行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
生物組織應力分析之撓性陣列應變感測器設計與製造(第 2
年)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 99-2221-E-151-004-MY2 執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學機械工程系 計 畫 主 持 人 ： 黃世疇 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：謝昀修 碩士班研究生-兼任助理人員：鄭偉順 碩士班研究生-兼任助理人員：陳昱叡 博士班研究生-兼任助理人員：武忠堅 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 101 年 08 月 22 日
中 文 摘 要 ： 本研究利用奈米碳管之壓阻特性來製作可用於生物體的可撓 式生醫應變感測器，該感測器量測雞脛骨表面時能夠即時提 供骨頭之應變數據。核心感測材料為藉由微機電製程技術， 使用酒精催化化學氣相沈積法製作之奈米碳網，並以聚對二 甲基苯(Parylene-C)作為感測器的基板與封裝層。 在感測器測試方面，以不同的奈米碳網成長時間，利用拉伸 實驗來探討生醫應變感測器所表現的阻規係數差異，並對其 阻規係數作整理與探討。實驗結果顯示，當奈米碳網成長時 間為 10 分鐘與 20 分鐘，其阻規係數最大值分別為 5.06 與 4.22，是一般商用應變感測器的 2.3 倍左右。 最後利用三點式彎曲試驗作為雞脛骨之機械性測試，由結果 證實，奈米碳網生醫應變感測器確可監測雞脛骨頭之應變變 化。 中文關鍵詞： 骨頭、奈米碳網、聚對二甲基苯、阻規係數、應變感測器 英 文 摘 要 ： In this project, the piezoresistive characteristics
of carbon nanonets were used to design a flexible biomedical strain sensor. When the sensor was used in measuring the surface of chicken tibiae, the strain data could be obtained immediately. By using Micro-electromechanical Systems (MEMS) technique combined with Alcohol Catalytic Chemical Vapor Deposition (ACCVD), the carbon nanonets materials with piezoresistive characteristics were successfully fabricated. The Parylene-C was chosen as the base and laminate film material for the sensor.
In the experiment, the tensile experiment was used to explore the difference of the performance coefficient resistance regulation by the biomedical strain
sensor. The results showed when the development time for nanonets is 10 minutes and 20 minutes, the
relative maximum gauge factor is 5.06 and 4.22 that are 2.3 times larger than commercial strain sensor. Finally, three-point bending experiment was used to examine the mechanical property for the prototype. The results showed that sensor is able to monitor the variation of the bone’s strain.
英文關鍵詞： Bone, Nanonets, Parylene-C, Gauge Factor, Strain Sensor
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■成果報告
□期中進度報告
生物組織應力分析之撓性陣列應變感測器設計與製造
計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 99-2221-E-151 -004 -MY2
執行期間：99 年 8 月 1 日至 101 年 7 月 31 日
執行機構及系所：國立高雄應用科技大學 機械工程系
計畫主持人：黃世疇
共同主持人：
計畫參與人員：謝昀修、陳昱叡、鄭偉順、武忠堅
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：
□赴國外出差或研習心得報告
□赴大陸地區出差或研習心得報告
■出席國際學術會議心得報告
□國際合作研究計畫國外研究報告
處理方式：
除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
中 華 民 國 101 年 8 月 22 日
一、中文摘要 本研究利用奈米碳管之壓阻特性來製作 可用於生物體的可撓式生醫應變感測器，該 感測器量測雞脛骨表面時能夠即時提供骨頭 之應變數據。核心感測材料為藉由微機電製 程技術，使用酒精催化化學氣相沈積法製作 之奈米碳網，並以聚對二甲基苯(Parylene-C) 作為感測器的基板與封裝層。 在感測器測試方面，以不同的奈米碳網 成長時間，利用拉伸實驗來探討生醫應變感 測器所表現的阻規係數差異，並對其阻規係 數作整理與探討。實驗結果顯示，當奈米碳 網成長時間為10分鐘與20分鐘，其阻規係數 最大值分別為5.06與4.22，是一般商用應變感 測器的2.3倍左右。 最後利用三點式彎曲試驗作為雞脛骨之 機械性測試，由結果證實，奈米碳網生醫應 變感測器確可監測雞脛骨頭之應變變化。 關鍵詞：骨頭、奈米碳網、聚對二甲基苯、 阻規係數、應變感測器 Abstract
In this project, the piezoresistive characteristics of carbon nanonets were used to design a flexible biomedical strain sensor. When the sensor was used in measuring the surface of chicken tibiae, the strain data could be obtained immediately. By using Micro-electromechanical Systems (MEMS) technique combined with Alcohol Catalytic Chemical Vapor Deposition (ACCVD), the carbon nanonets materials with piezoresistive characteristics were successfully fabricated. The Parylene-C was chosen as the base and laminate film material for the sensor.
In the experiment, the tensile experiment was used to explore the difference of the performance coefficient resistance regulation by the biomedical strain sensor. The results showed when the development time for nanonets is 10 minutes and 20 minutes, the relative maximum gauge factor is 5.06 and 4.22 that are 2.3 times larger than commercial strain sensor.
Finally, three-point bending experiment was used to examine the mechanical property for the prototype. The results showed that
sensor is able to monitor the variation of the bone’s strain.
Keywords: Bone, Nanonets, Parylene-C, Gauge
Factor, Strain Sensor
二、緣由與目的 生醫微機電(BioMEMS)涵蓋奈米材料、 微機電系統以及生技醫學之整合技術，使感 測器微型化後，助於需要長時間監測的病患 更為舒適便利。 2003年期間全美接受全髖關節置換手術 人數約為200,000人次，其中約為60%的患者 為65歲以上的老年人；全美接受部份髖關節 置換手術人數約為100,000人次，其中約為 80%的患者為75歲以上的老年人[1]。2007 年，Kurtz等人[2]統計、推估出美國從2005年 到2030年，接受髖關節置換手術的人數，將 會成長174%，達到572,000人次；接受膝關節 置 換 手 術 的 人 數 ， 將 會 成 長673% ， 達 到 3480,000人次。而術後的遠端、居家照護上， 需要感測器監控系統的協助，達到連續監測 並即時提供病患生理狀況及預防協助改善病 患生活方式。 在開發生醫應變感測器監控系統的過程 中，必須先製作出生醫應變感測器。並且， 需要考量其尺寸越小越好、靈敏度越高越 好、且具有生物相容性、可撓性等特性。 本研究利用奈米碳管優越的電、機械性 質作為應變感測器的核心材料，以Parylene-C 作為基板與封裝層來達到可撓式且生物相容 性之需求，並從中了解其靈敏度(Sensitivity) 特性，並針對骨頭表面做即時監控以量測骨 頭應變情況，有助於發展肌肉與骨骼的診 斷、康復時的監測和反饋(Feedback)，以及數 據收集和臨床研究。 三、研究報告內容 1. 文獻探討 1.1 骨頭監控系統 研究骨頭監測系統的歷史，已有 60 多 年，如表一所示。最早可追朔於 1944 年， Gurdjian 等人[3]開始研究骨頭的生長，一直 到 1979 年，Lanyon 等人[4]利用應變感測器 作為監控感測器，其間建立骨頭模型以及應
變感測器的研究都相繼發表出來。並跨入對 監控系統與骨頭生長的研究。當時研究人員 發現應，黏貼於動物骨頭上的應變感測器， 在一星期後就會開始剝落，使得部分研究人 員轉向研究如何讓應變感測器可以在骨頭上 待得更久。於是，在1986 年由 Gotfried 等人、 在1991 年由 Oegema 等人[5]成功讓應變感測 器黏貼於骨頭上幾個禮拜，並且不脫落。 1997 年，Howshaw 等人[6]提出利用高分 子材料(PMMA)作為適合人體骨頭監控系統 的應變感測器及外層的包覆材料。 表一 骨頭監控系統(in vivo)研究發展歷史 西元 研究事件 1944 Gurdjian 等人骨頭研究 1975 Lanyon 等人建立骨頭的模型 1978 Carter 等人建立骨頭的模型 1979 Lanyon 等人監控系統與骨頭生長 1986 Gotfriend 等人應變感測器研究 1991 Oegema 等人應變感測器研究 1997 Howshaw 等人高分子材料應變感 測器研究 2000 年開始，人們對骨頭監控系統的研 究展開另一個里程碑。這時分成兩個研究大 方向，分別對骨頭監測系統做不同的研究， 一部份人員選用高分子材料作為感測器的材 料，並研究高分子材料與骨細胞培養的結 果；另一部份研究利用高分子材料作為應變 感測器的基材與防水層，並探討其高分子材 料對靈敏度、線性度等特性。2000 年，Grabner 等人[7]提出以(Polyurethane Culture Support, PUCS)作為細胞培養平台，觀察骨骼細胞 (Osteoblast)培養情況，其系統如圖一。 圖一 Grabner等人培養細胞的系統架構[7] 2001 年，Rabakin 等人[8]展開對骨頭與 感測器之間的黏著度著手研究，其研究人員 突破感測器黏貼至骨頭上卻短時間內馬上剝 離開的困惱，關鍵在於應變感測器外圍的包 覆 材 料 塗 佈(Calcium Phosphate Ceramic, CPC)，使感測器可在骨頭上達到 18 個星期 之久，如圖二所示。 圖二 應變感測器貼於脛骨10周後的情況[8] 到了2007 年之後，研究人員讓應變感測 器有了更廣泛的應用，越來越多人投入在骨 頭手術器具及植入物的研究，搭配著應變感 測器的量測，使研究人員更了解骨頭表面受 到形變的程度。Cehreli 等人[9]在同年所提出 的上頜骨植入術之研究，如圖三所示。 圖三 上頜骨植入物之研究[9] 1.2 應變感測器 應變感測器種類繁多，從傳統的金屬薄 膜應變感測器，到光柵式、壓電式等應變感 測器。其應用的方面，從一開始骨頭生長變 化，到後期搭配骨板骨釘觀察復原情況，在 2001 年，Perusek 等人[10]以商用應變感測器 觀察腳骨植入物情況，如圖四所示。
圖四 Perusek等人研究說明圖[10] 2005 年 Wen 等人[11]利用應變感測器進 行牛骨之骨頭表面應變量測與生物相容性測 試，如圖五所示。 圖五 Wen 等人在牛骨上力學測試研究[11] 到了2007 年，研究人員開始研究不同於 傳統應變感測器的壓阻材料及封裝薄膜。同 年， Yang 等人[12]研究利用高分子材料聚對 二甲基苯(Parylene-C)做為基材及防水層材 料，壓阻材料為金，其阻規係數約為 2.5 左 右的應變感測器，如圖六所示。 圖六 Yang等人之Parylene應變感測器[12] 2007 年，Shantanu 等人[13]提出核心材 料 為 多 壁 奈 米 碳 管(Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNTs)的應變感測器，其阻規係 數可達8.6，如圖七所示。而 Talaia 等人[14]， 在同年提出將類大腿骨以45°的鋸痕鋸斷，鎖 上骨板骨釘，並施加600 N 的力量，再利用 光柵進行骨頭應變的量測，如圖八所示。 圖七 以光柵進行骨頭應變量測[13] 圖八 以光柵進行骨頭應變量測[14] 1.3 奈米碳管 目前由碳結構所構成的奈米碳管為大家 所感興趣的一種材料，在奈米碳管尚未正式 被發現前，已有許多科學家看過奈米碳管的 存在，只是沒有人去分析奈米碳管的結構， 而 把 它 當 作 成 一 般 的 氣 相 成 長 碳 纖 維 (Vapor-Grown Carbon Fiber)。直到 1991 年， 奈米碳管被 Iijima 發現，他利用電弧放電法 合成C60分子時，偶然在陰極端發現針狀物，
因此以高解析電子顯微鏡(High Resolution Transmission Electron Microscope, HRTEM) 分析其結構，發現這種針狀物由一層層的石 墨捲曲成的同軸中空管狀結構。Iijima 在此次 富勒希實驗中意外發現到MWNTs[15]，圖九 (A)為多壁奈米碳管圖示[16]。Iijima 等人在兩 年 後 合 成 出 單 壁 奈 米 碳 管(Single-Walled Carbon Nanotubes, SWNTs)[17]，圖九(B)為直 徑1.37 nm 的單壁奈米碳管。
圖九 (A)高解析度穿透電子顯微鏡[16]；(B) 直徑1.37 nm的單壁奈米碳管[17] 人們對碳元素的印象就在它的同素異形 體結構(Allotrope)，分別為結晶型碳與非結晶 型碳，如由 sp2軌域形成的石墨(Graphite)與 sp3軌域形成的金剛石。奈米碳管的結晶體如 圖十所示[18]，它是由碳原子鍵結成的六元環 (Heptagon)和五元環(Pentagon)組成，每個碳 原子和另外三個相鄰的碳原子以 sp2 混成軌 域(Hybrid)所形成鍵結，然而在奈米碳管中的 六角形網狀結構裡會因為捲曲成為管狀結 構，而產生特定彎曲。因此其中會出現部分 sp3混成鍵結，隨著彎曲的曲率(Curvature)變 大，碳管直徑會跟著縮小，sp3混成鍵結的比 例也會提高，以嚴謹的描述奈米碳管結構， 碳原子是由sp2混成鍵結為主，但含有一定比 例的sp3混成鍵結。1985 年，英國科學家 Kroto 及美國科學家Smalley 等人[19]發現第三種碳 的同素異形體-C60。它是由12 個五邊形和 20 個六邊行所構成的20 面體空心球，如圖十一 所示。而富勒烯(Fullerenes)為 C60、C70及C84 等分子組成碳的分支。 圖十奈米碳管之晶體結構[18] 圖十一 C60原子結構模型 奈米碳管中的石墨層是以 sp2 方式來做 鍵結，其中空管狀結構捲曲成 1 至 50 奈米 [20]。為了方便表示接縫角度，在平面單層給 予手性向量(Chiral vector)，如圖十三。在圖 十二中[21]，其 a1、a2為單位向量、為接縫 角度，n、m 為 a1、a2單位向量的長度係數， 所以依照接縫角度不同，會形成三種種類的 單壁奈米碳管。而奈米碳管基本上會依石墨 層(Graphite sheets)捲曲面的不同其特性也有 所改變，分別為扶手椅型(Armchair)、鋸齒型 (Zigzag)、手性型(Chiral)，如圖十三。它們的 螺旋角分別為 θ=30°、θ=0°、和 0°<θ<30°。 另外，奈米碳管會依據形狀與直徑的不同其 電性也相對的改變，如扶手椅型的奈米碳管 為金屬型、鋸齒型與手性型有 1/3 為金屬型 及2/3 為半導體型等特性。 圖十二 奈米碳管手徵向量說明圖[21] 圖十三 三種不同類型奈米碳管示意圖[15]
奈米碳管有許多的優異性，誘發出人們 對它的無限興趣讓人們展開瘋狂的研究奈米 碳管的熱潮所以在各領域裡有相當多的應 用，如圖十四所示[22]，主要可分為複合材料 應用、奈米電子及光電應用、奈米機電的應 用、儲氫能源應用、以及生醫感測的應用。 圖十四 奈米碳管應用領域分類說明圖[22] 1998 年，Martel 等人[23]所提出以奈米 碳管作為場效電晶體的載子通道(Channel)如 圖十六所示，並觀察其電性為一 P 型電晶 體，之後 IBM 團隊利用摻雜(Doping)及真空 退火的方式，成功的使奈米碳管由 P 型轉 N 型，並利用P 型及 N 型的 CNT-FET 組合成 反向器(Inverter)的邏輯元件，使得奈米碳管 在應用的雛型上更跨進一步，如圖十五所示。 圖十五 FET 裝置之橫截面示意圖[23] 奈米碳管的場發射應用，在奈米光電領 域上有重大的貢獻，其利用奈米碳管的高深 寬比(High Aspect Ratios)以及尖端上曲率半 徑小等結構特徵，可在碳管的尖端形成強電 場，因而由低電場的狀態下能在尖端發射出 電子，在陽極收集電子並得到一穩定場發射 電流。目前以奈米碳管形成的陣列元件應用 於平面顯示器(CNT Field Emission Display, CNT-FED)上，被認為極具商品化應用。 1999 年 Choi 等人[24]提出高亮度的奈米 碳管場發射顯示器原型，證實其應用於顯示 技術上面的優異性，如圖十六所示。 圖十六 Choi 等人所製作出的 CNT-FED [24] 在2002 年，由 Yue 等人提出奈米碳管的 場發射性被用來製作成 X 光射線管(X-ray Tube)的發射陰極[25]，其發射高電流達 30 mA，亦產生足夠在醫學影像的 X 光射線能 量。如圖十七所示。 圖十七 奈米碳管所製作出 X 光射線管 原理圖[25] 奈米碳管有較低的電阻並且能避免電 致遷移(Electromigration)的效應，以及擁有 高電流乘載密度和良好的散熱性特性，其 原因在於電子傳輸過程中會受到表面散射 (Scattering)及晶粒(Grain)影響，因此奈米碳 管被應用在積體電路中的多層導體內連線 (Interconnect)上。2002 年，Kreupl 等人[26] 提出奈米碳管成長在接觸孔洞(Via/Contact Holes)內，以此當做金屬內連線並量測其導 電性。如圖十八所示。 圖十八 奈米碳管成長於直徑 400 nm 的孔洞 內[26]
在2002 年， Supronowicz 等人[27]提出 利用聚乳酸(Polylactic Acid, PLA)與多壁奈 米碳管結合作為培養平台，觀察在培養平台 內的骨骼細胞(Osteoblast)，發現在 6 小時內 可增生46 %，此結果證明細胞對於奈米碳管 並無排斥性，說明奈米碳管的相容特性，如 圖十九所示。 圖十九 Supronowicz 等人的細胞培養平台系 統架構[27]
2003 年，Alexander Star 團隊利用 FET 的架構來做蛋白質感測器的工作原理[28]，在 碳管管壁表面上形成一層吸附特定蛋白質的 化學成分，使其電性改變來辨識待測物是否 含有特定的蛋白質成分，由於奈米碳管具有 優異的電化學性質，所以當待測物裡特定的 蛋白質吸附在碳管管壁時，在蛋白質中的胺 基會與碳管表面產生氧化還原反應，此時藉 由電子的傳遞來偵測電性的改變。如圖二十 所示。 圖二十 Alexander Star 等人的蛋白質感測器 示意圖[28] 2004 年時，Jessica Koehne 等人[29]提出 利用高密度且準直性好(Well-Aligned)的奈米 碳管陣列來製作DNA 感測器，由於 DNA 感 測器需將特定片段的單股 DNA 放置於奈米 碳管的頂部，來作為檢測時的探針(Probe)， 將製作好的奈米碳管陣列再經過一些化學處 理，之後將需檢測特定的DNA 片段附著在碳 管頂部，接著再把待測檢體滴於 NDA 晶片 上，並能與探針上的特定DNA 配對檢體跟著 吸附於探針上，因此發生上述之氧化還原反 應，利用電子的傳輸，可以由奈米碳管的奈 米電極列來感應電訊號的變化，而達到檢測 目的，圖二十一為DNA 感測器內奈米碳管的 SEM 圖。 圖二十一 DNA感測器內奈米碳管SEM圖 [29] 2. 研究方法 2.1 元件設計 應變感測器結構，基本分別為薄片層(防 水層)、感測元素、基底、金屬導線，它們都 有各自獨立的功能。其中，最下層為基底， 該層功用是將電阻式應變感測器黏著於待測 物體上；第二層為感測元素，此層屬於最重 要的核心元件。在核心中，不同材料有著其 獨特不同的應變；最上層的薄片層，則是不 讓空氣中的懸浮粒子與水氣輕易的滲入金屬 層內，所以它也可以稱為防水層，如圖二十 二所示。 圖二十二 應變感測器結構圖 本文的研究目標-奈米碳網生醫應變感 測 器 ， 為 了 考 慮 到 生 物 相 容 性 (Biocompatibility)與元件功函數匹配及製程 上流暢度等問題，因此以金為導線材料，而 生物相容性則是考慮到之後植入性需求，故 選用 Parylene-C 作為防水層與基底的結構， 並降低整體的感測器的厚度與符合生物相容
性的需求。所以在應變感測器結構中-感測元 素、金屬導線、防水層與基板缺一不可。 在元件設計，為了減少製程時間及增加 良率，設計應變感測器時，在試片上採用陣 列式的方法來製作，本研究的感測元件尺寸 設計如圖二十三所示，感測元件的幾何圖形 定義說明如下： 寬度(W)：50 μm 札數( N )：3 長度( L )：1000 μm 間距( P )：250 μm 圖二十三 感測器元件尺寸設計圖 2.2 製程結果 製程規劃方面，以MEMS 製程設備做為 實驗基準，製程流程如圖二十四所示。由於 奈米碳網其具有高度的透光性，在光學顯微 鏡下呈現透明無色且厚度極薄，所以轉印後 會造成在黃光對位時的困難。因此，先於矽 晶圓成長厚度5000 Åm 的二氧化矽(SiO2)，之 後切割出需要的尺寸，利用黃光製程技術蝕 刻出在黃光對位的記號，以利下一步驟的光 罩圖形對位，如圖二十四(a)、(b)所示。為了 增加試片上的親水性質，以 RAC 的 SC-1、 SC2 標準清洗技術來清洗試片，以利於催化 金屬粒子附著表面。最後在SiO2上，利用酒 精 化 化 學 氣 相 沉 積 法(Alcohol Catalytic Chemical Vapor Deposition, ACCVD)成長奈 米碳網，如圖二十四(c)。
接 著 為 了 避 免 反 應 式 離 子 蝕 刻 法 (Reactive Ion Etching, RIE)蝕刻掉所需定義 的奈米碳網區域，使用光阻AZ-5214 做為阻 擋層，保護奈米碳網的圖形，之後形成蛇形 圖形，如圖二十四(d)。將晶圓清洗乾淨後， 放 入 聚 對 二 甲 基 苯 沉 積 系 統(Parylene Deposition System, PDS)蒸鍍 5 μm 厚度的 Parylene-C，此時形成的薄膜為生醫奈米碳網 應變感測器的基材，如圖二十四(e)。接著須 製作黃光對位的記號，因為 Parylene-C 與奈 米碳網為透明度高的材料，若無製作記號將 會 發 生 轉 印 後 無 法 對 位 上 的 問 題 ， 故 在 Parylene-C 上製作黃光對位之記號，如圖二 十四(f)。 下 個 步 驟 在 已 完 成 對 位 記 號 上 的 Parylene-C 黏貼熱剝離膠帶(Thermal Release Tape)，之後將其撕離矽晶圓來完成轉印的動 作，如圖二十四(g)。再將 Parylene-C、奈米 碳 網 表 面 雜 質 清 洗 乾 淨 ， 並 旋 塗 光 阻 AZ-5214 來進行下個黃光製程，曝光顯影製 作出源極、汲極的圖形，接著再用電子束蒸 鍍機(E-Beam)蒸鍍金，如圖二十四(h)。緊接 著，使用丙酮進行 Lift-Off 製程，把除了導 線以外多餘的金沖洗乾淨，並在表面做簡單 的清潔。之後，再利用 PDS 蒸鍍 5 μm 厚度 的 Parylene-C 做為生醫奈米碳網應變感測器 的防水層，如圖二十四(i)。 接著利用熱剝離膠帶的特性，在加熱板 下進行加熱，使 Parylene-C 與熱剝離膠帶脫 離，如圖二十四(j)，由於生醫應變感測器厚 度相當薄，打線方面不易，故利用導電銀膠 在烘箱環境下烘烤來固化導電銀膠，將電極 與導線相接，如圖二十四(k)。最後完成生醫 奈米碳網應變感測器，進行拉伸試驗與三點 式彎曲試驗之量測。 圖二十四 生醫奈米碳網應變感測器製程流 程圖 本研究成功開發出利用 ACCVD 成長出 大面積之奈米碳網，過程中使用乾式蝕刻方 式進行蝕刻奈米碳網的圖形，再用熱剝離膠 帶以及 Parylene-C 進行圖形轉移，之後利用
Parylene-C 做為感測器的防水層，進行熱剝 離的步驟並完成可撓性並具有生物相容性之 生醫應變感測器，如圖二十五所示。最後， 利用拉伸實驗來說明生醫感測器之靈敏度， 並從三點彎曲試驗中，證實奈米碳網應變感 測器有能力來監測雞脛骨的應變變化。在元 件製作過程中，完全使用MEMS 製程進行， 且無使用特殊機台完成元件，對未來商品 化、量產化有著低成本等優點。 圖二十五 撓性生醫應變感測器完成圖 4. 量測結果 4.1 拉伸試驗結果 圖二十六為三組成長奈米碳網 10 分鐘 後，經拉伸試驗後的應變與相對電阻變化量 之關係結果圖，圖中顯示出，阻規係數為 4.56~5.06。圖二十八為三組成長奈米碳網 20 分鐘後，經拉伸試驗後的應變與相對電阻變 化量之關係結果圖，圖中表示出，阻規係數 為3.93~4.23。分別由圖二十六(成長奈米碳網 10 分鐘)與圖二十七(成長奈米碳網 20 分鐘) 趨勢顯示出，當阻值越大時，其阻規係數也 越大。 圖二十六 生醫應變感測器之應變-電阻變化 量量測結果圖(成長時間 10 分鐘) 圖二十七生醫應變感測器之應變-電阻變化 量量測結果圖(成長時間 20 分鐘) 圖二十八為電阻值-阻規係數之分佈結 果圖，圖中所呈現的趨勢可以發現到成長奈 米碳網 10 分鐘比成長奈米碳網 20 分鐘阻規 係數大的特性，表示當奈米碳網越稀疏，電 阻值越大，所測得的阻規係數也越大。 圖二十八 生醫應變感測器之電阻值-阻規係 數結果圖 4.2 雞脛骨之三點式彎曲試驗結果 本實驗將兩應變感測器黏貼置於雞脛骨 下方，測頭在雞脛骨中心上方以每秒5 N 的 方式施加力量，當骨頭受到力量而產生變形 時，經儀器同步進行監控感測器並擷取骨頭 表面受到張應變的數據。圖二十九為三點式 彎曲試驗後之雞脛骨斷裂圖，在圖(a)正面圖 與(b)側面圖可以看出當雞脛骨受到變形後斷 裂成兩部分，由於雞脛骨屬於非均質材料， 斷裂方向呈現不規則形，不過從側面圖顯示 雞脛骨斷裂點在整根骨頭的中心位子置，表 示感測器所量測到之應變為應變最大值。圖
三十顯示兩個雞脛骨試件在三點彎曲試驗 中，當力量隨著時間而增加時，第一組雞脛 骨試件(Specimen 1A)於 194 N 及第二組雞脛 骨試件(Specimen 2B)於 211 N 斷裂。每組雞 脛 骨 試 件 中 黏 貼 生 醫 應 變 感 測 器 (Parylene-Based) 與 商 用 應 變 感 測 器 (Commercial)，並以三點式彎曲試驗進行數據 擷取與曲線比較。圖三十一為三點式彎曲試 驗後的生醫應變感測器與商用應變感測器隨 時間變化之應變量測圖，圖中 Specimen 1A 與Specimen 2B 兩組雞脛骨，分別顯示出量 測到之應變趨勢一致，而力量隨時間增加所 表現出應變差異越大，其原因為生醫應變感 測器有著較高的靈敏度關係，所造成兩者差 異所在。在Specimen 1A 曲線中，可以看出 本研究之生醫應變感測器可量測到之應變解 析度高達 1 %左右。由實驗結果證實，奈米 碳網生醫應變感測器確可監測雞脛骨頭之應 變變化。 圖二十九 三點式彎曲試驗後之雞脛骨斷裂 圖(a)正面圖 (b)側面圖 圖三十 雞脛骨在三點彎曲試驗之力量與時 間關係圖 圖三十一 生醫應變感測器與商用應變感測 器隨時間變化之應變量測圖 5. 結果與討論 本研究成功開發出利用 ACCVD 成長出 大面積之奈米碳網，過程中使用乾式蝕刻方 式進行蝕刻奈米碳網的圖形，再用熱剝離膠 帶以及 Parylene-C 進行圖形轉移，之後利用 Parylene-C 做為感測器的防水層，進行熱剝 離的步驟並完成可撓性並具有生物相容性之 生醫應變感測器。最後，利用拉伸實驗來說 明生醫感測器之靈敏度，並從三點彎曲試驗 中，證實奈米碳網應變感測器有能力來監測 雞脛骨的應變變化。在元件製作過程中，完 全使用MEMS 製程進行，且無使用特殊機台 完成元件，對未來商品化、量產化有著低成 本等優點。本研究量測結果得出以下之結論： (1) 在核心為奈米碳網的應用下，研究結果 顯示出，當奈米碳網成長時間為10分鐘與20 分鐘，其阻規係數最大值分別為5.06與4.22， 顯示出其優於商用應變感測器之阻規係數。 生醫應變感測器之阻規係數約為一般商用應 變感測器阻規係數的2.3倍。 (2) 由實驗結果得知，當奈米碳網的成長時 間越長，阻規係數越小。反之，阻規係數越 大。因為奈米碳網的疏密度，會影響阻規係 數的大小。 (3) 由結果證實，奈米碳網生醫應變感測器 確可監測雞脛骨頭之應變變化。 (4) 本研究之生醫應變感測器可量測到之應 變解析度高達1 %左右。
參考文獻
[1] Zhan C., et al., 2007, "Incidence and Short-Term Outcomes of Primary and Revision Hip Replacement in the United States", The Journal of Bone and Joint Surgery, Vol. 89-A, No.3, pp. 526-533. [2] Kurtz S., et al., 2007, "Projections of
Primary and Revision Hip and Knee Arthroplasty in the United States from 2005 to 2030", The Journal of Bone and Joint Surgery, Vol.89-A, No. 4.
[3] Gurdjian E. S., Lissner H. R., 1944, "Mechanism of Head Injury as Studied by the Cathode Ray Oscilloscope", Journal of Neurosurg, Vol. 1, No.6, pp. 393–399. [4] Mikić B., Carter D. R., 1995, "Bone Stain
Gage Data and Theoretical Models of Functional Adaptation", Journal of Bimechanics, Vol. 28, No.4, pp. 465-469. [5] Buttermann G. R., et al., 1994,
"Description and Application of Instrumented Staples for Measuring in vivo Bone Strain", Journal of Bimechanics, Vol. 27, No.8, pp. 1087-1094.
[6] Howshaw S. J., et al., 1997, "A Method Suitable for in vivo Measurement of Bone Strain in Humans", Journal of Bimechanics, Vol. 30, No.5, pp. 521-524. [7] Grabner B., et al., 2000, "A New
Stretching Apparatus for Applying Anisotropic Mechanical Strain to Bone Cells In Vitro", Review of Scienetific Instruments, Vol. 71, No.9, pp. 3522-3529.
[8] Rabkin B. A., et al., 2001, "Long-Term Measurement of Bone Strain in vivo: The Rat Tibia", Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 58, pp. 277–281. [9] Cehreli M. C., et al., 2007, "Bone Strains
Around Apically Free Versus Grafted Implants in the Posterior Maxilla of Human Cadavers", Medical & Biological Engineering & Computing, Vol. 45, pp. 395-402.
[10] Perusek G. P., et al., 2001, "An Extensometer for Global Measurement of Bone Strain Suitable for Use in vivo in Humans", Journal of Biomechanics, Vol. 34, pp. 385-391.
[11] Wen Yu-Hsin, et al., 2005, "Mechanically Robust Micro-Fabricated Strain Gauges
for Use on Bones", IEEE Microtechnology in Medicine and Biology, pp. 302-304.
[12] Yang G. Y., et al., 2007, "Parylene-Based Strain Sensors for Bone", IEEE Sensors Journal, Vol. 7, No. 12, pp. 1693-1697. [13] Liu Y., et al., 2007, "Multi-walled Carbon
Nanotubes/Poly (L-lactide) Nanocomposite Strain Sensor for
Biomechanical Implants", IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference, pp. 119-122.
[14] Talaia P.M., et al., 2007, "Plated and Intact Femur Strains in Fracture Fixation Using Fiber Bragg Gratings and Strain Gauges", Experimental Mechanics, Vol. 47, pp. 355-363.
[15] Iijima S., 1991, "Helical Microtubules of Graphitic Carbon", Nature, Vol. 354, pp. 56-58.
[16] Andrews R., et al., 2002, "Multiwall Carbon Nanotubes: Synthesis and Application", Accounts of Chemical Research, Vol. 35, pp. 1008-1017.
[17] Iijima S., Ichihashi T., 1993, "Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter", Nature, Vol. 363, pp. 603-605.
[18] http://www.eikos.com/, 2012
[19] Kroto H. W., et al., 1985, "C60 ：
Buckminsterfullerene", Nature, Vol. 318, pp. 162-163.
[20] Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Eklund P.C., 1996, "Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes", Academic, San Diego, ISBN 0-122-21820-5.
[21] Collins P. G., Avouris P., 2000, "Nanotubes for Electronics", Science American, Vol. 283, pp. 38-45.
[22] Hierold C., et al., 2007, "Nano Electromechanical Sensors Based on Carbon Nanotubes", Sensors and Actuators A, Vol. 136, pp. 51-61.
[23] Martel R., et al., 1998, "Single and Multi-Wall Carbon Nanotube Field-Effect Transistor", Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 17, pp. 2447-2449.
[24] Choi W. B., et al., 1999, "Fully sealed,
high-brightness carbon-nanotube field-emission display", Applied Physics
Letters, Vol. 75, pp. 3129-3131.
Continuous and Pulsed Diagnostic Imaging X-Ray Radiation Using a Carbon-Nanotube-Based Field-Emission Cathode", Applied Physics Letters, Vol. 81, No. 2, pp. 355-357.
[26] Kreupl F., et al., 2002, "Carbon Nanotube in Interconnect Applications", Microelectronic Engineering, Vol. 64, Issues 1-4, pp. 399-408.
[27] Supronowicz P. R., et al., 2002, "Novel Current-Conducting Composite Substrates for Exposing Osteoblasts to Alternating Current Stimulation", Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 59, pp.499-506.
[28] Star A., et al., 2003, "Electronic Detection of Specific Protein Binding Using Nanotube FET Devices", Nano Letters, Vol. 3, pp. 459-463.
[29] Koehne J., et al., 2004, "The Fabrication and Electrochemical Characterization of Carbon Nanotube Nanoelectrode Arrays", Journal of Materials Chemistry, Vol. 14, Issue 4, pp.676-684.
國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用
價值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是
否適合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評
估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
■達成目標
□未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□ 實驗失敗
□ 因故實驗中斷
□ 其他原因
說明：
本研究以
MEMS 製程，成功製作具有生物相容性生醫應變感測器，其核心材料
為奈米碳網來進行生物相容性之設計與製作，並利用三點式彎曲試驗進行雞脛
骨測試。結果證實
，奈米碳網生醫應變感測器確可監測雞脛骨頭之應變變化。
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無
專利：□已獲得 □申請中 □無
技轉：□已技轉 □洽談中 □無
其他：（以 100 字為限）
本研究成果分別以論文、2010 生物醫學工程科技研討會暨國科會醫工學門成果
發表會、2011 奈米元件技術研討會上發表。
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價
值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以
500 字為限）
(1) 本計畫是以奈米碳網做為生醫應變感測器的核心壓阻材料，生醫應變感測器
所表現出其阻規係數優於商用應變感測器，而且生物相容性上也有相當好的
表現。在製程上完全是以MEMS製程為主，對於未來有著低成本的優點。
(2) 計畫中將生醫應變感測器黏貼於壓克力板及雞脛骨上，利用拉伸試驗與三點
式彎曲試驗作為感測器之測試，並證實本計畫生醫應變感測器確可監測雞脛
骨頭之應變變化。因此在未來可運用已具有生物相容性之聚對二甲基苯高分
子材料，進一步提升生醫應變感測器防水功能，並將生醫應變感測器植入後
可延伸至人體器官的腫瘤監控，使人們對於腫瘤、癌症的診斷更為正確。
(3) 計畫中使用MEMS製程製作出奈米碳網應變感測器，在未來上可往更多方向
應用與發展，例如在無線系統傳輸方面，利用可變更射頻調變方式，增加無
線傳輸距離，將有利於未來實驗之探討。
國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告
日期： 2011 年 11 月 11 日一、參加會議經過
由美國國際電機電子工程師學會所舉辦的2011 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics，於美國阿拉斯加的安格拉治(Hilton Anchorage Hotel) 舉辦，會期自2011年10月7日至14日止，共計8天。會議內容包括：(1)專題演講，(2)研究論 文發表，(3)廠商展覽，(4)參觀活動及(5)各型餐會等，內容多樣而豐富，與會人士來自世界 各國，是一次頗為成功的會議。
在研討論文發表方面，共分為81個研究領域，每一時段共有12個主題場次同步進行。各 領域之名稱分別如下：
(1)Service Systems；(2) Homeland Security Systems；(3) Virtual/Augmented Reality and Training Systems ； (4) Agent-Based Modeling ； (5) Human Centered Transportation Systems ；(6) Awareness Science and Engineering ；(7) Soft Computing ；(8) Enterprise Information Systems and Adaptive Collaboration; (9) Social Signal Processing；(10) Infrastructure Systems : (11) Manufacturing Systems; (12) Advances in Machine Learning ; (13) Pattern Recognition ; (14) Human Centered Intelligent Transportation and Discrete Event Systems ; (15) Emerging Technologies in Medical Mechatronics ; (16) Minimally Invasive Brain Microsurgery for Epilepsy; (17) Medical and Health Care Robots ; (18) Medical and Health Care Technology; (19) Intelligent Power and Energy Systems ; (20) Discrete Event Systems and Petri Nets: (21) Semantic Web and Intelligent Internet ; (22) Biometrics and Bioinformatics; (23) Computational Collective Intelligence ; (24) Machine Learning; (25) Collaborative Manufacturing and Supply Chains ; (26) Shared Control; (27) Support Systems for Handicapped Persons; (28) Enterprise Information Systems; (29) System Modeling and Fault Diagnosis; (30)
計畫編
號
NSC－99－2221－E－151－004－MY2計畫名
稱
生物組織應力分析之撓性陣列應變感測器設計與製造出國人
員姓名
黃世疇服務機
構及職
稱
高雄應用科技大學機械工程系教授會議時
間
2011 年 10 月 7 日 至 2011 年 10 月 14 日會議地
點
美國 阿拉斯加 安格拉治 (Hilton Anchorage Hotel)會議名
稱
(中文)2011 國際電機電子工程師學會系統、人、控制學術研討會 (英文)2011 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics
發表論
文題目
(中文)田口法於超薄離心風扇強健多目標最佳化設計之應用
(英文)Application of Taguchi method to robust multi--criteria optimum design for ultrathin centrifugal fan
Complexity in Systems (and SoS) Engineering; (31) Web Intelligence, Security and Interactive Digital Media; (32) Support Vector Machines; (33) Knowledge Acquisition; (34) Cloud Computing and Services; (35) Intelligent Internet Systems; (36) Grey Systems: Theory and Applications; (37) Wavelet, Multiresolution, Biometrics and Pattern Recognition; (38) Humanoid Robot and Redundant Manipulator Control; (39) Industrial Applications; (40) System Modeling and Control; (41) Human-Machine Systems Design; (42) Human-Centered Transportation Systems Applications; (43) Machine Vision and Image Processing; (44) Applications of Formal Methods toHuman-Automation Interaction; (45) Innovations in Computation,Intelligent Learning and Granular Computing; (46) Laborative Technologies and Applications;(4) Mobile Robot Control; (48) Wireless and Distributed Sensor Networks; (49) Nonlinear Control Systems; (50) Gesture-Based Interaction and Semiotics; (51) Evolving Intelligent Systems and Learning; (52) Intelligent Vehicle Systems;(53) Nature-Inspired Algorithm Applications and Evolving Systems; (54) Intelligent Learning in Control Systems ; (55) Innovations in Computation and Application ;(56) Granular Computing; (57) Robot and Unmanned Vehicle Localization and Control ;(58) Multi-Agent and Distributed Systems; (59) Computer Systems and Software; (60)Engineering Cognitive Computing;(61) Social Robotics and Robot Learning; (62) Evolving Intelligent Systems;(63) Natural Language Processing and Awareness Computing;(64) System Safety and Security; (65) Cyber-Physical Social and Security Systems; (66) Intelligent Transportation Systems;(67) Human-Automation Interaction; (68) Haptics and Human-Robot Interaction; (69) Smart Prosthetics for Rehabilitation and Teleoperation; (70) Medical Informatics; (71) Knowledge-Based Systems; (72) Computational Intelligence ; (73) Recent Advances in Robotics; (74) Innovative Soft Computing; (75)Methodologies and Applications;(76) Decision Making and Decision Support Systems; (77) Assistive Technology; (78) Human-Centered Design; (79) Kansei Engineering and Affective Computing; (80) Image and Signal Processing; (81) Knowledge Acquisition and Mining
此次會議計有來自全球共41國的學者參與，包括邀約演講，口頭報告論文計600篇，口頭 報告論文接受率為65%，作者投稿論文很榮幸被接受為口頭報告論文。 在專題演講方面， 此次大會安排有4個場次，演講者皆為各領域相當傑出的學者，演講題目及演講學者如下： 1.演講題目:Innate Theories in Cognitive Agents: The Symmetry Engine
演講學者:Prof. Thomas C. Henderson (USA) 2.演講題目:Humans & Humanoids
演講學者:Dr. Robert O. Ambrose (USA)
3.演講題目:Cognitive Recognition and the Home Mate Robot 演講學者:Prof. Sunhan Lee (Korea)
4.演講題目:Brain-Robot Interaction
二、與會心得與建議
IEEE 的前身 AIEE（國際電機電子工程師學會）和 IRE（無線電機工程師學會）成立於 1884 年。1963 年 1 月 1 日 AIEE 和 IRE 正式合并为 IEEE。自成立以來 IEEE 一直致力於推動電機電 子工程在理論方面的發展和應用。IEEE 擁有全球近 175 個國家數十萬名會員。透過多元化的 會員，IEEE 在太空、電腦、電信、生物醫學、電力及消费性電子產品等領域中都在國際上佔 有舉足輕重的地位。IEEE 每年也會主辦或協辦數百場技術及學術研討會。此次參加的研討會 是屬 IEEE 系統、人、控制學會(IEEE Systems, Man, and Cybernetics)所舉辦之年度研討會。 每屆均吸引來自世界各地此方面研究人員參與。 隨著科技的進步，超薄離心風扇的創新與應用日新月異，如追求輕薄短小的 3C 產品，將 是未來智慧型產品應用上十分重要的領域。而在設計上如何利用最佳化方法設定其參數則是 超薄離心風扇成功的關鍵。這次來自國內參與發表的學者不少，幾乎國內 IEEE SMC 相關學者 均出席此次大會。 參加國際性會議，可瞭解世界各國的學術研究概況，以便吸收他人的創新構想與知識。 筆者所發表的論文為田口法於超薄離心風扇強健多目標最佳化設計之應用，此研究吸引了不 少來自各國學者專家的興趣，並索取論文希望有機會互相切磋研究。整體而言，此次參加研 討會的心得是，在會議進行過程，除了可以聆聽來自世界各國最新的研究成果外，更可利用 休息的時間與相關學者專家進行聯誼交流，認識了許多學者專家，對於國家及個人在國際能 見度的提升確實有顯著的幫助。另就交換研究經驗與心得，促進學術交流與合作，及提昇學 術研究的品質而言，皆有極為重大的價值。這次研討會，所獲得的新知十分深刻，相信對教 學及研究均有莫大的助益，感謝國科會補助筆者參加此研討會。
三、攜回資料名稱及內容
1.大會資料 2.論文光碟國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告
日期： 2011 年 12 月 30 日
一、參加會議經過
由 University of Wollongong, Korea Maritime University, Wuhan University of Science and Technology, Hong Kong Industrial Technology Research Centre 所舉辦 的 2011 年機械科學與技術國際會議(2011 International Symposium on Mechanical Science and Technology)，於大陸廣州舉辦，會期自 2011 年 12 月 19 日至 22 日止，共 計 4 天。會議內容包括：(1)專題演講，(2)研究論文發表，及(3)各型餐會等，內容多樣而 豐富，與會人士來自世界各國，是一次頗為成功的會議。在研討論文發表方面，研究領域 共分為 4 大類，每一時段共有 4 個主題場次同步進行。各領域之名稱分別如下：
(1) Design and Manufacturing
(2) Mechanical Control and Processing Technology (3) Materials and Material Processing
(4) Advanced Materials and Processes Technology
二、與會心得與建議
在光電與半導體產業競爭愈來愈激烈、建廠成本愈來愈龐大及研發難度愈來愈高的今計畫編
號
NSC－99－2221－E－151－004－MY2計畫名
稱
生物組織應力分析之撓性陣列應變感測器設計與製造出國人
員姓名
黃世疇服務機
構及職
稱
高雄應用科技大學機械工程系教授會議時
間
2011 年 12 月 19 日 至 2011 年 12 月 22 日會議地
點
大陸廣州會議名
稱
(中文)2011 年 機械科學與技術國際會議(英文)2011 International Symposium on Mechanical Science and Technology， 2011 ISMST
發表論
文題目
(中文) BGA 封裝產量改善之強健多目標最佳化設計
(英文) Robust multi-criteria optimal design for improving the yield of BGA packaging
日，如何讓產業設備製造業者能藉光電半導體廠持續擴充的機會，使臺灣成為亞太區域光電 半導體製程設備創新研發基地，已成為當前重要課題。依照半導體生產的過程，主要可分為 前段晶圓製造與後段晶片封裝測試部份。 筆者的論文主要針對封裝廠 BGA 製程封裝模具，進行浮動中心塊與模穴的最佳化研究， 以解決基板厚度變異過大，封裝時所產生的流道溢膠及產品溢膠的問題。文中利用最佳化研 究在封裝模具中設計一浮動機構，使模具在進行封裝時，能夠依據基板厚度，自行調整合模 間隙與模穴間距，並配合浮動機構設計，進行封裝模具完整建壓研究，讓封裝廠不需耗費大 量人力，進行基板厚度管制，及減少更換模穴間隔塊的次數，亦能提升封裝良率，使整體生 產成本下降，達到節省成本的目的。在 BGA 封裝中，需因應不同批次基板的厚度變異，頻繁 更換間隔塊，避免溢膠問題。計畫擬開發可容許基板誤差±0.05mm 的浮動裝置；首先，以直 交表規劃設計參數，計算浮動壓力、加工區域等目標，應用 S/N 比來評估目標函數設計性能 是否符合拘束條件限制，將符合拘束條件的目標函數性能特性之 S/N 比，作為模糊理論的輸 入，求出代表多重品質特性(MPCI)的衡量指標，再由控制因子效果分析及變異數分析，確認 設計參數對目標函數的影響，最後進行封裝模具功能及可靠度測試。此研究吸引了不少來自 各國學者專家的興趣，並索取論文希望有機會互相切磋研究。 參加國際性會議，可瞭解世界各國的學術研究概況，以便吸收他人的創新構想與知識。 筆者所發表的論文為BGA封裝產量改善之強健多目標最佳化設計，此研究吸引了不少來自各國 學者專家的興趣，並索取論文希望有機會互相切磋研究。整體而言，此次參加研討會的心得 是，在會議進行過程，除了可以聆聽來自世界各國最新的研究成果外，更可利用休息的時間 與相關學者專家進行聯誼交流，認識了許多學者專家，對於國家及個人在國際能見度的提升 確實有顯著的幫助。另就交換研究經驗與心得，促進學術交流與合作，及提昇學術研究的品 質而言，皆有極為重大的價值。這次研討會，所獲得的新知十分深刻，相信對教學及研究均 有莫大的助益，感謝國科會補助筆者參加此研討會。
三、攜回資料名稱及內容
1.大會資料 2.論文光碟國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告
日期： 2011 年 11 月 11 日
一、參加會議經過
由美國國際電機電子工程師學會所舉辦的2011 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics，於美國阿拉斯加的安格拉治(Hilton Anchorage Hotel) 舉辦，會期自2011年10月7日至14日止，共計8天。會議內容包括：(1)專題演講，(2)研究論 文發表，(3)廠商展覽，(4)參觀活動及(5)各型餐會等，內容多樣而豐富，與會人士來自世界 各國，是一次頗為成功的會議。
在研討論文發表方面，共分為81個研究領域，每一時段共有12個主題場次同步進行。各 領域之名稱分別如下：
(1)Service Systems；(2) Homeland Security Systems；(3) Virtual/Augmented Reality and Training Systems ； (4) Agent-Based Modeling ； (5) Human Centered Transportation Systems ；(6) Awareness Science and Engineering ；(7) Soft Computing ；(8) Enterprise Information Systems and Adaptive Collaboration; (9) Social Signal Processing；(10) Infrastructure Systems : (11) Manufacturing Systems; (12) Advances in Machine Learning ; (13) Pattern Recognition ; (14) Human Centered Intelligent Transportation and Discrete Event Systems ; (15) Emerging Technologies in Medical Mechatronics ; (16) Minimally Invasive Brain Microsurgery for Epilepsy; (17) Medical and Health Care Robots ; (18) Medical and Health Care Technology; (19) Intelligent Power and Energy Systems ; (20) Discrete Event Systems and Petri Nets: (21) Semantic Web and Intelligent Internet ; (22) Biometrics and Bioinformatics; (23) Computational
計畫編
號
NSC－99－2221－E－151－004－MY2計畫名
稱
生物組織應力分析之撓性陣列應變感測器設計與製造出國人
員姓名
黃世疇服務機
構及職
稱
高雄應用科技大學機械工程系教授會議時
間
2011 年 10 月 7 日 至 2011 年 10 月 14 日會議地
點
美國 阿拉斯加 安格拉治 (Hilton Anchorage Hotel)會議名
稱
(中文)2011 國際電機電子工程師學會系統、人、控制學術研討會 (英文)2011 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics
發表論
文題目
(中文)田口法於超薄離心風扇強健多目標最佳化設計之應用
(英文)Application of Taguchi method to robust multi--criteria optimum design for ultrathin centrifugal fan
Collective Intelligence ; (24) Machine Learning; (25) Collaborative Manufacturing and Supply Chains ; (26) Shared Control; (27) Support Systems for Handicapped Persons; (28) Enterprise Information Systems; (29) System Modeling and Fault Diagnosis; (30) Complexity in Systems (and SoS) Engineering; (31) Web Intelligence, Security and Interactive Digital Media; (32) Support Vector Machines; (33) Knowledge Acquisition; (34) Cloud Computing and Services; (35) Intelligent Internet Systems; (36) Grey Systems: Theory and Applications; (37) Wavelet, Multiresolution, Biometrics and Pattern Recognition; (38) Humanoid Robot and Redundant Manipulator Control; (39) Industrial Applications; (40) System Modeling and Control; (41) Human-Machine Systems Design; (42) Human-Centered Transportation Systems Applications; (43) Machine Vision and Image Processing; (44) Applications of Formal Methods toHuman-Automation Interaction; (45) Innovations in Computation,Intelligent Learning and Granular Computing; (46) Laborative Technologies and Applications;(4) Mobile Robot Control; (48) Wireless and Distributed Sensor Networks; (49) Nonlinear Control Systems; (50) Gesture-Based Interaction and Semiotics; (51) Evolving Intelligent Systems and Learning; (52) Intelligent Vehicle Systems;(53) Nature-Inspired Algorithm Applications and Evolving Systems; (54) Intelligent Learning in Control Systems ; (55) Innovations in Computation and Application ;(56) Granular Computing; (57) Robot and Unmanned Vehicle Localization and Control ;(58) Multi-Agent and Distributed Systems; (59) Computer Systems and Software; (60)Engineering Cognitive Computing;(61) Social Robotics and Robot Learning; (62) Evolving Intelligent Systems;(63) Natural Language Processing and Awareness Computing;(64) System Safety and Security; (65) Cyber-Physical Social and Security Systems; (66) Intelligent Transportation Systems;(67) Human-Automation Interaction; (68) Haptics and Human-Robot Interaction; (69) Smart Prosthetics for Rehabilitation and Teleoperation; (70) Medical Informatics; (71) Knowledge-Based Systems; (72) Computational Intelligence ; (73) Recent Advances in Robotics; (74) Innovative Soft Computing; (75)Methodologies and Applications;(76) Decision Making and Decision Support Systems; (77) Assistive Technology; (78) Human-Centered Design; (79) Kansei Engineering and Affective Computing; (80) Image and Signal Processing; (81) Knowledge Acquisition and Mining
此次會議計有來自全球共41國的學者參與，包括邀約演講，口頭報告論文計600篇，口頭 報告論文接受率為65%，作者投稿論文很榮幸被接受為口頭報告論文。 在專題演講方面， 此次大會安排有4個場次，演講者皆為各領域相當傑出的學者，演講題目及演講學者如下： 1.演講題目:Innate Theories in Cognitive Agents: The Symmetry Engine
演講學者:Prof. Thomas C. Henderson (USA) 2.演講題目:Humans & Humanoids
演講學者:Dr. Robert O. Ambrose (USA)
3.演講題目:Cognitive Recognition and the Home Mate Robot 演講學者:Prof. Sunhan Lee (Korea)
4.演講題目:Brain-Robot Interaction
演講學者:Prof. José del R. Millán (Swiss)
二、與會心得與建議
IEEE 的前身 AIEE（國際電機電子工程師學會）和 IRE（無線電機工程師學會）成立於 1884 年。1963 年 1 月 1 日 AIEE 和 IRE 正式合并为 IEEE。自成立以來 IEEE 一直致力於推動電機電 子工程在理論方面的發展和應用。IEEE 擁有全球近 175 個國家數十萬名會員。透過多元化的 會員，IEEE 在太空、電腦、電信、生物醫學、電力及消费性電子產品等領域中都在國際上佔 有舉足輕重的地位。IEEE 每年也會主辦或協辦數百場技術及學術研討會。此次參加的研討會 是屬 IEEE 系統、人、控制學會(IEEE Systems, Man, and Cybernetics)所舉辦之年度研討會。 每屆均吸引來自世界各地此方面研究人員參與。 隨著科技的進步，超薄離心風扇的創新與應用日新月異，如追求輕薄短小的 3C 產品，將 是未來智慧型產品應用上十分重要的領域。而在設計上如何利用最佳化方法設定其參數則是 超薄離心風扇成功的關鍵。這次來自國內參與發表的學者不少，幾乎國內 IEEE SMC 相關學者 均出席此次大會。 參加國際性會議，可瞭解世界各國的學術研究概況，以便吸收他人的創新構想與知識。 筆者所發表的論文為田口法於超薄離心風扇強健多目標最佳化設計之應用，此研究吸引了不 少來自各國學者專家的興趣，並索取論文希望有機會互相切磋研究。整體而言，此次參加研 討會的心得是，在會議進行過程，除了可以聆聽來自世界各國最新的研究成果外，更可利用 休息的時間與相關學者專家進行聯誼交流，認識了許多學者專家，對於國家及個人在國際能 見度的提升確實有顯著的幫助。另就交換研究經驗與心得，促進學術交流與合作，及提昇學 術研究的品質而言，皆有極為重大的價值。這次研討會，所獲得的新知十分深刻，相信對教 學及研究均有莫大的助益，感謝國科會補助筆者參加此研討會。
三、攜回資料名稱及內容
1.大會資料 2.論文光碟國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告
日期： 2011 年 12 月 30 日
一、參加會議經過
由 University of Wollongong, Korea Maritime University, Wuhan University of Science and Technology, Hong Kong Industrial Technology Research Centre 所舉辦 的 2011 年機械科學與技術國際會議(2011 International Symposium on Mechanical Science and Technology)，於大陸廣州舉辦，會期自 2011 年 12 月 19 日至 22 日止，共 計 4 天。會議內容包括：(1)專題演講，(2)研究論文發表，及(3)各型餐會等，內容多樣而 豐富，與會人士來自世界各國，是一次頗為成功的會議。在研討論文發表方面，研究領域 共分為 4 大類，每一時段共有 4 個主題場次同步進行。各領域之名稱分別如下：
(1) Design and Manufacturing
(2) Mechanical Control and Processing Technology (3) Materials and Material Processing
(4) Advanced Materials and Processes Technology
二、與會心得與建議
在光電與半導體產業競爭愈來愈激烈、建廠成本愈來愈龐大及研發難度愈來愈高的今計畫編
號
NSC－99－2221－E－151－004－MY2計畫名
稱
生物組織應力分析之撓性陣列應變感測器設計與製造出國人
員姓名
黃世疇服務機
構及職
稱
高雄應用科技大學機械工程系教授會議時
間
2011 年 12 月 19 日 至 2011 年 12 月 22 日會議地
點
大陸廣州會議名
稱
(中文)2011 年 機械科學與技術國際會議(英文)2011 International Symposium on Mechanical Science and Technology， 2011 ISMST
發表論
文題目
(中文) BGA 封裝產量改善之強健多目標最佳化設計
(英文) Robust multi-criteria optimal design for improving the yield of BGA packaging
日，如何讓產業設備製造業者能藉光電半導體廠持續擴充的機會，使臺灣成為亞太區域光電 半導體製程設備創新研發基地，已成為當前重要課題。依照半導體生產的過程，主要可分為 前段晶圓製造與後段晶片封裝測試部份。 筆者的論文主要針對封裝廠 BGA 製程封裝模具，進行浮動中心塊與模穴的最佳化研究， 以解決基板厚度變異過大，封裝時所產生的流道溢膠及產品溢膠的問題。文中利用最佳化研 究在封裝模具中設計一浮動機構，使模具在進行封裝時，能夠依據基板厚度，自行調整合模 間隙與模穴間距，並配合浮動機構設計，進行封裝模具完整建壓研究，讓封裝廠不需耗費大 量人力，進行基板厚度管制，及減少更換模穴間隔塊的次數，亦能提升封裝良率，使整體生 產成本下降，達到節省成本的目的。在 BGA 封裝中，需因應不同批次基板的厚度變異，頻繁 更換間隔塊，避免溢膠問題。計畫擬開發可容許基板誤差±0.05mm 的浮動裝置；首先，以直 交表規劃設計參數，計算浮動壓力、加工區域等目標，應用 S/N 比來評估目標函數設計性能 是否符合拘束條件限制，將符合拘束條件的目標函數性能特性之 S/N 比，作為模糊理論的輸 入，求出代表多重品質特性(MPCI)的衡量指標，再由控制因子效果分析及變異數分析，確認 設計參數對目標函數的影響，最後進行封裝模具功能及可靠度測試。此研究吸引了不少來自 各國學者專家的興趣，並索取論文希望有機會互相切磋研究。 參加國際性會議，可瞭解世界各國的學術研究概況，以便吸收他人的創新構想與知識。 筆者所發表的論文為BGA封裝產量改善之強健多目標最佳化設計，此研究吸引了不少來自各國 學者專家的興趣，並索取論文希望有機會互相切磋研究。整體而言，此次參加研討會的心得 是，在會議進行過程，除了可以聆聽來自世界各國最新的研究成果外，更可利用休息的時間 與相關學者專家進行聯誼交流，認識了許多學者專家，對於國家及個人在國際能見度的提升 確實有顯著的幫助。另就交換研究經驗與心得，促進學術交流與合作，及提昇學術研究的品 質而言，皆有極為重大的價值。這次研討會，所獲得的新知十分深刻，相信對教學及研究均 有莫大的助益，感謝國科會補助筆者參加此研討會。
三、攜回資料名稱及內容
1.大會資料 2.論文光碟國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2012/08/16國科會補助計畫
計畫名稱: 生物組織應力分析之撓性陣列應變感測器設計與製造 計畫主持人: 黃世疇 計畫編號: 99-2221-E-151-004-MY2 學門領域: 生物力學無研發成果推廣資料
99 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：黃世疇 計畫編號：99-2221-E-151-004-MY2 計畫名稱：生物組織應力分析之撓性陣列應變感測器設計與製造 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 2 1 100% 研究報告/技術報告 1 1 100% 研討會論文 2 1 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 3 2 100% 博士生 1 1 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 1 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 2 1 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 3 2 100% 博士生 1 1 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次其他成果
