TWI499763B - 一種估計氣壓的方法 - Google Patents

Description

一種估計氣壓的方法

本發明係關於一種氣壓計元件，尤指一種振幅變化與氣壓呈線性關係的氣壓計及其方法。

利用彈性體其在不同壓力下所展現的動態響應量測環境壓力，在這些年來已有一些學者陸續提出研究成果與專利，其量測方式不外乎是尋找彈性體在不同壓力下的震盪時的品質因子(Q factor)或是在不同壓力下共振頻率(resonance)的變化來得知量測時的壓力也可量測試件在共振頻率時相同的驅動力所產生的最大振幅(maximum amplitude)差異性。遠在1946年時，美國維吉尼亞大學Beams教授與其研究團隊曾經提出利用一個在高真空中自由旋轉的球體來決定環境壓力的方法，而轉子真空計即是以此構想為基礎所發展出來的廣域型真空計。其量測原理係利用真空計中的鋼球利用磁場加速至一定的速度後，將加速磁場關閉使鋼球以高速自行旋轉，高速自旋的鋼球在失去加速磁場後會因為氣體的黏滯性而慢慢減速，再依據量測轉速的變化量即可得知環境的壓力。

根據上述幾種不同的量測原理，可以推測若是使一彈性體在不同的環境壓力下進行自由震盪(free damping)的實驗，其振幅的衰減率(decay rate)與外界環境壓力應可具有高度的相關性。

請參閱第1圖，當一具有懸浮結構的彈性體受到一外力(由於啟動電壓所致)時，彈性體會產生相對應的形變量，若將此外力瞬間移除時(圖中t₀ 處)，在任何的壓力下彈性體皆不會直接回復至平衡位置，而是以一週期性震盪且振幅逐漸衰減的方式直到停止。特別一提，所使用設備對振幅的量測以輸出電壓值顯示。此時振幅的衰減可以利用一自然對數函數(natural exponential function)表示，而其衰減率δ 可以用下列公式表示：a (t )=A ₀ ．e ^{-δ ．t} (1)

因此，δ =ln(a _n /a _{n +1} ) (2)

其中A₀ 為彈性體初始振幅大小，δ 為衰減率，a_n 與a_n+1 分別為彈性體自由震盪響應中第n個與第n+1個週期的振幅大小。彈性體的振幅衰減率既然與週遭氣壓相關，本領域專業人士就可以利用觀察振幅衰減率來估算環境的氣壓或真空度。

對於許多高科技產業的製程環境而言，真空度經常是需要能夠即時掌握的數據。然而習知利用觀察彈性體的振幅變化來推算真空度或氣壓的方法通常有成本昂貴、真空計所佔體積大、利用傳統機械或接觸方式觸發振動的方式易增加不受歡迎的外力干擾、對振幅的量測方式需要以高成的設備來執行、以及所收集的數據難以利用簡單的線性迴歸來推估氣壓或真空值等等的問題。

職是之故，發明人鑑於習知技術之種種不足，乃經悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，發明出本案一種振幅變化與氣壓呈線性關係的氣壓計及其方法，能夠以簡單且合乎成本的方式製作出所需要的氣壓計元件，又可以符合各種不同真空度的量測範圍，可用簡單的設備即時讀取量測數值。以下為本案之簡要說明。

本發明之特徵在於提供一種線性氣壓量測裝置，包含有一本體、一連接部以及一振動元件。該連接部連接於該本體，該振動元件連接於該連接部，並具有一超距力結構以誘發振動。

根據上述之另一構想，本發明提出一種製造線性氣壓量測裝置的方法，包含下列步驟：(a)提供一基板，其包含一介電材料；(b)於該基板上形成一第一導電層；以及(c)對該基板進行一第一蝕刻，以形成一懸浮結構樑和連結於該懸浮結構樑之一連接部，該懸浮結構樑具有在該第一導電層上的一第一表面。

根據上述之另一構想，本發明提出一種估計一氣壓的方法， 包含下列步驟：(a)提供一彈性元件；(b)使該彈性元件具有一超距力結構；(c)將該彈性元件置於一氣壓環境之中；(d)誘發該超距力結構產生一振動；以及(e)依據該該振動之一振幅衰減率來估計該氣壓。

如前述本發明之依據振幅變化的線性關係而製作的氣壓計及其方法，得藉由下列實施例及圖示說明，俾使得本領域具一般知識者更深入之了解其實施方式與優點：

10‧‧‧氣壓計裝置

11、51、51’‧‧‧本體

12、52‧‧‧連結部

13、53‧‧‧振動元件

131‧‧‧上表面

132‧‧‧下表面

14、24‧‧‧導電層

21‧‧‧基板

22‧‧‧連接部

221‧‧‧第三表面

222‧‧‧第四表面

23‧‧‧懸浮結構樑

231‧‧‧第一表面

232‧‧‧第二表面

84‧‧‧電極

85‧‧‧多層電路板

851‧‧‧感應電極

91、92‧‧‧信號產生器

93‧‧‧信號處理電路

94、98‧‧‧放大器

95‧‧‧切換器

96‧‧‧電腦

第1圖：具有懸浮結構的彈性體受到外力，彈性體產生相對應的形變量之示意圖。

第2A與2B圖：本發明一種振幅變化與氣壓呈線性關係的氣壓計元件的第一實施例之示意圖。

第3A~3F圖：製作本發明氣壓計裝置的第一實施例之示意圖。

第4圖：經第3A~3F圖所示程序所完成的氣壓計裝置之剖面示意圖。

第5圖：本發明所提出的氣壓計裝置之動態響應與壓力之初步關係之示意圖。

第6A~6C圖：本發明所提出的氣壓計元件在不同的壓力環境下所取得的試驗數據。

第7A和7B圖：本發明一種振幅變化與氣壓呈線性關係的氣壓計元件的第二及第三實施例之示意圖。

第8圖：本案利用超距力以觸發氣壓計元件產生振動，而同時以即時的方式讀取振幅數據的一實施例。

第9圖：第8圖所示實施方式的一較佳實施例。

本發明之技術手段將詳細說明如下，相信本發明之目的、特徵與優點，當可由此得一深入且具體之了解，然而下列實施例與圖示僅提供參考與說明之用，並非用來對本發明加以限制。

依據本發明的基本構想，將具有能感應超距力的彈性元件作 為氣壓計或真空計的基本元件。所述的彈性元件其振幅衰減率與氣壓呈一線性關係。請參閱第2A與2B圖，其為本發明一種振幅變化與氣壓呈線性關係的氣壓計元件的第一實施例之示意圖，其中第2A圖是一上視圖，而第2B圖顯示在第2A圖中沿著直線A-A’橫切後的一剖面示意圖。如圖所示，氣壓計裝置10具有本體11、連接部12以及振動元件13。連接部12連接於本體11；而振動元件13連接於連接部12。依據一較佳實施例，連接部12以及振動元件13分別具有寬度W1及W2，而W1小於W2，使得連接部12的可撓度比振動元件13為高，所構成的結構其振動的振幅較為明顯，有利於觀察其振幅的變化。

振動元件13具有一超距力結構以誘發振動。例如，在其表面或內部配置鐵磁性材料或線圈，就可以利用磁場產生超距力而讓氣壓計裝置10的振動元件13受到該超距力而產生位移。當瞬間移去該磁場時，該超距力消失，振動元件13就會開始振動。或者，可以使振動元件13的一部份具有導電性，例如使用具有摻雜材料的基板來製作氣壓計裝置10，或在振動元件13的表面配置一層金屬層，再利用靜電誘發其產生振動。使用超距力誘發振動，可以避免因接觸力而造成的雜訊或磨損。

第2B圖顯示氣壓計裝置10上方具有導電層14，振動元件13具有上表面131以及下表面132。圖中可以看出其上表面131其實就是導電層14的表面。當振動元件13沿著上下方向振動時，由於其上表面131是具有導電性，就可以利用這個特徵來取得其振幅的數據，下文將對此實施方式有更詳細的介紹。而依據一較佳實施例，連接部12以及振動元件13分別具有厚度T1及T2，而且T1小於T2，使得連接部12的可撓度比振動元件13為高，所構成的結構其振動的振幅較為明顯，有利於觀察其振幅的變化。

請參閱第3A~3F圖，其為製作本發明氣壓計裝置的第一實施例之示意圖。第3A圖顯示包含有介電材料的基板21，例如矽基板。第3B圖顯示於基板21上形成一導電層24。第3B圖顯示對基板21進行第一次蝕刻，以形成懸浮結構樑23，和連結於該懸浮結構樑之連接部22。懸浮結構樑23具有在導電層24上的第一表面231。本領域專家從圖中可以看 出，原基板21上方的導電層24經蝕刻後，留在連接部22上方的導電部份以及留在基板21的其他部位上方的導電部份實質上相導通，這些導電部位可以利用後續的製程由設計者製作成為線圈或其他電路。第3D圖顯示經第一次蝕刻之後所完成的氣壓計設備結構，其與第2A圖的氣壓計裝置10相同，細節不再重複。第3E圖進一部顯示該氣壓計設備結構中，該懸浮結構樑具有相對於第一表面231的第二表面232；連接部22具有由導電部份所構成的第三表面221，和相對於第三表面221的第四表面222。參閱第3F圖，為了讓連接部22的厚度T1小於懸浮結構樑23的厚度T2，本案一較佳實施例是對連接部22的第四表面222進行另一次蝕刻。

第4圖顯示經上述程序所完成的氣壓計裝置之剖面示意圖，其中的懸浮結構樑23形成一彈性元件23，經觸發後可以隨箭頭方向上下振動。

第5圖顯示依據本發明所提出的氣壓計裝置而使用微機電技術製作的一槳型結構動態響應與壓力之初步關係。圖中為在壓力8.8 x 10-6torr的環境下，以頻率掃描找尋試件共振頻率的量測結果。特別一提，所使用設備對振幅的量測以輸出電壓值顯示。在壓力較大時由於氣體的黏滯性較高因此雖然槳型試件在共振頻率時有明顯的響應但是當驅動電壓頻率大於試件共振頻率時其響應即會迅速遞減。而當試件於高真空環境下量測時因為腔體內部氣體黏滯性較小也因此導致驅動頻率超過試件共振頻率後其響應會緩緩衰減。

參閱第6A~6C圖，其為上述的氣壓計元件在不同的壓力環境下所取得的試驗數據。比較各圖所顯示的壓力範圍可知，本發明所提出的氣壓計元件樣品在三種壓力或真空度範圍內，其振幅衰減率都與已知壓力呈高度的線性關係。因此，本發明所提出的具彈性結構的氣壓計裝置可以利用其振幅衰減率與壓力的線性關係而用於量測未知的氣壓。

第7A和7B圖係為本發明一種振幅變化與氣壓呈線性關係的氣壓計元件的第二及第三實施例之示意圖。如圖所示，氣壓計裝置具有本體51(第7B圖中的51’)、連接部52以及振動元件53。連接部52連接於本體51(第7B圖中的51’)；而振動元件53連接於連接部52。依據一較佳 實施例，連接部52以及振動元件53分別具有寬度W1及W2，而W1小於W2，使得連接部52的可撓度比振動元件53為高，所構成的結構其振動的振幅較為明顯，有利於觀察其振幅的變化。振動元件53具有一超距力結構以誘發振動。同時，振動元件53的表面配置一層金屬層(未顯示)，當振動元件53沿著與金屬層表面相垂直的方向振動時，由於金屬層表面是具有導電性，就可以利用這個特徵來取得其振幅的數據。

請參閱第8圖，其為本案利用超距力以觸發氣壓計元件產生振動，而同時以即時的方式讀取振幅數據的一實施例。圖中的氣壓計元件具有本體51、連接部52以及振動元件53。值得一提的是，振動元件53的表面配置一層金屬層(未顯示)。將一電極84配置於振動元件53的下方，電極84為靜電力驅動電極；而氣壓計元件的上方配置一多層電路板85，其在振動元件53的上方位置配置有一感應電極851。當下方驅動電極提供一固定電壓時振動元件53會因靜電力作用而向下移動，將此驅動電壓瞬間移除後振動元件53會因本體51與連接部52所形成的回復力而產生上下振動。當振動元件53與上方感應電極851的距離產生變化時，兩者耦合所產生的電容值也會隨之變化，因此可用於即時量測振動元件53的振幅變化。

第9圖提供第8圖所示實施方式的一較佳實施例。信號產生器91和92分別與信號處理電路93以及多層電路板85耦接。信號處理電路93適用於收集比較由上述的感應電極851與感應電極851上方導電層所構成的電容變化，以估計振動元件53的振幅變化。本發明只需要利用振動元件53的振幅衰減率的數據即可以線性回歸方式而獲得氣壓值，並不需要取得振幅的實際數值，相較於其他的氣壓計設計，具有低成本、製作簡單、又可以符合各種不同真空度的量測範圍，可用簡單的設備即時讀取量測數值等優點。

實施例

1.一種線性氣壓量測裝置，包含：一本體；一連接部，連接於該本體；以及 一振動元件，連接於該連接部，並具有一超距力結構以誘發振動。

2.根據實施例1所述的方法，其中該連接部具有一第一厚度，該振動元件具有一第二厚度，且該第一厚度小於該第二厚度。

3.根據實施例1所述的裝置，其中該連接部具有一第一寬度，該振動元件具有一第二寬度，且該第一寬度小於該第二寬度。

4.根據實施例1所述的裝置，其中該超距力結構可以使用一靜電力或一磁力以產生該誘發。

5.一種製造一線性氣壓量測裝置的方法，包含下列步驟：提供一基板，其包含一介電材料；於該基板上形成一第一導電層；以及對該基板進行一第一蝕刻，以形成一懸浮結構樑和連結於該懸浮結構樑之一連接部，該懸浮結構樑具有在該第一導電層上的一第一表面，和相對於該第一表面的一第二表面。

6.根據實施例5所述的方法，其中該連接部具有由該第一導電層所構成的一第三表面，和相對於該第三表面的一第四表面，該方法更包含下列步驟：對該連接部的該第四表面進行一第二蝕刻。

7.一種估計一氣壓的方法，包含下列步驟：提供一彈性元件；使該彈性元件具有一超距力結構；將該彈性元件置於一氣壓環境之中；誘發該超距力結構產生一振動；以及依據該該振動之一振幅衰減率來估計該氣壓。

8.根據實施例7所述的方法，其中該氣壓係依據一線性迴歸方式來估計。

9.根據實施例7所述的方法，其中該超距力結構具有一第一表面和一第二表面，其中該第一表面是有導電性的。

10.根據實施例9所述的方法，其中該超距力結構可以使用一靜電力或一磁 力以產生該誘發。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧氣壓計裝置

11‧‧‧本體

12‧‧‧連結部

13‧‧‧振動元件

131‧‧‧上表面

132‧‧‧下表面

14‧‧‧導電層

Claims (5)

1. 一種估計一氣壓的方法，包含下列步驟：提供一彈性元件；使該彈性元件具有一超距力結構；將該彈性元件置於一氣壓環境之中；誘發該超距力結構產生一振動；以及依據該該振動之一振幅衰減率來估計該氣壓，其中該氣壓係依據一線性迴歸方式來估計。
2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該超距力結構具有一第一表面和一第二表面。
3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該第一表面是有導電性的。
4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該超距力結構可使用一靜電力以產生該誘發。
5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該超距力結構可使用一磁力以產生該誘發。