規劃構想

        目前半導體積體電路、光電元件、顯示器、奈米科技與微機電系統等高科技產業已迅速的成長;為研究及發展更新更快之元件,學者專家們不斷的增加微小結構之複雜性及高密度性,以使更多的功能可被安置在一微處理器中;然在持續增加其計算能力的要求下,需要更進一步的微形化,也因此隨著微小化的過程而衍生各種新興材料微結構與機械性質的問題;同時隨著各種先進設備與製程技術的提升,很多新穎之薄膜材料被設計與研發,但由於材料結構在微奈米尺度之各項性質和其巨觀塊狀結構有著極大的不同,在控制化學製程及晶粒大小的過程中產生了許多新穎材料特性改變,此現象對製造生產某些特性需求而調配的機能材料提供一個極大的可行性,對高科技產業的發展與提昇是相當重要的一環。

        最近在2009年及2007年科學"Science"期刊中,各刊出了一篇發現對於奈米結晶晶粒nanocrystalline組成之金屬薄膜表現出與傳統對基礎材料力學認知上相反之新穎機械行為,分別為(1)晶粒晶界非固定且會產生遷移的機械行為;此行為推翻了傳統上界定晶界為一靜止結構且其作用在塑性變形中差排滑移之阻障行為的認知;文中報告此新穎之行為在應力作用(尤其剪應力)下極為明顯,因此造成晶粒長大而同時降低材料之降伏強度(2)塑性變形回復的機械行為;文中建議此新穎塑性變形回復是來自在微結構裡小而平均的奈米晶粒和薄膜非均質現象inhomogeneities所影響的結果。

         然而有關此金屬薄膜材料晶界遷移與非均質影響其機械行為的現象與理論,目前仍存在許多未知,尤其上述發現之行為推翻了基礎材料科學與應用力學上對於材料的認知:(1)金屬材料之晶粒晶界為一靜止結構且其作用在塑性變形中差排滑移之阻障(2) 金屬材料受外力產生之塑性變形為永久變形並不可回復;因此更深入的對於奈微米材料結構及其機械性質之量測及瞭解在基礎科學的研究上有著迫切的需要。

       目前為止,有許多相關的實驗和理論都是依據材料在大尺度規模時巨觀的性質來推演;相較之下,以材料在微奈米尺度的機械行為依據的實驗與研究探討卻往往因其試件製程與量測機制的種種限制而無法有完整而合理的結果。因此設計研究新而適合量測材料在微小尺度的高準度實驗,進而衍生一完整而有價值的次微米到奈米薄膜材料之新穎機械行為的分析有著重要且亟為迫切的需求。

       本實驗室指導教授承襲其美國博士班及博士後研究之學術專業(指導教授美國國家科學院士暨工程院士Walter Brown, 史丹佛博士Terry Delph及 Richard Vinci ) 建構本實驗室,所擁有之各項實驗設備,主要針對上述微奈米薄膜材料性質量測與測試,運用光點、光干涉、電子、電容、共振與機械相關實驗以量測利用無塵室標準製程產生之微機電結構材料之微奈米厚度薄膜,可測出其楊氏系數,應力釋放,應力破壞,疲勞等各項機械性質其與晶相結構之關係;因此能提供瞭解與認識微奈米材料機械性質以利於設計及發展新一代微機電,半導體及奈米材料元件。

        此外目前更在已建立之基礎上進行包括在微熱流系統與生物微機電之研究以及協助中部地區科技產業發展,具體成果包括以微製造基礎設計改善LED發光效率之晶片結構設計,由於LED光源之表面溫度與其發光效率有著最直接的影響,若能將其表面溫度將低,不僅使LED磊晶發揮其功能,且能增長期使用時數,其中解決溫升問題之具體方法是降低封裝的熱阻抗、改善晶片結構、採用小型晶片及改善封裝方法。

        此外在生物微機電流道設計上,是與生科化工系教授合作模擬人體免疫系統,設計一種以利用壓力差將微膠囊通過排孔擠破,並以串級的方式釋放內含物質的微流道。目前導入電濕潤效應提供新的微流體驅動方式,能有效地控制微流體通過排孔;此法利用電能去控制微流體表面潤濕性,藉此取代以壓力差的方式傳送微流體通過排孔,進一步擠破微泡囊並釋放其內含物質;研究之目的在使用此聚合的膠囊作為人造淋巴細胞處理類比Immuno的傳感作動器, 這項研究的結果為設計新微流道以利生物溶液運作和生物微機電(bioMEMS)技術類比人類免疫系統已有初步的成果。此外亦與農學院教授合作研究運用相變材料(Phase Change Material, PCM)在相變過程中吸能與放能的特性,達成能量的儲存與利用;在此設計微膠囊化相變材料,以顆粒狀的相變材料外披覆一層阻絕薄膜的膠囊體,所形成的膠囊顆粒大小在數個毫米(mm)到微米(μm)間。此種形式的微膠囊化相變材料具有高的吸放熱量、低的系統溫度波動度、能降低傳熱損失、增大傳熱面積、流動傳熱時會促進擾流提昇熱傳、增加工作流體的熱容量及相分離發生等特性,因此能在各種微系統暨微生物系統散熱機制上做運用。

       產學計畫上包括執行中興大學創新育成產學合作廠商,針對其水平整平儀模組暨機構進行再設計及提供簡化元件模組機構之設計方案,已為公司設計發展出數種整平平台機構,並因此榮獲中興大學九十七學年度創新育成中心績優輔導老師。執行以FPGA程式設計一新式解角數位轉換法及以FPGA程式設計實現線性馬達定位解析,其中以美國國家實驗室NI Lab-View軟體模擬完成後再以此設計進行設備的整合建立,設計一判讀實驗相關數據之程式,並結合其他設備而整合出完整且獨立的試驗設備,協助工研院量測中心與國家度量衡標準實驗室訂定奈米壓硬機之校正標準,包括調整Indenter壓頭與試片連結系統與光源光路反射路徑一致性、分析試件表面之光源反射影像處理、分析微試件機械常數與實驗參數計算、執行以最佳試件尺度材料探討Indenter壓頭推動試片連結系統與光路反射產生之勁度相關實驗及協助整理實驗結果與衍生之相關理論依據。此外並設計整合與評估制定薄膜材料機械性質量測規範。