單一自由度微型電熱鑷子之設計與分析

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朱雯婷(Wen-Ting Chu) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

單一自由度微型電熱鑷子之設計與分析

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摘要(中)

本論文使用點膠製程製作一U型電熱式微型鑷子，並結合一旋轉結構，使此元件擁有一個自由度的運動模式。元件運作原理主要是利用鑷子冷、熱臂膨脹量的不同，造成結構彎曲，進而使鑷子作動。在1 V電壓驅動下，鑷子尖端產生441 μm的位移量，本論文成功使用鑷子夾取直徑約1 mm的玻璃珠。
元件的設計與分析經由CoventorWare軟體，針對機械、熱、電等性質進行模擬，於1 V下，鑷子具有尖端位移445 μm及最大溫度390 K的模擬值，同時也藉由模擬進行鑷子的最佳化設計，探討冷臂與熱臂的寬度及厚度、連接臂長度、冷臂與撓性臂比例對元件位移、最大溫度、最大溫度位置及尖端溫度的影響。
此外，將鑷子與支撐柱進行組裝，形成具有單一自由度運動的元件，元件受外部磁場影響而轉動，外部磁場由電磁鐵提供，當結構與電磁鐵距離約1.57 mm時，對電磁鐵輸入6.3 A的電流，方能使結構轉動，透過電磁鐵電流與有效距離量測，可得到不同距離下，結構轉動所需的電流。

摘要(英)

In this research, we proposed a rapid fabrication process for miniaturizing the electro-thermal grippers by using silver ink. With this process, we fabricated the one degree-of-freedom micro-grippers which can be controlled by external magnetic field.
Due to cross-sectional area difference of the cold and hot arms, the micro-gripper can be driven by applying dc voltages. Electrical, thermal and mechanical behaviors of the micro-grippers were simulated and tested, and the simulation results were in accordance with the experiment results. The simulated maximum temperature was 390 K, meanwhile in-plane tip displacement was 445 -μm, and occurred at the hot arms with an input voltage of 1 V. The measured displacement of the micro-gripper was observed to be 441 μm. The fabricated micro-gripper can grip a small glass ball with a diameter of 1 mm between both tips.
In the end, we applied magnetic field to the structure in order to rotate the micro-gripper. An electromagnet generated magnetic field when the electrical current passed through the coils. The result showed that when the distance between the micro-grippers and electromagnet is about 1.57 mm, the micro-grippers rotated with an input current of 6.3 A.

關鍵字(中)

★ 電熱式
★ 微型鑷子
★ 銀膠
★ 磁場
★ 單一自由度

關鍵字(英)

★ electrothermal
★ microgripper
★ silver ink
★ magnetic field
★ 1 DOF

論文目次

摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 viii
表目錄 xiii
一、緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 微細加工 2
1.4 微致動器 3
1.4.1 靜電式致動器 4
1.4.2 電熱式致動器 6
1.4.3 壓電式致動器 8
1.4.4 形狀記憶合金致動器 9
1.4.5 電磁式致動器 11
1.4.6 氣液壓式致動器 12
1.5 文獻回顧 14
二、基礎理論 19
2.1 電性分析 19
2.2 熱分析 21
2.2.1 熱傳導 21
2.2.2 能量守恆 23
2.3 機械分析 28
2.3.1 剛性結構 29
2.3.2 懸臂樑 33
2.3.3 整體結構 36
三、模擬分析 39
3.1 模擬環境介紹 39
3.2 元件模擬模擬分析 45
3.2.1 溫度 47
3.2.2 位移 49
3.3 寬、厚度變化分析 51
3.3.1 溫度 51
3.3.2 位移 54
3.4 連接臂變化分析 56
3.4.1 溫度 57
3.4.2 位移 58
3.5 冷臂變化分析 62
3.5.1 溫度 62
3.5.2 位移 64
四、元件製作與設備 69
4.1 製程設備 70
4.1.1 三軸移動點膠平台 70
4.1.2 微電腦數位出膠機 71
4.1.3 加熱系統 72
4.1.4 CCD攝影機 72
4.1.5 膠材 73
4.2 製程 73
4.2.1 支撐柱 73
4.2.2 旋轉結構 74
4.2.3 鑷子結構 75
4.2.4 組裝 76
五、實驗結果與討論 77
5.1 電壓－位移量測實驗 78
5.1.1 實驗架設 78
5.1.2 電壓－位移關係 78
5.1.3 夾持測試 80
5.2 外加磁場實驗 83
5.2.1 實驗架設 83
5.2.2 磁場量測 84
5.2.3 受磁場旋轉實驗 85
六、結論與未來展望 90
6.1 結論 90
6.2 未來展望 93
參考文獻 94

參考文獻

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指導教授

陳世叡(Shih-Jui Chen)

審核日期

2017-7-28

推文