國立臺灣大學醫學院暨工學院醫學工程學研究所 碩士論文
Institute of Biomedical Engineering College of Medicine and Engineering
National Taiwan University Master Thesis
椎間核壓力感測器之製程研究
Study of Manufacturing of Miniature Intradiscal Pressure Transducers
黃啟軒
Chi-Hsuan, Huang
指導教授:王兆麟 博士 Advisor: Jaw-Lin Wang, Ph.D.
中華民國 100 年 7 月
July, 2011
摘要
簡介:椎間核壓力是脊椎生物力學研究上一重要的參數,透過椎間核壓力的量測,
可以探討椎間盤的生物力學性質,而目前最主要的量測方式是用針型壓力感測 器,穿刺椎間環來量測內部的椎間核壓力。目前雖已經成功開發出20 G(外徑 0.9 mm)的針型感測器,但在製程上仍處於一個不穩定的階段,其中含失敗率高、
靈敏度及非線性度不易控制等因素,而且也沒統一的標準來判斷其優劣,所以希 望能在製程上做一探討,整理出一套有系統的標準製程。
材料與方法:首先會在20 G 針頭上放電加工一凹槽,然後將應變規以應變規黏著 劑平貼於凹槽內,在確定熱熔膠槍溫度上升至 133℃後,以自製之夾具對熱熔膠 做定量之出膠,以及應變規塗佈表面做定位之控制,最後以熱風槍做定時、定向 的吹整,來達到製程的標準化;校正方面以靜脈帽之構造,設計一特殊結構將感 測器密封於液壓裝置中,並使用材料測試機來做外力負載,而液壓裝置內部接有 一標準壓力感測器,即可將此接受之訊號與針型感測器之訊號做校正分析。所校 正出來的數值,會先以非線性度做一篩選,從其中選出小於10%的良品,再做 0.5 小時之0.4~0.7 MPa 的連續負載,最後再篩選一次,將非線性度大於 10%與負載 前後校正常數差異大於10%的剃除,最後留下的即為成品。
結果:本研究比較了標準製程與手工製程的差異,在樣本數為標準製程及手工製 程各25 支的情況下,標準製程良率為 72%,手工製程為 24%;標準製程之校正 常數標準差較手工製程為低,且根據以往經驗,標準製程的校正常數更能趨向其 最適用值20 bar/V;另外標準製程所做出的成品相較於手工製程有較低的非線性 度,顯示標準製程比起手工製程在製作上更能提供穩定且實用的方法。另外本研 究也成功將應變規感測器尺寸縮小至22 G 針頭,壓力測量範圍提升至 3 MPa。
結論:本研究開發之新標準製程能改良過去手工製作之針型壓力感測器的靈敏 度、非線性度及重複性。
【關鍵詞】椎間核壓力、壓力量測、針型壓力感測器、標準製程
Abstract
Introduction: Needle-type transducers are widely used in measuring the intradiscal
pressure (IDP). The manufacturing procedures of in-house miniature needle-type transducer (20G) are not well established, resulting in the poor yielding rate and large variances of sensitivity and nonlinearity. The yielding rate of transducer also needs to be improved. In order to tackle these problems, the aim of this study is to develop a standard protocol of miniature needle-type IDP transducer manufacturing.
Material and method: We designed a standard procedure for transducer
manufacturing. At first, the strain gage was attached to a fillister in a 20G needle with gage-specific glue. The fillister was created with a method of electric discharge. The surface of the strain gage was covered by a layer of melted adhesive at 133℃. The amount of adhesive was quantified by a self-designed device. The flatness of adhesive surface was control by fixing the air-blow direction and using time of a heat gun.
Then the transducer was sealed in a hydraulic device for calibration. Only the transducers with non-linearity less than 10% were selected for the next-step sustainability test. The sustainability test included a 30 min cyclic loading with the loading magnitude ranging from 0.4~0.7 MPa. After that the transducer was calibrated again. The screening criteria for the sustainability test of the transducer were 1) the
nonlinearity <10% and 2) the changing ratio of the calibration coefficients <10%.
Result: This study compared the performances of needle transducers manufactured
through standard protocol and manual protocol. Accordingly, fifty transducers were produced. A half of them were manufactured by the standard procedures (i.e. Standard group, n=25), while the other half was vice the versa (i.e. Manual group, n=25). The yielding rate was 72% for the standard group and 24% for the manual group. The average calibration coefficient of the standard group approached 20 bar / volt, which indicated proper sensitivity for IDP measurement. Compared to the manual group, the nonlinearity and standard deviation of calibration coefficient of the transducer were lower in the standard group.
Conclusion: The standardization of manufacturing procedures improves the stability
and robustness of the miniature IDP transducers which shows better nonlinearity, sensitivity and reproducibility.
【keywords】Intradiscal pressure, Pressure measurement, Needle transducer, Standard procedure
誌謝
炎炎的夏日,喧鬧的蟬鳴,又到了鳳凰花開的時節,研究所的生活也隨著鐘 聲的響起,宣告了一個階段的終結,兩年的碩士生涯感覺穿起來是如此的彆扭,
但褪去的卻又是如此的倉促,一路上真的要謝謝603 生物力學實驗室的大家,對 我這古怪的脾氣與任性的包容與諒解。首先承蒙師恩王兆麟老師的悉心指導,讓 我們得以窺見醫學工程領域的發展,而實驗室因為有老師的帶領,提供了我們舒 適的研究環境以及研究上的經濟資源,我們才能放心的做研究;感謝楊博在每週 一早上會議的參與,以及適時能提供我們一針見血的建議,讓我們能知道研究上 看不到的盲點;另外感謝助理阿姨黃千姐,雖然我們只相處短短半年的時間,但 因為有妳幫忙維護環境以及有時為我們提供的愛心午餐與水果,讓我們在研究的 路途上感受到了溫暖的人情味。
接著感謝博班畢業組,智修學長,每次美國ORS 的研討會都麻煩你充當我們 的司機,真的是辛苦您了;感謝奇林學長在碩一時對我們的照顧,希望您當完兵 後能為我們醫工開創另一個新的天地;竣凱學長,實驗室永遠的金城武,我進實 驗室第一位認識的學長,感謝你帶領我們認識了醫工這塊領域,之後工作上祝你 能順順利利;雅雯學姐,我們實驗室的大支柱,每當我們快招架不住時都會幫我 們解圍,而每年的ORS 研討會的投稿以及英文方面的問題都麻煩妳了,在美食方 面獨特的品味也讓我頗為欣賞,因為有妳的帶領,也讓我們品嘗了不少美食。
再來是博班奮鬥組的于鈞學長,現任的實驗室大總管,很多事都麻煩你了,
不論是文章的投稿還是電腦的組裝,或是美國行程的安排,都受到你不少的幫助,
你也是我第一位的產品試用者,那時暑假的實驗真是辛苦你啦!祝你能早日點數 到位;文凱學長,在碩論方面真的要感謝你的幫忙,提供了我不少寶貴的建議,
以及容忍我碩論進度的遲交,之後實驗室的學弟妹就靠你照顧啦!加油,另外也 恭喜你資格考順利通過,祝你也能早日畢業;最後是我們的交換學生Mohammad Nikkhoo,伊朗人小莫,因為我的英文蠻爛的,沒能和你說到太多話還真是可惜,
也希望你在接下來的實驗上(有限元素)能順利進行。
研究助理組的佳傑學長、思顯學長、承軒學長、阿富學長、勝元學長、奇文 學長,感謝你們在我寫碩論時期的陪伴,不論如何希望你們接下來都能一切順利;
另外已經畢業的強哥、瑞安哥、檸檬哥,也謝謝你們在我進實驗室時的關照,讓
我瞭解了實驗該有的態度,和你們一起的拔河賽、中秋烤肉、ORS 美國紐奧良遊、
綠島遊、5000 公尺路跑,都是我研究所生活的珍貴回憶,真的感謝萬分。
同一屆的同學們,獅子,實驗室的吉祥物,我課業上的救星,兩年的生活受 到妳不少的幫助,真的是謝謝妳了,祝妳之後工作順利;東東,實驗室的康樂股 長,實驗室不少活動都靠你來帶動氣氛,為實驗室增添了不少歡笑,辛苦了,接 下來的研究助理生活也要加油;得鈞,好好先生一個,實驗室大大小小的事情都 有你的參與,熱心公益,真的是辛苦你了,祝你當兵順利喔!
小一屆的可愛學弟妹們,小白,雖然有時會對你莫名的「起駕」與「笑聲」
感到無言,但還是蠻可愛的說,祝你車禍受傷的腳能早日康復;小米,超強的PT 神醫,第一次讓我覺得物理治療那麼神奇,對妳的評語我還是只有該正經時很正 經,但神經時卻很神經,常麻煩妳一些事真的是謝謝了;老凃,實驗室的大力士,
雖然每次看你都宅宅的,但看起來你還是603 實驗室的第一希望,以後實驗室就 靠你了;蝦子,我的實驗傳人,這裡要懺悔一下,說起來我真是個不及格的學長,
沒有好好的關照你的實驗,真是對不起了,以後就麻煩你多擔待;Momo,實驗 室的新生力軍,我的碩論方面的資料部份都麻煩妳了,謝謝你們 sensor 組的情義 相挺,而實驗室的新血,志維、彥凱、小崔,研究生的新生活未來肯定會有很多 挑戰與樂趣等著你們去面對與發現,實驗室的未來就靠你們了,加油囉!
最後要特別感謝兩個人,一位是我實驗上的老大,目前在工研院的黃偉程學 長,我的碩論都是構築在你努力的成果上,而且即使在工作了,還是會關心我的 實驗進度,和我一起討論,告訴我方向,假日還陪我一起做實驗,真的是非常謝 謝,希望你真的能在幾年後光榮退休;另一位是生醫電資所博士班的張琦偉同學,
感謝你在我寫碩論時給我的建議與指導,真的是受到你不少的幫助,也感謝你每 晚和我一起組成台大美食搜索團,到處吃吃喝喝,害你荷包失了不少血,但我們 真的幾乎快把台大周邊的美食給吃遍了,也恭喜你資格考順利通過,祝你能早日 點數到位,順利畢業。
感謝這兩年大家對我的幫助與厚愛,若以上有未提及的人,也在此致上深深 的謝意,也感謝我家人的體諒與關心,這份榮耀是獻給你們的。
黃啟軒 中華民國一百年 七月 於台大醫工所
目錄
摘要 ...I
ABSTRACT ... II
誌謝 ... IV 目錄 ... VI 圖目錄 ... IX 表目錄 ... XI
第一章 緒論 ... 1
1-1 脊椎構造基本介紹... 1
1-2 椎間盤之病變... 2
1-3 椎間核壓力量測... 3
1-4 針型壓力感測器介紹與應用... 5
1-5 研究理論與假設... 7
1-5-1 應變規原理與介紹 ... 7
1-5-2 惠斯登電橋 ... 8
1-6 針型壓力感測器之現況...11
1-7 研究目的...11
第二章 研究內容與方法 ... 12
2-1 製程設備... 12
2-1-1 塗膠平臺... 12
2-1-2 熱熔膠槍... 13
2-1-3 針固定座... 14
2-1-4 定位裝置... 15
2-1-5 熱熔膠定量裝置 ... 16
2-1-6 熱風槍支座 ... 16
2-2 校正設備... 17
2-2-1 訊號處理器 ... 18
2-2-2 訊號放大器 ... 19
2-2-3 訊號擷取卡 ... 19
2-2-4 液壓裝置 ... 20
2-3 測試設備... 22
2-4 製作流程... 23
2-5 製作步驟... 24
2-5-1 放電加工 ... 24
2-5-2 製作說明 ... 25
2-6 校正與測試... 28
2-7 感測器特性... 29
2-7-1 靈敏度 ... 29
2-7-2 靈敏度誤差 ... 29
2-7-3 非線性度 ... 29
第三章 實驗結果 ... 30
3-1 標準製程與手工製程之差異... 30
3-1-1 良率比較 ... 30
3-1-2 校正常數比較 ... 30
3-1-3 非線性度比較 ... 31
3-1-4 製作時間比較 ... 32
3-2 針型壓力感測器 22G 之性質測試... 32
3-2-1 靜態校正曲線 ... 32
3-2-2 動態校正曲線 ... 33
3-2-3 極限壓力測試 ... 34
3-2-4 連續動態負載測試 ... 34
3-2-5 長時間負載測試 ... 35
3-2-6 重複性測試 ... 36
3-2-7 穩定性測試 ... 36
第四章 討論 ... 37
4-1 製程討論... 37
4-2 22G 針型壓力感測器討論... 37
第五章 結論與未來展望 ... 39
5-1 結論... 39
5-2 實驗限制... 39
5-3 未來展望... 39
參考文獻 ... 40
附錄一 ... 42
附錄二 ... 44
圖目錄
圖 1-1 胸椎與腰椎側視圖、剖面圖... 1
圖 1-2 椎間盤結構示意圖... 2
圖 1-3 脊椎病變示意圖... 3
圖 1-4 感測原理示意圖... 7
圖 1-5 應變規示意圖... 8
圖 1-6 惠斯登電橋電路... 8
圖 1-7 實際應變規接惠斯登電橋電路圖... 10
圖 2-1 熱熔膠標準製程裝置... 12
圖 2-2 塗膠平臺與 25 G 腰椎穿刺針... 13
圖 2-3 熱熔膠槍頭與溫度-時間關係圖 ... 14
圖 2-4 針固定座分解圖... 15
圖 2-5 定位裝置構造圖... 15
圖 2-6 熱熔膠定量裝置圖... 16
圖 2-7 熱風槍支座圖... 17
圖 2-8 校正系統架構圖... 18
圖 2-9 應變規訊號處理器... 19
圖 2-10 放大盒與放大卡... 19
圖 2-11 DAQ 訊號擷取卡 ... 20
圖 2-12 液壓裝置示意圖... 21
圖 2-13 標準壓力感測器校正曲線... 21
圖 2-14 材料測試機... 22
圖 2-15 製作流程圖... 23
圖 2-16 放電加工尺寸與應變規尺寸... 24
圖 2-17 感測器輸入與輸出之對應關係圖... 29
圖 3-1 標準製程與手工製程之良率比較... 30
圖 3-2 標準製程與手工製程之校正常數比較... 31
圖 3-3 標準製程與手工製程之非線性度比較... 31
圖 3-4 標準製程與手工製程之製作時間比較... 32
圖 3-5 針型壓力感測器壓力-電壓靜態校正圖 ... 33
圖 3-6 針型壓力感測器壓力-電壓動態校正圖 ... 33
圖 3-7 針型壓力感測器極限壓力測試圖... 34
圖 3-8 針型壓力感測器連續負載測試圖... 35
圖 3-9 針型壓力感測器長時間負載測試圖... 35
圖 3-10 針型壓力感測器七天重複性測試圖... 36
圖 3-11 針型壓力感測器七天穩定性測試圖 ... 36
表目錄
表一 人體在各種不同活動下之椎間核壓力 ... 4
表二 應變規感測器規格比較 ... 6
表三 液壓裝置材料 ... 21
表四 針型壓力感測器材料 ... 24
表五 本研究研發之應變規感測器與文獻中應變規感測器比較 ... 38
第一章 緒論
1-1 脊椎構造基本介紹
人體脊椎是共由33 塊脊椎骨所排列構成,脊椎骨共可分為三個部份:7 節頸 椎(cervical spine, C1-C7)、12 節胸椎(thoracic spine, T1-T12)、5 節腰椎(lumbar spine, L1-L5)。脊椎底部有 5 塊骨頭癒合成一大塊的薦椎(sacrum),再往下是 3 至5 塊的小骨(大部份人有 4 塊)癒合成一整塊或部份分開的尾骨(coccyx)。雖 然頸、胸、腰椎所處的位置不同,但其構造卻差不多(圖1-1),均包含下列構造:
椎體(vertebral body)、椎間孔(vertebral foramen)、椎弓根(pedicle)、椎板
(lamina)、一個棘突(spinous process)、一對橫突(transverse process)、一對上 關節突(superior articular process)、一對下關節突(inferior articular process)。
圖1-1 胸椎與腰椎側視圖、剖面圖21
在每節脊椎骨間還有以軟骨為主的椎間盤加以區隔,椎間盤的上下面由一層 薄薄的軟骨所覆蓋,稱為椎終板(endplate),外層稱為椎間環(anulus fibrosis),
是由環狀的纖維結構交織而成,纖維層與層之間排列約呈120°的夾角(圖 1-2),結 構性強且本身幾乎沒有痛覺神經,其與脊椎骨的外緣以及椎終板緊密相連。椎間 環內部的膠狀物質稱為椎間核(nucleus pulpous),其含水量可達 80%左右,膠質 可以使得椎間盤像液態的滾珠一般,因此椎間盤除了有關節的作用外,還具有做 為脊椎骨間緩衝墊的功能。
圖1-2 椎間盤結構示意圖21
1-2 椎間盤之病變
椎間盤可以藉由變化形狀來分配脊椎所受到的負載力,特別是對於壓縮力與 震動力的吸收十分的有效果,但卻容易受到扭轉所產生壓力的影響,導致外層的 破裂,導致脊椎病變發生(圖 1-3)。而這類情況的發生,會導致內部的膠狀物質(椎 間核)突出,通常稱為椎間盤突出或椎間盤脫出(圖 1-3(a));這一破裂往往會刺激 韌帶、脊髓硬膜和破裂處椎間環的痛覺纖維,產生局部的疼痛,而當椎間盤壓迫 到神經時,有可能引起手臂或腿部劇痛;椎間盤問題通常會發生在下背部,但也 會發生在頸部,中背部則比較少見。隨著脊椎的老化,骨頭與椎間盤也會跟著退 化(圖 1-3(b)),椎間盤則失去水分,越來越乾扁,韌帶也會變得無力且沒有彈性;
這些退化現象稱為脊椎關節退化症或骨性關節炎,通常50 歲以上的人有 75%的 X 光片檢查都顯示會有此症狀;其症狀通常會先由頸椎下半部及腰椎下半部發生;
雖然老化很少直接造成背痛,但會導致脊椎神經孔狹窄、骨質疏鬆、變形性骨炎 及關節面症候群等。
圖1-3 脊椎病變示意圖21
1-3 椎間核壓力量測
由於椎間盤的病變以及退化都有可能造成椎間核壓力的改變,如何去量測椎 間核壓力來做定量性的分析研究都是早期學者一直努力的目標,1953 年 Naylor 等人以布爾登壓力計(Bourdon gauge) 來量測椎間核壓力17,其中透過水壓以連通 管的方式來達到量測壓力的目的,但因為屬於間接的方式,所以在實驗上容易造 成誤差;椎間盤因為有極高的含水量,1959 年 Nachemson 等人假設椎間盤內部 為一個靜水壓的狀態 16,以一連接壓力計的中空針管並包覆具有彈性的聚乙烯材 質,去插入椎間核中來量測壓力,指出了椎間核具有靜水壓的特性,其後也開起 了以針型壓力感測器在椎間核壓力量測上之濫觴;椎間核壓力的量測可以做為在 脊椎力學的研究上一重要的參數,藉由椎間核壓力的變化,可以用來分析脊椎內 所承受之壓力情形,瞭解脊椎在各種不同情況與動作之下的壓力變化,1999 年
Wilke 等人便以針型壓力感測器的方式,透過無線傳輸的技術來量測人體在日常 生活中各種不同姿勢下的椎間核壓力情形25(表一),範圍大約落在0.1~2.3 MPa 之間。近幾年來椎間核壓力的量測方式便以針型壓力感測器為主,但使用針型壓 力感測器要考量的重點是針的破壞性穿刺對椎間盤結構的影響,因為過於粗的針 管有可能會使椎間核內的水分流失,進而影響實驗上的準確度,2007 年 Wang 等 人量測了不同號數針頭對於椎間環穿刺的影響23,發現22 G(外徑 0.7 mm)以上 針頭對椎間環的穿刺破壞上是最不會有顯著影響的,所以若能將針型壓力感測器 的尺寸控制在22G 以下,是最能符合用於微創診斷的。
表一 人體在各種不同活動下之椎間核壓力25
Position Pressure(MPa)
Lying supine Lying on the side Lying prone
Lying prone, extended back, supporting on elbows Laughing heartily, lying laterally
Sneezing, lying laterally Peaks by turning around
0.10 0.12 0.11 0.25 0.15 0.38 0.70-0.80 Relaxed standing
Standing, performing valsalva maneuver Standing, bent forward
0.50 0.92 1.10 Sitting relaxed, without backrest
Sitting actively straightening the back Sitting with maximum flexion
Sitting bent forward with tight supporting the elbows Sitting slouched into the chair
Standing up from a chair
0.46 0.55 0.83 0.43 0.27 1.10 Walking barefoot
Walking with tennis shoes
0.53-0.65 0.53-0.65 Jogging with hard street shoes
Jogging with tennis shoes
0.35-0.95 0.35-0.85 Climbing stairs, one stair at a time
Climbing stairs, two stairs at a time Walking down stairs, one stair at a time Walking down stairs, two stairs at a time Lifting 20 kg bent over with round back Lifting 20 kg as taught in back school Holding 20 kg close to the body
Holding 20 kg, 60 cm away from the chest
0.50-0.70 0.30-1.20 0.38-0.60 0.30-0.90 2.30 1.70 1.10 1.80 Pressure increase during night(over a period 7 hr) 0.10-0.24
1-4 針型壓力感測器介紹與應用
早期間接以液壓連通的方式量測椎間核壓力是有其困難點的存在,而且準確 率也不高,直到1992 年 McNally & Adams 等人發展了一種外徑 1.3 mm 的應變規 針型壓力感測器15,其製作方法是先在針上挖一小凹槽,然後將應變規塞入針內,
並用彈性材料固定住應變規以及針頭,靠著彈性材料的傳遞,應變規可直接受到 形變,即可產生電壓差的輸出,進而推估出壓力值,此方法的優點是可直接量測 到椎間核壓力,而且其準確率也比較高,往後椎間核壓力的量測技術也都以此原 理做為主要的研究方向(表二)。椎間核壓力感測器根據所使用的材料、技術不同 可區分為應變規形式、光纖形式與壓電材料形式。應變規形式感測器限於應變規 本身之尺寸而無法不斷微小化;而光纖形式感測器尺寸雖小但價格昂貴,光纖感 測器目前可以用聚合物多層膜的技術製造,可以在in vitro 的情況下量測 0-70 KPa 的壓力,解析度到 0.17 KPa27。而壓電材料可以用商業上可取得壓阻式感測晶片 (piezoresistive pressure sensor, PPS)加工後,製成適合椎間核壓力範圍量測的感測 器7;在 1999 年 Sato 等人製造出外徑 1.2mm 的應變規感測器19,對健康以及椎 間盤退化的患者,同時進行各種姿勢下腰椎的椎間核壓力量測,感測器的壓力量 測範圍0~1 MPa,最大可量測範圍為 4.9 MPa,靈敏度為 5 mV/V/MPa,非線性度
<±2%;在 2004 年 Polga 等人量測了在各種姿勢下胸椎的椎間核壓力變化18,其 中所使用的是外徑1.3mm 的應變規針型壓力感測器,感測器可校正範圍為 0~2.8 MPa,靈敏度為 1.875mV/V/MPa;自 2006 年開始 Wilke 等人的研究團隊用針型壓 力感測器,外徑為1.45 mm,最大壓力量測範圍為 0~5 MPa,靈敏度 1.52 mV/V/MPa 準確度為±1 kPa,做了一連串的相關研究:在 2006 年 Wilke 等人量測了 TOPS 脊 椎植入物在植入脊椎後的椎間核壓力的變化 26、2007 年 Heuer 等人比較了在彎 曲、伸展、側彎等不同的動作下脊椎活動度與椎間核壓力的關係9、2007 年 Kettle 等人量測了人、小牛、豬、羊,在植入脊椎植入物後椎間核壓力的變化,來評估 何種動物最適合當做臨床前的模型,其中發現小牛是最適合的11、在2008 年Wilke
比較了四種脊椎植入物Coflex、Wallis、Diam、X-stop,在植入腰椎後的椎間核壓 力變化24,並探討在各種姿勢下椎間核壓力的變化,來評估其脊椎植入物的效果;
在2008 年 Dath 等人比較了在脊椎融合手術中固定式和可動式兩種不同類型的椎 弓根螺釘,所造成的椎間核壓力的改變 4,所使用的針型壓力感測器外徑為 1.3 mm,靈敏度 37.5 mV/V/MPa,非線性度<±1%;在 2009 年 Luo 等人用 1.3mm 的 針型感測測量椎間核壓力在骨頭碎裂和打入骨水泥補強後的變化 14,並在 2010 年進一步用針型感測器量測椎間核壓力,分析Vertebroplasty 和 Kyphoplasty 兩種 對脊椎受傷患者治療方法的優缺點5。除此之外,在 2010 年 Shim 等人以應變規 針型感測器量測椎間核壓力還被用在評估腰椎棘間韌帶移除的影響 20;在 2010 年,Chuang 等人則探討了椎間核壓力與外生交聯劑作用的關係1;在2008 年 Gay 等人則探討下背痛復健的療效與椎間核壓力的關係6;在2010 年 Turner 等人則量 測了椎間核壓力對不同脊椎植入物材料應力分部的影響22;在2009 年 Ingalhalikar 和2010 年 Kikkawa 等人則探討了全椎間盤置換術的療效10,12;在2009 年 Kim 等 人則探討不同程度椎間核損害與椎間核彈性之間的關聯性13;而2010 年 Hebelka 等人則探討應力在鄰近椎間盤間的傳遞8。
表二 應變規感測器規格比較
1-5 研究理論與假設
本研究所開發的針型壓力感測器主要是為了量測椎間核內部的靜水壓,所以 為了符合此環境,所以用液壓來做校正;主要使用的感測元件為應變規,應變規 可視為一電阻,當液壓壓迫熱熔膠傳遞至應變規時,應變規下方的針管因為與大 氣連通,造成液壓與氣壓差異,提供了應變規可形變的空間(圖1-4),其電阻也 發生改變,而因為電阻的變化極小,必須透過惠斯登電橋,將電阻的變化轉換成 電壓差的變化,然後經過校正這個步驟,即可得知壓力與電壓的關係變化,便可 藉此來量測壓力的大小。
圖1-4 感測原理示意圖
1-5-1 應變規原理與介紹
應變規主要用於應變的量測,在機械、材料、航空方面中可作材料結構之應 力、應變、潛變、疲勞之量測,在土木、建築、結構方面也被廣泛使用於橋樑結 構強度、負載測試與裂縫、土石流偵測,在醫學工程方面可作假牙之硬度與咬合 強度測試,也可做骨骼動作時應力之模擬和義肢強度測試,另外也可用來做 Load-cell, Torque sensor, Pressure transducer 等感測器。
應變規上的感測區域是一幾微米厚度金屬阻抗薄片(圖1-5),其黏著於一微 小面積的電子絕緣薄膜上,為形成適合的外形(柵欄狀),會用光蝕刻的方法將不 需要的部份去除掉,如此輸出阻抗改變值的導線就可固定,其提供的電阻值一般 為120 Ω;根據應變規所受應變之改變,其電阻值也會產生改變,因此可藉由觀
察電阻值之變化來反推材料施於應變規之應變,便可得知材料之應變情形。
圖1-5 應變規示意圖
1-5-2 惠斯登電橋
惠斯登電橋(Wheatstone bridge)為應變規量測技術中一個相當重要的介面
(圖1-6),因為應變規上的應變所產生的電子阻抗很小,一般約在 10-3~10-6 Ω 之 間,所以需要惠斯登電橋電路來轉換電阻變化成為電壓信號,利用電橋平衡的原 理,造成一微壓差之輸出,最後再利用放大器將訊號處理成我們所需要之訊號。
圖1-6 惠斯登電橋電路3
V :輸入電壓,in Vout:輸出壓差,R1、R2、R3、R4:電阻
根據分壓定理
1 1 2 4 3 4
,
in in
AB V AD V
V V
R = R R R = R R
+ + ,可知 1 4
1 2 3 4
,
in in
AB AD
V V
V R V R
R R R R
= =
+ +
由 1 4 1 3 2 4
1 2 3 4 ( 1 2)( 3 4)
in in
out BD AB AD in
V V R R R R
V V V V R R V
R R R R R R R R
= = − = − = −
+ + + + …….……..(1)
當R R1 3−R R2 4 = 0 R R1 3 =R R2 4…...……...………...…..(2) 電橋平衡Vout=0,
若假設 R1、R2、R3、R4分別各有一電阻改變量Δ 、R1 Δ 、R2 Δ 、R3 Δ R4
可利用矩陣的形式將(1)簡化表示ΔVout:
1 1 2 2
4 4 3 3
1 1 2 2
3 3 4 4
0 0
out in
R R R R
R R R R
V V
R R R R
R R R R
+ Δ + Δ + Δ + Δ Δ = + Δ + + Δ
+ Δ + + Δ
………..…(3)
因 R 值遠大於 RΔ ,可由一階近似,將(3)展開簡化:
1 3 1 3 3 1 2 4 2 4 4 2
1 2 3 4
( ) ( )
( )( )
out in
R R R R R R R R R R R R
V V
R R R R
+ Δ + Δ − + Δ + Δ Δ ≅
+ + ……...………..…..(4)
將(2)代入:
3
1 2 4
1 3
1 2 3 4
2
1 3 1 2
1 2
( )
( )
out in
R
R R R
R R R R R R
V V
R R R R R R
Δ Δ −Δ + −Δ Δ =
+ ………...………..……..…..(5)
最後整理可得:
1 2 1 2 3 4
2
1 2 1 2 3 4
( )
( )
out in
R
R R R R R
V V
R R R R R R
Δ
Δ Δ Δ
Δ = − + −
+ ………..………...…………...(6)
本實驗將120 Ω 的應變規代替其中一橋段,另外用可變電阻10 K Ω串聯一電 阻2 K Ω 去並聯另一橋段,可變電阻的主要功能為歸零用,可調整輸出電壓差使 電橋達到平衡狀態;而另一橋段會並聯一電阻100 K Ω和一指撥開關,其主要功 能為造成一電壓差,可用此數值來推得模擬的應變值,而本實驗因未量測應變值,
故將指撥開關保持在OFF 狀態,實際電路圖如下(圖 1-7)。
圖1-7 實際應變規接惠斯登電橋電路圖
其中 R1為應變規電阻,R2、R3、R4為固定電阻,10 K Ω為可變電阻,做為 歸零之用,歸零後即不再調整,因此Δ = Δ = Δ = ,代入(6)式可得: R2 R3 R4 0
1 2 1
2
1 2 1
( )
( )
out in
R R R
V V
R R R
Δ = Δ
+ ………..…...……...…..(7) 單軸應變規的應變與電阻變化關係式如下:
g
R S
R ε
Δ = ………..…...……...…..(8)
S 為應變規因子(Gage factor),其定義為應變規上的電阻變化率與應變g ε 之比值,
其值(約2.1)完全由應變規本身所使用之材料來決定,是應變規靈敏度的指標。
結合(7)與(8)可得:
1 2 2
1 2
( )
( )
out g in
V R R S V
R R ε
Δ =
+ ……...……..(9) 而本實驗假設應變規形變沒有超過對應材料的一定彈性限度,應變ε 與應力σ 成 一定之比值,即楊氏模數E 成定值,關係式如下:
E σ
= ...……(10) ε 由(9)(10)可知應變規所受之應力值σ,即所感測到之壓力值與電壓值成正比關係。
1-6 針型壓力感測器之現況
在目前本實驗室應變規針型感測器的研究上28,主要是將20 G(外徑 0.9 mm)
針頭放電加工一小溝槽,然後將應變規平貼於小孔內,因為應變規的寬度比針的 直徑還寬,所以會再以手工的方式將EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物),也就是熱熔 膠,塗佈應變規表面形成薄膜,再以熱風槍吹整使其均勻分布,其作用是為了做 應變規的保護與針的密封,最後將製成之針型壓力感測器接上應變規訊號處理 器,將訊號透過訊號放大器來做擷取與分析。另一方面會將針型壓力感測器鎖入 液壓裝置並使用材料測試機施力來校正,針型壓力感測器之訊號會與標準壓力感 測器之訊號做校正比較;而因為針型感測器的鎖入是以靜脈帽做為橋樑,靠著靜 脈帽上的橡皮來進行密封,但壓力如果過大,就有可能造成橡皮的脫落,所以壓 力校正範圍被限制在0~1.6 MPa;另外針型壓力感測器雖然已經成功開發出靈敏 度與穩定性高的成品,但在製程上仍屬於手工製作,在良率、靈敏度與穩定性的 表現上,彼此間的差異性頗高,而目前並沒有一個標準化的製程來達到量產的階 段,也沒有統一的標準來決定感測器的優劣。
1-7 研究目的
本研究主要是以開發一個低成本、低非線性度、高靈敏度以及穩定度的針型 壓力感測器來做椎間核壓力的量測,若以外徑過大的針型壓力感測器去做椎間盤 的穿刺,有可能破壞椎間環的結構,造成水分的流失,進而影響到所量測出來的 數據,雖然目前已經掌握了20 G(外徑 0.9 mm)的針型壓力感測器的製作方法,
但在開發的製程上還是希望能以最不破壞椎間環的22 G(外徑 0.7 mm)為最終 目標,另外因為是純手工製作,20 G 的針型壓力感測器的在良率、靈敏度以及穩 定性的控制上還處於一個不穩定的階段,所以要訂定一套標準的作業流程,藉由 夾具的輔助,來達到標準化的製程。
第二章 研究內容與方法
2-1 製程設備
影響針型壓力感測器的表現的主要因素,就是膠量多寡以及膠膜厚度,為了 能讓製程有定量的效果,所以設計了一系列的夾具(圖2-1),主要分為三部份,
分別是針固定座、定位裝置與膠量控制裝置,其最主要是希望能確實將針固定後,
將固定量的膠均勻塗抹分佈在針上感測區的應變規表面,最後給予一定量與定向 的熱風做吹整,來達到製程統一的效果。
圖2-1 熱熔膠標準製程裝置
2-1-1 塗膠平臺
為了讓應變規能平貼於針的凹槽中,以及避免在塗熱熔膠或吹整時造成應變
規的翹起,在上膠前都會先用應變規黏著劑(CC-33A, KYOWA., Ltd)來與針管 做一固定,應變規黏著劑有點類似瞬間膠,經過24 小時後可結晶化,且它需要比 熱溶膠更高的溫度才會失去黏性,所以適合用來做應變規在針管上之固定;然而 應變規黏著劑的過多會造成應變規的硬化,使其失去應有的靈敏度,所以在塗佈 上需要格外的小心;另外也有可能滲進應變規和針之間的空隙,造成應變規在形 變上的困難,所以在塗應變規黏著劑前會先用25 G 腰椎穿刺針(25 G×3.5”, 0.5×90 mm, BD, Becton, Dickinson and Company)的內針(直徑 0.22 mm),頂住應變規,
防止塗應變規黏著劑時的滲漏,最後放置於平臺上(圖2-2),同樣以內針沾應變 規黏著劑沾塗在應變規與針管的交界處與多出的部份,最後藉由毛細現象將應變 規固定在針上。
圖2-2 塗膠平臺與 25 G 腰椎穿刺針
2-1-2 熱熔膠槍
在製程中會以熱熔膠均勻塗佈在應變規上做保護以及防水,而熱熔膠的多寡
與厚薄都影響著針型感測器的靈敏度和穩定性,太厚會造成感測器不夠靈敏,太 薄會使針管容易進水,該如何在此之間取得平衡,是本研究的重點;為了能縮小 熱溶膠的出膠量,在熱熔膠槍出膠口處塞入了一15 G(外徑 1.81 mm)的針頭(圖 2-3(a)),使出膠的量能因此獲得控制;另外熱熔膠的黏度會因為溫度而有所不 同,為了能將溫度做一固定,所以用一熱電偶去量測了出膠口的溫度,由圖可知 大約在15 分鐘後熱熔膠槍的溫度達飽和狀態約 133℃左右(圖 2-3(b)),所以之 後在製程上會先熱機15 分鐘後在進行操作。
圖2-3 熱熔膠槍頭與溫度-時間關係圖
2-1-3 針固定座
針固定座主要是以靜脈帽(Injection Port Cap REF59159609, BD, Becton, Dickinson and Company)為主軸(圖 2-4),目的是為了能讓針固定在同一軸上,
而其後方的齒輪,可以使針在同一軸上做軸向的旋轉,下方的磁鐵主要是與定位 裝置做結合,配合著單軸精密滑臺,即可做定位塗膠的控制。
圖2-4 針固定座分解圖
2-1-4 定位裝置
使用一單軸精密滑台(行程25mm,最小解析度 0.1mm)來改裝成一定位裝 置,其上方會固定一熱熔膠槍,其功用為當針上的應變規塗佈熱熔膠後會送進此 熱熔膠槍內,透過內部的溫度,可以將多餘的膠給刮掉;另外在單軸精密滑台上,
會固定鎖上一附有磁鐵之壓克力長板,磁鐵的作用可以用來與針固定座做一對位 與固定,也可輕易的將針固定座拆下,做即時性的調整(圖2-5)。
圖2-5 定位裝置構造圖
2-1-5 熱熔膠定量裝置
主要是以熱熔膠槍頭進行改造,在後端接上一耐熱的透明管,本研究以 3 c.c.
針筒(SS-10ES, Terumo Medical, Corp)替代,其中放入直徑 7 mm 的熱熔膠條(圖 2-6(b)),最後以 M8 螺絲按刻度做定格之推擠,來達到定量擠出之效果(圖 2-6
(a));根據熱熔膠的相變化圖2(圖2-6(c)),可以看出大約在 130℃左右,
熱熔膠處於液體與彈性體的過渡區,而熱熔膠槍的出膠口的溫度也剛好約為133
℃,正好可以防止熱熔膠會因為溫度過高成液體狀,由出膠口一直流出而無法控 制。
圖2-6 熱熔膠定量裝置圖
2-1-6 熱風槍支座
為了能讓熱風槍的熱風做一固定的吹整所以設計了一支架,讓熱風槍能固定
吹向一處,配合針固定座,即可對針的吹整做一標準的控制;而對剛塗完熱熔膠 的針做吹整,除了能讓應變規表面所塗抹的熱熔膠更加平整外,另一目的則是為 了能讓在塗佈過程中所產生過多的殘膠軟化,才能加以刮除,雖然多餘的殘膠基 本上不會影響針型感測器的性質,但在做脊椎穿刺時有可能會脫落,連帶影響到 應變規表面的膠,所以在吹整時為了不影響感測區域的熱熔膠,以及能徹底清除 殘膠,吹整時會用一鋁塊對感測區做一遮蔽保護,此處也使用磁鐵將鋁塊達到對 位的效果(圖2-7)。
圖2-7 熱風槍支座圖
2-2 校正設備
感測系統架構主要是由材料測試機、液壓裝置、訊號處理器、訊號放大器、
訊號擷取卡等所構成(圖2-8)。首先會將針型壓力感測器置入液壓裝置,然後以
材料測試機施與外力負載,針型壓力感測器所感測的訊號透過鱷魚夾線傳至訊號 處理器(惠斯登電橋),訊號放大器與訊號處理器間以五蕊接線連結,其中紅綠白 黑四蕊有作用,其中訊號放大器透過紅、黑蕊線供應惠斯登電橋所需之電壓,綠、
白蕊線將惠斯登電橋所感測之電壓差訊號傳回,此訊號經訊號放大器放大後由排 線傳輸至資料擷取卡,資料擷取卡也會透過 BNC 接線同時擷取液壓裝置上標準 壓力的訊號,最後由USB 接線傳回電腦做資料比較分析;而資料擷取卡也可做類 比輸出,可透過電腦軟體(LabVIEW)來對馬達做相應之回饋控制。
圖2-8 校正系統架構圖
2-2-1 訊號處理器
訊號處理器內部為自製之惠斯登電橋電路所構成(圖2-9),主要是將應變規 上電阻值極微小的變化,轉換為電壓差的變化,以供方便量測,藉由可變電阻的 調整可使電橋電壓的輸出達平衡狀態即歸零,而其輸入之電壓源以及輸出之訊號
均透過五蕊接線與訊號放大器相接來做供應與處理。
圖2-9 應變規訊號處理器
2-2-2 訊號放大器
訊號放大器是由放大底板(3B02 Series 8 Channel Backplane, Analog Device)放大卡 (3B18, Analog Device )、排線所構成(圖 2-10)。放大卡可調整訊號放大的倍率
(Gain=497),另外也可調整輸出電壓為3.3 V 或 10 V,本實驗為供應惠斯登電橋 上120 Ω 的應變規,故電壓調為 3.3 V,最後將接收到的訊號放大後由排線傳回資 料擷取卡。
圖2-10 放大盒與放大卡
2-2-3 訊號擷取卡
訊號擷取卡(NI USB-6009, NI, Corp)具備基本的資料擷取 (DAQ) 功能(圖
2-11),共有 8 個類比輸入(14 bit、48 kS/s 取樣率)以及 2 個類比輸出(12 bit、
150 S/s 波特率),最大類比輸入電壓範圍為±10V,所以每 bit 約會有 0.005 V 的解 析度,並相容於LabVIEW 軟體,可直接從電腦做資料的分析與控制。
圖2-11 DAQ 訊號擷取卡
2-2-4 液壓裝置
本實驗之椎間核壓力感測器主要是用來量測靜水壓的壓力,故在校正上以水 壓來進行校正,下圖為自製的液壓裝置,主要材料為銅製接頭所組成。透過1 c.c.
針筒施與一外力負載來改變其裝置內的壓力變化(圖 2-12),根據帕斯卡原理,
若裝置處於密封狀態,其內部任一點壓力均相等;而為了能達到密封的效果,在 鎖入針型壓力感測器的部份做了一個防漏的設計,主要是將感測器與靜脈帽對鎖 後,防止水從針的後部流出,另外透過止水栓去壓迫O 型環與銅管對鎖,來達到 密封的效果;液壓裝置會額外接一壓力感測器(附錄一)以及壓力數位錶頭(附 錄二),前者是方便電腦接受訊號以利分析,後者則是方便即時觀測,實驗前會先 校正標準壓力感測器的壓力-電壓關係圖至 30 bar 以上(圖 2-13),其校正關係式 為 Pressure(bar)= Voltage(V) ×13.26-23.36,即可得知裝置內之標準壓力值,最後 藉由標準壓力感測器與椎間核壓力感測器所接受到的訊號來做比較,即可進行校 正分析。
表三 液壓裝置材料
品名 型號 公司
1 c.c.針筒 MSS011 Merit Medical, Inc
10 c.c.針筒 SS-10ES Terumo Medical, Corp
標準壓力感測器0~9.81 MPa AST4000A00100K4E0000 American Sensor Technologies, Inc
數位錶頭0~6.895 MPa DPG-109 Dwyer
靜脈帽 Injection Port Cap REF59159609 BD, Becton, Dickinson and Company
圖2-12 液壓裝置示意圖
圖2-13 標準壓力感測器校正曲線
2-3 測試設備
測試設備主要使用到的便是材料測試機,因為可以用電腦做回饋控制,所以 可以根據不同的情形條件做多種不同的設定,像是力量控制、位移控制甚至是壓 力控制,也可做連續動態負載以及靜態負載等測試。
為了能精準控制給定的壓力範圍,因此以本實驗室自製的材料測試機來控制 其外力負載,主要是由一無刷直流馬達(BXM230M-GFH2, VEXTA, Oriental Motor, Corp)跟驅動控制器(BXD30A-A, VEXTA, Oriental Motor, Corp)所組成,馬達 的輸出經由聯軸器帶動一滾珠螺桿,而滾珠螺桿上有一導引塊,可藉由兩側導板 做直線運動,其最大輸出力量約可達 4000N;馬達所附之控制器,可設定轉速 30rpm~3000rpm 之間,經過齒輪減速比換算後,其速率可控制範圍約為 0.667mm/s
~66.667mm/s 之間(圖 2-14)。
圖2-14 材料測試機
2-4 製作流程
針型感測器在製作上共可分為三個階段,分別是製程、校正、測試,而每個 階段都有一測試標準,製程的部份主要分為四部份(圖 2-15),首先是放電加工,
接著將應變規用應變規膠(CC-33A)固定於針上,等待一天後用熱熔膠(EVA)
對針做一塗佈,最後用熱風槍做一吹整,完成後,最主要是注意膠是否有把針的 開口處密封好,有沒有漏水;緊接著校正則是為了確認針的靈敏度與非線性度的 好壞,會先給予0~1MPa 左右的壓力做校正,挑選靈敏度大於 250 mV/MPa、非 線性度小於 10 %的進行連續負載測試;測試則是為了驗證針的穩定性與再現 性,會先給予0.4~0.7MPa 的連續負載半小時,最後會再進行一次校正,然後挑選 出靈敏度誤差以及非線性度都在10 %以內的,即為成品。
圖2-15 製作流程圖
2-5 製作步驟
表四 針型壓力感測器材料
品名 型號與尺寸 公司
120Ω 之應變規 KFG-03-120-C1-11N30C2(1.5×4.2mm) KYOWA., Ltd
應變規黏著劑 CC-33A KYOWA., Ltd
20 G 針頭 0.9×38 mm Terumo Medical, Corp
25 G 腰椎穿刺針 0.5×90 mm, BD, Becton, Dickinson and Company
熱熔膠 乙烯-醋酸乙烯共聚物 EVA(7×100 mm) PROXXON, Corp
熱熔膠槍 HKP 220 PROXXON, Corp
熱風槍 1600HLG E Kress-elektrik, Corp
2-5-1 放電加工
首先在距離 20G 針頭尖端上緣 2.0mm 位置放電加工一凹槽,凹槽的尺寸為 5.0×0.9×0.45mm(長×寬×高),其中寬為針頭外徑,而高為針頭外徑的一半(圖 2-16)。
圖2-16 放電加工尺寸與應變規尺寸
2-5-2 製作說明
Step 1
將應變規穿入經過放電加工 的針管內,然後將腰椎穿刺針的內 針塞入針中,頂住應變規。
Step 2
將 針 的 凹 槽 卡 在 塗 膠 平 臺 上,然後以腰椎穿刺針的內針沾應 變規黏著劑後,塗抹在針管與應變 規的交界處,再用鑷子確定是否有 黏好,接著靜置24 小時,等待結 晶化。
Step 3
將針鎖入針固定座後,再一次 將腰椎穿刺針的內針塞入針中,然 後針固定座以磁鐵相吸,架於定位 裝置,調針固定座上的齒輪,將針 背朝上,應變規朝下,然後旋轉螺 旋微調器將針推入刮除膠用的熱 熔膠槍內,螺旋微調器刻度調 5 的位置。
Step 4
確定熱熔膠槍頭熱機 15 分鐘 後,將螺絲向下旋轉一刻度,擠出 熱熔膠,開始準備將針拉出,因為 一開始膠量不穩,所以從針背開始 塗,當螺旋微調器刻度為15 的位 置時停止。
Step 5
旋轉針固定座上的齒輪,將應 變規朝上後,再一次將針推入刮除 膠用的熱熔槍內,當螺旋微調器刻 度為5 的位置時停止。
Step 6
一口氣將針由刮除膠用的熱 熔槍內旋出,直到螺旋微調器刻度 為25 的位置時,然後取出腰椎穿 刺針的內針。
Step 7
將針固定座從定位裝置上拿下 後,旋出針,然後換到另一個熱風 槍支座的針固定座。
Step 8
一樣調針固定座上的齒輪,將 針背朝上,應變規朝下,然後放上 熱風槍支架後,調熱風槍刻度在2 的位子,將熱風槍頂在支架入風口 處,吹整約10 秒。
Step 9
迅速將針固定座拿下,用鑷子 把針背上多於的殘膠刮除。
Step 10
接著旋轉針固定座上的齒輪 將應變規那面朝上後,放上鋁塊將 應變規感測端遮蔽起來,接著同樣 以熱風槍吹整5 秒。
Step 11
同樣迅速將針固定座拿下,用 鑷子把除了感測區外多於的殘膠 刮除。
Step 12
將鋁塊往後放,露出感測區的 部份,接著再同樣以熱風槍吹整5 秒,最後觀察其表面,適時的做修 整。
Step 13
將感測端浸入水裡,然後用氣 槍從後方灌氣,觀察是否有氣泡產 生,檢查是否有漏水。
2-6 校正與測試
在確定成品是否有無漏水後,接著便是做訊號的校正,訊號校正是以所讀取 到的針型感測器的電壓值變化與一標準壓力感測器的電壓變化做比較,通常標準 壓力感測器在實驗前會先用壓力數位錶頭做一次校正,之後根據校正所得到的標 準壓力再與針型感測器的電壓值做一線性迴歸,來得到一校正常數;壓力的校正 會以材料測試機施與一外力負載,馬達下壓速度為3 mm/s,壓力範圍通常為 0~1 MPa,而取樣率為 100Hz。根據校正所得到的資訊,我們可以得到靈敏度與非線 性度等感測器特性,這些數據也會成為判斷針型壓力感測器的好與壞的依據,在 此階段會做第一次的篩選,將非線性度大於10%的做第一次的排除,之後便是感 測器穩定性的測試,施與0.5 小時,0.4~0.7 MPa 的連續負載,之後再做一次篩選,
將非線性度與校正常數誤差在10%以上的做第二次排除,剩下的即為成品。
2-7 感測器特性
圖2-17 感測器輸入與輸出之對應關係圖
2-7-1 靈敏度
感測器所輸出的變化量 yΔ 與引起該變化量的輸入變化量Δx之比值,即輸出 量與輸入量關係圖之斜率k,即為其靈敏度,其公式為 y
k x
=Δ Δ
2-7-2 靈敏度誤差
由於外在環境因素的影響,可能會引起靈敏度的改變,使靈敏度產生誤差。
其誤差以相對誤差來表示,即 s k 100%
γ =Δk ×
2-7-3 非線性度
所量測出的輸出輸入關係曲線與其校正曲線之間的最大偏差,就稱為非線性 誤差或線性度,其誤差以相對誤差來表示,即 L Lmax 100%
γ = Δy ×
第三章 實驗結果
3-1 標準製程與手工製程之差異
本研究主要是比較標準製程與手工製程的差異,由其中來確定標準製程的可 行性,標準製程與手工製程的樣本數各為25 支 20 G 針型壓力感測器。
3-1-1 良率比較
圖 3-1 為標準製程與手工製程良率的比較,在做連續負載前標準製程的良率 84%,手工製程的良率 32%,而在做連續負載後標準製程的良率 72%,手工製程 的良率24%,顯示標準製程的良率比手工製程來得高。
圖3-1 標準製程與手工製程之良率比較
3-1-2 校正常數比較
圖 3-2 為標準製程與手工製程校正常數的比較,也就是靈敏度倒數的比較 上,在做連續負載前與連續負載後標準製程的變化很小,表示標準製程所做出的 針型壓力感測器十分穩定,且校正常數落在20 bar/V 附近,根據之前實際使用後
的經驗,校正常數落在20 bar/V 左右的針型壓力感測器,往往都能有較好的表現,
而手工製程在連續負載前的標準差相當大,表示在製程上仍處於相當一個不穩定 的狀態。
圖3-2 標準製程與手工製程之校正常數比較
3-1-3 非線性度比較
圖 3-3 為非線性度的比較,其標準差的變化趨勢與校正常數雷同,可以發現 手工製程在連續負載前的標準差相當大,表示在製程初期的線性度仍處於不穩定 的狀態,但在經過連續負載後的篩選,其非線性度也得到了適當的控制。
圖3-3 標準製程與手工製程之非線性度比較
3-1-4 製作時間比較
圖3-4 為製程的時間上的比較,標準製程的時間平均約花 500 秒,手工製程的 時間約為 300 多秒,標準製程所花的時間較手工製程的時間多,但因為是標準製 程,所以在每支製作時間的差異上比較小。
圖3-4 標準製程與手工製程之製作時間比較
3-2 針型壓力感測器 22G 之性質測試
本研究也成功開發出22 G(外徑 0.7 mm)的針型壓力感測器,雖然 22 G 的 針頭,是最不會對椎間盤結構造成破壞,最理想適用於椎間核壓力的量測的尺寸,
但因為針的尺寸過小,導致應變歸能向下產生形變的範圍有限,所在製程上的困 難度也比較高,目前在製程上還是以手工製作的方式為初步開發的手段。
3-2-1 靜態校正曲線
圖 3-5 為針型壓力感測器的靜態校正,橫軸為針型壓力感測器所讀到的電壓 值,縱軸為壓力數位錶頭所讀到的實際壓力值,在每bar 附近取一數值做比較後,
做線性迴歸,此即針型壓力感測器之壓力-電壓校正公式,感測器之靈敏度為 147.309mV/V/MPa,非線性度為 3.44%。
圖3-5 針型壓力感測器壓力-電壓靜態校正圖
3-2-2 動態校正曲線
圖 3-6 為應變規感測器的動態校正,橫軸為針型壓力感測器所讀出的電壓 值,縱軸為標準壓力感測器所讀取之標準電壓值,材料測試機之速度為3mm/s,
訊號擷取頻率為100Hz,做線性迴歸後,得到感測器之壓力-電壓校正公式,感測 器之靈敏度為147.331 mV/V/MPa,非線性度為 3.01%,與靜態校正的靈敏度誤差 為0.015%。
圖3-6 針型壓力感測器壓力-電壓動態校正圖
3-2-3 極限壓力測試
圖3-7 為針型壓力感測器的極限壓力測試,材料測試機之速度為 3mm/s,訊 號擷取頻率為100Hz,雖然施與壓力的負載已經能達到 30 bar ,但針型壓力感測 器的訊號在高壓時卻無法能跟上標準壓力感測器的訊號,推測在 30bar 時的壓 力,已經超過了應變規上熱溶膠膜所能承受呈線性形變的最大範圍,導致有訊號 失真的情況。
圖3-7 針型壓力感測器極限壓力測試圖
3-2-4 連續動態負載測試
圖 3-8 針型壓力感測器的連續動態負載校正圖,因為本研究使用之材料測試 機並無法做正弦波之模擬,故改用類似的三角波來模擬循環負載,材料測試機速 度為6.67mm/s,壓力範圍為 4~7 bar,依此模擬循環負載頻率為 1Hz 的波,訊號 擷取頻率為 100Hz,由圖可看出針型壓力感測器的訊號有跟上標準壓力感測器的 訊號。
圖3-8 針型壓力感測器連續負載測試圖
3-2-5 長時間負載測試
圖3-9 為針型壓力感測器之長時間負載曲線,材料測試機速度為 1mm/s,並 在7bar 時停留約 5 分鐘,訊號擷取頻率為 100Hz,可以發現除去馬達雜訊的干擾 的影響因素後,針型感測器在長時間負載下仍有良好的表現。
圖3-9 針型壓力感測器長時間負載測試圖
3-2-6 重複性測試
圖3-10 為針型感測器做重複性的測試,分別在七天做校正,根據環境等外在 因素的影響,雖然校正常數有所偏移,但在表現上還是相當穩定的。
圖3-10 針型壓力感測器七天重複性測試圖
3-2-7 穩定性測試
圖3-11 為穩定性測試,將針型壓力感測器連續七天做 1 小時的動態負載,壓 力範圍為4~7 bar,然後每 5 分鐘做一次校正,追蹤其穩定度與非線性度的變化,
可以發現雖然經過連續負載後,校正常數會有約 10%的偏差,但非線性度變化不 大,從整體七天的結果來看,其表現是相當穩定的。
圖3-11 針型壓力感測器七天穩定性測試圖
第四章 討論
4-1 製程討論
本研究主要的目標就是訂定一套標準製作流程,降低針型壓力感測器在製程 上的不穩定性,為了能比較標準製程與手工製程上的差異,比較了以兩種製程各 製作25 支 20 G 的針型壓力感測器,相對於手工製程,標準製程的良率大約是手 工製程的三倍,且靈敏度與非線性度的表現上來說,也是標準製程所做出來的效 果比較好;若只比較各組間彼此的差異,標準製程所做出來的標準差比手工製程 更能集中,彼此間的靈敏度與非線性度的差異也比較小;而根據實際實驗過後的 經驗,發現校正常數落在20 bar/V 附近的值,其在穩定性上有著最佳的表現,而 標準製程所做出的校正常數平均值為 18.159 bar/V,十分接近理想的數值;標準 製程大部份的成品在經過穩定性的測試後,校正常數的偏差也十分的小,顯示其 穩定度是可信賴的;但在製作的時間上,標準製程的製作過程比較繁瑣,所以花 費的時間比手工製程來得多,但在製作的時間上也比較固定,不會像手工製作所 花的時間是不固定的;標準製程所製作出來的針型壓力感測器雖然在非線性度上 略遜於文獻中市售之應變規針型壓力感測器,但在壓力的量測範圍與靈敏度的表 現上都有同等級的表現,而且針的尺寸也確實比其他市售的應變規針型壓力感測 器來得小,在技術上可說是一大突破。
4-2 22G 針型壓力感測器討論
本研究以手工的方式成功研發了22 G 的針型壓力感測器,在校正結果方面不 管是靜態、動態、或是長時間負載下都有良好的準確度與重複性,由表五可發現 本所研究的針型壓力感測器外徑僅 0.7 mm,遠小於文獻中市售之應變規感測器 (1.2~1.8 mm),靈敏度 147.3 mV/V/MPa,相較於文獻中市售之應變規針型壓力感 測器有較優良的表現;在非線性度方面,雖然略遜於市售之應變規針型壓力感測
器,但還是在可接受之範圍,在壓力校正上限,目前已經能成功校正到30 bar 以 上,但受限於熱熔膠的材料性質,當受到過於高壓的壓力時,熱熔膠傳遞給應變 規的形變可能已經超出彈性變化的範圍,造成訊號失真的現象發生。根據上述,
本研究研發之應變規針型壓力感測器已經成功開發出能在不破壞椎間盤結構的情 況下的針號(22 G),有著極大的優勢與實用上的價值,除了可以探討脊椎的生物 力學性質外,也可以為脊椎植入物在植入後做一定量性的評估。
表五 本研究研發之應變規感測器與文獻中應變規感測器比較
第五章 結論與未來展望
5-1 結論
本研究在針型壓力感測器的製程上,開發了一系列的夾具,來降低造成製程 上不穩定的因素,也訂定了一套判斷針型感測器實用性的標準,透過校正常數與 非線性度的數值來對針型感測器做一篩選,結果顯示標準製程所做出的成品確實 比手工製程做出的成品來得穩定且有效;目前也成功發展出22 G 針型應變規感測 器 (外徑 0.7 mm),除了遠小於市售之應變規針型壓力感測器外徑外,也有著極高 的靈敏度,以及高重複性和低非線性度,也證實可實際應用於椎間核壓力量測。
5-2 實驗限制
雖然標準製程確實改良了針型壓力感測器的製作過程,但還不是相當的成 熟,以製程來說,也說不上是完成定量標準化,因應變規黏著劑、熱熔膠的塗佈 以及熱風槍的吹整都是透過夾具以手動的方式來操作的,還是有人為誤差的問題 存在;而雖然成功的將22 G 的針型壓力感測器開發出來,但研發的過程也還是以 手工製程為主,而22 G 因為其尺寸的限制,因此在製作上也有一定的難度,要以 標準製程來實現22 G 的針型壓力感測器製作,還是有一段需要努力的距離。
5-3 未來展望
本研究雖然開發出了手動式的夾具來達到製程的標準化,但若能將手動這部 份改為用馬達來做為驅動源的話,能更符合所謂的標準化製程,另外以馬達做為 驅動的話,配合電腦程式的控制,更有可能達到完全的自動化;本研究也成功製 作出22 G 針型應變規感測器,證實了 22 G 針型感測器的實用性,但因為其尺寸 的關係,手工製程上有一定的難度,該如何在22 G 針型壓力感測器與標準製程上 搭造一個橋樑,未來也是一個極需要努力的目標。
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