TWI477752B - Piezoelectric vacuum gauge and its measuring method - Google Patents

Description

壓電真空計與其量測方法

本發明屬於一種量測壓力之壓力計與其量測方法，尤其是關於一種利用壓電材料置於不同空氣壓力下，由於不同之氣體黏滯性而產生不同正壓電效應電流之壓電真空計與其量測方法。

傳統式旋轉轉子黏滯性真空計(spinning rotor viscosity gauge)如圖1，主要結構為一個鋼球位於一端密封而另一端可接至待測真空環境卻不會磁化之鋼管中。使用時，此鋼管成水平狀態安裝於待測之真空系統上，管內之鋼球受到感測頭內上下兩塊在同一軸線上之永久磁鐵的磁力作用，懸浮於兩磁鐵之間。而在兩磁鐵之間，有兩組同軸環狀的垂直控制線圈，用來穩定鋼球懸浮；而有另外兩組同軸環狀線圈，用來使鋼球加速旋轉，待轉速至每秒400轉時便切斷加速源，使鋼球因為氣體黏滯性而慢慢減速，藉由轉速之變量，來求得待測環境的真空壓力。往往本身體積過於龐大、量測設備過於繁雜。在現在的科技朝向精密化、微型化的情形下，其功能勢必無法滿足體積小、動態量測範圍大、靈敏度高、精確度高及成本低等需求。

1961年Becker團隊研製一款薄板式黏滯性真空計如圖2，主要結構為一兩端固定之金屬長薄板，此長薄板置於一永久磁場中，接著通入振動訊號使金屬薄板共振，由於金屬薄板振動導致周圍磁場改變，進而在薄板上產生感應電流，而真空環境中殘存的氣體具有阻尼力，薄板受到阻力振幅將逐漸縮小，感應電流也將變小，感測端利用此感應電流的衰減量，來量測真空壓力。不過其量測方法須藉由感應電流的衰減量轉換為真空壓力，所需較繁雜且昂貴的量測設備。

2007年K. Yohei等人利用石英摩擦壓力計(Quartz friction gauge)研究不同氣體在不同壓力環境下其輸出電阻抗的關係，其量測裝置如圖3。Quartz friction gauge是一款持續量測的感測器，相較於其他黏滯性真空計利用衰減量轉換為壓力的量測方式較為簡便，可以直接透過輸出電阻抗得知環境壓力變化。量測結果如圖4，由結果可以知道壓力與輸出電阻抗呈指數關係，不過由於石英的力電轉換效率較差，靈敏度較低，可以量測之壓力範圍較高，無法量測真空環境之壓力。

黏滯性真空計的原理是利用真空環境內殘餘氣體分子的黏滯特性，來量測真空壓力，黏滯特性與系統的阻尼有相關，量測阻尼的方式可以利用自由震盪法以及半功率法。

一彈性體在不同的壓力中進行自由震盪(free damping)的實驗，其振幅的衰減率(decay rate)與外界環境壓力具有高度的相關性，其振幅衰減率與外界環境阻尼示意圖如附圖1所示。圖中紅色線條為驅動電壓而藍色線條為彈性體自由震盪響應輸出。

隨著阻尼的增加會使得振動頻譜中共振頻率下峰值的振幅變小。考慮一黏滯性阻尼結構系統，受一簡諧外力激振下，則可推導出系統之放大比為：

其中X 為共振下的振幅、δ _st 為靜態位移、r 為驅動頻率與自然頻率比、ζ為阻尼比假設結構有很小之阻尼比值ζ<0.05，且外力頻率與系統結構頻率相同(r =1)而達到共振時，則系統之放大比為：

其中Q 定義為品質因子，若以振幅的地方對應頻率上，分別會有R ₁ 與R ₂ 兩個頻率，此兩點稱之為半功率點，兩頻率之差則稱為頻寬(Bandwidth)如圖6所示，解方程式，可得阻尼比：

其中ω _n 為系統自然頻率。

本發明的目的在於提供一種利用壓電材料之性質之真空計，不僅合乎科學，更能將以往結構較為複雜之真空計簡單化，並可量測較高真空之真空值。

為達到上述目的，本發明採用如下技術方案：一種壓電真空計，其包含：一作動件，其包含：一彈性件，係具有彈性之物件；一致動單元，係與該彈性件之一端相介接，該致動單元更包含一訊號輸入端，以接收一外部訊號；以及一感測單元，係與該彈性件另一端相介接，該感測單元更包含一訊號輸出端，以輸出一量測訊號；以及其中，當該訊號輸入端接收該外部訊號時，該致動單元根據該外部訊號產生一震動而帶動該彈性件產生一共振運動，該共振運動由於受到周圍環境之一阻力而轉變成一變共振運動，該變共振運動帶動該感測單元，使該感測單元發生形變而產生該量測訊號，並由該訊號輸出端輸出該量測訊號。

在本發明中，其中更包含一訊號產生單元，該訊號產生單元係產生該外部訊號，並將該外部訊號傳送至該訊號輸入端。

在本發明中，其中該致動單元與該感測單元皆為一壓電材料。

在本發明中，其中該壓電材料係為鋯鈦酸鉛(PZT)、氮化鋁(AlN)或氧化鋅(ZnO)。

在本發明中，其中更包含一固定件，該固定件係固定該作動件，使該作動件穩定震動。

在本發明中，其中該固定件係為一底座與一上蓋之組合。

在本發明中，其中該底座係具有一第一固定端、一第二固定端與一凹部，該凹部位於該第一固定端與該第二固定端之間，部分之該致動單元和部分之該感測單元分別置於該第一固定端上部之一第一凹槽中與該第二固定端上部之一第二凹槽中，並以該上蓋將該第一固定端與該第二固定端上部蓋合，使該作動件被固定於該凹部之中。

如申請專利範圍第5項所述之壓電真空計，其中該底座與該上蓋係為一絕緣材質。

一種壓電真空計之量測方法，其中至少包含下列步驟：利用一訊號輸入端接收一外部訊號，並將該外部訊號傳送至一致動單元，使該致動單元產生一震動；當該致動單元產生該震動時，該致動單元帶動一彈性件，使該彈性件產生一共振運動；該彈性件由於受到周圍環境之一阻力，使該共振運動轉變成一變共振運動；該變共振運動帶動一感測單元，使該感測單元發生形變而使該感測單元產生一量測訊號；以及藉由一訊號輸出端將該量測訊號傳送至外部之一分析單元進行一真空度之分析。

在本發明中，更包含下列步驟：藉由一訊號產生單元產生一外部訊號，並將該外部訊號傳送至一訊號輸入端；在本發明中，其中該致動單元與該感測單元皆為一壓電材料。

在本發明中，其中該壓電材料係為鋯鈦酸鉛(PZT)、氮化鋁(AlN)或氧化鋅(ZnO)。

在本發明中，其中更包含一固定件，該固定件係固定該作動件，使該作動件穩定震動。

在本發明中，其中該固定件係為一底座與一上蓋之組合。

在本發明中，其中該底座係具有一第一固定端、一第二固定端與一凹部，該凹部位於該第一固定端與該第二固定端之間，部分之該致動單元和部分之該感測單元分別置於該第一固定端上部之一第一凹槽中與該第二固定端上部之一第二凹槽中，並以該上蓋將該第一固定端與該第二固定端上部蓋合，使該彈性件被固定於該凹部之中。

在本發明中，其中該底座與該上蓋係為一絕緣材質。

由於現代科技進步，普遍是需要了解實驗或是產品之開發製程中真空環境之真空值，且為了改善一般真空計複雜的結構設計，本發明因應目前科技提出一種壓電真空計與其量測方法，綜上所述，本發明具有以下下列優勢：

(1)結構簡單：一般傳統之真空計內部構造較為複雜，本發明只需要於具有彈性之部件兩端設置壓電材料，當彈性件之震動受到空氣阻力的引響而改變原本震動的型態時，感測單元立即就可輸出相對應之訊號。

(2)精確度高：空氣中微小的阻力變化都足以讓壓電材料之形變狀態有所變化，進而產生相對應知量測訊之

(3)成本降低：不需複雜龐大的製程，只需於彈性件上鍍上壓電材料，且一般壓電材料取得容易，使本發明之實施更能輕易達成。

為了使本創作的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本創作進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本創作，並不用於限定本創作。

請參閱圖1，係為本發明之壓電真空計之作動件之示意圖。如圖所示，本發明之壓電真空計之作動件係1包含一彈性件11、一致動單元12、一感測單元14、一訊號輸入端13以及一訊號輸出端15。彈性件11可為一具有彈性之金屬或塑膠材質，且彈性件11受到外部力量所彎折時，會回復至未彎折時之狀態。致動單元12與感測單元14皆屬壓電材質，該壓電材質可為鋯鈦酸鉛(PZT)、氮化鋁(AlN)或氧化鋅(ZnO)，且致動單元12與感測單元14可以鍍於或介接於該彈性件11之兩端，而介於致動單元12與感測單元14中間會保留彈性件11之一適當長度，以供應彈性體11震動。致動單元12更包含一訊號輸入端13，當外部有一訊號產生器(如：弦波產生器或方波產生器)產生一週期性訊號時，可透過該訊號輸入端13引導至致動單元12，使致動單元12產生週期性之震動。感測單元14更包含一訊號輸出端15，當感測單元14受外部擠壓形變，而將本身外型改變之機械能轉變為相對應之電能訊號時，可透過訊號輸出端15來將相對應之電能訊號引導至相關之分析儀器來進行訊號之分析。

請參閱圖2，係為本發明之壓電真空計之固定件之示意圖。如圖所示，本發明之壓電真空計之固定件2係包含一底座21與上蓋22。該底座21係為一具有一第一固定端211、一第二固定端212以及一凹部213之組件。凹部213係位於第一固定端211與第二固定端212之間，而第一固定端211與第二固定端212之間具有一適當距離，也就是凹部213前後端之距離，此適當距離可容納作動件1於其中做震動之運動。第一固定端211上部具有一第一凹槽2111，以容納作動件1之致動單元12於其中，而第二固定端212上部具有一第二凹槽2121，以容納作動件1之感測單元14於其中。上蓋22分別可在作動件1之致動單元12與感測單元14分別置於固定件2之底座21之第一凹槽2111與第二凹槽2121後，蓋合於第一固定端211與第二固定端212之上部，以固定作動件1。上蓋22更具有一孔洞221，該孔洞221可連通至第一固定端211上部之第一凹槽2111中與第二固定端212上部之第二凹槽2121中。

請一併參閱圖3與圖4，圖3係為本發明之壓電真空計之傾視圖，而圖4係為本發明之壓電真空計之俯視圖。如圖所示，作動件1係固定於固定件2之中。值得注意的是，致動單元12與感測單元14係僅部分被容納於第一凹槽(無標示，可參閱圖2)與第二凹槽(無標示，可參閱圖2)中，這是由於致動單元12收到外部輸入之訊號後會引發震動，部分之致動單元12震動需要空間來震動，故僅有部分之致動單元12固定於第一凹槽2111中，同理，僅部分之感測單元14固定於第二凹槽2121中。上蓋22之孔洞221可分別連通至訊號輸入端與訊號輸出端，以方便與外部訊號產生器或分析單元電性連結。

請參閱圖5，係為本發明之壓電真空計之作動情境圖。如圖所示，透過外部之訊號產生器產生一具有週期性週期之訊號，並經由訊號輸入端(未標示於圖5，可參閱圖3或圖4之標號221)引導該訊號至致動單元12，使致動單元12產生一相對應訊號之震動，並連帶使彈性件11震動。值得注意的是，由於致動單元12與感測單元14皆被固定住，當致動單元12收到外部訊號而開始震動時，連帶帶動彈性件11開始震動，但由於另一端之感測單元14也被固定住，故彈性件11會依據致動單元12之振動頻率，引發相對應之共振現象，此共振現象之振幅為a。當彈性件11因為共振現象而震動的當下，由於空氣阻力(空氣黏滯性)會使得彈性件11之震動型態改變，使得感測單元受到彈性件11之震動、形變方式與致動元件12不同(也就是共振現象之振幅a由於空氣阻力使振幅變成b[無標示於圖中])，因而產生相對應彈性件11受空氣阻力而改變震動方式之訊號，最後再將該訊號透過訊號輸出端引導至外部分析單元計算相對應之真空壓力值。

綜合以上所述，本發明之壓電真空計與其量測方法提供了一種簡便、快速之真空壓力量測方式。而為更進一步表明，請參閱圖6，係為本發明之壓電真空計之其量測方法流程圖，下列就以該流程圖來確實描述本發明之精神：首先，請參閱步驟S11，藉由一訊號產生單元產生一外部訊號，並將外部訊號傳送至一訊號輸入端；接著，請參閱步驟S12，利用一訊號輸入端接收一外部訊號，並將外部訊號傳送至一致動單元，使致動單元產生一震動；接著，請參閱步驟S13，當致動單元產生震動時，致動單元帶動一彈性件，使彈性件產生一共振運動；接著，請參閱步驟S14，彈性件由於受到周圍環境之一阻力，使共振運動轉變成一變共振運動；接著，請參閱步驟S15，變共振運動帶動一感測單元，使感測單元發生形變而使感測單元產生一量測訊號；以及最後，請參閱步驟S16，藉由一訊號輸出端將量測訊號傳送至外部之一分析單元進行一真空壓力值之分析。

以上該僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍；如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。

1．．．作動件

11．．．彈性件

12．．．致動單元

13．．．訊號輸入端

14．．．感測單元

15．．．訊號輸出端

2．．．固定件

21．．．底座

211．．．第一固定端

2111．．．第一凹槽

212．．．第二固定端

2121．．．第二凹槽

213．．．凹部

22．．．上蓋

221．．．孔洞

a．．．共振現象之振幅(未受空氣阻力影響時)

圖1係為本發明之壓電真空計之作動件之示意圖；

圖2係為本發明之壓電真空計之固定件之示意圖；

圖3係為本發明之壓電真空計之傾視圖；

圖4係為本發明之壓電真空計之俯視圖；

圖5係為本發明之壓電真空計之作動情境圖；以及

圖6係為本發明之壓電真空計之其量測方法流程圖。

1．．．作動件

11．．．彈性件

12．．．致動單元

13．．．訊號輸入端

14．．．感測單元

15．．．訊號輸出端

Claims (10)

1. 一種壓電真空計，其包含：一作動件，其包含：一彈性件，係具有彈性之物件；一致動單元，係與該彈性件之一端相介接，該致動單元更包含一訊號輸入端，以接收一外部訊號；以及一感測單元，係與該彈性件另一端相介接，該感測單元更包含一訊號輸出端，以輸出一量測訊號；以及一固定件，該固定件係固定該作動件，使該作動件穩定震動，其包含：一上蓋；一底座，該底座包括一第一固定端、一第二固定端與一凹部，該凹部位於該第一固定端與該第二固定端之間，部分之該致動單元和部分之該感測單元分別置於該第一固定端上部之一第一凹槽中與該第二固定端上部之一第二凹槽中，並以該上蓋將該第一固定端與該第二固定端上部蓋合，使該作動件被固定於該凹部之中；其中，當該訊號輸入端接收該外部訊號時，該致動單元根據該外部訊號產生一震動而帶動該彈性件產生一共振運動，該共振運動由於受到周圍環境之一阻力而傳變成一變共振運動，該變共振運動帶動該感測單元，使該感測單元發生形變而產生該量測訊號，並由該訊號輸出端輸出該量測訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之壓電真空計，其中更包含一訊號產生單元，該訊號產生單元係產生該外部訊號，並將該外部訊號傳送至該訊號輸入端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之壓電真空計，其中該致動單元與該感測單元皆為一壓電材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述之壓電真空計，其中該壓電材料係為鋯鈦酸鉛(PZT)、氮化鋁(AlN)或氧化鋅(ZnO)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之壓電真空計，其中該底座與該上蓋係為一絕緣材質。
6. 一種壓電真空計之量測方法，其中至少包含下列步驟：利用一固定件之底座，將一致動單元及一感測單元之部分分別置於該底座之第一固定端上部的一第一凹槽中與一第二固定端上部的一第二凹槽中，並以該固定件之上蓋將該第一固定端與該第二固定端上部蓋合，使該彈性件被固定於該凹部之中；利用一訊號輸入端接收一外部訊號，並將該外部訊號傳送至一致動單元，使該致動單元產生一震動；當該致動單元產生該震動時，該致動單元帶動一彈性件，使該彈性件產生一共振運動；該彈性件由於受到周圍環境之一阻力，使該共振運動轉變成一變共振運動；該變共振運動帶動一感測單元，使該感測單元發生形變而使該感測單元產生一量測訊號；以及 藉由一訊號輸出端將該量測訊號傳送至外部之一分析單元進行一真空壓力值之分析。
7. 如申請專利範圍第6項所述之壓電真空計之量測方法，更包含下列步驟：藉由一訊號產生單元產生一外部訊號，並將該外部訊號傳送至一訊號輸入端；
8. 如申請專利範圍第6項所述之壓電真空計之量測方法，其中該致動單元與該感測單元皆為一壓電材料。
9. 如申請專利範圍第8項所述之壓電真空計之量測方法，其中該壓電材料係為鋯鈦酸鉛(PZT)、氮化鋁(AlN)或氧化鋅(ZnO)。
10. 如申請專利範圍第6項所述之壓電真空計之量測方法，其中該底座與該上蓋係為一絕緣材質。