學位論文

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    基於TPU/ILs/Li2CO3微結構陣列離子凝膠之可穿戴且高靈敏的壓力感測器研製
    (2025) 張智耀; Zhang, Zhi-Yao
    壓力感測器廣泛應用於智慧穿戴、生理監測、機器人觸覺系統與自動化控制等領域，隨著電子皮膚與人機互動技術的快速發展，具備高靈敏度、穩定性與可撓式的壓力感測器設計成為重要研究方向。本研究以此為出發點，提出一種新型離子電容式壓力感測器，藉由引入電雙層效應(Electrical Double Layer, EDL)，以有效提升其整體感測性能。研究採用熱塑性聚氨酯(TPU)為基底，添加碳酸鋰(Li2CO3, LC) 與([EMIM]+[TFSI]−)離子液體(IL)，製備TPU/IL/LC離子凝膠複合物介電層。在結構設計方面，運用3D列印製備倒金字塔結構之模具，接著以翻模技術製作出微結構陣列化的介電層，調整其結構尺寸與厚度參數來優化感測性能。實驗結果顯示，所製備之TPU/IL2.5感測器在低壓(0-130 kPa)範圍內具備64.49 kPa⁻¹的靈敏度，於中高壓(130-1400 kPa)區間則僅為4.04 kPa⁻¹。經Li2CO3改質後的TPU/IL2.5/LC0.20感測器在低壓範圍(0-130 kPa)內展現出高達211.57 kPa⁻¹的靈敏度，約為未改質感測器的3.28倍。此外，在130-550 kPa區間亦可達到104.26 kPa⁻¹的靈敏度，在550–1400 kPa區間則維持16.1 kPa⁻¹，顯示其於全壓力範圍內均具有大幅提升之靈敏度。TPU/IL2.5感測器具備最低檢測極限為0.052 Pa，而TPU/IL2.5/LC0.20感測器則進一步降低至0.047 Pa，顯示其微小壓力感測能力有所提升，解析度更高。此外，TPU/IL2.5/LC0.20感測器通過10000次壓縮與5000次彎曲循環測試，以及30天的長期穩定性測試，感測器依然維持穩定表現，展現出優異的可靠性與耐久性。在實際應用方面，TPU/IL2.5/LC0.20感測器可量測脈搏、呼吸、關節彎曲、水滴重量與氣壓微變等多種訊號，亦具備測量溫度與濕度之多功能感測效能。最後，透過CAV444 C-V轉換晶片、藍牙模組之整合與搭配Arduino控制板，即時將電容轉換成電壓訊號後傳輸至手機APP進行顯示，並成功應用於機械手臂之觸控暫停控制，顯示其作為撓性電子皮膚的潛力。整體成果證實本研究感測器具備高靈敏度、高穩定性與高可撓性，可提供未來智慧感測系統中材料設計、元件製作與應用整合潛力的可行解決方案。
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    添加陶瓷粉末高分子複合材料在兆赫波範圍之光學特性與應用研究
    (2022) 彭欣誼; Peng, Hsin-Yi
    由於兆赫波(THz)技術的快速發展，同時也需要進一步探索兆赫波系統各種應用的前瞻性，相關的元件及設備將不可或缺。為了尋找最適合用於兆赫波技術的材料，在本研究中選用3D列印常用的材料分別為Acrylonitrile butadiene styrene(ABS)、Polyamide(PA)、Poly Lactic Acid(PLA)及光固化樹脂，將其分別與不同重量百分比的陶瓷粉末混合，並藉由量測兆赫波時域光譜(THz-TDS)觀察在不同添加比例陶瓷粉末時吸收係數與折射率的改變。本實驗嘗試固定高分子粉末探討改變添加陶瓷粉末比例對兆赫波光學特性的影響。以PLA、PA粉末和光固化樹脂為基底分別混和10 wt%、20 wt%、30 wt %、40 wt%和50 wt%石英粉末，隨著添加的石英粉末比例提高，吸收係數會隨之下降，折射率也隨之提升；其中添加50 wt%石英粉末的樣品降低最多吸收係數，提升最多的折射率。為探討高分子材料添加不同陶瓷粉末後，其兆赫波光學常數的改變，本研究固定以ABS粉末為基底，混合不同陶瓷粉末。此部分分為兩組實驗，一組實驗使用鍛燒稻殼灰質(RHA)還原的SiO2，探討不同溫度製備的RHA其兆赫波光學特性的差異。本研究將ABS粉末混合50 wt%不同溫度製備的稻殼灰質樣品量測兆赫波時域光譜。另一組實驗則將ABS粉末分別與鍛燒1000℃前後Al2O3、SiO2、ZrSiO4和石英粉末混合，在0.5 THz時，混合50 wt%鍛燒後的Al2O3粉末樣品有最低的吸收係數3.40，在1 THz時，混合50 wt%鍛燒後的石英粉末樣品有最低的吸收係數9.17。混合50 wt% ZrSiO4粉末有最高的折射率，在0.5和1 THz時分別為1.81和1.80。為實現將陶瓷粉末添加於3D列印材料之中，在分析各3D列印技術的優缺點後，選用以光固化之技術製作透鏡。依據兆赫波時域光譜量測的結果，考量其可列印性及列印後的表面粗糙度，最後以光固化樹脂混合30 wt% Al2O3為材料來設計與製作兆赫光學透鏡。本研究分別製作了直徑50 mm焦距50 mm和100 mm的平凸透鏡，並以VDI公司開發的商用成套系統量測自製透鏡的聚焦效果與光斑大小，量測結果顯示其透鏡具有聚焦功能且符合焦距較短的透鏡光通過後發散較快的趨勢。以刀口法量測光斑大小，焦距50 mm的透鏡x方向的直徑為4.08 mm，y方向為3.89 mm；焦距100 mm的透鏡x方向直徑則為4.24 mm，y方向為4.05 mm。因此，添加陶瓷粉末於3D列印材料為提升折射率及降低吸收係數有效的方式，且可應用於3D列印技術，改善以3D列印技術製作THz的元件效能。