楊燿州Yang, Yao-Joe臺灣大學:機械工程學研究所黃信華Huang, Xin-HuaXin-HuaHuang2010-06-302018-06-282010-06-302018-06-282009U0001-2707200915460800http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/187182本研究提出一創新性電容感測器結構，可應用於可撓式觸覺感測陣列。此新式的設計，除了製造程序簡易，更具有高可靠度的特性。本研究之電容式觸覺感測陣列的製造技術，是採用微機電製程及軟性電路板技術製作而成，其感測元件以聚二甲基矽氧烷 (Polydimethylsiloxane, PDMS) 與聚亞醯胺 (Polyimide, PI) 構成其主要結構材質與可撓性基材。電容式觸覺感測器由上層浮動電極與下層感測電極所構成，浮動電極使用微機電製程之方式製造。首先，以微機電技術之微影製程製作SU-8母模，隨後進行PDMS翻模以製作出可撓性PDMS結構層，再蒸鍍金屬於PDMS結構層作為浮動電極，感測電極與線路則利用軟性電路板技術製作完成。為了提升測量感測器效能之精準度與有效性，本研究架設一自動化電容量測平台，該量測平台針對電容式觸覺感測器施加壓力並進行電容與位移之測量，並使用LabVIEW®圖控程式軟體整合，透過各種傳輸介面如RS-232、GPIB、DAQ卡，達到自動化量測電容式觸覺感測器之目的，以評估感測器之效能。另外，本研究使用微機電系統模擬軟體Coventorware®，模擬電容式觸覺感測器受力時之電容以及位移變化，並將模擬與量測結果進行比較驗證。本研究針對製作之不同大小的感測器單元進行測量，如4.5×4.5 mm2，3×3 mm2 與1.5×1.5 mm2，其敏感度分別為0.55%/kPa、0.15%/kPa 與0.03%/kPa。研究中亦開發電容式觸覺感測陣列之掃描電路，並成功擷取到以不同形狀之PMMA模塊壓印於8×8電容感測器陣列之圖形。In this work, we present the development of a reliable capacitive tactile sensing array by using simple fabrication processes. The sensing array, which consists of a micromachined polydimethlysiloxane (PDMS) structure and a flexible printed circuit board (FPCB), will be used as the artificial skin for robot applications. Each capacitive sensing element comprises two sensing electrodes and a common floating electrode. The sensing electrodes as well as the metal interconnect for signal scanning are implemented on the FPCB, while the floating electrode is patterned on the PDMS structure. This special design can effectively reduce the complexity of device structure and thus makes the device highly reliable and manufacturable. The characteristics of the devices with 4.5?4.5 mm2, 3?3 mm2 and 1.5?1.5 mm2 sensing elements are measured and discussed. The measured sensitivities for these three devices are 0.55%/kPa, 0.15%/kPa and 0.03%/kPa, respectively. The scanning circuit for capacitive sensing array are also designed and implemented. The tactile images induced by the PMMA stamps of different shapes are successfully captured by using a fabricated 8x8 array.目錄謝 I要 IIbstract III錄 IV目錄 VI目錄 XI號說明 XII一章 緒論 1.1 前言 1.2 研究動機與目的 2.3 文獻回顧 2.3.1 壓電式 3.3.2 壓阻式 7.3.3 電容式 20.3.4 其他類型 31.4 論文架構 38二章 理論基礎 40.1 電容式感測基本原理 40.2 本研究之新型電容感測機制 44三章 製造方法與步驟 51.1 製程規劃 53.2 製程設計與原理 55.2.1 基材清潔 56.2.2 微影製程 56.2.3 金屬蒸鍍 59.3 感測器之製作流程 60.3.1 SU-8母模製程 60.3.2 PDMS轉印製程 64.3.3 E-beam鍍膜 68.3.4 PDMS之氧氣電漿接合 70四章 量測平台系統 76.1 控制系統 76.2 實驗架設環境 79.2.1 三軸移動平台 81.2.2 拉壓力計 82.2.3 電容量測儀器 85.2.4 線性規 86五章 量測與討論 88.1 單元電容式壓力感測器效能量測與模擬 88.2 感測器陣列之效能討論 93六章 結論與未來展望 99.1 結論 99.2 未來展望 101考文獻 103錄 A 111目錄1-1、Li et al. 所發表之壓電式壓力感測器 41-2、Takashima et al. 所發表之壓電式壓力感測器 41-3、Dahiya et al. 所發表之壓電式壓力感測器 51-4、Qiao et al. 所發表之壓電式壓力感測器 61-5、Chengkuo et al. 所發表之壓電式壓力感測器 61-6、Kane et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 71-7、Wang et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 81-8、Adam et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 91-9、Yang et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 101-10、Engel et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 111-11、Engel et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 121-12、Hwang et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 121-13、Shimojo et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 131-14、Tajima et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 141-15、Someya et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 151-16、Choi et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 161-17、Noda et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 171-18、Kerpa et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 171-19、Wang et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 181-20、Hosoda et al. 所提出之壓阻式壓力感測器 191-21、Yamada et al. 所發表之壓阻式壓力感測器 201-22、Hoshi et al. 所發表之電容式壓力感測器 211-23、Sergio et al. 所發表之電容式壓力感測器 221-24、Chang et al. 所發表之電容式壓力感測器 231-25、Lee et al. 所發表之電容式壓力感測器 241-26、Palasagaram et al. 所發表之電容式壓力感測器 251-27、Hasegawa et al. 所發表之電容式壓力感測器 261-28、Muller et al. 所發表之電容式壓力感測器 271-29、Schmidt et al. 所發表之電容式壓力感測器 281-30、Suzuki et al. 所發表之電容式壓力感測器 291-31、Chang et al. 所發表之電容式壓力感測器 301-32、Toshiharu et al. 所發表之埋入式IC壓力感測器 311-33、Heo et al. 所發表之光纖維傳導之壓力感測器 321-34、Lang et al. 所發表之光纖式壓力感測器 331-35、Ohka et al. 所發表之光學式壓力感測器 341-36、Maheshwari et al. 所發表之壓力感測器 351-37、Futai et al. 所發表之電感式壓力感測器 361-38、Rothmaier et al. 所發表之光學式壓力感測器 372-1、平行板電容器的配置 402-2、交指型電容器的配置 412-3、邊際電容器的配置 412-4、差動電容器的配置 422-5、差動電容器之模型 432-6、差動式電容典型電路 432-7、電容式壓力感測器感測機制示意圖 452-8、本研究所提出之電容式壓力感測器示意圖 482-9、本研究所提出之電容式壓力感測器壓力感測機制 493-1、電容式壓力感測器結構爆炸圖 513-2、電容式壓力感測器單元細部尺寸圖 523-3、電容式壓力感測器之PDMS structure layer與PI layer尺寸圖 533-4、電容式壓力感測器設計與製作流程 543-5、電容式壓力感測器製程圖 553-6、軟微影技術之設計與製作流程圖 573-7、SU-8母模製程流程圖 603-8、SU-8塗佈轉速與厚度圖 613-9、SU-8軟烤升溫曲線圖 623-10、SU-8曝光之光罩圖 633-11、SU-8母模完成圖 633-12、PDMS單位結構 643-13、PDMS元件翻模流程圖 653-14、真空乾燥皿與真空泵浦 653-15、PDMS塗佈轉速與厚度 663-16、PDMS旋轉塗佈於SU-8母模 673-17、壓克力母模之Solidwork 爆炸圖與實物圖 673-18、PDMS bump layer完成圖 683-19、PDMS structure layer製作流程圖 693-20、鋼片製作完成圖 693-21、PDMS structure layer完成圖 703-22、PDMS與玻璃接合示意圖 713-23、氧氣電漿產生機 723-24、PDMS bump layer與 PDMS structure layer接合圖 733-25、不同單位尺寸之Flexible PCB 完成圖 743-26、Flexible PCB layer細部結構圖 743-27、電容式壓力感測器組合圖 754-1、人機介面操作圖 774-2、本研究開發之LabVIEW®人機介面自動化量測流程圖 794-3、量測系統架設規劃圖 804-4、量測架設平台示意圖 814-5、X-Y-Z三軸平台 824-6、Algol HF-1拉壓力計 834-7、National Instrument 6221 USB DAQ 834-8、拉壓力計力與電壓輸出之實驗架設圖 844-9、力與電壓變化之關係圖 844-10、Keithley model 590 CV analyzer 854-11、BNC 低雜訊Cable 與探頭 864-12、線性規實物圖 864-13、實驗架設完成圖 875-1、不同尺寸之電容式壓力感測器表現量測結果 885-2、電容式壓力感測器表現量測結果與模擬之比較 905-3、電容感測器受力之位移參考位置圖 915-4、電容感測器受力時位移之模擬與量測結果比較圖 915-5、電容式壓力感測器受力時金屬面碰觸到底部之情形 925-6、電容式壓力感測器之第一模態分析 935-7、電容感測電路示意圖 945-8、壓力感測器陣列掃描電路設計示意圖 955-9、掃描電路與壓力感測器完成圖 965-10、電容式壓力感測器於圖形化介面結果表現 975-11、本研究所研製之電容式壓力感測器 986-1、電容式壓剪應力感測器受剪應力變形示意圖 1016-2、電容式壓剪應力感測器爆炸圖 102 A-1、電容式壓力感測器感測之模型建立 111A-2、電容式壓力感測器模型a-a剖面圖 112A-3、壓塊模型製程設定 114A-4、壓塊模型網格設定 115A-5、壓塊模型與網格建立完成圖 115A-6、電容式壓力感測器模型製程設定 116A-7、電容式壓力感測器模型網格設定 116A-8、電容式壓力感測器模型與網格建立完成圖 117A-9、模型建立完成圖 117A-10、各設定面之命名 118A-11、感測金屬層之設定面命名 118A-12、邊界條件之設定 119A-13、電容式壓力感測器受力之位移模擬圖 119A-14、電容式壓力感測器受力之a-a剖面位移模擬圖 120A-15、電容模擬變形模型選擇設定 121A-16、電容模擬之邊界條件設定 121目錄1-1、壓力感測機制比較表 383-1、電容式壓力感測器之PDMS structure layer與PI layer尺寸 535-1、不同尺寸之電容式壓力感測器達飽和應力時之數值與敏感度 895-2、本研究所研製之電容式壓力感測器規格 9811471711 bytesapplication/pdfen-US電容感測器觸覺感測陣列軟性電路板微機電製程浮動電極Capacitive tactile sensing arrayMEMSSU-8PDMSthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/187182/1/ntu-98-R96522705-1.pdf