臺灣博碩士論文加值系統

本論文延續實驗室之橋式PZT真空計元件之研究，主要利用正壓電效應及逆壓電效應原理，以及影響結構振動之阻尼可分為結構阻尼及氣體阻尼之理論，在氣體壓力較低時，氣體阻尼力影響較低，所以在輸入電壓時PZT材料形變量會較為大，進而使整體結構輸出端的電壓輸出提升，本研究主要利用此一特性來進行真空壓力的量測，藉此可以討論不同壓力下，阻尼的變化及壓電輸出比的變化，同時也研發雙層圓盤型PZT壓電真空計，以增加試片接觸氣體之表面積，使得氣體阻尼效應增加，並觀察其量測效果。
將橋式試片及圓盤型試片製作完成及固定後，以電腦模擬共振頻率與實驗測量值做比較，也利用光學位移計輸入固定頻率(試片之共振頻率)之電壓，檢查試片變形是否符合電腦模擬。藉此斷定品質是否良好，若沒問題則會將真空計元件應用於真空壓力的量測實驗上。

由先前研究之數學模型中，可以得知阻尼與輸出比呈現反比關係，而當真空壓力越大，氣體阻尼影響越大，會造成輸出比下降。由頻譜分析儀得到頻率響應圖可用來計算阻尼比，阻尼比計算上則利用半功率法，最後由實驗量測的結果，可探討不同真空壓力下，阻尼比的變化情形是否與數學模型及理論相符合。

最後由實驗可以得知，研究中所設計之橋式壓電真空計及圓盤型壓電真空計可以量測到760~6.5E-6Torr之真空範圍，橋式試片由此一封裝方式改變後，可以發現其體積比先前橋式壓電真空計裝置體積約減少1/3，且輸出比之變化也較為靈敏，並製作圓盤型PZT 真空計，以增加試片接觸氣體之面積，最後再與橋式真空計的量測結果做比較，探討其優缺點。



關鍵字：PZT壓電感測器、真空計、阻尼比

The paper goes on our laboratory’s the bridge PZT gauge element. the main use of piezoelectric effect and inverse piezoelectric effect theory. , and the theory of damping vibrations have structural damping effect and gas damping effect. At low gas pressure, the gas damping force low impact. Therefore, when the input voltage PZT material would be more large deformation, and thus make the overall structure of the output of the voltage output upgrade. In this research, the main use of this feature to vacuum pressure measurement. It can be discussed under different pressures, changes and the piezoelectric damping ratio of output change. Also developed a double disc-type PZT piezoelectric gauges, in order to increase the surface area of the gas contacts the specimen, so that the damping effect increases the gas, and observe the measurement results.
After the bridge test pieces and disc-type specimen produced and fixed, the resonance frequency will be computer simulation and experimental measurements for comparison, also using optical displacement meter enter a fixed frequency (the resonant frequency of the test piece) of the voltage and check the specimen deformation compliance with computer simulation. Thereby to determine whether the quality is good, if no problem will gauge element used in vacuum pressure measurement experiments.

Previous research by the mathematical model, it is possible that the damping ratio exhibits an inverse relationship with the Vout/Vin.When the vacuum pressure high, gas damping greater the impact will cause the output decline. From the spectrum analyzer get frequency response diagram can be used to calculate damping ratio, damping ratio calculated on the use of half-power method.Finally, the experimental results measured can explore different vacuum pressures, changes in circumstances damping ratio are consistent with the mathematical model and theory.

Finally, you can learn from the experiment, the researchers designed the bridge in a vacuum gauge and piezoelectric disc piezoelectric gauge can be measured to 760 ~ 6.5E-6Torr the vacuum range,bridge specimen after change package, can find the volume previously piezoelectric gauge bridge device volume reduction of about 1/3, and the ratio of change in output is also more sensitive. and make disc-type PZT vacuum gauge, in order to increase the contact area of the specimen gases, and finally with the measurement results compared vacuum gauge bridge and explore its advantages and disadvantages.
Keywords: PZT piezoelectric sensors, vacuum gauge, damping ratio

目錄
致謝 i
中文摘要 ii
Abstract iii
目錄 v
圖目錄 vii
表目錄 x
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 黏滯性真空計 2
1.2.2 離子真空計 4
1.2.3 熱傳導式真空計 7
1.2.4 薄膜式真空計 9
1.3 研究動機與目標 11
第2章 PZT壓電材料相關研究 12
2.1 壓電材料起源 12
2.1.1 壓電材料方程式 13
2.1.2 壓電材料種類 15
2.2 真空的概述 16
2.2.1 真空的定義 16
2.2.2 真空度的區分 17
2.2.3 真空相關的氣體理論 18
2.2.4 理想氣體相關理論 19
2.2.5 氣體分子動力學 19
2.2.6 氣體擴散定理 20
2.3 振動與阻尼概論 20
2.3.1 振動原理及阻尼原理 21
2.3.2 品質因子與半功率法 23
2.3.3 橋式壓電真空計及圓盤型壓電真空計結構及原理 24
2.3.3.1 橋式結構之力保守方程式 24
2.3.3.2 圓盤型結構之力保守方程式 25
第3章 壓電真空計元件之設計 27
3.1 圓盤型壓電真空計原理 27
3.1.1 圓盤型元件之尺寸與設計 27
3.1.2 橋式塊材PZT真空計 29
3.1.2.1 橋式試片A 回顧 29
3.1.2.2 改良夾持方式之橋式試片B 31
3.2 圓盤型真空計之設計 32
第4章 結果與討論 36
4.1 實驗架設 36
4.1.1 實驗設備 36
4.2 模態分析比較 42
4.3 真空腔體抽氣及通氣流程 47
4.4 實驗量測結果 50
4.4.1 橋式試片之真空量測結果 50
4.4.2 圓盤式試片於真空量測之結果 56
4.5 不同氣體下之實驗比較 60
4.5.1 橋式試片之不同氣體下量測 60
4.5.2 圓盤型試片之不同氣體下量測 63
4.6 圓盤型試片面積比對實驗結果之影響 64
4.7 PZT元件中電容效應之穩壓狀態探討 67
第5章 結論與未來展望 71
5.1 結論 71
5.2 未來展望 72
參考文獻 73

 
圖目錄
圖1 1各式真空計可量測之真空範圍[1] 1
圖1 2 薄板式黏滯型真空計[2] 3
圖1 3黏滯型真空計感測頭示意圖[1] 4
圖1 4 微型離子真空計[3] 5
圖1 5 微型冷陰極磁控真空計[3] 5
圖1 6 微型熱絲離子真空計[5] 6
圖1 7 高壓離子真空計結構示意圖[1] 6
圖1 8 微型派藍尼真空計[6] 7
圖1 9 微型派藍尼真空計測量結果圖[5] 8
圖1 10 熱傳式微派藍尼晶片[6] 8
圖1 11 熱傳式微派藍尼晶片測量結果圖[6] 9
圖1 12 微型薄膜電容式真空計[7] 10
圖1 13 薄膜真空壓力感測計[9] 10
圖2 1 壓電材料性質分類 12
圖2 2 壓電材料極化前與極化後示意圖 13
圖2 3 (a)正壓電效應 (b)逆壓電效應 13
圖2 4 PZT 晶格結構示意圖[11] 15
圖2 5 無阻尼之振動系統示意圖 22
圖2 6 有阻尼之振動系統示意圖 23
圖2 7簡諧振動系統之頻率與振幅關係曲線圖 24
圖2 8橋式壓電真空計之結構示意圖 25
圖2 9 圓盤型壓電真空計之結構側視示意圖 26
圖3 1圓盤型壓電材料側視圖 27
圖3 2圓盤模態、斜率與曲率分佈圖[20] 28
圖3 3試片A設計示意圖 29
圖3 4 側視圖左邊為一般電極，右邊為反轉電極 30
圖3 5先以鋁塊固定之橋式試片A 30
圖3 6 最後完成夾持固定之橋式試片A 31
圖3 7橋式試片B尺寸參數 31
圖3 8 試片B之固定流程及成品圖 32
圖3 9圓形PZT試片完成品尺寸 32
圖3 10圓形PZT蝕刻前(左)與蝕刻後(右) 33
圖3 11壓電真空計之材料層分解圖 33
圖3 12壓電真空計試片完成品(右) 34
圖3 13元件製作流程及成品圖 35
圖4 1真空腔體實體照片 36
圖4 2機械幫浦實體照片 37
圖4 3渦輪幫浦實體照片 37
圖4 4真空電訊號引入法蘭示意圖 38
圖4 5全廣域真空計實體(左)及派藍尼與熱陰極真空計實體照片(右) 38
圖4 6真空計量測數值處理器實體照片(左與右) 39
圖4 7(a)質量流量計實體照片(b)流量控制器實體照片 39
圖4 8 Agilent 33220A訊號產生器示意圖 40
圖4 9 TREK PZD700功率放大器實體示意圖 40
圖4 10 頻譜分析儀實體照片示意圖 40
圖4 11量測系統架設示意圖 41
圖4 12 ANSYS模擬分析橋式試片B之工作頻率 42
圖4 13 ANSYS模擬分析圓盤型試片C之工作頻率 43
圖4 14橋式試片B之頻率響應圖 44
圖 4 15圓盤型試片C之頻率響應圖 44
圖4 16光學位移計量測橋式試片B及圓盤型試片C示意圖 45
圖4 17橋式試片B之光學位移量測示意圖 45
圖4 18圓盤型試片C之光學位移量測示意圖 46
圖4 19 真空系統操作與實驗流程圖 47
圖4 20腔體壓力與抽氣時間壓力變化示意圖 48
圖4 21通入固定流量氬氣之腔體壓力變化示意圖 49
圖4 22 通入固定流量氮氣之腔體壓力變化示意圖 50
圖4 23 橋式試片A的壓力對電壓輸出比之趨勢圖 51
圖4 24橋式試片B的壓力對電壓輸出比之趨勢圖 52
圖4 25橋式試片A之阻尼比與氣體壓力關係 53
圖4 26橋式試片B之阻尼比與氣體壓力關係 54
圖4 27 量測共振頻率誤差圖 55
圖4 28圓盤型試片C之壓力對輸出比趨勢圖 56
圖4 29圓盤型試片C之壓力對阻尼比趨勢圖 57
圖4 30 試片A在不同氣體下所呈現之壓力對輸出比趨勢圖 60
圖4 31 試片B在不同氣體下所呈現之壓力對輸出比趨勢圖 61
圖4 32 橋式試片A之壓力對阻尼比趨勢圖 62
圖4 33 橋式試片B之壓力對阻尼比趨勢圖 62
圖4 34圓盤型試片C在不同氣體下之壓力對輸出比趨勢圖 63
圖4 35圓盤型試片C在不同氣體下之壓力對阻尼比趨勢圖 64
圖4 36 圓盤型試片C不同氣體之輸出比比較圖 65
圖4 37 圓盤型試片D 65
圖4 38 圓盤型試片D不同氣體下之輸出比變化關係 66
圖4 39圓盤型試片C之電容值(上)及圓盤型試片D之電容值(下) 67
圖 4 40 壓電元件量測電壓之電路示意圖 68
圖 4 41 加入匹配電容C3之完整量測電路圖 69
圖 4 42 用於信號調節之電荷放大器 69
表目錄
表 2 1真空壓力單位換算表 17
表 2 2各式真空度之壓力範圍及氣流形態 17
表 3 1塊材PZT-5A材料及銅基板參數表 28
表 4 1真空腔體尺寸參數表 36
表 4 2各試片在不同區段氣體壓力之線性回歸比較 58
表 4 3 試片A、B、C輸出比 59
表 4 4 圓盤型試片固定邊界及氣體接觸面積比 66

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