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學術發展2

奈米技術之機械設計

文/張所鋐(機械系教授)

 

    美國柯林頓總統於今年初,宣布一項5億美元2001年的預算,投入奈米技術(Nano-technology),相較2000年經費,增加了83%。今年12月,行政院召集的科技顧問會議,所建議的五大科技項目中,奈米技術為其一,奈米技術被界定為具有次一工業革命的衝擊,包括奈米(百萬分之一釐米,稱為奈米)材料,奈米電路電腦,生化醫療等,其應用可擴展至所有科技領域,最終影響國家安全,可見此一技術的重要性日趨增加。

    2000年10月23日,美國電機電子學會(IEEE),超音波、鐵電及頻率控制學門(Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Society, 簡寫為UFFC)將 1999年傑出論文獎頒給本人,以及共同作者簡宏彰先生(前碩士班生,現任職建興科技)和曾俊凱先生(前碩士班生,現任職宏碁電腦)。

    該獎係由1999全年之IEEE-UFFC期刊論文中,遴選出一受獎論文,從 1956 年頒獎至今,這是首次由國內人士獲獎。個人有幸獲得工學院院長楊永斌教授及教務長李嗣涔教授特別推薦,陳維昭校長准予補助旅費前往波多黎各領獎。

    個人研究興趣在於精密機械設計、微機電及奈米工程技術,返國任教前,曾任職於美國IBM公司紐約 Watson 研究中心,目前兼任國科會北區微機電系統中心主任。本次獲獎論文係以實驗驗證,多自由度奈米等級之超精密步進機構設計,為次世代 IC 製程、及奈米工程奠基,個人從事此一研究多年,並已獲有五項專利。圖一及圖二為本次得獎論文所述之超精密定位機構實體照片。

    此定位機構分為兩部分,圖一之機構,可以繞著垂直紙面的中心軸做旋轉運動。圖二之機構,則於紙面方向平面移動。將兩者組合起來(如圖一所示),可以達成三個自由度的定位。兩個機構都是以金屬為主體,以精密線切割技術和放電加工,來製作出設計的結構。這種結構和搭配的加工方法,主要的優點具高剛性,沒有摩擦,不需要潤滑,且可達到奈米級的定位精密度。在這個金屬結構內部,嵌入壓電材料。以壓電材料通入電壓產生體積變化的特性,來產生所要的移動。藉巧思不同的機構設計,來轉變壓電材料的長度變化,成旋轉或是移動的輸出。此定位機構之發明,可應用於奈米蝕刻技術,奈米元件檢測,奈米製造組裝等。

    對於這次的獲獎,個人視之為拋轉引玉。以最基礎的理論架構,配合經驗的累積,大膽地將獨特的創意發揮展現出來,以這樣挑戰突破的研究精神前進,則每個人都可以得獎!在此也同時感謝教育部、國科會以及台大多年的研究經費補助,使得在軟硬體方面搭配無虞。

 

參考文獻

[1] S. H. Chang, C. K. Tseng, and H. C. Chen, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 46(4), pp. 897-905, July, 1999.

[2] S. H. Chang, C. K. Tseng, and H. C. Chen, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 46(4), pp. 906-912, July, 1999.

[3] S. H. Chang, and S. S. Li, Review of Scientific Instrument, 70(6), pp. 2776-2782, Jun. 1999.

 

小百科

奈米是什麼?

    您知道你我生活當中隨處可見的各種材料製成品,如木材、陶瓷、金屬、塑膠……等等,是什麼時候被發現,從而被開發利用的?二十世紀剛剛結束,回顧過去一百年來,人類的材料研究史,以二十世紀初的塑膠、1940年代的半導體、1990年代的奈米材料,堪稱材料科學對人類最重要的貢獻。尤其是奈米材料,勢將成為二十一世紀材料科學的新寵兒。

    1984年,德國H. Gleiter 提出奈米晶材料的概念後,奈米材料的研究開始受到注意,也開啟了人類材料科學的歷史新頁。材料依尺寸大小,有厘米、毫米、奈米和原子之分,所謂「奈米」(Nano)尺度指的是十的負九次方,而奈米材料即介於1至100奈米之間大小。

    「材料的微小化」已成為新科技趨勢,奈米材料及技術將廣泛地應用在機械、光、電、磁各領域。可以確定的是,在二十一世紀之初,奈米材料仍將獨領風騷。(編輯部)

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