TW201619618A - 量測介電常數之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種量測介電常數之系統包含一共振腔體、一導電探針、一平台、一柱腳、一偵測器以及一運算模組。共振腔體具有一空腔。導電探針用以導入一微波至共振腔體之空腔。平台用以承載一待測物。柱腳設置於平台以及腔壁之間，使平台突出於腔壁。偵測器用以偵測微波於空腔發生共振時之一共振頻率。運算模組依據一共振頻率及介電常數對應關係，以所量測之共振頻率計算出相對應之一介電常數。上述量測介電常數之系統之量測步驟簡便、準確度高且可量測之介電常數範圍廣。同時亦揭露一種量測介電常數之方法。

Description

量測介電常數之系統及方法
本發明是有關一種量測系統及方法，特別是一種量測介電常數之系統及方法。
習知量測介電常數之方法是將待測物置於一共振腔體，並導入一微波至共振腔體內量測產生共振時的共振頻率，藉此共振頻率來計算出待測物之介電常數。習知之量測方法在量測待測物之前，需先以一已知介電常數之樣品進行系統校正，亦即將已知介電常數之樣品置於共振腔體並測得共振頻率，以計算出系統參數。然而，習知之量測方法除了步驟較為繁鎖外，遠離校正點之量測誤差亦隨之增加，因此，習知方法之可量測範圍較窄。此外，習知量測介電常數之方法僅造成共振系統的微小擾動(perturbation)，換言之，非預期因子所造成的微小擾動都將影響量測介電常數的準確性。
綜上所述，如何簡便且準確地量測介電常數便是目前極需努力的目標。
本發明提供一種量測介電常數之系統及方法，其是提高待測物周圍之電場強度，使待測物所造成共振系統之訊號增大。由於非預期因子所造成的微小擾動對量測介電常數的準確性影響相對較小，因此，本發明之量測介電常數之系統及方法可大幅提高量測的準確度。
本發明一實施例之量測介電常數之系統包含一共振腔體、一導電探針、一平台、一柱腳、一偵測器以及一運算模組。共振腔體具有一空腔。導電探針穿過共振腔體之一腔壁，用以導入一微波至共振腔體之空腔。平台設置於共振腔體之空腔，用以承載一待測物。柱腳設置於平台以及腔壁之間，使平台突出於腔壁。偵測器用以偵測微波於空腔發生共振時之一共振頻率。運算模組依據一共振頻率及介電常數對應關係，以偵測器所量測之共振頻率計算出相對應之一介電常數。
本發明另一實施例之量測介電常數之方法包含提供一共振腔體，其具有一空腔以及一平台，其中平台以一柱腳突出於共振腔體之腔壁；將一待測物設置於平台；導入一微波至共振腔體之空腔；偵測微波於空腔內發生共振時之一共振頻率；以及依據一共振頻率及介電常數對應關係，以所量測之共振頻率計算出相對應之一介電常數。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參照圖1，本發明之一實施例之量測介電常數之系統包含一共振腔體11、一導電探針12、一平台13、一柱腳14、一偵測器15以及一運算模組(未圖示)。共振腔體11具有一空腔111。於一實施例中，空腔111可為圓柱狀。導電探針12則穿過共振腔體11之腔壁112，並突出於腔壁112。導電探針12用以導入一微波MW至共振腔體11之空腔111內。平台13設置於共振腔體11之空腔111內，並用以承載一待測物20。於一實施例中，平台13之承載表面可為一平面，如圖1所示，或者，平台13之承載表面可包含一溝槽或凹槽131，如圖2所示，以承載球形或容易滾動之待測物20。舉例而言，凹槽131可為錐形或圓柱形。柱腳14設置於平台13以及共振腔體11之腔壁112之間，使平台13突出於共振腔體11之腔壁112。於一實施例中，平台13以及柱腳14為圓柱狀，且柱腳14之直徑可小於、等於或大於平台13之直徑。
接續上述說明，偵測器15用以偵測微波MW於空腔111內發生共振時之一共振頻率。運算模組(例如一電腦或其它具有運算功能之類似裝置)則依據偵測器15所偵測之共振頻率與一共振頻率及介電常數對應關係比較，以計算出相對應之一介電常數，即待測物20之介電常數。於一實施例中，共振頻率及介電常數對應關係是以一電磁場模擬軟體模擬所獲到。舉例而言，模擬軟體可為Ansoft公司(已於2008年為ANSYS公司所併購)所開發之3D電磁場模擬軟體HFSS(High Frequency Structural Simulator)。共振頻率及介電常數對應關係能夠以一對照表或如圖5所示之曲線圖呈現，以供運算模組對照計算相對應之一介電常數。
於圖1所示之實施例中，導電探針12以及平台13彼此是相對設置，但不限於此。導電探針12之設置位置亦可與偵測器15之設置位置互換，亦即導電探針12以及柱腳14的延伸方向彼此垂直。可以理解的是，導電探針12以及柱腳14的延伸方向亦可為非垂直的夾角。於一實施例中，導電探針12以及偵測器15亦可整合在一起，如圖3所示。
於一實施例中，導電探針12突出腔壁112之長度L為可調整。改變導電探針12突出之長度L可以調整共振的幅度大小。於一實施例中，平台13突出腔壁112之高度H為可調整。改變平台13突出之高度H可以調整系統之共振頻率。
依據上述架構，本發明之量測介電常數之系統無需以一己知介電常數之樣品來校正量測系統，因此，本發明之量測步驟較為簡便。此外，柱腳14使平台13突出於共振腔體11之腔壁112，進而提高待測物20周圍之電場強度。因此，相對於習知之量測方法，待測物所造成共振系統之訊號大幅提高。換言之，非預期因子所造成的微小擾動對量測介電常數的準確性影響相對較小，因此，本發明之量測介電常數之系統及方法可大幅提高量測的準確度。
請參照圖1以及圖4，以說明本發明一種量測介電常數之方法。首先，提供一共振腔體11(S41)。共振腔體11之結構如前所述，在此不再贅述。再將待測物20設置於共振腔體11內之平台13(S42)，並導入一微波MW至共振腔體11之空腔111(S43)。接著，偵測微波MW於空腔111發生共振時共振頻率(S44)。最後，依據一共振頻率及介電常數對應關係，以所測得之共振頻率計算出相對應之一介電常數(S45)。如前所述，共振頻率及介電常數對應關係能夠以一電磁場模擬軟體模擬所獲到。
圖5是以HFSS軟體模擬得到之共振頻率及介電常數對應關係，其中，空心圓代表習知未設置柱腳之量測系統且正切損耗(Tangent Loss)為0至0.1所作之模擬，實心圓代表本發明設置柱腳之量測系統且正切損耗為0至0.1所作之模擬，空心方形代表習知未設置柱腳之量測系統且正切損耗為0.5所作之模擬，實心方形代表本發明設置柱腳之量測系統且正切損耗為0.5所作之模擬。圖6則是以HFSS軟體模擬不同正切損耗所對應之品質因子(Quality factor，Q factor)之關係圖，其中空心圓由下至上分別代表設定介電常數為2、4、6、8、10、20、30、100於習知未設置柱腳之量測系統之模擬結果，而實心圓由下至上分別代表介電常數為2、4、6、8、10、100、20、30於本發明設置柱腳之量測系統之模擬結果。
由圖6之品質因子可知，不同的正切損耗對本發明設置柱腳之量測系統所造成的訊號遠大於對習知未設置柱腳之量測系統。在正切損耗過小時,由於習知之量測系統訊號受不期望共振系統之擾動太大，因此，習知之量測系統僅能適用於正切損耗較大的範圍。相反的，本發明之量測系統期望訊號增大，因此，正切損耗從0至較大的範圍皆可進行量測。此外，由圖5可知，不同介電常數於習知之量測系統所對應之共振頻率變化較小，如此不僅不易量測，且非預期因子所造成的微小擾動即會嚴重影響量測的準確性。相反的，不同介電常數於本發明之量測系統所對應之共振頻率變化較大，因此非預期因子所造成的微小擾動可被忽略，因而提高量測的準確性。此外，本發明之量測系統可量測之介電常數的範圍亦遠大於習知之量測系統。
以下以不同之待測物驗證本發明之量測系統。HFSS模擬本發明之量測系統未放置待測物時之共振頻率為3.1601GHz，品質因子為1490；實際量測之共振頻率為3.16075GHz，品質因子為1580。表1為鐵氟龍(Teflon)之HFSS模擬結果以及量測結果，其中平台高度為14.85mm，介電常數為2.08，正切損耗約為0.0002。 表1
表2為石英(Quartz)之HFSS模擬結果以及量測結果，其中平台高度為14.85mm，介電常數為3.78，正切損耗約為0。 表2
表3為鋁之HFSS模擬結果以及量測結果，表4為銅之HFSS模擬結果以及量測結果，其中平台高度為14.71mm。 表3 表4
表5為金沙石(Pallisandro)、黑曜石(Obsidian)、綠水晶(Green crystal)、黃水晶(Yellow crystal)、粉水晶(Pink crystal) 以及紅赭石(Ocher)之量測結果。     表5
由以上之驗證結果可知，本發明之量測介電常數之系統可量測之介電常數範圍極廣，且準確度相當高。
綜合上述，本發明之量測介電常數之系統及方法是提高待測物周圍之電場強度，使待測物所造成共振系統之擾動增大，因此，非預期因子所造成的微小擾動相對較小而不致影響量測介電常數的準確性，因而大幅提高量測的準確度。此外，本發明之量測介電常數之系統及方法可量測之介電常數的範圍亦較大。
以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
11‧‧‧共振腔體
111‧‧‧空腔
112‧‧‧腔壁
12‧‧‧導電探針
13‧‧‧平台
131‧‧‧凹槽
14‧‧‧柱腳
15‧‧‧偵測器
20‧‧‧待測物
H‧‧‧平台高度
L‧‧‧導電探針長度
S41-S45‧‧‧量測步驟
圖1為一示意圖，顯示本發明一實施例之量測介電常數之系統。 圖2為一示意圖，顯示本發明另一實施例之量測介電常數之系統之平台。 圖3為一示意圖，顯示本發明又一實施例之量測介電常數之系統。 圖4為一流程圖，顯示本發明一實施例之量測介電常數之方法。 圖5為一曲線圖，顯示共振頻率及介電常數之對應關係。 圖6為一曲線圖，顯示品質因子及正切損耗之對應關係。
11‧‧‧共振腔體
111‧‧‧空腔
112‧‧‧腔壁
12‧‧‧導電探針
13‧‧‧平台
14‧‧‧柱腳
15‧‧‧偵測器
20‧‧‧待測物

Claims (17)

  1. 一種量測介電常數之系統，包含： 一共振腔體，其具有一空腔； 一導電探針，其穿過該共振腔體之一腔壁，用以導入一微波至該共振腔體之該空腔； 一平台，其設置於該共振腔體之該空腔，用以承載一待測物； 一柱腳，其設置於該平台以及該腔壁之間，使該平台突出於該腔壁； 一偵測器，其用以偵測該微波於該空腔內發生共振時之一共振頻率；以及 一運算模組，其依據一共振頻率及介電常數對應關係，以該偵測器所量測之該共振頻率計算出相對應之一介電常數。
  2. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該平台以及該柱腳為圓柱狀，且該柱腳之直徑小於、等於或大於該平台之直徑。
  3. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該空腔為圓柱狀。
  4. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該導電探針以及該平台相對設置。
  5. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該導電探針以及該柱腳之一延伸方向具有一夾角。
  6. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該導電探針以及該柱腳之一延伸方向彼此垂直。
  7. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該導電探針以及該偵測器整合在一起。
  8. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該導電探針突出該腔壁之長度為可調整。
  9. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該平台突出該腔壁之高度為可調整。
  10. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該平台之一承載表面為一平面，或包含一溝槽或凹槽。
  11. 如請求項1所述之量測介電常數之系統，其中該共振頻率及介電常數對應關係是以一電磁場模擬軟體模擬所獲到。
  12. 一種量測介電常數之方法，包含： 提供一共振腔體，其具有一空腔以及一平台，其中該平台以一柱腳突出於該共振腔體之一腔壁； 將一待測物設置於該平台； 導入一微波至該共振腔體之該空腔； 偵測該微波於該空腔內發生共振時之一共振頻率；以及 依據一共振頻率及介電常數對應關係，以所量測之該共振頻率計算出相對應之一介電常數。
  13. 如請求項12所述之量測介電常數之方法，其中該平台以及該柱腳為圓柱狀，且該柱腳之直徑小於、等於或大於該平台之直徑。
  14. 如請求項12所述之量測介電常數之方法，其中該空腔為圓柱狀。
  15. 如請求項12所述之量測介電常數之方法，其中該平台突出該腔壁之高度為可調整。
  16. 如請求項12所述之量測介電常數之方法，其中該平台之一承載表面為一平面，或包含一溝槽或凹槽。
  17. 如請求項12所述之量測介電常數之方法，其中該共振頻率及介電常數對應關係是以一電磁場模擬軟體模擬所獲到。
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