蛇腹式電漿診斷分析系統

前言

在電漿診斷量測中，傳統朗繆爾探針為最常見且成熟的量測工具之一，其可透過電流-電壓特性曲線獲得電漿中的電子密度、電子溫度與浮動電位等基本參數。傳統朗繆爾探針結構簡單，易於製作與安裝，適合固定位置的1維量測。然而，其應用上存在明顯限制：無法進行快速、多點或2維的空間掃描，因此難以準確掌握電漿在不同區域的空間變化。為克服在應用上的局限性，本文透過蛇腹式機器人可伸縮、柔性運動的特性與適合在狹小且複雜空間中靈活操作。藉由這樣的概念應用於電漿量測上，藉以提升電漿診斷的靈活性。
NASA-EELS (National Aeronautics and Space Administration- Exobiology Extant Life Surveyor) 蛇形機器人[1][2]，提出藉由外部感知感測器套件，其包含一個 3D 雷射雷達、4 組立體相機（共 8 個相機）以及一個慣性測量單元 (Inertial Measurement Unit, IMU)，此設備專門用來探索地外生命或與之相關的地形勘探，可以在各種地形中爬行。
FLARE蛇形機器人[3] [4]是一對「蛇」形機器人是由University Technology Centre (UTC) for Manufacturing 和 On-Wing Technologies 與 Rolls-Royce 合作，共同設計與建造一系列能夠遠端執行發動機維修的客製化機器人，它們可透過小孔插入[5]，並在狹小空間中協同作業，可以像內視鏡一樣穿過發動機，對航空引擎進行塗層修復，無需拆卸引擎。其中一個攜帶微型燃燒火焰沉積炬 (Adder) 和另一個測量儀器 (Observer)，該系統已在真實航空發動機上進行了演示，顯示在維修時間和成本方面具有顯著優勢。
COBRA 蛇形機器人[6] [7]就像真正的爬行動物一樣，這款5 m長、超細長的機器人，厚度僅相當於鉛筆（直徑9 mm），可以輕鬆地滑過擁擠的空間和安全關鍵機器部件中的急彎，因微型規模和惡劣的地點，無法在不完全拆卸的情況下進行檢查或修理。但COBRA 蛇形機器人可以穿過發動機側面的舷窗 (<10 mm)，並且可以透過機械或雷射加工在組件上執行維護任務。並具有多個自由度，可以使用立體視覺相機和微型切割工具進入扭曲/擁擠的空間。
    然而半導體設備因空間限制因素，無法快速驗證電漿特性，為了解決此問題，本研究提出並設計蛇腹式電漿診斷分析系統。該系統採用可伸縮、具柔性運動能力的蛇腹結構，並透過搭配伺服控制系統，使探針可自動進退並沿特定軌道掃描電漿區域，實現多點、連續與動態量測，大幅提升量測靈活性與空間解析度。

蛇腹式電漿診斷分析系統電漿特性量測分析原理

1. 電漿特性量測分析原理
在電漿量測上，使用極細金屬探針伸入電漿裡頭，在探針上加上一個由負掃到正的偏壓，將探針所收集到的電子電流及離子電流對電壓繪圖形成典型的I-V電壓電流曲線，由此曲線可分析計算出各種的電漿參數，這個實驗方法是1926年由Langmuir發展[8][9][10]出來的，量測探針也是由他本人設計，此後稱此探針為Langmuir probe。