TWI407116B - Piezoelectric crystal proximity sensor - Google Patents
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Description
本發明係關於一種壓電晶體近接感測器，特別是一種利用近接效應來測量該壓電晶體近接感測器之壓電晶體與一待測物之間的距離、該待測物的位置及該待測物的導電度之壓電晶體近接感測器。
近接效應是指當兩個導電體彼此接近時，其中一導電體之內部電流產生的磁場會影響另一導電體之內部電流，使另一導電體之內部電流無法均勻地流過該另一導電體之截面。因此，透過上述之近接效應的現象，一感測器可透過非接觸的方式來感測一待測物的位置與距離，其中，非接觸式感測又可分為以下三種：(一)以一光電訊號來測量該待測物之訊號與該感測器之間的距離；(二)藉由一靜電場電容值及一電磁場電感值的變化量，來取得該感測器或該待測物之電壓或電流的變化；(三)利用該感測器之振盪頻率的變化，來決定該待測物之位移改變量。上述的感測方式中，以第二種方式最為普遍，其透過測量靜電場電容值變化量之方式，係將一絕緣體放置於兩平行板導體之間，由該平行板導體有效面積及該平行板導體與該絕緣體之間距離的變化量來測量該感
測器的電容值變化量，其所測量的電容值又可分為兩種：(1)測量該平行板導體間的電容值變化量；(2)測量邊緣電容(fringe capacitance)的電容值變化量，最後該感測器再利用該電容值變化量來求出該感測器與該待測物之間的距離變化量。另一方面，測量電磁場電感值變化量之方式，則是使用一具有振盪電路之感測器，其使該待測物產生誘導磁場，來讓該感測器內的振盪電路之振盪頻率產生變化，最後該感測器再利用該振盪頻率之變化量來求出該感測器與該待測物之間的距離變化量。其中，該應用近接效應之感測器，可用一壓電晶體作為感測元件，該壓電晶體之表面受到應力作用時，該壓電晶體會因其本身的壓縮與伸張而產生電荷的變化，若於該壓電晶體之兩側鍍上電極，則可測得一電位差，此即稱之為「壓電效應(piezoelectric effect)」；相反地，若於該壓電晶體之兩側電極施加一電位差，該壓電晶體便會產生壓縮與伸張，此現象稱之為「逆壓電效應(inverse piezoelectric effect)」。基於上述兩種現象之可逆性，所以當一電位差施加於該壓電晶體的二側電極時，該壓電晶體將形成一規律頻率之振盪現象。而在壓電晶體中，又以石英晶體最為被廣泛使用，原因在於其振盪頻率穩定，且具有較低的溫度係數，再加上其振盪頻率具有相當高的膜厚靈敏度。舉例而言，石英晶體微量天秤(Quartz Crystal Microbalance,QCM)即是以石英晶體作為感測元件的一種感測器，主要係於該石英晶體上鍍有一吸附劑後，利用吸附作用(adsorption)來測量某些特定的吸附質，其中
，吸附作用(adsorption)係為一種利用一吸附劑(adsorbent)的吸附容量，將溶液中之吸附質(adsorbate)結合於該吸附劑表面的現象。該石英晶體微量天秤在檢測一待測液體時，除了該待測液體的阻尼效應會影響該石英晶體的振盪頻率外，該待測液體的離子濃度也會影響該石英晶體的振盪頻率，且由於該待測液體係利用離子游動而造成電子流動，以使得該待測液體的離子濃度與自身導電度成正相關。然而，目前已知之石英晶體微量天秤可測量之物質，大多限於氣體與導電度良好的液體(如電解質溶液)，但並沒有揭露將近接效應應用於導電度良好之固體的測量上，如金屬或石墨等物質，因此限制住了該石英晶體微量天秤的應用範圍。但就應用近接效應之近接感測器而言，該石英晶體微量天秤僅僅只是多種近接感測器的其中一種，其他種類的近接感測器同樣有應用範圍受限的問題，因此，如何設計出一應用近接效應之近接感測器，來測量固體的導電度、位置以及該感測器與該固體之間的距離，就成了相關研究人員及開發廠商共同努力的目標。
本發明之目的，係提供一種壓電晶體近接感測器，用以測量一待測物的位置、該待測物與該壓電晶體近接感測器之壓電晶體之間的距離及該待測物的導電度。為了達到上述之目的，本發明之壓電晶體近接感測器係連接至一電源模組，該電源模組係用以提供該壓電晶體近接感測器之電力，該壓電晶體近接感測器係包括：一振盪電路，係一產生振盪頻率之電
路；一壓電晶體，係連結於該振盪電路，以非接觸式地感測一待測物；及一計數器，係連結於該振盪電路與該壓電晶體，係用以記錄該振盪電路之複數電路參數，該複數電路參數包括複數振盪頻率及複數等效感應電容值，利用該電路參數之變化量來分別推算出該待測物與該壓電晶體之間的距離、該待測物的位置以及該待測物之導電度。藉由上述之裝置，本發明之壓電晶體近接感應器可用以測量固體的導電度、位置以及該感測器之壓電晶體與該固體之間的距離。
(1)‧‧‧壓電晶體近接感測器
(10)‧‧‧振盪電路
(11)‧‧‧壓電晶體
(12)‧‧‧計數器
(20)‧‧‧待測物
(30)‧‧‧電源模組
(40)‧‧‧資料收集單元
(5)‧‧‧等效電路
(50)‧‧‧靜態電容
(51)‧‧‧動態電容
(52)‧‧‧等效感應電感
(521)‧‧‧動態電感
(522)‧‧‧負載質量電感
(523)‧‧‧近接感應電感
(53)‧‧‧等效感應電阻
(531)‧‧‧動態電阻
(532)‧‧‧負載質量電阻
(533)‧‧‧近接感應電阻
(54)‧‧‧等效感應電容
第一圖係為本發明之結構示意圖。第二圖係為本發明計數器外接至一資料收集單元之結構示意圖。第三圖係為本發明壓電晶體之振盪狀態等效電路圖。
請參考第一圖所示，本發明之壓電晶體近接感測器(1)係連接至一電源模組(30)，該電源模組(30)係用以提供該壓電晶體近接感測器(1)之電力。該壓電晶體近接感測器(1)，係包括有：一振盪電路(10)，係一產生振盪頻率之電路；一壓電晶體(11)，係連結於該振盪電路(10)，以非接觸式地感測一待測物(20)；及一計數器(12)，係連結於該振盪電路(10)與該壓電晶體(11)，係用以記錄該振盪電路(10)之複數電路參數，該複數電路參數包括複數振盪頻率及複數等效感應電容值，利用該電路參數之變化量來分別推算出該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離、該待測物(20)的位置
以及該待測物(20)之導電度。其中，該壓電晶體(11)包括有：一第一電極(圖未示)，係位於該壓電晶體(11)之一側面；及一第二電極(圖未示)，係位於該壓電晶體(11)之另一側面，該第二電極上鍍有一薄膜層(圖未示)。其中，該薄膜層可為一丙烯酸的橡膠混合物(acrylic rubber compound)或其它混合物，該壓電晶體(11)則可為石英晶體、鈦酸鋇晶體、磷酸二氫鉀晶體、鈮酸鉀晶體、酒石酸鉀鈉(rochelle salt)晶體或電氣石(tourmaline)晶體。另外，該壓電晶體(11)可依照切割角度的不同，而產生不同的振動模態，在本實施例中之切割角度為-35° 15’，而產生的振動模態為厚度剪切模態(thickness shear mode)，該壓電晶體(11)的振動頻率變化由該壓電晶體(11)的厚度來決定。該待測物(20)為一能夠讓電流通過的材料，可為導體或電解質溶液，其中，導體為具有大量的自由電子參與電的傳導之物質，例如金屬或石墨；電解質溶液則為利用離子游動而造成電子流動的溶液。請參考第二圖所示，該計數器(12)更可外接至一資料收集單元(40)，來將其所記錄之電路參數傳至該資料收集單元(40)，以供操作者作進一步的分析與應用。請參考第三圖所示，本發明之壓電晶體(11)之振盪狀態的等效電路(5)包括一靜態電容(50)、一動態電容(51)、一等效感應電感(52)、一等效感應電阻(53)及一等效感應電容(54)。本發明之壓電晶體近接感測器(1)係分別應用電感型近接效應及電容型近接效應
，將分別說明如下：1.應用於電感型近接效應：當該計數器(12)所記錄之電路參數為振盪頻率時，本發明之壓電晶體近接感測器(1)係應用於電感型近接效應。當該電源模組(30)連接於該壓電晶體近接感測器(1)後，將對該壓電晶體(11)形成一外力，其可等效為一動態電流(Im)，該壓電晶體(11)具有一傳輸電導值，該傳輸電導值為該動態電流除以該電源模組(30)之電壓(Vi)，也等同於該壓電晶體(11)之動態電導值與該靜態電容(50)之電導值並聯後的值，其中，該壓電晶體(11)之動態電導值可以下式表示：；該靜態電容(50)之電導值為jωCo；ω為角振盪頻率；Lq為該等效感應電感(52)之電感值；Cq為等效感應電容(54)之電容值；Rq為等效感應電阻(53)之電阻值。該等效感應電感(52)包括一未擾動(unperturbed)的動態電感(521)、一負載質量電感(522)及一近接感應電感(523)。該等效感應電阻(53)包括一未擾動的動態電阻(531)、一負載質量電阻(532)及一近接感應電阻(533)。在本實施例中，該負載質量電感(522)之電感值為該第二電極鍍上該薄膜層後，該等效感應電感(52)所增加的電感值；該負載質量電阻(532)
的電阻值為該第二電極鍍上該薄膜層後，該等效感應電阻(53)所增加之電阻值。當該壓電晶體(11)接近該待測物(20)時，該待測物(20)將產生一渦電流來抵消該壓電晶體(11)產生的電磁場，並同時產生該近接感應電感(523)與該近接感應電阻(533)，進而導致該等效感應電感(52)的電感值與該等效感應電阻(53)的電阻值增加。該待測物(20)之表面渦電流(eddy current)可由下列關係式得到：J=σE；其中，J代表該待測物(20)之表面渦電流(eddy current)密度；σ代表該待測物(20)之導電度；E代表在該待測物(20)表面之電場向量。其中該電場向量和該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間的距離平方成反比。利用改變該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間的距離，可改變近接感應電阻(533)的電阻值與近接感應電感(523)的電感值，進而改變該等效感應電感(52)的電感值與該等效感應電阻(53)的電阻值。該壓電晶體近接感測器(1)之振盪頻率包括一串聯振盪頻率(fs)及一並聯振盪頻率(fp)，可分別表示如下：；；從上式可以看出該等效感應電感(52)的電感值與該振盪頻率成反比，因此該第二電極上鍍上薄膜層(圖未示)後，將增加該等效感應電感(52)的電
感值，而該等效感應電感(52)的電感值與振盪頻率成反比，因此增加該壓電晶體(11)於感測時振盪頻率變化的靈敏度，且會降低該壓電晶體(11)之品質因數(Quality factor,Q)，該品質因數(Quality factor,Q)為壓電晶體(11)之等效電抗與等效電阻之比，可以下式表示：；其中f0為振盪頻率頻寬；△f為振盪頻率；因此透過該計數器(12)所記錄之振盪頻率，利用振盪頻率之改變量，可推算出該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離、該待測物(20)的位置以及該待測物(20)之導電度。為了讓審查委員更容易瞭解本發明之創作內容，特舉一關於本發明之壓電晶體近接感測器(1)應用於電感型近接效應的實施例說明如下：一操作者首先將該壓電晶體(11)接近一待測物(20)，該待測物(20)便會被誘導出表面渦電流(eddy current)，以產生二次磁場，進而影響該振盪電路(10)之振盪頻率。若該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離為已知，接著透過該計數器(12)來取得該振盪電路(10)之振盪頻率的變化量後，再一併利用該已知的距離來推算出該待測物(20)的導電度，其中，該計數器(12)係用以記錄該振盪電路(10)之振盪頻率。若該待測物(20)的導電度為已知，該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離為未知，則該壓電晶體近接感測器(1)可透過該計數器(12)來取得該振盪電路(10)之振盪頻率的
變化量後，再一併利用該待測物(20)的導電度來推算出該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離。若該壓電晶體(11)的位置以及該待測物(20)相對該壓電晶體(11)的方向為已知，則該壓電晶體近接感測器(1)可一併利用該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離來推算出該待測物(20)的位置，反之亦然。2.應用於電容型近接效應：當該計數器(12)所記錄之電路參數為該等效感應電容(54)之電容值時，本發明之壓電晶體近接感測器(1)係應用於電容型近接效應。電容型近接效應將直接與該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間的距離有關。該等效感應電容(54)之電容值包括一平行板電容之電容值與一邊綠電容之電容值，當該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間的距離變得很小時，該等效感應電容(54)之電容值將幾乎等於該平行板電容之電容值，當該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間的距離改變時，該等效感應電容(54)之電容值將會同時跟著改變。藉由該等效感應電容(54)之電容值改變量，可分別推測出該待測物的導電度、該壓電晶體與該待測物之間的距離以及該待測物之位置。該靜態電容(50)之電容值、該動態電容(51)之電容值、該等效感應電感(52)之電感值及該動態電阻(531)之電阻值可各自以下式表示：
其中，Cq為該等效感應電容(54)之電容值；為該壓電晶體(11)之介電係數；η為空氣之黏性係數(viscosity)；為壓電硬化剪切係數(piezoelectrically stiffened shear modulus)；A為壓電晶體(11)之電極表面積；lq為該壓電晶體(11)之厚度；N為自然數；K0為無損有效機電耦合因數(lossless effective electromechanical coupling factor)，該無損有效機電耦合因數可以下式表示：；其中，ρ為該壓電晶體之密度；為了讓審查委員更容易瞭解本發明之創作內容，特舉一關於本發明之壓電晶體近接感測器(1)應用於電容型近接效應的實施例說明如下：利用該壓電晶體(11)以非接觸的方式去接近該待測物(20)時，該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間的介質為空氣，而該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間會產生一等效感應電容(54)之電容值，該等效感應電容(54)之電容值與下列條件有關：該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間的距離、該壓電晶體(11)與該待測物(20)各自所帶的電荷量、該壓電晶體(11)與該待測物(20)各自對應面之面積以及該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間的介
質之介電係數。當操作者利用將該壓電晶體(11)接近一待測物(20)時，該壓電晶體(11)與該待測物(20)之間會產生該等效感應電容值(54)，且該壓電晶體近接感測器(1)之振盪頻率將會跟著改變。若該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離為已知，且透過該計數器(12)取得該等效感應電容(54)的電容值改變量後，則該壓電晶體近接感測器(1)可藉由該等效感應電容(54)的電容值改變量以及該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離來推算出該待測物(20)的導電度。若該待測物(20)的導電度為已知，且透過該計數器(12)取得該等效感應電容(54)的電容值改變量後，則該壓電晶體近接感測器(1)可藉由該等效感應電容(54)的電容值改變量以及該待測物(20)的導電度來推算出該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離。若該壓電晶體(11)的位置以及該待測物(20)相對該壓電晶體(11)的方向為已知，則該壓電晶體近接感測器(1)可一併利用該待測物(20)與該壓電晶體(11)之間的距離來推算出該待測物(20)的位置，反之亦然。此外，利用該壓電晶體(11)之第二電極去接近該待測物(20)所產生之該等效感應電容(54)的電容值，與利用該壓電晶體(11)之該第一電極去接近該待測物(20)時所產生之該等效感應電容(54)的電容值差別在於多了該薄膜層當作該第二電極與該待測物(20)之間的介質，進而影響該第二電極與該待測物(20)之間的介電係數，而
在其它條件都相同下，使得上述之利用第一電極與第二電極之二種測量方式會產生不同之等效感應電容(54)的電容值，進而會有不同的量測範圍，故使用者可配合本身需求選擇要用該第一電極或該第二電極去接近該待測物(20)。顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
(1)‧‧‧壓電晶體近接感測器
(10)‧‧‧振盪電路
(11)‧‧‧壓電晶體
(12)‧‧‧計數器
(20)‧‧‧待測物
(30)‧‧‧電源模組
Claims (15)
- 一種壓電晶體近接感測器，係連接至一電源模組，該電源模組係用以提供該壓電晶體近接感測器之電力，該壓電晶體近接感測器包括：一振盪電路，係為一產生振盪頻率之電路；一壓電晶體，係連結於該振盪電路，以非接觸式的方式感測一待測物，該壓電晶體係用以誘導該待測物的表面形成渦電流，以產生二次磁場來影響該振盪電路之振盪頻率，該壓電晶體包括：一第一電極，係位於該壓電晶體之一側面；及一第二電極，係位於該壓電晶體之另一側面，該第二電極鍍有一薄膜層，以降低該壓電晶體之品質因數，進而增加該壓電晶體於感測時電路參數變化的靈敏度；及一計數器，係連結於該振盪電路與該壓電晶體，係用以記錄該振盪電路之複數電路參數，該電路參數包括複數振盪頻率及複數等效感應電容值，利用該電路參數之變化量來分別推算出該待測物與該壓電晶體之間的距離、該待測物的位置以及該待測物之導電度。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電晶體近接感測器，係透過該計數器取得該振盪電路之振盪頻率的變化量，再一併利用該待測物與該壓電晶體之間的距離來推算出該待測物的導電度。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電晶體近接感測器，係透過該計數器取得該振盪電路之振盪頻率的變化量，再一併利用 該待測物的導電度來推算出該待測物與該壓電晶體之間的距離。
- 如申請專利範圍第3項所述之壓電晶體近接感測器，係透過該壓電晶體的位置以及該待測物相對該壓電晶體的方向，並一併利用該待測物與該壓電晶體之間的距離，來推算出該待測物的位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電晶體近接感測器，其中該薄膜層係為一丙烯酸的橡膠混合物(acrylic rubber compound)。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電晶體近接感測器，其中該壓電晶體以非接觸的方式去接近該待測物，使該壓電晶體與該待測物之間會產生一等效感應電容值，當該壓電晶體與該待測物之間的距離改變時，該等效感應電容值會跟著改變。
- 如申請專利範圍第6項所述之壓電晶體近接感測器，藉由該計數器取得該等效感應電容值的改變量，再一併利用該待測物與該壓電晶體之間的距離，來推測出該待測物的導電度。
- 如申請專利範圍第6項所述之壓電晶體近接感測器，藉由該計數器取得該等效感應電容值的改變量，再一併利用該待測物的導電度，來推測出該壓電晶體與該待測物之間的距離。
- 如申請專利範圍第8項所述之壓電晶體近接感測器，藉由該待測物相對該壓電晶體的方向以及該壓電晶體的位置，並一併利用該待測物與該壓電晶體之間的距離，來推測出該待測物之位置。
- 如申請專利範圍第6項所述之壓電晶體近接感測器，其中該 薄膜層係為一丙烯酸的橡膠混合物(acrylic rubber compound)。
- 如申請專利範圍第1或6項所述之壓電晶體近接感測器，其中該壓電晶體為石英晶體、鈦酸鋇晶體、磷酸二氫鉀晶體、鈮酸鉀晶體、酒石酸鉀鈉晶體或電氣石晶體。
- 如申請專利範圍第1或6項所述之壓電晶體近接感測器，其中該壓電晶體之切割角度為-35° 15’，以使該壓電晶體之振動模態為厚度剪切模態(thickness shear mode)。
- 如申請專利範圍第1或6項所述之壓電晶體近接感測器，其中該待測物為金屬或石墨。
- 如申請專利範圍第1或6項所述之壓電晶體近接感測器，其中該待測物為電解質溶液，該電解質溶液為利用離子游動而造成電子流動的溶液。
- 如申請專利範圍第1或6項所述之壓電晶體近接感測器，其中該計數器更外接至一資料收集單元，並將其所記錄之電路參數資訊傳至該資料收集單元，以供操作者作進一步的分析與應用。
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|---|---|---|---|
| TW99112021A TWI407116B (zh) | 2010-04-16 | 2010-04-16 | Piezoelectric crystal proximity sensor |
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|---|---|---|---|
| TW99112021A TWI407116B (zh) | 2010-04-16 | 2010-04-16 | Piezoelectric crystal proximity sensor |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201137360A TW201137360A (en) | 2011-11-01 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW99112021A TWI407116B (zh) | 2010-04-16 | 2010-04-16 | Piezoelectric crystal proximity sensor |
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- 2010-04-16 TW TW99112021A patent/TWI407116B/zh not_active IP Right Cessation
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| TW200643451A (en) * | 2005-06-07 | 2006-12-16 | Holylite Microelectronics Corp | A structure of object proximity and position detector |
| TW200743786A (en) * | 2006-05-26 | 2007-12-01 | Univ Nat Chiao Tung | Module, chip and system of piezoelectric quartz |
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| Publication number | Publication date |
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| TW201137360A (en) | 2011-11-01 |
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