設計研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

掃描探針
器有參數變化及磁滯效應時之智慧型設計研究 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 99-2221-E-216-020-

執 行 期 間 ： 99 年 08 月 01 日至 100 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 中華大學通訊工程學系

計 畫 主 持 人 ： 林君明

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：邱胤華 碩士班研究生-兼任助理人員：張琪琨 碩士班研究生-兼任助理人員：卓昆泰

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 100 年 11 月 18 日

中 文 摘 要 ： 目前以音圈(Voice Coil)或是電磁裝置(Electromagnetic Device)，作為力致動器(Force Actuator)的趨勢，有快速增 加的現象，這是因為它很便宜，且很很容易驅動使用的緣 故。但是這種音圈力致動器或

電磁裝置，有很嚴重的非線性效應，例如死帶區(Dead Band) 及磁滯效應(Hysteresis Effect)，並且使用久了，其中非常 重要的彈簧及線圈電阻，會有彈性係數變差，及電阻變大的 特性。傳統設計是在工作

點(Operating Point)的附近，將系統動態方程式進行線性 化，再利用各種線性控制方法，進行控制器的

設計。但是當系統參數有變化(Parameter Variation)，或是 有負載干擾(Load Disturbance)時，這些預先設計好(增益及 補償器皆為固定式)的控制器，就不一定能使系統維持良好的 反應，可能誤差會加大，

甚至產生不穩定的現象，所以必須要找一個更有效的方法。

本次掃描探針輪廓儀設計研究，與以往的方式有很大的不 同，即是將以往在內迴路的模糊控制器，移到外迴路，取代 原來外迴路的比例積分控制器(PI Compensator)。詳細的作 法是以 MATLAB 套裝軟體，進行音圈力致動器，有參數變化及 磁滯效應時，智慧型掃描探針輪廓儀外迴路設計，如模糊理 論及模擬分析，另一方面，則是整合可調接觸力垂直探針輪 廓儀硬體系統，並進行界面電路的設計分析。結果發現在外 迴路，用模糊控制器可以降低系統參數有變化(Parameter Variation)，或是有磁滯效應時的影響。

中文關鍵詞： 掃描探針顯微術，模糊控制，音圈式力致動器死帶區，磁滯 效應

英 文 摘 要 ： This research is to upgrade the previous work of a contact force-controlled scanning probe microscopy system design, which had main parts as: XYZ-stage, force actuator (voice coil) and driving circuit, Linear Variable Differential Transformer (LVDT), Linear Velocity Transducer (LVT), load cell, diamond probe (1μm accuracy), data acquisition board, and operating system programming. The PID controller and LVT were applied to improve the inner-loop damping and the transient response of the system that would be degraded by the dead-band as well as the

hysteresis effects of the force actuator, the contact-force of the probe was detected by a load

cell and feedback to move the force actuator to make the desired contact-force between the probe and the sample under test. Thus the force actuator dead-band as well as the hysteresis effects can be minimized.

The drawbacks of the previous method were that if one made a long time test, then the temperatures of the voice coil as well as the load cell would be

increased. Thus not only the parameters of the system, such as coil resistance and the spring constant would be varied, but the load cell noise would be raised, which will reduce the accuracy

performance of the system. In this research the fuzzy controller is moved to the outer loop instead of the original one in the inner loop. The results show that the fuzzy controller is more robust to parameters variation and hysteresis effects of the force actuator.

英文關鍵詞： SPM, Fuzzy Control, Voice Coil Force Actuator, Dead- band, Hysteresis Effect

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 掃描探針輪廓儀音圈力致動器有參數變化及磁滯效應時之智慧型

設計研究

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 99－2221－E－216－020－

執行期間： 2010 年 08 月 01 日至 2011 年 07 月 31 日 執行機構及系所：中華大學通訊工程學系

計畫主持人：林君明 共同主持人：

計畫參與人員：張琪琨、卓昆泰、邱胤華、蔣淞宇。

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 100 年 10 月 18 日

研究計畫中英文摘要

（一）計畫中文摘要。

目前以音圈(Voice Coil)或是電磁裝置(Electromagnetic Device)，作為力致動器(Force Actuator)的趨 勢，有快速增加的現象，這是因為它很便宜，且很很容易驅動使用的緣故。但是這種音圈力致動器或 電磁裝置，有很嚴重的非線性效應，例如死帶區(Dead Band)及磁滯效應(Hysteresis Effect)，並且使用 久了，其中非常重要的彈簧及線圈電阻，會有彈性係數變差，及電阻變大的特性。傳統設計是在工作 點(Operating Point)的附近，將系統動態方程式進行線性化，再利用各種線性控制方法，進行控制器的 設計。但是當系統參數有變化(Parameter Variation)，或是有負載干擾(Load Disturbance)時，這些預先 設計好(增益及補償器皆為固定式)的控制器，就不一定能使系統維持良好的反應，可能誤差會加大，

甚至產生不穩定的現象，所以必須要找一個更有效的方法。

本次掃描探針輪廓儀設計研究，與以往的方式有很大的不同，即是將以往在內迴路的模糊控制 器，移到外迴路，取代原來外迴路的比例積分控制器(PI Compensator)。詳細的作法是以MATLAB套 裝軟體，進行音圈力致動器，有參數變化及磁滯效應時，智慧型掃描探針輪廓儀外迴路設計，如模糊 理論及模擬分析，另一方面，則是整合可調接觸力垂直探針輪廓儀硬體系統，並進行界面電路的設計 分析。結果發現在外迴路，用模糊控制器可以降低系統參數有變化(Parameter Variation)，或是有磁滯效 應時的影響。

關鍵詞:掃描探針顯微術，模糊控制，音圈式力致動器死帶區，磁滯效應

研究計畫中英文摘要

（二）計畫英文摘要。

This research is to upgrade the previous work of a contact force-controlled scanning probe microscopy system design, which had main parts as: XYZ-stage, force actuator (voice coil) and driving circuit, Linear Variable Differential Transformer (LVDT), Linear Velocity Transducer (LVT), load cell, diamond probe (1μm accuracy), data acquisition board, and operating system programming. The PID controller and LVT were applied to improve the inner-loop damping and the transient response of the system that would be degraded by the dead-band as well as the hysteresis effects of the force actuator, the contact-force of the probe was detected by a load cell and feedback to move the force actuator to make the desired contact-force between the probe and the sample under test. Thus the force actuator dead-band as well as the hysteresis effects can be minimized. The drawbacks of the previous method were that if one made a long time test, then the temperatures of the voice coil as well as the load cell would be increased. Thus not only the parameters of the system, such as coil resistance and the spring constant would be varied, but the load cell noise would be raised, which will reduce the accuracy performance of the system. In this research the fuzzy controller is moved to the outer loop instead of the original one in the inner loop. The results show that the fuzzy controller is more robust to parameters variation and hysteresis effects of the force actuator.

Keywords: SPM, Fuzzy Control, Voice Coil Force Actuator, Dead-band, Hysteresis Effect

前言

由於我國目前正大力推動兩兆雙星產業，所以投入大量資金，購買設備與訓練高科技人才。21 世紀 高科技產品之開發趨勢，更是朝向超微小材料結構方向發展。此時亟需正確量測與描述奈米材料物理性質 之儀器，如半導體、光電、及硬碟製造技術，不斷推陳出新，有一個共同的特徵：就是對加工物表面的平 坦，或輪廓的要求越來越高。例如半導體晶圓在進行金屬化連線製程之前，需要先做平坦化處理（CMP），

以確保金屬連線後的可靠度。而硬碟讀取頭也需要在平坦度極高的磁碟片上飛行，進行資料快速的存取。

而光電元件表面粗糙度，也是影響影像傳輸品質的重要因素。所以近來工業界對於各類表面輪廓儀的需 求，是非常的殷 切。值得 我國儘速投 入人力 及設備進行研發 。其中掃 描探針顯微 術(Scanning Probe Microscopy,SPM)，便是一個極具潛力的技術[1-10]。由於 SPM 已在實驗室中展現出搬移單原子，並製造 原子尺寸材料結構的能力，也可在真空、空氣、水溶液等環境下操作，使得掃描探針顯微術，成為奈米科 技的發展基礎，並受到全球科技界的重視。但是國內在發展高科技產業的同時，其中最重要的 SPM 等相 關檢測設備，須向其他先進國家購買，不但設備價格高昂，維修不易，如果碰到競爭對手干預，則將會遭 到設備出口管制問題。所以本研究是建立自製檢測設備的能力與基礎，而以發展接觸式掃描探針顯微系統 為出發點。

研究目的

目前以音圈(Voice Coil)或是電磁裝置(Electromagnetic Device)，作為力致動器(Force Actuator)的趨 勢，有快速增加的現象，這是因為它很便宜，且很很容易驅動使用的緣故。但是這種音圈力致動器或 電磁裝置，有很嚴重的非線性效應，例如死帶區(Dead Band)及磁滯效應(Hysteresis Effect)，並且使用 久了，其中非常重要的彈簧及線圈電阻，會有彈性係數變差，及電阻變大的特性。傳統設計是在工作 點(Operating Point)的附近，將系統動態方程式進行線性化，再利用各種線性控制方法，進行控制器的 設計。但是當系統參數有變化(Parameter Variation)，或是有負載干擾(Load Disturbance)時，這些預先 設計好(增益及補償器皆為固定式)的控制器，就不一定能使系統維持良好的反應，可能誤差會加大，

甚至產生不穩定的現象，所以必須要找一個更有效的方法。

由於可控制接觸力之掃描探針顯微系統[11-15]，複雜性比前述之SPM 檢測設備低，環境容忍能 力也較高。而檢測的精度可以利用機構的設計，數值處理的手法，以及電路方面的提升，而具有開發 的潛力。以往運用傳統PID控制技術，已經完成一套接觸式掃描探針顯微系統[16-17]，如圖 1。

圖 1 可控制接觸力之掃描探針顯微系統

本計畫先前運用傳統PID控制技術之系統[16-17]，主要元件包括：XYZ 移動平台、音圈力致動器 (Voice Coil Force Actuator) 、 線 性 可 調 式 差 分 變 壓 器 (LVDT ， Linear Variable Differential Transformer，)、荷重計(Load Cell，精密度 10 毫克)、垂直鑽石探針頭(半徑 10μm)、驅動電路、訊號 擷取卡，及自行研發的系統操作程式(Operating System Programming)。基本操作原理是：先設定探針 與待測物的接觸力(如 40 毫克)，而後運用XYZ 平台，進行平面掃描，配合荷重計，線性可變差分變 壓器，類比∕數位訊號擷取卡，並利用PID 控制器補償，將荷重計的訊號做回授與處理，再將誤差訊 號，傳到力致動器，做施力誤差補償。系統硬體架構連結及MATLAB 模擬方塊，如圖 2 及 3。最後 是將擷取到的數位資料，利用軟體程式，以畫面呈現在電腦螢幕上。但是系統的性能，會受到力致動 器輸入死帶區，及遲滯效應(Dead Band and Hysteresis Effect)的影響，如圖 4。

1、滑輪。2、固定機構。3、音圈式力致動器。4、配重塊。5、線性可調式差分變壓位移量測器

（LVDT）。6、速度感測器（LVT）。7、薄葉型簧片（Leaf Spring）。8、精密電子天枰。

9、探針。10、待測物。11、X.Y.Z 平台。

圖 2 先前運用傳統PID控制技術之可控制接觸力之掃描探針顯微系統架構圖

圖 3 先前運用傳統PID控制技術研發之MATLAB 系統模擬方塊圖

圖 4 力致動器輸入死帶區及遲滯效應曲線量測圖

後來因微分控制器，會造成雜訊放大效應，而沒有採用。設計模擬結果，如圖 5-6 所示，其中(a) 為力致動器輸入三角波， (b)微系統輸出三角波， (c)為輸出及輸入曲線(XY PLOT)的對照圖，可知當 積分器的增益逐漸增加(I=10)，超過某ㄧ數值(I=20)時，此種補償方式，對於力致動器磁滯效應的改 善，趨於一極限。而另ㄧ方面，當積分器的增益太高時，系統反應變差，量測結果，比較容易震盪而 不穩定，為一項缺點。

圖 5 P = 0.5，I = 10 之力致動器(a)輸入三角波,(b)輸出三角波,及(c) 輸出及輸入之曲線圖(XY PLOT)

圖 6 P = 0.5，I = 20 之力致動器(a)輸入三角波,(b)輸出三角波,及(c) 輸出及輸入之曲線圖(XY PLOT)

文獻探討

一般非線性系統設計法[24，27]可分為：滑動模式控制(Sliding Mode Control, SMC) [19-21]，模糊 控制[19，22]，H∞控制[21，23]，及回授線性化控制[24]，其中以滑動模式，及模糊控制為最常見。

滑動模式控制，是利用不連續的控制輸入，使系統狀態能確保於切換平面(Switching Plane)附近，並沿 著切換平面滑動至原點，使受控體(Plant)不受系統參數變化，及外在負載干擾的影響。但是這種方法 需要先設定參數變化，及負載干擾之最大不確定量。但是這麼一來，系統往往會有明顯的抖動切跳現 象(Chattering Effect) 。這是因為滑動模式中的輸入信號，會因符號函數(Sign Function)的切換，而巨 量改變的緣故。反之若選擇過小的不確定量為邊界，則會產生穩態誤差。

另一方面，模糊邏輯理論自 Lotfi Zadeh 於 1965 創始以來，已被廣泛應用於各個領域，它被證 明是個出色的方法，可用來處理繁雜的非線性系統。於智慧型控制領域中，另一個被大量應用的是類 神經網路（Neural Network），由於其可藉由系統輸入輸出的取樣資料，當作訓練範例，從訓練範例 中，學習系統之間的行為模式，而不需要許多複雜的數學式，且訓練範例，經過篩選的步驟後，利用 類神經網路的收斂速度，與學習能力，能夠更快得到更佳的神經網路架構。類神經網路若以學習方法 分類 ， 有許多不同類型的神經網路 。 其中應用最為廣泛 、 普遍的 是 ： 倒傳遞神經網路 （ Back- Propagation Network ）。模糊控制主要是針對已知，或未知的非線性成分，依據模糊變數，及模糊控 制準則，來消除非線性成分[19，22，25-27]，且系統模型不需很準確，即可達成強健控制目的。

研究方法

由上可知模糊控制較簡單，所以本研究是採用這種方法，進行強健式系統設計，如力致動器有非 線性磁滯效應，及彈簧有彈性疲勞，而導致彈性係數(k)變差；及電阻(R)因電流生熱而變大的現象。

本研究是以 MATLAB 套裝軟體，進行模糊控制整合及模擬分析，最後進行及軟體及硬體整合測試，相關 成果已發表 [59-60]。詳細步驟說明如下：

音圈(Voice Coil)型力致動器的結構，如圖 7，其中圖 7 (a)是未通電流的情況，致動桿沒有向下伸 出。而圖 7 (b)是通電流後的情況，致動桿有向下伸出。因為音圈通電流後，所產生的作用力F，與通 過的電流，有下列關係：

(a)未通電流致動桿沒有伸出(b)通電流致動桿有伸出

圖 7 音圈(Voice Coil) 型力致動器及致動桿結構圖(a)未通電流，(b)通電流

另一方面，音圈(Voice Coil) 型力致動器，產生的作用力，與壓縮彈簧使致動桿，產生的位移x，

及彈簧係數k (Spring Constant)，有下列關係：

又：外加於音圈(Voice Coil)型力致動器的相電壓(Phasor Voltage)，與通過的相電流(Phasor Current)，

有下列關係：

其中 R 及 L 分別為音圈的電阻及電感。由式(3)及(4)可得音圈致動器的轉移函數為：

由上式可知這種音圈型力致動器外加電壓 v，與其位移 x，是成正比的關係。所以目前以音圈 (Voice Coil)，作為力致動器(Force Actuator)，有快速增加的現象[18-26]，這是因為它很便宜，且很容易 驅動使用的緣故。但是這種音圈力致動器或電磁裝置，有很嚴重的非線性效應，例如死帶區(Dead Band)，及磁滯效應(Hysteresis Effect)，且使用久了，其中非常重要的彈簧，會有彈性疲勞，而導致彈 性係數(k)變差。而另一方面，電阻(R)因通過電流，生熱而會有變大的現象。

研究內容

本次的研究目標，是使用下列 3 種控制器架構，針對音圈致動器磁滯效應(Hysteresis Effect)，進行 掃描探針顯微術設計(Scanning Probe Microscopy, SPM)。圖 8 為內、外迴路前向迴路中，運用PI 控制 器之方塊圖(系統 1)，雙PI補償器的目的是：穩態誤差於內迴路及外迴路趨近於 0。圖 9 為不用LVT之 SPM系統方塊圖(系統 2)，以降低成本。圖 10 為不用LVT之SPM系統PID模糊控制器 (系統 3)。期望能 分析何者對磁滯效應的處裡方面，有更好的成果。

圖 8 內、外迴路前向迴路中運用PI 控制器方塊圖(系統 1)

圖 9 不用LVT之SPM系統MATLAB模擬方塊圖(系統 2)

圖 10 不用LVT之SPM系統PID模糊控制器MATLAB模擬方塊圖(系統 3)

表 1 列出圖 8(系統 1，用LVT)所用的控制器設計，6 種情況時之增益餘裕，相位餘裕，及穿越頻 率ω^c (Phase Cross-over Frequency)之比較。而圖 11-14 是用方案(Case)1、2、5、和 6 之波得圖響應。若 磁滯效應D=0.3，則各對應方案的鋸齒波輸出響應，結果如圖 15 到圖 19。可知無論哪一種情況，輸出 磁滯效應都很明顯。。

表 1 圖 8(系統 1，用LVT) 控制器設計之增益餘裕，相位餘裕及穿越頻率ω^c比較

圖 11 系統 1 使用 Case 1 之波得圖 圖 12 系統 1 使用 Case 2 之波得圖

圖 13 系統 1 使用 Case 5 之波得圖 圖 14 系統 1 使用 Case 6 之波得圖

圖 15 系統 1 使用 Case 1 之輸出響應(D=0.3) 圖 16 系統 1 使用 Case 2 之輸出響應(D=0.3)

圖 17 系統 1 使用 Case 5 之輸出響應(D=0.3) 圖 18 系統 1 使用 Case 6 之輸出響應(D = 0.3)

其次運用如圖 9(系統 2，不用 LVT)，進行 SPM 系統的設計，表 2 同樣也列出了內迴路，及外迴

路的增益餘裕，相位餘裕，以及對應之穿越頻率 ω^c。方案（case）1、3、4 及 8 的波德圖，如圖 19-22。

輸出鋸齒波響應，如圖 23-26。可知相較於 Case 1(較大的相位餘裕)，磁滯效應明顯降低，因為系統 反應速度提昇很多，使磁滯效應造成的延遲減少，如圖 23。不過，相較於 Case 3 以及 Case 4，產生 的相位餘裕及 ω^c又更大。另外，Case 8 中初始的相位餘裕，及穿越頻率 ω^c都太小了，所以圖 26 中 系統的穩定性，又再度下降，因為磁滯效應使系統最後的相位餘裕，趨近於 0。

表 2 圖 9(系統 2，不用 LVT)控制器設計之增益餘裕，相位餘裕及穿越頻率 ω^c比較

圖 19 系統 2 使用 Case 1 之波得圖 圖 20 系統 2 使用 Case 3 之波得圖

圖 21 系統 2 使用 Case 4 之波得圖 圖 22 系統 2 使用 Case 8 之波得圖

圖 23 系統 2 使用 Case 1 之輸出響應(D=0.3) 圖 24 系統 2 使用 Case 3 之輸出響應(D=0.3)

圖 25 系統 2 使用 Case 4 之輸出響應(D=0.3) 圖 26 系統 2 使用 Case 8 之輸出響應(D=0.3)

最後運用圖 10(系統 3，不用 LVT) 之 PID 模糊控制器，進行 SPM 系統設計，此步驟是利用 IF-THEN RULE 定義出以下控制規則：

R1：IF e is NB AND Δe is NB THEN y is NB R2：IF e is NB AND Δe is Z THEN y is NM R3：IF e is NB AND Δe is PB THEN y is Z R4：IF e is Z AND Δe is NB THEN y is NM R5：IF e is Z AND Δe is Z THEN y is Z R6：IF e is Z AND Δe is PB THEN y is PM R7：IF e is PB AND Δe is NB THEN y is Z R8：IF e is PB AND Δe is Z THEN y is PM R9：IF e is PB AND Δe is PB THEN y is PB

其中 NB, NM, NS, ZE, PS, PM,及PB是表示Negative Big（超過很多）、Negative Middle（中等超過）、

Negative Small（少量超過）, Zero（無偏差）、Positive Small（少量不足）、Positive Middle（中 等不足），及Positive Big（不足很多）。而模糊PD控制器的輸出及輸入響應規則，如表 3。模糊PD 控制器的控制誤差E、誤差的微分ΔE，及輸入U之歸屬函數(Relationship Function)定義，如表 4 及 圖 27-29。為減少計算時間，用於計算模糊控制器，歸屬函數的高斯函數，本文以三角波函數取代。

表 3 模糊 PD 控制器之輸入及輸出規則

表 4 模糊 PD 控制器之規則參數

圖 27 誤差 E 的關係函數

圖 28 誤差 ΔE 的關係函數數值

圖 29 模糊控制器輸出的關係函數

在做了幾次試誤法之後，找出系統 3 的 PI 及 PD 的增益補償值，分別為 K1f=10， K2f=10，

K3f=0.001，及 K4f=10，圖 30 及 31 為 D=0.3 及 D=0.5 的輸出響應。可知磁滯效應幾乎不見了，所以 此種模式的控制器，可以證明是一種非常優秀的控制器。

圖 30 模糊控制器輸出響應(D=0.3) 圖 31 模糊控制器輸出響應(D=0.5)

系統設計與討論

系統測試，分成幾個部份，第一步驟是磁力音圈探針控制桿，初始位置的調整。這一部份可以透 過調整磁力音圈的電流來實現。當磁力音圈連桿連桿負載接觸力，輸出處於 100 毫克的時候，調整程 序便宣告完成，如圖 32。如果表面粗度更低的時候，這個數值還可以更小，這時候就能夠將大量存在 於磁力音圈的雜訊全部去除。系統測試流程，如圖 33。

圖 32 磁力音圈連桿連桿負載接觸力輸出上升至 100 毫克

圖 33 系統設計流程圖

完成之後，我們可以令底下的XY平台，隨水平方向(X方向)或是垂直方向(Y方向)移動掃描。最 後，由磁力音圈所量到的表面粗度樣本，側視圖以及上視圖如圖 34 (a)及(b)所表示。同樣也可以對 照於商品ET-4000 的輸出，表面特性表示於圖 35，可以看到系統的特性表現非常好。

(a) 側視圖 (b) 俯視圖 圖 34 運用本研究之模糊控制表面輪廓量測結果

圖 35 商用 ET-4000 表面輪廓量測結果

結論

本次研究是在設計，掃描式探針（SPM）系統之 PI 及 PD 模糊控制器。而且也有與搭載 LV 進行內 迴路迴授的控制器，進行比較。另外也發現：在有磁力音圈磁滯現象的情況之下，本研究之 PI 及 PD 模糊控制器，表現依然不差。

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[59] Jium-Ming Lin and Po-Kuang Chang, “Eliminating Hysteresis Effect of Force Actuator in a SPM,”

WSEAS Transactions on Systems and Control, Vol. 5, Issue 1, pp. 1-15, January, 2010. (EI)

[60] Po-Kuang Chang and Jium-Ming Lin, “Integration Both PI and PD type Fuzzy Controllers for a Scanning Probe Microscope System,” SICE Annual Conference 2010, Taipei, Taiwan, August 18-21 2010, pp.

1875-1879. (EI).

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：

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）

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）

本次的研究目標，是使用PI控制器與PD控制器、以及模糊控制器，針對磁力音圈探針 (LVT)，以及 掃描探針顯微術設計(Scanning Probe Microscopy, SPM)，在針對磁滯效應的處裡 方面，能有更好的成果。本次的研究實踐是基於使用套裝軟體MATLAB進行表面粗度的模擬 來完成實踐的，所以系統表現更為強健。相比於之前的設計方針，本次研究目標的設計，去 除掉了磁力音圈探針(LVT)的內迴路補償系統也在研究範圍內，所以新的設計能夠更加的泛 用，也更有價值。

由於可控制接觸力之掃描探針顯微系統，複雜性比前述之 SPM 檢測設備低，環境容忍能 力也較高。而檢測的精度可以利用機構的設計，數值處理的手法，以及電路方面的提升，而 具有開發的潛力。本研究已經完成一套精度可達 1μm 的接觸式掃描探針顯微系統。本計畫的 目的是將量測的精度，提升一個數量級。

附件二

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期：100 年 10 月 19 日

國科會補助計畫

計畫名稱：

掃描探針輪廓儀音圈力致動器有參數變化及磁滯

效應時之智慧型設計研究

林君明

計畫編號：

NSC 99-2221-E-216-020

（中文）

1. 林君明, “應用無線射頻識別標籤技術之熱氣泡式角加速 儀及其製備方法,” 中華民國專利(申請中)，2009 年 10 月 29 號提出申請，申請號為：中華民國第 098136612 號發 明專利申請案，智慧財產局發明公開公報，公開日期 2011 年 5 月 1 日，公開號碼為「201114678」。

2. 2. 林君明, “應用無線射頻識別標籤技術之熱氣泡式角

加速儀及其製備方法,”中國大陸專利(CN5950)，2009 年 11 月 10 號提出申請，申請號為： 200910212138.7。國 家知識產權局公報，公開日期 2011 年 5 月 11 日，公開 號碼「CN102053167A」。

3.

研發成果名稱

（英文）

3. Jium-Ming Lin, “RFID Based Thermal Bubble Type

Accelerometer and Method of Manufacturing the Same,”美國 專 利 ( 申 請 中 ) ， 2010 年 4 月 26 日 送 件 ， 案 號 ： 12/767597。

4. Jium-Ming

Lin, “Thermal Bubble Type Angular Accelerometer,”美國專利(申請中)。已於「2011 年 5 月 5 日」公開，公開號碼經編列為「US-2011-0100123-A1」。

C07305/US1121

成果歸屬機構

中華大學

(創作人)

林君明

技術說明

（中文）

加速儀是一種用來量測物體受外力，產生運動位移的一種感 測儀器，廣泛用在汽車、導航、國防、以及定位等多種領 域。傳統的加速儀多半採取電容式的感測方式，於加速儀內 部存在有一組質量塊(Proof Mass)。當外部受力作用於物體 上的時候，加速儀內部的質量塊會因慣性，產生不同於加速 儀外殼(Chassis)的位移。加速儀利用電容以及靜電感應所產 生的電壓變化訊號，經由晶片偵測解調，轉換成加速度的大 小。再經由積分運算，換算成位移。但因為存在有質量塊，

當加儀所受到的力道過於猛烈，質量塊的固定端就會受損。

同時內部質量塊結構複雜，製程當中容易損壞，使得加速儀 晶片的良率偏低，連帶使得單價過高，不易推廣於民間使 用。

相反的，熱汽泡式加速儀內部是以一加熱器、兩組與熱 電堆相同製程的溫度感應器，安裝於注有感應氣體的空腔之 中，加熱器經由電流熱效應，產生空腔內部氣體對流。當加 速儀外殼受力作用的時候，於空腔中對流的感應氣體，就會 隨著外殼受力移動而產生變化，使兩組溫度感應器(熱電堆) 處於不同的環境溫度，進而產生不同的電壓。經由晶片解 讀，即可將電壓換算成加速度，再由晶片進行積分運算，換 算成位移，以便獲得物體位置移動的訊息。但是傳統熱汽泡 式加速儀空腔中，是充以空氣或二氧化碳，對加熱器及熱感 測器，都會產生氧化作用而容易老化，甚至影響壽期。

*本發明之熱氣泡式加速儀，提出下列五大創新設計，其內 容及優點，說明如下：

*首度提出不懸空式設計，構造簡單，大幅提升製造良率 及大衝擊時的可靠度。

*首度使用低價的塑膠做為基板，隔熱效果好，使用時也 比較省電，降低成本。

*首度提出圓形或圓柱形流線型頂蓋，氣流運動更為穩 定。

*首度提出更為廉價的製程，降低商品售價。

*首度提出空腔中改填充惰性氣體，如氬(Ar)及氙(Xe)，

沒有氧化作用的問題。

（200-500 字）

（英文

）

This research proposes a wireless RFID-based thermal bubble accelerometer design, and relates more particularly for the technology to manufacture and package it on a flexible substrate. The key technology is to integrate both a thermal bubble accelerometer and a wireless RFID antenna on the same substrate, such that the accelerometer is very convenient for fabrication and usage. In this paper the heaters as well as the thermal sensors are directly adhering on the surface of the flexible substrate without the traditional floating structure.

Thus the structure is much simpler and cheaper for manufacturing, and much more reliable in large acceleration impact condition. In addition, the inner boundary shape of the chamber is changed as a semi-cylindrical or semi-spherical one instead of the conventional rectangular type. Comparisons are also made, one can see the sensitivity of the proposed semi-cylindrical design filled with inert gas such as Xe or the traditional carbon dioxide is better.

The most distinguished one is that the device is direct adhering on the substrate without making the floating structure which will reduce the reliability as well as increase the cost of fabrication. By the way the chamber is filled with inert gas such as Xe or Ar to avoid the oxidizing effect produced by the previous commercial ones with carbon dioxide or air that will reduce the reliability as well as the life cycle of the heater. In addition, the internal shape of the chamber uses semi-spherical or semi-cylindrical one to speed up the fluid flow for heat convection such that the bandwidth of the new structure is larger than the traditional one with rectangular package. One the other hand the outer shape of the package uses the rectangular type for easy marking the part and series numbers.

Finally, the device is also augmented with RFID tag technique to make the accelerometer as wireless one for easy application in various fields, such as sports, hospital monitoring, air bag, game, remote navigation and guidance, exercising, etc.

Comparisons with the conventional thermal bubble

accelerometer with rectangular-shaped internal chamber and

filled with carbon dioxide are also made. We have shown that the sensitivity of the newly proposed semi-cylindrical design is better. The paper organization is as follows: the first section is introduction. The second one is fabrication and packaging steps. The third one is simulation results and discussion. The last part is the summary.

產業別 導航、控制、娛樂及通訊產業應用

技術/產品應用範圍 導航、控制、娛樂及通訊產業應用

技術移轉可行性及預 期效益

本發明之熱汽泡式加速儀是與無線射頻識別標籤技術整合，可以 無線方式運作，大幅提升應用場合，如運動，醫療照顧，水平或垂直 畫面切換，遊戲機，及貴重物品的監控。具有下列七大創新設計，其 內容及優點，說明如下：

1. 首度提出不懸空式設計，加熱器及溫度感測器是直接和基板接 觸，構造簡單，不需鏤空之製程，可大幅提升製造速度、良率，

及大衝擊時的可靠度。

2. 首度使用低價的塑膠做為基板，隔熱效果好，使用時也比較省 電，可降低成本。

3. 首度提出氣室內部為圓球形或圓柱形，而外部為長方體之構裝設 計，氣流運動會更為穩定。

4. 首度提出將一般氣室之二氧化碳或空氣，改填充惰性氣體，如氬 (Ar)及氙(Xe)，沒有二氧化碳或空氣，會有氧化及老化作用的問 題。

5. 首度提出在塑膠基板上，以低溫電子槍製程製作加熱器及 K、J、

E 及 T 型熱電堆。

6. 將無線射頻識別標籤，整合於 X、Y 及 Z 軸熱氣泡式加速儀之塑膠 基板製程中，使其成為無線方式運作，用途更廣、更方便。

註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。

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：100 年 4 月 23 日

計畫編號 NSC 99－2221－E－216－020－

計畫名稱 掃描探針輪廓儀音圈力致動器有參數變化及磁滯效應時之智慧型設計

研究 出國人員

姓名 林君明 服務機構

及職稱

中華大學

會議時間 100 年 4 月 14 日

100 年 4 月 15 日 會議地點 法國巴黎第七大學 Université Denis Diderot (Paris 7)

會議名稱

(中文)2011 國際電子電機工程師協會控制及自動化計算機智能研討會 (英文)2011 IEEE Symposium on Computational Intelligence in Control and Automation (CICA 2011)

發表論文 題目

(中文)以 PD 型模糊控制器進行移動式天線追蹤系統有參數變化之設計 (英文)Intelligent PD-Type Fuzzy Controller Design for Mobile Satellite Antenna Tracking System with Parameter Variations Effect

報告內容應包括下列各項：

1、 參加會議經過

此次論文研討會，是聯合國際電子電機工程師協會(IEEE)計算機智能有關的 34 個研討會，同時 舉行 。 由此 可見此會 議之規模 ， 及受國 際 重視的程度 。 相關論 文將收錄 於 IEEE Xplore 及 Engineering Index (EI) 網站，由此可見此會議的重要性。(The extended abstracts of all paid/registered papers will be included in the IEEE Xplore database and Engineering Index (EI)).

這次參加研討會的文章，是以海報方式展出(Poster)，由林君明教授，與工程科學博士學位學 程，博士班研究生張博光所合寫的，題目是：Intelligent PD-Type Fuzzy Controller Design for Mobile Satellite Antenna Tracking System with Parameter Variations Effect (以 PD 型模糊控制器進行移動式天 線追蹤系統有參數變化之設計) 。

這種以 PD 型模糊控制器，進行移動式天線追蹤系統設計的好處是:它可以使移動式天線追蹤系 統，在追蹤衛星時，不會受到天線追蹤系統有參數變化的影響，例如馬達的遲滯效應(Hysteresis Effect)。經過模擬分析，這種天線的追蹤效果，會比傳統天線追蹤系統的控制效果更好。這論文在 經過審查修改之後，終於獲得接受，並核定是以海報方式展出，比口頭報告，可以更接近參與的專 家，所以感覺挑戰更大，實在收穫很多。

這篇報告是在 4 月 12 日下午 4 點至 4 點 30 分舉行。同一個會場屬於 CICA 2011 的有 3 篇，其 餘是其他計算機智能研討會所推選出來的。結果台灣來以海報方式展出的，只有我這篇，實在非常 榮幸。他們把這種以海報方式展出的論文報告時間，排在所有研討會的議程之最前端，而會議論文 編排的順序，也是依此排列。結果我的論文，是在論文頁次的第一頁，可見大會重視的程度，故令 我感到非常榮幸。在來法國參加之前，特別排演準備了數次，想像聽眾可能會問的問題，並加強臨 場的表達能力。本人發表論文時會場的情況，如圖 1-4。

附件四

此次會議有碰到同樣來自台灣的學術單位，如國立台南大學資訊工程學系教授及兼任研發處研 發長的李健興教授，帶領一個研發團隊及學生，如電子計算中心王元良技士，及台灣棋院九段的周 俊勳職業棋士，來此研討會，展示他們研發的計算機，與人腦進行圍棋大賽，互有勝負。非常引人 注意，也讓世界各國人士了解我國在計算機智慧技術開發方面的進步，留下深刻的印象，也是一項 很好的國民外交。

圖 1 林君明教授發表論文時之現場情況(1)

圖 2 林君明教授發表論文時之現場情況(2)

圖 3 林君明教授發表論文時之現場情況(3)

圖 4 林君明教授發表論文時之現場情況(4) 2、 與會心得

大會第一及第二天早上 9 點 30 分，即在大學的演講廳，揭開一天的序幕。9 點 30 分至 10 點 30 分，及 11 點 3 至 13 點，進行當天研討會上午的兩場專題演講(Keynote Speech)，相關議題及內容都 非常精采。下午 14 點至 18 點 30 分，也有其他領域的類似兩場專題演講，或穿插每天的硏討會，分 33 個會場同時進行，場地佈置、資訊取得，及寬廣舒適性都是一流，這是大會非常成功的地方，

有此可見法國人辦活動的魄力，值得我們學習。我對模糊智慧型控制有興趣，所以就參加這方面的 研討會場次，令人收穫頗多。

三、考察參觀活動(無是項活動者省略) 無。

四、建議

出國參加國際會議，的確可以磨鍊一下發表文章的技巧，及吸收別人寶貴的經驗，發掘一些新 的研究靈感與題目，所以是非常值得鼓勵的事。而平常自已也要充實英文的能力，屆時才會有更大 的收穫。這次有機會進行海報報告，實在是一次很好磨鍊英文及組織能力的機會。因為事先要先練 習所要宣讀會議的論文，找出一些可以討論的題目，這樣在會議中，就可以從容的回答問題，這樣 聽眾及報告人都會有更大的收穫，而場面也不會顯得冷清。還好終於圓滿結束，而收穫最多的，其 實就是自己。

五、攜回資料名稱及內容

1. 此次攜回的資料有會議手冊一份，光碟一片。

2. 下一年度研討會海報 Call For Paper: 2012 IEEE Symposium on Computational Intelligence in Control and Automation (CICA 2012) 。

六、其他

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2011/09/22

國科會補助計畫

計畫名稱: 掃描探針&#儀音圈力致動器有參數變化及磁滯效應時之智慧型設計研究 計畫主持人: 林君明

計畫編號: 99-2221-E-216-020- 學門領域: 精密動態控制

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：林君明 計畫編號：99-2221-E-216-020- 計畫名稱：掃描探針 器有參數變化及磁滯效應時之智慧型設計研究

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 0 0 0%

研究報告/技術報告 1 1 100% 完 成 一 份 研 究 報

告。

研討會論文 0 0 0%

論文著作 篇

專書 0 0 0%

申請中件數 1 1 100% 申 請 中 件 數 為 1

專利 份。

已獲得件數 0 0 0%

件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 4 1 400% 參 與 計 畫 人 力 增

加為 4 人。

博士生 0 0 100%

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 3 1 300% EI 有兩篇，一般 1

篇。

研究報告/技術報告 0 0 0%

研討會論文 6 2 300%

篇

6 篇為 EI 等級。

論文著作

專書 0 0 0% 章/本

申請中件數 1 1 100% 申 請 中 件 數 為 1

專利 份。

已獲得件數 1 1 100%

件

獲得件數為 1 份。

件數 0 0 0% 件

技術移轉

權利金 0 0 0% 千元

碩士生 0 0 0%

博士生 0 0 0%

博士後研究員 0 0 0%

國外

參與計畫人力

（外國籍）

專任助理 0 0 0%

人次

其他成果

(

獲得 2011 俄羅斯阿基米得發明展銀牌 1 座。

成果項目 量化 名稱或內容性質簡述

測驗工具(含質性與量性) 0

課程/模組 0

電腦及網路系統或工具 0

教材 0

舉辦之活動/競賽 0

研討會/工作坊 0

電子報、網站 0

科 教 處 計 畫 加 填 項

目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

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：

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）

Jium-Ming Lin and Po-Kuang Chang, ’Ziegler-Nichols Based Intelligent Fuzzy Control of a SPM System Design with Parameters Variation,’ Advanced Materials Research, Vols. 201-203, 2011, pp. 2113-2118, (EI),

doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.201-203.2113, ISSN: 1022-6680, ISSN/ISO.

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）

本次的研究目標，是使用 PI 控制器與 PD 控制器、以及模糊控制器，針對磁力音圈探針 (LVT)，以及 掃描探針顯微術設計(Scanning Probe Microscopy, SPM)，在針對磁滯效應 的處裡方面，能有更好的成果。本次的研究實踐是基於使用套裝軟體 MATLAB 進行表面粗 度的模擬來完成實踐的，所以系統表現更為強健。相比於之前的設計方針，本次研究目標 的設計，去除掉了磁力音圈探針(LVT)的內迴路補償系統也在研究範圍內，所以新的設計 能夠更加的泛用，也更有價值。

由於可控制接觸力之掃描探針顯微系統，複雜性比前述之 SPM 檢測設備低，環境容忍 能力也較高。而檢測的精度可以利用機構的設計，數值處理的手法，以及電路方面的提升，

而具有開發的潛力。本研究已經完成一套精度可達 1μm 的接觸式掃描探針顯微系統。本 計畫的目的是將量測的精度，提升一個數量級。