學位論文
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Item 沖床之智慧異常偵測與即時監控系統(2019) 方姿晴; Fang, Zi-Qing隨著工業4.0時代的來臨，已經有許多智慧製造相關技術被運用在各行各業中。其中對台灣經濟影響甚鉅的，是逐漸從傳統產業走向現代化製程的的製造業。而各式機台設備，正是製造業最重要的生產核心。製造業的機台若因零件磨損，將造成機具故障生產中斷，甚至工安意外，對業主及操作者將造成巨大的損失。為避免這些狀況，通常業主會定期對機台作保養維護，採用定期維護之策略，其缺點不僅耗時耗力，而且一些預料之外的異常情形也經常發生，從而造成產線的生產力下降甚或引發工安意外。因此，本研究提出一個智慧異常偵測與即時監控系統來解決前述之問題。 本系統包含兩個子系統，一是即時監控系統，另一個是智慧異常偵測系統。即時監控系統主要是處理一些特徵明顯且取樣率較低的製程參數，例如：電壓、電流、溫度以及壓力等，當系統參數超出某些預設閥值時，會自動透過Line機器人通知相關負責人。至於智慧異常偵測系統主要是處理一些特徵不明顯且訊號變化快速以及需要高取樣率的訊號，例如：機台的振動訊號等，本研究利用加速規及資料擷取卡擷取不同轉速下，不同皮帶鬆緊度的機台振動訊號，然後再以卷積神經網路進行分類器的建模，實驗結果顯示，利用機台的振動訊號，可以有效偵測皮帶過鬆或過緊之異常狀況，其準確率高達98%以上。 期望本研究智慧異常偵測與即時監控系統能夠提升台灣沖床機台的附加價值。Item 以深度學習為基礎之路面破損與閥栓檢測系統(2019) 楊松儒; Yang, Sung-Ju近年來台灣道路平整度議題經常被提出來討論，其中一項就是孔蓋的正常與否。每年都需要花費大量的人力在孔蓋巡檢上。為保證巡檢品質與第二年作業需求，需要檢查作業人員拍攝回來之照片，其中包含著門牌以及閥栓近遠照等照片。路面平整度的另一個議題是路面破損，而目前路面破損之檢測如同閥栓巡檢一般依靠了大量的人力。為了減少大量人力需求，本研究將設計一快速且準確之閥栓分辨系統以及一道路破損辨識系統。 本研究中以YOLOv3-tiny及作為基礎，建置一快速分辨閥栓以及門牌之系統。在實驗結果中，本研究在近照之閥栓分辨結果中，達到了Precision 99.33%、Recall 98.89%之高精度。在門牌與街牌辨識的部分，也達到了Precision 95.96%、Recall 93.45%之精度。 道路破損辨識的部分，本研究使用YOLOv3類神經網路進行訓練，並使用一簡單之分割操作，提升了辨識準確率。並希望在未來使用其餘類神經網路以及各種技術，改善此一辨識率。Item 整合氧化鋁鐵電記憶體之氧化錫薄膜電晶體元件電性探討之研究(2019) 王世安; Wang, Shih-An本研究首先探討鐵電電容在不同退火溫度下之影響。鐵電電容在600oC~800oC中，漏電流隨著退火溫度上升而無明顯變化，有利於不同溫度下之製程整合，而在鐵電特性上，會隨著溫度上升而增強，但同時極化迴圈開口也會增大。在P型薄膜電晶體中，Id-Vd輸出特性有明顯截止區與飽和區，在汲極電壓與閘極電壓為-2V時，電流為1.10A。Id-Vg轉移特性中，在±2.5V中有3個數量級之開關電流比 。漏電流約在10-9 A，顯示10nm之氧化鋁鉿薄膜較好的閘極介電薄膜。 在串聯HfAlOX薄膜厚度為10nm之鐵電電容中，電容面積隨著200x200m2至50x50m2，Current-Ratio Memory Window從67.00增加至362.80。當電容越小，匹配越好，Current-Ratio Memory Window越大。在相同面積50x50m2下改變不同串聯厚度，從5nm至10nm，Current-Ratio Memory Window從7.11增加至362.80，當厚度越厚，匹配越好，Current-Ratio Memory Window越大。根據參考文獻之模擬，當電晶體電容與鐵電電容在電荷(Q)-電容(C)圖中相交於兩點，電壓來回掃時，會分別經過這兩點，而使電荷陡峭上升，因而形成電滯迴圈，在固定電晶體電容值，改變鐵電電容值時，鐵電電容越小則Current-Ratio Memory Window越大，實驗結果與參考文獻相符。在資料儲存Retention測試中，P型氧化錫薄膜電晶體串聯厚度為10nm、面積50x50m2氧化鋁鉿鐵電電容經過1000秒後有最高的開關電流比，為較佳測試條件。Item 使用RBF類神經網路於壓電式力量感測器之低頻補償(2019) 楊宇洋; YANG, Yu-Yang本研究之目的是使用類神經網來補償壓電式力量感測器 (piezoelectric) 低頻時量測不準的現象。相較於改變感測器本身結構的方法來，本研究所提出之估測方法無須改變感測器的結構，使用商用的壓電式力量感測器，將其輸出給予力量估測系統；力量估測系統藉由類神經網路估出系統之干擾，並將受控體的受力量估測出來。 實驗平台是由實驗室成員共同設計出的，含一維線性伺服馬達系統，並採用美國德州儀器(Texas Instruments, TI)生產之TMS320C6713 DSP (Digital Signal Processor)開發板，搭配實驗室成員自行研發具備FPGA (Field-Programmable Gate Array) 等IC之擴充子板，作為控制核心。於FPGA方面，以VHSIC硬體描述語言(VHDL)實現編碼器、ADC與DAC等周邊界面訊號處理介面；在控制法則實現上，透過TI提供的Code Composer Studio (CCS)發展環境軟體，以C/C++撰寫控制器程式，並下載至DSP執行。藉由實驗室成員自行設計、組裝之一維線性馬達平台進行實驗，並感測負載受力與其他物理量。實驗結果顯示，本文提出之方法能有效地改善壓電式感測器的低頻量測失準現象;與先前的研究相比，使用類神經網路能在較劇烈變化的路徑上有更好的干擾估測效果，使系統能達到良好的位置與阻抗控制結果。Item 純鈦與6061鋁合金摩擦攪拌異質接合之機械性質與抗腐蝕特性研究(2019) 郭承典; Kuo, Chen-Tien本研究使用摩擦攪拌銲接的技術搭配對接及搭接兩種方式用於純鈦與6061鋁合金之異質接合，摩擦攪拌銲接利用高速鋼作為攪拌棒，攪拌棒之傾斜角設定為2∘，探討在不同主軸轉速及進給速度下對於銲道性質之影響，將各成功接合之試片進行顯微組織及機械性質測試，並進行元素分布分析，最後進行殘留應力量測及抗腐蝕能力分析。 實驗結果顯示對接時主軸轉速設定1000 rpm、進給速度100 mm/min可以得到較好的銲道性質；搭接時則是主軸轉速設定1200 rpm、進給速度120 mm/min可以得到較好的銲道性質，兩種接合方法比較時，對接比起搭接可以獲得更好的抗拉強度。除此之外，兩種銲接方式都在攪拌區可以觀察到晶粒細化的效果，但是熱影響區晶粒較大，使熱影響區有硬度下降的趨勢，造成對接試片會在熱影響區發生斷裂；在搭接時兩種材料界面會形成硬脆的介金屬化合物，其硬度將近300HV高於純鈦母材，由於硬度高、延性差因此搭接試片斷裂時會發生在接合界面處。進行殘留應力量測發現摩擦攪拌銲接試片與典型的對接殘留應力相反，在銲道處顯示為壓應力。銲接件抗腐蝕能力的部分，銲道的攪拌區由於晶粒細化的緣故，其抗腐蝕性能優於其他區域。Item 石墨烯散熱塗料於LED性能提升之技術開發(2019) 施文浩; Shi, Wen-Hao近年來，電子產品朝向講求輕薄短小、追求多功能及效能更高的趨勢發展，而多功和效能的提高也產生更高耗電量與廢熱的問題。一般工業設備大都會在熱源或散熱鰭片部位安裝風扇進行主動式冷卻散熱，而部分電子產品，如LED照明燈具因受到幾何結構或尺寸限制，無法加裝主動式散熱系統，只能依賴金屬散熱片等被動散熱裝置，利用金屬的高導熱係數，以熱傳導將熱由熱源導出至散熱鰭片，達到降溫的效果。不過金屬表面的熱輻射係數(Emissivity)極低，匯集到散熱鰭片的熱不易發散至環境中。因此，如何提高金屬表面之熱輻射係數，已成為極待解決的問題。本研究預計開發出一種散熱塗料(Heat dissipation coating)，以油性環氧樹脂作為基底，添加擁有高熱輻射性能之奈米碳材與良好熱傳導係數之氮化鋁顆粒，調整填充物的比例與塗料黏度後，塗佈一具有高熱輻射係數且低熱阻之散熱薄膜於金屬散熱片表面，提升其被動散熱的效果，並利用大氣電漿(Atmospheric pressure plasma, APP) 與硫酸對奈米碳材進行官能化改質處理，進一步提升塗料之熱輻射性能。本研究添加化學官能化改質的奈米碳材，使用比例為10 wt%氮化鋁、2 wt%石墨烯與2 wt%多壁奈米碳管，以真空脫泡攪拌機混拌後於散熱鋁片進行 20 μm 之薄膜塗佈。使用紅外線熱像儀量測其熱輻射係數可達0.98，應用於9W LED之降溫測試，可使LED降溫15.3 ℃，並提升8%之流明值。再透過熱重分析儀(Thermogravimetric analysis, TGA)測試，該散熱塗料之熱分解溫度達311 ℃，表示本研究所製備之散熱塗料在實際應用上也具有良好的穩定性。Item 超快雷射多尺度複合結構實現氣體檢測應用之研究(2019) 杜晨廷; Tu, Chen-Ting本研究是利用超快雷射(Ultrafast laser)之超短脈衝(Ultrashort pulses)的特性，進行多尺度複合結構(Multiscale composite structures)元件製作，進而應用於氣體檢測(Gas detection)。由於該雷射製程具較小熱影響區(Heat-affected zone)，以能精確進行尺寸的製作。本研究超快雷射製程是在導電石墨烯(Graphene)薄膜基材上，進行圖案化電極(Electrode)結構元件，其結構包括指叉狀元件(Interdigitated electrodes, IDEs)和微溝槽(Microgrooves)。另一方面，為結合導電奈米線於微結構元件，本研究透過水熱法(Hydrothermal)生長氧化鋅(ZnO)奈米線於指叉狀元件上，且在微溝槽生長氧化鋅奈米線，並調控浸泡種晶層溶液時間生長氧化鋅奈米線，將元件電阻從106 下降至約550 。本研究發現在生長溶液中添加甲醇(Methanol)為界面活性劑，將有助於於微結構底部生長氧化鋅奈米線。最後，本研究會於兩種氣體感測元件結構設計，進行不同氣體濃度一氧化氮(Nitric oxide, NO)之檢測探討。本研究結果顯示以指叉狀元件結構氣體感測元件，偵測氣體濃度於50 ppm時，氣體響應值(Response)為6%；氣體濃度於150 ppm時，氣體響應值可為18%；氣體濃度於300 ppm時，氣體響應值可為31%。以微溝槽作為氣體感測元件時，偵測氣體濃度於50 ppm時，氣體響應值為11%；氣體濃度於150 ppm時，氣體響應值為22%；氣體濃度於300 ppm時，氣體響應值為40%。Item 壓電式力量感測器之適應性低頻特性補償(2019) 呂彥槿本研究之目的是藉由適應性估測方式補償壓電式 (piezoelectric) 力量感測器的低頻失真，以得到系統的實際低頻受力。相較於先前的研究，本研究的特點在於不改感測器結構設計的前提下，藉由適應性法則估測系統之低頻受力和干擾，其中包含了系統的未知和不確定性部分，並進一步藉由低通濾波的方式，以減少加速度和速度訊號的使用，估測出系統的受力。 實驗平台是由實驗室成員合力設計和組裝之一維線性馬達實驗平台，控制核心使用美國德州儀器公司(Texas Instruments, TI)生產之TMS320C6713 DSP開發板，搭配實驗室成員所自行研發、具備FPGA等IC之擴充子板。於FPGA方面，以VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit) 硬體描述語言(VHDL)撰寫編碼器、ADC與DAC等周邊界面訊息處理函式；而在控制法則實現上，以C/C++撰寫控制器程式並由TI提供的Code Composer Studio (CCS)發展控制程式。實驗結果顯示，本研究提出之方法能有效改善壓電式感測器低頻量測失準現象，準確地量出其正確的受力，並且能減少系統複雜度、降低系統所需的成本和空間。Item 新穎架構之高效能負電容場效電晶體設計(2019) 李芳立; Li, Fang-Li物聯網時代來臨，在先進物聯網技術下，數據之儲存、傳輸、感測都需要超低功耗電晶體(ultra-low power transistor)作為基礎，傳統之金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)因受限於波茲曼限制(Boltzmann limit)，於室溫下之次臨界擺幅(subthreshold swing)永遠大於或等於60 mV/decade，為了實現超低功耗電晶體之目標，在超低操作電壓下將汲極電流提升並降低次臨界擺幅且低於60 mV/decade將是主要目標。 近年陸續研究出包括鰭式電晶體(Fin Field Effect Transistor, FinFET)、穿隧式電晶體(Tunnel Field Effect Transistor, TFET)、負電容場效電晶體(Negative Capacitance Field Effect Transistor, NCFET)等新世代超低功耗電晶體，負電容場效電晶體是唯一兼具同時提升開狀態汲極電流(I¬on)且降低次臨界擺幅潛力之超低功耗電晶體，也是本實驗之研究對象。 本次實驗將以負電容場效電晶體為基礎，將MIM架構之鐵電材料(HZO MIM)與金屬氧化物半導體場效電晶體做連接，並將傳統之閘極耦合式負電容場效電晶體(gate coupling NCFET)與本次實驗所研發之新式汲極/源極耦合式負電容場效電晶體(source/drain coupling NCFET)進行比較。實驗結果發現，傳統架構負電容場效電晶體之有效電荷遷移率( eff)受負電容效應影響而急劇降低，由HZO電偶極擾動產生之遠端散射(remote scattering)將在通道引發嚴重之聲子散射現象(phonon scattering event)，進而導致有效電荷遷移率降低，最終影響開狀態汲極電流的表現，而遠端散射現象可藉由將閘極氧化層電容提升，以極大之極化(polarization)能力將HZO之電偶極對齊，以降低遠端散射現象，進而使有效電荷遷移率之下降適度減緩，但此法牽涉到MIM鐵電材料與MOSFET閘極氧化層電容(Cox)之匹配問題，為求直接且全面的改善，本次實驗提出新式之並聯架構負電容場效電晶體。 以降低遠端散射現象並提升開狀態汲極電流(I¬on)為目標，本次實驗研發汲極/源極耦合式負電容場效電晶體(source / drain coupling NCFET)，經實驗證明，將MIM架構之HZO鐵電材料與傳統之金屬氧化物半導體場效電晶體進行並聯將有效降低由HZO電偶極所引發之遠端散射現象，通道載子將不再受聲子散射現象影響，明顯提升有效電荷遷移率，並實現同時放大開狀態汲極電流與降低次臨界擺幅(< 60 mV/decade)之目標。 除了上述由汲極/源極耦合式負電容場效電晶體所帶來之效益，本實驗亦針對短通道效應(short channel effect)進行探討，隨著汲極電壓增加，汲極引發之能障降低(DIBL)將更為嚴重，使閘極對於通道之控制能力降低，使得次臨界擺幅上升，而汲極/源極耦合式負電容場效電晶體已證明具有減緩汲極引發之能障降低之潛力，並能在施加適當之汲極電壓時達成零遲滯(non-hysteresis)之負電容場效電晶體。總之，本新穎結構的負電容場效電晶體，不只可以大幅提升Ion電流，亦有不錯的次臨界擺幅，適合於低電壓及低功耗用途。Item 使用射頻電漿輔助化學束磊晶成長氮化銦磊晶材料於表面氮化處理矽(111)基板之研究(2019) 陳聖; CHEN, SHENG本研究利用射頻電漿輔助化學束磊晶系統於矽(111)基板上製備氮化矽緩衝層，針對製備緩衝層之電漿氮氣流量比、氮化時間進行研究，探討氮化銦於不同條件之緩衝層生長其結構、結晶性及電子遷移率變化。研究結果顯示，在實驗條件下矽(111)基板表面會產生氮化矽層(SixNy layer)，隨著氮化時間或流量增加，表面會形成β-Si3N4，有助於纎鋅礦結構氮化銦磊晶生長。透過X光繞射分析證實經過表面氮化處理的試片皆能成長氮化銦磊晶。本研究再進行製備氮化氮化銦/氮化矽雙緩衝層於矽(111)基板，並針對氮化銦磊晶薄膜之特性進行探討，研究結果證實，使用雙緩衝層技術之氮化銦磊晶薄膜能提高結晶性及電性，隨著製備氮化矽層時氮氣流量及氮化時間增加，結晶性及電性均有所提升。