指導教授：楊燿州臺灣大學：機械工程學研究所許力升Hsu, Li-ShengLi-ShengHsu2014-11-292018-06-282014-11-292018-06-282014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/263246本研究發展了一個巴克紙(Buckypaper)的壓阻效應的解析模型，透過實驗來展示此模型於應變與觸覺感測器之應用。目前已有眾多文獻探討巴克紙作為感測器之應用，其中亦不乏對其進行性質探討的研究，包括巴克紙本身的導電模型，然而對於應變發生後巴克紙的導電模型尚未有明確的研究。本研究利用現有巴克紙導電模型加以延伸，透過元件的機械材料性質及尺寸參數，發展了能夠應用於應變產生後的巴克紙壓組效應模型。 影響巴克紙性質的關鍵在於將其構成的奈米碳管間的相互作用，即奈米碳管之間的聯結密度(junction density)。在已發表的文獻中，對於奈米碳管聯結密度與電阻的關係已有明確的探討，而本研究則透過機械性質，將奈米碳管聯結密度加以發展。未受到應變前的巴克紙模型由元件尺寸定義奈米碳管聯結密度的情況，應變發生後的則透過應變進行定義。所有變數均為應變的關係式。當應變發生於巴克紙後，整體材料會隨之產生尺寸變化，尺寸變化導致孔隙率變化因而使奈米碳管間聯結密度發生改變，進而對電阻產生變化。除了發展適用於解釋應變發生後的巴克紙模型，本研究亦製作了三個簡單的元件進行量測與計算。元件分別以懸臂樑與雙鉗樑的形式作為應變感測器以及觸覺感測器使用。由量測與理論計算的驗證，應變感測器元件受力小於1N時的電阻值變化估計較為準確，而元件受力大於1N後，雖然量測值與理論計算不完全相同，但能然具有相似的趨勢可以做為參考。In this paper, we present the modelling and measurement of a buckypaper-based strain/tactile sensor. The proposed modeling results can be used for designing buckypaper-base tactile sensors and strain sensors, and estimating the resistance changes of the sensing elements on the devices. Various buckypaper-based sensors, as well as the studies on the properties of buckypaper, have been presented. However, the modelling of buckypaper for explaining the behavior under strain has not be reported. In this work, the previously-published resistance models of buckypaper is extended to describe the piezoresistive behaviors of buckypaper. The resistance model is derived by using the carbon nanotubes (CNTs) junction density theory and the structural mechanics theory. The proposed model, which gives the relationship between resistance change and strain, was expressed analytically with the parameters such as device dimensions and material properties. Three of buckypaper-based sensor were measured and calculated. The cantilever beam was served as strain sensors and the double-calm beam was served as tactile sensors. The results predicted by the model were validated by the measured results. While force applied to sensors is smaller than 1N, the analytical results follow the measured results very well. As the applied force is larger than 1N, the analytical results deviate from the measured results, while follow the similar trend of measured results.致謝 I 摘要 III Abstract V 目錄 VII 圖目錄 XI 表目錄 XV 符號說明 XVII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.2.1 巴克紙(Buckypaper)的製備及應用 2 1.2.2 應用於應變與觸覺感測相關的巴克紙元件 5 1.2.3 影響巴克紙導電特性的變數 13 1.3 研究動機與目的 22 1.4 論文架構 22 第二章 理論與設計 25 2.1 觸覺感測器的操作原理 25 2.2 應變感測器的操作原理 26 2.3 巴克紙的電阻變化 26 2.3.1 奈米碳管本身的導電特性 34 2.3.2 奈米碳管長度 34 2.3.3 奈米碳管直徑 35 2.3.4 巴克紙(Buckypaper)中的奈米碳管密度 35 2.4 感測器透過機械性質及元件設計預期的結果 35 2.4.1 巴克紙(Buckypaper)的機械性質 43 2.4.1 應變計算 46 第三章 元件製程 53 3.1 實驗製作流程 53 3.2 奈米碳管溶液 54 3.2.1 奈米碳管的分散 55 3.2.2 對奈米碳管進行酸處理 55 3.2.3 奈米碳管分散液 57 3.3 框架製作 57 3.3.1 光罩設計與製作 58 3.3.2 基板選用與處理 59 3.3.3 微影製程 60 3.4 奈米碳管填充以及框架拆除 65 3.4.1 使用真空過濾法填充奈米碳管 66 3.4.2 拆除框架 67 3.5 元件製作成果 67 第四章 量測結果與討論 73 4.1 電極陣列附著力量測 73 4.1.1 應變感測器架設 73 4.1.2 觸覺感測器架設 73 4.2 結果比較 74 4.2.1 量測所得結果 74 4.2.2 計算所得結果 78 4.2.3 量測與理論計算結果的比較 81 第五章 結論與未來展望 85 5.1 結論 85 5.2 未來展望 86 參考文獻 89 附錄 A 974820373 bytesapplication/pdf論文公開時間：2016/08/25論文使用權限：同意有償授權(權利金給回饋學校)巴克紙奈米碳管電阻應變感測器觸覺感測器thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/263246/1/ntu-103-R01522718-1.pdf