機電工程學系
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系所沿革
為迎合產業機電整合人才之需求,本校於民國 91年成立機電科技研究所,招收碩士班學生;隨後並於民國93年設立大學部,系所整合為「機電科技學系」,更於101學年度起招收博士班學生。103學年度本系更名為「機電工程學系」,本系所之發展方向與目標,係配合國家政策、產業需求與技術發展趨勢而制定。本系規劃專業領域包含「精密機械」及「光機電整合」 為兩大核心領域, 使學生不但學有專精,並具跨領域的知識,期能強化學生之應變能力,以適應多元變化的明日社會。
教學目標主要希望教導學生機電工程相關之基本原理與實務應用的專業知能,並訓練學生如何運用工具進行設計、執行、實作與驗證各項實驗,以培養解決機電工程上各種問題所需要的獨立思考與創新能力。
基於建立系統性的機電工程整合教學與研究目標,本系學士班及研究所之教育目標如下:
一、學士班
1.培育具備理論與實作能力之機電工程人才。
2.培育符合產業需求或教育專業之機電工程人才。
3.培育具備人文素養、專業倫理及終身學習能力之機電工程人才。
二、研究所
1.培育具備機電工程整合實務能力之專業工程師或研發人才。
2.培育機電工程相關研究創新與產業應用之專業工程師或研發人才。
3.培育具備人文素養、專業倫理及終身學習能力之專業工程師或研發人才。
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Item 飛秒雷射製作可撓性聚醯亞胺異質結構元件於氣體檢測之研究(2022) 葉力維; Yeh, Li-Wei本研究是利用超快飛秒雷射(Ultrafast femtosecond laser)之超短脈衝(Ultrashortpulses)的特性,在聚醯亞胺(Polyimide, PI)薄膜基材,製作指叉狀電極結構(Interdigitated electrode structures)元件於氣體檢測(Gas detection),該超快雷射製程具較小熱影響區(Heat-affected zone),以能進行可撓性基材之結構製作。為增加此元件感測之靈敏度,本研究亦利用水熱法製成氧化鋅(Zinc oxide)奈米線結構(Nanowires),在飛秒雷射製程製作之石墨烯PI電極元件上,以成型新穎複合結構元件於氣體檢測,以增加感測響應值。本研究顯示該可撓性元件可避免受力而導致斷裂、破壞的現象,且當彎曲曲率半徑小於6 mm響應值仍屬穩定(誤差值±3%)。元件設計的微型加熱器方面顯示,在一氧化碳(Carbon monoxide, CO)氣體從室溫到85.6°C可縮短恢復時間為86.2sec;甲烷(Methane, CH4)氣體則從室溫到約86.8°C可縮短恢復時間為117.2 sec。因此,在氣體感測元件方面顯示,一氧化碳和甲烷氣體檢測於200濃度200 ppm,其元件在甲烷與一氧化碳氣之電性響應值會分別為20.7 %和120.8 %。藉此,本研究證明氧化鋅/石墨烯可撓性微性加熱元件於一氧化碳和甲烷氣體濃度具有良好的恢復性,分別在1000 sec和1600 sec可恢復至初始電阻值,且該元件靈敏度則在加熱升溫環境會別為0.6728與0.0434為最佳。透過此研究,將可提供飛秒雷射製程於氣體檢測元件之應用參考。 關鍵詞: 飛秒雷射、可撓性元件、石墨烯、奈米線、氣體檢測Item 以超快雷射製作石墨烯/二硫化鉬元件結構於氣體檢測(2021) 韓同耀; Han, Tong-Yao本研究利用超快雷射製程 (Ultrafast laser processing technique)進行製作設計的微型加熱感測元件及其特性探討,同時整合二硫化鉬(Molybdenum disulfide, MoS2)材料,以開發異質結構(Heterostructure)元件於氣體檢測(Gas detection)應用。本研究是採以有限元素法(Finite element method, FEM),在設計的串/並聯電路之微加熱結構元件,進行熱性能和電路的電流密度之預測。在實驗方面,是利用超快雷射直寫技術於石墨烯(Graphene)薄膜,其固定重複率為 300 kHz,在振鏡掃描速度為 300 mm/s及雷射能量密度為 2.19 J/cm2,進行製程路徑次數 2 次後,完成不同寬度的薄膜電極元件製作及其檢測元件特性分析。研究結果顯示:在施加相同電壓條件下,串聯電路結構的微加熱器穩態溫度較低,且穩態溫度受電路形狀的影響較大,其原因是串聯電路結構的電阻會明顯大於並聯電路結構,因此該元件通過的電流較小,產生的焦耳熱也較小。此外,本研究於石墨烯感測元件搭配MoS2溶液,以滴鍍(Drop casting)技術,開發MoS2/石墨烯微型加熱感測元件,並比較石墨烯微型加熱感測元件,進一步進行氣體檢測之靈敏度探討。本研究結果在石墨烯微型加熱感測元件方面,顯示在溫度於92 oC時,該元件偵測氣體濃度於100、300和500 ppm時,氣體響應值(Response)會分別為1.4 %、7.2 %和17.7 %。本研究結果在MoS2/石墨烯微型加熱感測元件方面,顯示在溫度於92 oC時,該元件偵測氣體濃度於100、300和500 ppm時,氣體響應值分會別為1.7 %、4.9 %和12.3 %。因此,本研究證明MoS2/石墨烯微型加熱感測元件具有良好的恢復性,在50 s內該元件的檢測電阻可以恢復至原始電阻。Item 碳基高性價比散熱塗料之製備技術開發(2021) 洪大正; Hong, Da-Jheng隨著技術的進步,電子元件的效能不斷的增加,而體積亦朝向小型化發展,無可避免地,如何的幫助元件有效地散熱將構成挑戰。散熱塗層( Heat dissipating coat)由高分子材料構成基底,添加高熱輻射係數與高導熱性質的填料,能夠快速將所塗佈物體所產生的熱傳導至高熱輻射係數的塗層中,使得物體藉由熱輻射傳導至環境中的熱能大幅提升,屬於被動散熱的一種,設計散熱系統時也能與散熱鰭片搭配而獲得更好的效果,提供設計人員更多樣化的選擇。而目前的文獻較常見為使用通稱為奈米碳材的石墨烯以及奈米碳管作為填料,再藉由添加陶瓷粉末形成協同效應(Synergetic effect)來促進輻射散熱的效果。雖被證實有效,但受限於奈米碳材的成本高昂且不易大量生產,使得散熱塗料的推廣使用不易。此研究為奠基於本實驗室之前的成果,將原本的陶瓷添加物改為氧化鋁粉末,並改以常見且成本較低廉的碳黑、石墨粉和活性碳粉作為促進散熱的填料製備壓克力散熱塗料,再將完成的塗料噴塗於鋁片之上做為10 W的LED模組之散熱片,經實驗觀察在適當的添加量下最高能達到13.2 °C的降溫,而相比之下以1:1之重量比的石墨烯和多壁奈米碳管混合物做為填料的散熱塗料的試片最高降溫為13.7 °C,相差僅為0.5 °C,由此實驗結果可知本研究成功開發了一種高性價比的散熱塗料,並在成本上能滿足消費級產品的需求。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 以固態電解質與多孔矽電極實現抗壓耐震型超級電容之技術開發(2020) 陳信融; Chen, Shin-Rung超級電容(Supercapacitors)擁有快速充放電、功率密度高、元件壽命長等優點,可應用於行動通訊、車輛運輸、智慧電網等領域。然而,目前超級電容的製作技術中,許多是利用平面金屬電極,再加上碳海綿、碳氣凝膠或電紡絲碳纖維等3D多孔碳結構,意圖以增加碳活性材料之比表面積的方式,達到提高電容器功率密度之目的。然而,這些平面金屬加上3D多孔碳結構的電極,當元件受到大應力、高速撞擊與震動的作用下,這種平面金屬/多孔碳結構將產生嚴重的的脫層或塌陷而失效,使其無法應用於國防工業、航天太空、電動載具等抗壓耐震需求之超級電容上。 因此,本研究將使用三種製程方式製作矽基電極,第一種製程只使用光輔助電化學蝕刻(Photo-assisted electrochemical etching, PAECE)製程,在參數為氫氟酸10 wt% 界面活性劑酒精1 wt%、偏壓為3.5 V、蝕刻時間為8 hr的情況下,可以得到深度約為222 μm的隨機矽孔洞結構;第二種製程為使用黃光製程與反應性離子蝕刻技術,事先定義出陣列圖案的蝕刻窗後,再以光輔助電化學蝕刻技術製作,在參數為氫氟酸2.5 wt%、界面活性劑 DC 1 wt%、偏壓3 V、蝕刻時間 2 hr之下完成深度約為162 μm之矽孔洞結構;第三種製程為先使用ICP-RIE技術製作巨孔洞陣列結構,再以光輔助電化學蝕刻技術粗化孔洞結構內壁,參數為氫氟酸2.5 wt%、界面活性劑 DC 5 wt%、偏壓1 V、蝕刻時間 2 hr。三種多孔矽結構完成後,分別使用化學氣相沉積(Chemical vapor deposition)在其表面生成碳膜,此可鈍化多孔矽表面電荷陷阱(Surface charge traps)並增加導電性,再將混拌石墨烯薄片(graphene)、二氧化釕(RuO2)、高分子材料(PVA)的酸性電解液,以真空抽氣方式滲入多孔結構中並固化,以實現高抗壓耐震性超級電容之開發,後續再利用恆電位儀進行C-V特性曲線(C-V curve)量測、恆電流充放電曲線(Galvanostatic charge/discharge curve)等量測分析。由於使用第二種製備法之矽基電極在量產結構時遇到稜線蝕刻過度的問題,而不適用於超級電容之製作,第三組製程則是在組裝測試之後,C-V曲線中的電壓與電流呈線性關係,恆電流充放電曲線則是出現了充電進去之後電卻放不掉的現象,代表電容內阻過高,從這兩點推測選用之晶片阻值過高(>4000 –cm)導致電容無法正常運作,因此本研究先將重心放在第一種製程使用單純光輔助電化學蝕刻製作矽基電極,量測後發現在混入石墨烯 5 wt%以及二氧化釕 5 wt%的固態超級電容,在0.127 A/g的電流密度下graphene/RuO2的電容性能為1.5 F/g,並且經由50次循環充放電之後,仍保有88%的電容保持率,在承受30 g的加速度之下依舊保擁有95%的電容保持率,電容需負荷超過24.5 KPa之壓應力(2×2 cm2的電容承受1 kg)後才會破損,在此狀態下電容值仍然保有原有性能之55%。Item 應用超快雷射技術於石墨烯奈米銀金屬粒/聚醯亞胺複材之熱檢測元件探討(2020) 蕭鈞庭; Hsiao, Chun-Ting本研究利用超快雷射製程技術(Ultrafast laser processing technique)進行微結構(Microstructures)之熱元件(Heating device)製作及其特性之探討,以應用於氣體檢測(Gas detection)。在本研究中會使用超快雷射直寫技術分別於石墨烯(Graphene)/聚醯亞胺(Polyimide, PI)基材及奈米銀(Silver nanoparticles, AgNPs)/石墨烯/PI基材進行雷射測試,固定重複率為300 kHz、加工次數3次下,在振鏡掃描速度為500 mm/s及雷射能量密度為2.45 J/cm2,完成薄膜製程及元件製作,並依此參數製作不同寬度熱檢測元件。研究顯示在相同寬度5 mm下,石墨烯/PI基板給予功率6.10 W時,最高溫約134 ℃;奈米銀/石墨烯/PI基板給予功率5.83 W時,最高溫約104 ℃。另外,在相同寬度6 mm下,石墨烯/PI基板給予功率為6.10 W時,最高溫約110 ℃;奈米銀/石墨烯/PI基板給予功率4.48 W時,最高溫約113 ℃。進一步本研究顯示在寬度6 mm之奈米銀/石墨烯/PI基材熱檢元件,能給予較少功率,產生出100 ℃以上溫度,且基材彎曲90 o時,溫度仍能維持在100 ℃以上。同時,本研究搭配設計所製作的指叉狀(Interdigitated)電極元件進行氣體量測,研究顯示在一氧化氮(Nitric oxide, NO)濃度為650 ppm時,該元件電阻值可從78 上升至85 ,氣體響應值約9 %,且氣體響應值會隨氣體濃度增加而上升。Item 導電奈米纖維複合碳黑/石墨烯應用於鋁離子電池之研製(2019) 林至寬; Lin, Chih-Kuan可充電式之多價金屬離子電池由於具有高理論比電容值和較低之成本而受到廣泛的關注,其中,鋁具有存量豐富,安全性高,對環境友善和利用三電子進行氧化還原反應之高體積容量等優勢,被認為是下一代可充電電池的有力候選人。 本論文以SU-8 2050厚膜光阻為材料,使用黃光微影技術於尺寸2×2 cm2之鉬箔上製作SU-8圓柱陣列結構,並以靜電紡絲技術製備SU-8紡絲奈米纖維。接著透過靜電紡絲技術製備SU-8紡絲奈米纖維。再以兩段式升溫之高溫碳化製程將SU-8光阻轉變為類玻璃碳材料(Glassy carbon),完成直徑32 µm、深寬比5、間距80 µm之導電碳圓柱陣列結構以及線徑910 nm之碳奈米纖維(Carbon nanofiber)之製備。後續將碳奈米纖維以均質機破碎後,與石墨烯(Graphene)和碳黑(Carbon black)藉由NMP@PVDF黏著劑複合形成鋁離子電池陰極之電極漿料,並滴塗於導電圓柱陣列電極中,完成全碳之鋁離子電池陰極之製作。本論文選擇8組不同漿料用於製備鋁離子電池的陰極,包括未添加碳奈米纖維的漿料,以石墨烯:碳黑=1:0、1:1、1:5、1:8之比例製備四組電極,並於相同之石墨烯與碳黑比例下額外添加碳奈米纖維,再製備出石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:0:0.5、1:1:0.5、1:5:0.5、1:8:0.5等四組電極。將電極均組裝成鋁離子電池元件後,透過恆電位儀進行循環伏安曲線(Cyclic voltammetry curve, C-V curve)測試以及恆電流充放電(Galvanostatic charge/discharge, GCD)之測試,評估電池之性能。量測結果發現,添加碳奈米纖維之四組電極的C-V 曲線面積,分別比未添加纖維之四組提升了660%、57%、-17%、314%。除石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:5:0.5電極之C-V曲線面積有小幅度下降外,其餘電極之C-V 曲線面積均有大幅度提升,說明添加碳奈米纖維能夠提供更多比表面積供鋁離子嵌入與嵌出,進而提升電池效能。將上述8組電極所組裝而成之鋁離子電池中,選取性能較好之石墨稀:碳黑=1:1、1:5與石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:0:0.5、1:1:0.5、1:5:0.5、1:8:0.5六組電極,以100 mA/g之電流密度進行恆電流充放電測試,並計算其比電容值,分別得到3.5、2.5、8.25、14、5、4 mAh/g的結果。其中,石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:1:0.5之電極具有最高的充電比電容值12 mAh/g,以及放電比電容值14 mAh/g,並且具有85.7%之庫倫效率。此外,石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:1:0.5與1:5:0.5兩組電極之比電容值,分別達到未添加碳奈米纖維電極的4倍與2倍。Item 利用皮秒雷射以可撓性導電技術於溫度感測元件之探討(2019) 林品均; Lin, Pin-Chun本研究利用皮秒雷射直寫(Picosecond laser direct-writing)技術於石墨烯薄膜(Graphene film )上,進行可撓性導電元件(Flexible conductive device)之製作,該元件設計是包含微加熱器(Micro-heater)與微感測器(Micro-sensor)之兩種電極結構。透過電極結構不同間距(Gap)的設計,探討微加熱器之熱電學特性,以及對於微感測器之靈敏度影響。進一步,本研究利用彎曲(Bending)實驗在可撓性導電元件進行穩定性測試。實驗結果顯示,當輸入電壓12 V時,微加熱器能夠於10 sec內快速提升至穩態溫度,其最高溫度可以達到85 °C,以及具有均勻熱分佈之效果。進一步,當微加熱器之電阻值分別控制為206.90±6.21 Ω及290.25±8.71 Ω時,在輸入電壓12 V下分別能夠達到90.54±6.06 °C與53.55±3.85 °C,說明了製備較低電阻值之微加熱器能夠得到更佳的升溫特性。此外,利用微加熱器作為熱源,能夠使微感測器的電阻產生變化,藉此獲得溫度感測器調控之驗證。實驗結果顯示,當改變間距從1300 μm 至100 μm時,其元件靈敏度值自3.35×10-4 °C-1提高至14.7×10-4 °C-1,大幅增加了77.21 %,證明當兩電極的間距愈接近時,其靈敏度會增加。最後,本研究進行可撓性導電元件之彎曲次數100次循環下,該元件電阻與溫度性質不受影響,其誤差值分別在±5 %與±5 °C,說明此研究開發之石墨烯導電薄膜元件,具有良好的抗彎折特性,以應用於可撓性導電元件之溫度感測。Item 先進雷射石墨烯結構製程技術於生物分子元件應用之研究(2018) 陳肇祈; Chen, Zhao-Chi多功能生醫晶片的實現,用於人類的醫療保健上,除在生活中預防疾病發生外,更能即時甚至提前預測以獲得病患身體檢測之訊息,進一步於醫院接受更完整與深入治療,使病患在疾病之初期,立即獲得有效的診療。本研究在開發先進雷射(Advanced laser)於石墨烯(Graphene)圖案化電極製作及應用技術,以脈衝雷射剝離(Pulsed laser ablation, PLA)製程直寫(Direct writing)方式,在多層石墨烯(Multi-layer graphene, MLG)薄膜基材,進行製程材料的探討與感測元件的製作。本研究所使用的先進雷射系統,包括波長355 nm與532 nm的超快皮秒脈衝雷射(Ultrafast picosecond pulsed laser, 355/532-UPPL)及波長355 nm的奈秒脈衝雷射(Nanosecond pulsed laser, 355-NPL)。藉此先進雷射剝離製程,探討與多層石墨烯薄膜材料間之影響及特性分析,以製作感測電極結構元件。同時搭配微流體元件(Microfluidic device)設計和靜電紡絲(Electrospinning nanofibers)技術,實際應用於不同生物分子之元件檢測。 本研究以雷射製程技術於葡萄糖(Glucose)檢測元件的應用上,在加入葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase, GOD)前/後,其皆呈現線性關係。然而,GOD的電特性是能夠直接通過監測多層石墨烯導電薄膜來獲得的,該電性響應顯示良好的葡萄糖檢測濃度範圍為1 mM到10 mM。此外,在微流體元件的應用上,以順時鐘(Clockwise)方式製作陣列柱狀微流道(Pillar array channels)結構,其具有少量的熔渣(Dross)與平滑的表面特徵,利用實驗結果之模型預測,玻璃基板(Glass substrate)的移除率(C)可達到0.04 μm/pulse。在靜電紡絲奈米線實驗中,PVA-G混合奈米線透過少量摻雜(濃度為6%)石墨烯薄片是可降低薄膜之電阻,並且能夠在溫度60 °C下進行操作,消耗電功率(Electric power, P)為265.25 mW。在相對溼度(Relative humidity, RH)為80%時,其較佳的濕度檢測之電性響應(Electric response)、反應時間(Response time)及恢復時間(Recovery time)性質分別顯示為66.4%、11 sec和35 sec。在聚合酶連鎖反應(Polymerase chain reaction, PCR)元件的實驗中,陣列孔洞之快速熱循環(Hole arrays-rapid thermal cycling, HA-RTC)元件顯示在60分鐘的時間能夠於人類多瘤性病毒(BKV)的標記物(Marker),以及其在354鹼基對(Base pair, bp)的VP1片段完成診斷(增幅),證實以多層石墨烯薄膜電極製作之微型加熱元件是較佳溫度保持以及熱傳導之特性。 本研究以先進脈衝雷射一次性製程(Single-step process)技術,達成免光罩(Mask-less)、微型化、快速製作及微量偵測之需求,在生醫檢測元件設計與應用,並以石墨烯材料製作薄膜檢測元件之特性,在靜電紡絲製作混合奈米線應用於生物分子之檢測獲得到驗證。Item 以皮秒雷射多孔薄膜元件技術於氣體檢測之研製與實現(2017) 甘鎧榕; Gan, Kai-Rong氣體檢測晶片及其模組開發技術,一直為空氣與環境監控的重要關鍵。近年來,雷射製程科技的發展迅速,超短脈衝(Ultra-short pulse)雷射之微細製程技術,也多應用在電子、機械與生醫工程領域。本研究採用超短脈衝雷射之微細製程技術進行材料進行電極及感測器之製備,與一般半導體製程之感測器相比於設計及初步研究時製程速度較快,即無需微影製程等複雜之步驟就可完成製作。本研究透過皮秒脈衝雷射直寫(Picosecond laser direct-writing)於石墨烯(Graphene)薄膜上進行感測圖型之製作,其構型有線圈式與指叉式結構,並探討二種結構對氣體感測結果之影響。最後再試著與3D之多孔材料製成之氣體感測器比較。本研究結果顯示線圈結構式感測器type 2 (3圈)對於水氣的反應靈敏,當相對濕度RH = 47% ~ 70%時,該電阻之檢測值可自1902 Ω至1934 Ω,其靈敏度(Sensitivity)為2.3%,且在量測一氧化碳(CO)氣體,該電阻之檢測值可自1823 Ω降低至1780 Ω,其靈敏度為1.6%。另外,使用氧化石墨烯多孔結構與平面指叉狀結構量測相對濕度RH = 45% ~ 65%進行比較,在氧化石墨烯多孔結構於電阻之檢測值會由10.8 MΩ降至0.18 MΩ,其靈敏度為99%,於指叉狀結構之感測器,其電阻之檢測值由2.22 kΩ上升至2.36 kΩ,其靈敏度為7.2%,顯示立體多孔結構其感測能力較為靈敏且對水氣之反應較快,且易達到穩定。