1.1 源起
因應光電、半導體、生技及奈米科技等產業往下一世代發展，對於奈 米等級的各項儀器設備需求更顯殷切。在近十餘年的科技發展，由於許多 的科學研究及工業上的實際需求，所謂的超機密加工達次微米等級之加工 機，已在生產線上使用。在2007 年，台灣半導體產業更著手準備 90、65 奈米等級之晶圓製造代工。在一般容許的定位誤差界定，必須在製程線寬 的30%以內，欲得更可靠之品質則必須維持在 10%之內[1]。若以此評估，
在奈米級製程時代的當下，就必須擁有比10nm 等級更好的定位技術。欲 達到高精密定位則必須要先克服誤差的產生，如機械本身製造上的幾何誤 差、連接件間的磨耗誤差、運動中的進給誤差等。早在1970 年代後期，
已有人提出應用壓電塊推動順從機構（Compliance Mechanism）造成變形 達到傳動效果[2]，之後此項奈米級定位（微位移）技術已廣泛被研究、設 計。壓電元件常被使用為穩健的驅動器，可提供解析度高的位移且出力 大。順從機構則可維持此輸出特性，經由撓性鉸鍊的設計、配置，放大位 移或提升其解析度，以達更高精密定位之效果或更有效的位移。
而在微機電系統（MEMS）發展中，單純設計功能性結構已無法滿足 研究及應用需求，設計可動元件以實現更多機能要求是目前的研究走向。
然而其批量生產及無法組裝之特性，更加重了對撓性絞鍊的依賴，舉凡各 類微致動器，除了不同的驅動源外，大多搭配相應的順從機構來達到運 動、傳動的效果，以實現某種功能性的用途。適度的撓性，可降低其驅動 電壓的輸出；適當的剛性，可維持其結構的穩定性；經由對結構的尺寸設 計，可得良好的作動功能。
1.2 撓性絞鍊的優缺點
一般的順從機構或是微機電上的可動結構，大多跟隨著撓性絞鍊的設 計。簡單來說，撓性絞鍊是利用結構尺寸設計上薄弱的部分，在材料彈性 限度內所造成的微小變形來達到傳動的效果，以至產生位移。故此，其具 有可自動回復的特性，消除了傳動中的空程，作動平順且具連續性，能獲 得較佳之位移解析度。
這樣設計的特性，使撓性絞鍊相較於傳統連接對，有更多的優點。第 一、尺寸規格設計允許度大：因為其主要利用結構尺寸上的相對設計，而 非絕對規格，故大可達一般加工機台的零件大小，小可至微機電結構內的 一組結構件，皆可於結構上利用此類設計；第二、不需要潤滑：因為其一 體成型之體塊設計，沒有連接、組裝的問題，故不會因為往復動作，產生 摩擦、發生磨耗；第三、可達高解析度實現超精密位移要求：因在材料彈 性限度內，故可維持簡單的線性變形曲線，提供易於控制的位移變化量，
產生平順的位移運動。相對的，其缺點也顯而易見。在達到高解析度的同 時，整體結構只能提供很微量的位移；對於環境內些微的溫度變化，體塊 材料所產生的熱漲冷縮，相較於其提供的位移量，造成一個很大的誤差來 源，故通常需搭配其他較為長行程的精密位移系統，先進行粗定位，且只 適合在恆溫的環境下操作。
1.3 研究動機與目的
鍊及剛性強位移解析度高之絞鍊，分別作比較探討。找出其特性，並研究 各尺寸間的相對影響、關鍵參數，以利後續設計者有一參考依據。
故本文期望是一篇專注於撓性絞鍊研究、設計之論文。一方面將前人 所作之關鍵研究作深入的了解並簡介，另一方面利用前人所作研究、想法 概念為基礎，深入探究各形式撓性絞鍊，其相對尺寸的改變對撓性及剛性 所產生的效果，並利用田口法搭配有限元素法，系統性的進行分析比較，
解析數據並給予合理的解釋。進一步提出自己的相關設計概念，並分析比 較，探討其優缺點。最後根據前述所得的結論，進行評估的驗證工作，以 確認其正確性。
1.4 研究之步驟方法與限制
經由論文的搜集整理，進一步探討撓性絞鍊的發展；經由探討的過 程，進一步歸納分析；經由歸納分析，進一步開發我們自己的設計；最後 進行比較整理。
圖1.1 研究步驟流程圖 論文搜尋
文獻探討
進展歷程 型態分類 應用類型
有限元分析比較
田口法深入探討 整理歸納
新型態設計
結果驗證
在撓性絞鍊方面，我們著重在平面上的設計，不考量立體型態是因為 多一維度將帶來更多的變化性及複雜性，此研究將無法聚焦。所以，我們 希望能從基本的撓性絞鍊作延伸，將大部分的平面絞鍊形式設計在35*15 的範圍內，左右兩端以相同的10*15 作為固定端，中央的 15*15 部份則是 絞鍊設計變化的主要區域。對於左邊的端線給於全位移限制，由右邊的中 點給予10N 的施力以產生變形。另外，因為撓性絞鍊設計無規格尺寸的限 制，我們著重在相對尺寸上的探討，故在長度方面我們並不限定其尺寸為 公釐或奈米（在微機電結構為奈米等級尺寸；在定位平台為公釐尺寸）， 我們只給予可量度的數值，至於尺寸規格端看後續使用者的需要自行界 定；所以在結果的比較上，也已相對的大小來進行分析，因所產生的變形 結果會在10-6~10-9，我們會乘上109，將結果拉到一般的量化標準來作比 較，這樣也方便我們將譍力、應變量放在同一直條曲線圖上做比對。
圖1.2 平面絞鏈設計範圍限制
在田口法方面，我們選用 L9 的直交表，其可對每種設計進行四種變 數的分析探討。而在誤差項上，因軟體分析每次進行相同的運算結果幾乎 是相同的，即使使用不同主機進行分析，也不太可能有運算上的差異，故 我們導入平面與立體型態上的差異分析作為誤差。
在有限元方面，我們依前述的想法進行建模，在材料參數上我們選用 文獻上[3]曾提到的參數（Young’s modulus = 208*109 Pa、Poisson’s ratio = 0.27），而此組參數接近於鋁合金，適於定位平台的設計分析。
1.5 論文架構
本研究共分為六章。第一章緒論中，首先對於撓性絞鍊之研究背景及
實務需求進行簡單介紹，並簡述此研究的動機與目的及研究步驟、方法。
第二章針對撓性絞鍊做詳細的介紹，並將收集之主要研究文獻、參考資 料，作完整性的文獻探討，接著對撓性絞鍊在材料力學的數值模型上，做 理論介紹及推導。第三章則是將本研究所提到的田口法及有限元分析作簡 介，並針對本研究所選用之直交表、有限元分析之參數設定的相關選用，
作說明解釋。第四章主要說明本研究在比較分析上的想法，及欲探討的重 點，並進行建模、分析模擬。第五章則將第四章分析所產生之結果數據進 行解析比較，並試著提出合理解釋並進行驗證。第六章為其結論，總結研 究分析成果，並對未來相關研究之建議。