------------------------------------------------- 71 附錄B 以 SU-8 母模填充PDMS 製作之元件 ---------------------- 72 B-1 翻模製程------------------------------------------------------ 72 附錄C 以電鍍製作之鎳質元件------------------------------------- 74 C-1 電鍍製程------------------------------------------------------ 74 附錄D 以銅粉混合SU-8 厚膜負光阻--------------------------------- 76 D-1 混合銅粉與SU-8 製程-------------------------------------- 76 附錄E 以雷射切割製作金屬元件-------------------------------------- 78 E-1 雷射切割製程----------------------------------------------- 78 E-2 製程檢討------------------------------------------------- 80 圖 目 錄 圖1-1 20cm 翼展微飛行器 ------------------------------------ 2 圖1-2 磁制動器之SEM 圖----------------------------------------------- 4 圖1-3 磁制動器之影像圖------------------------------------------------ 4 圖1-4 氣動式球型制動器------------------------------------------------ 5 圖1-5 氣動式球型制動器受熱後之作用變化圖-------------------- 5 圖1-6 以矽質材料開發出跳脫平面運動之熱制動器 -------------- 6 圖1-7 以parylene 製作出之熱制動器-------------------------------- 7 圖1-8 熱制動器抓取螃蟹卵--------------------------------------------- 7 圖1-9 孔雀開屏式毛細微結構示意------------------------------------ 9 圖1-10 未黏合parylene 圓管的孔雀開屏式毛細微結構------------- 9 圖1-11 黏合parylene 圓管的孔雀開屏式毛細微結構---------------- 9 圖1-12 本研究群開發之T 字形尾翼MAV ---------------------------- 10 圖1-13 本研究群研發之金探子MAV ------------------------------- 11 圖1-14 市售之Butterfly MAV -------------------------------------------- 12 圖1-15 由荷蘭的團隊所研發出之微飛行器Delfly------------------- 12 圖1-16 論文架構 ------------------------------------------- 13 圖2-1 C. J. Kim 等控制汞珠於SU-8 流道內作動情形-------------- 15 圖2-2 Y. C. Lee 使用寬400、高600 微米錫球組裝多晶矽支架 --------------------------------------------15 圖2-3 蕨類孢子囊制動機構原理----------------------------------------- 16 圖2-4 成對毛細結構之特徵參數-------------------------------------- 18 圖2-5 表面張力驅動之孔雀開屏式驅動模組圖--------------------- 20 圖2-6 毛細驅動微型控制鉸鏈3D 示意圖-------------------------- 20 圖2-7 毛細驅動微型控制鉸鏈控制角度示意圖-------------------- 21 圖2-8 型變產生區與環狀毛細結構------------------------------------ 22 圖2-9 結構補強區------------------------------------------------------ 23 圖2-10 尺寸註記結構------------------------------------------------------ 24 圖3-1 毛細驅動微型控制鉸鏈製作程序------------------------------- 30 圖3-2 毛細驅動微型控制鉸鏈光罩設計圖------------------------- 31 圖3-3 顯影中之SU-8 微型控制鉸鏈------------------------------------ 32 圖3-4 SU-8 微型控制鉸鏈形變產生區-------------------------------- 33 圖3-5 SU-8 微型控制鉸鏈結構補強區-------------------------------- 34 圖3-6 SU-8 微型控制鉸鏈尺寸註記區-------------------------------- 35 圖3-7 SU-8 微型控制鉸鏈膜厚量測圖------------------------------- 35 圖3-8 SU-8 微型控制鉸鏈脫膜------------------------------------------ 36 圖4-1 掃描式電子顯微鏡------------------------------------------------ 37 圖4-2 微型控制鉸鏈特徵尺寸說明圖 ------------ 38 圖4-3 微型控制鉸鏈毛細結構尺寸SEM 照 ------------ 39 圖4-4 微型控制鉸鏈主幹結構尺寸SEM 照 ------------ 39 圖4-5 實驗量測架構圖:驅動觀測區---------------------------------- 40 圖4-6 實驗量測架構圖:空間畫面擷取區----------------------------- 41 圖4-7 控制鉸鏈之環狀毛細結構受液珠沾濕------------------------ 42 圖5-1 毛細驅動微型控制鉸鏈控制角度示意圖 ------------------ 44 圖5-2 毛細驅動微型控制鉸鏈控制角度示意圖 ------------------- 45 圖5-3 將控制板之固定端與自由端接合於尾翼材質 -------------- 46 圖5-4 結合MAV尾翼之3D 示意圖------------------------------------ 47 圖5-5 翼膜黏合測試----------------------------------------------------- 48 圖5-6 PET 膜之物理性質----------------------------------------------- 48 圖5-7 針筒液滴驅動測試----------------------------------------------- 49 圖5-8 表面粗糙結構----------------------------------------------- 50 圖5-9 兩種不同形式的圓柱陣列構型其光罩之設計 -------------- 51 圖5-10 圓柱陣列構型液體輸送元件------------------------------------ 52 圖5-11 圓柱陣列構型液體輸送元件接合於MAV 之3D 示意圖 --------------------------- 52 圖6-1 以雷射切割製作金屬元件 ------------------------------- 55 圖6-2 雷射切割後之金屬元件示意圖------------------------------- 56 圖A-1 以ICP 蝕刻矽基材------------------------------------------------- 70 圖A-2 以ICP 蝕穿矽基材後得到之矽質驅動器--------------------- 70 圖B-1 SU-8 元件母模 --------------------------------------- 72 圖B-2 將澆鑄之PDMS 元件取下--------------------------------------- 73 圖C-1 第一次元件電鍍鎳--------------------------------------- 75 圖C-2 第二次元件電鍍鎳後觀察--------------------------------------- 75 圖D-1 以銅粉混合SU-8 顯影後之圖形-------------------------------- 76 圖D-2 以OM 觀察顯影後之銅粉混合SU-8-------------------------- 77 圖E-1 雷射切割元件設計圖----------------------------------------- 78 圖E-2 雷射切割出之金屬元件------------------------------------------ 79 圖E-3 雷射切割出之金屬元件------------------------------------------ 79 圖E-4 雷射切割出之金屬元件------------------------------------------ 80 表 目 錄 表3-1 應用於微機電高分子材料楊氏模數之比較--------------------- 26 表3-2 SU-8 相關機械材料特性------------------------------------------- 27[[note]]學號: 695372614, 學年度: 9