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國科會自動化學門專題研究計畫成果報告 壓電元件及微振盪器作為近接感測器 Oscillation Frequency of Piezoelectric Devices and Microresonator as Proximity Sensor 計畫編號 ：NSC- 101－2221－E－390－001－MY2 執行期間 ： 101年8 月1 日 至103 年 7 月31 日 計畫主持人 ：張文騰 執行機構 ：國立高雄大學 計畫參與人員 ：曾奎傑林育生 摘要：電感式近接感測器工作原理在於偵測待測物端的表面渦電流，產生的二次電磁波。由於振盪電路的頻率辨識是取決於振盪電路 的品質因素。高品質因素且具穩定的共振頻率，而且具有低溫度係數的元件，如石英晶體或微機電元件共振器因而應為良好近接感測 器。 計畫執行是以無封裝的金屬電極 石英晶體- -金屬電極(AT-cut)的震盪器，在玻璃鍍不同膜厚的鋁上，成功觀測頻率與導電度有不同的位 移量圖一( ) ，最大量測距離約10 mm ，證明感測器與金屬的導電性或渦電流的產生相關，是一種電感型的近接感測器。而以市售之PL- 05N型之近接感測器，距離約 2 mm 以內時，才啟動開關。另以考畢子震盪器（Colpitts oscillator ）外接電感元件，敏感度或位移量( )與 外接電感值有關，外接電感值與位移量約為正向關係。 使用無封裝的金屬電極 石英晶體- -金屬電極元件與電路 圖二( ) ，於更長的距離下，其實則為一種現成低成本的雙極天線(dipole antenna) ，其特性量測使用兩組無封裝的石英震盪器，發現上下覆蓋的金屬電極兩端即為雙極天線的電場電極，使用一組石英震盪器作為發射 源，另一端由頻譜分析儀量測其頻譜圖三( )具有互調失真(intermodulation)的現象 圖四( ) ；封裝及遮蔽均會影響訊號的傳遞與接收，證明 其可使用性。另外藉由測量互調失真的其中一個頻調(tone) ，訊號的強度明顯與發射距離平方成反比，而與電極線連接的長度成正向相 關 圖五( ) ，但結果仍需進一步與其他現用雙極天線 比較，包括使用無反射實驗室測量其角度增益關係圖。由於石英晶體震盪頻率穩定， 該結果應該也可以使用於電磁干擾相容度的討論。另外以電感 電容電路作為天線使用之可能性，頻譜分析儀量端與石英震盪器都具有- 非線性的諧波(harmonic) ，但電感電容電路並無互調失真的現象- 圖六( ) ，故不適合於天線的使用，可能因為電感電容電路的能量損耗- 較大 ，但對於 近接感測的效果還不錯圖七( ) 。 而以電感電容基礎為近接感測器的微小化，則藉由在國家晶片中心下線取得- 圖八( ) ，目前正下線第二次0.35um CMOS MEMS 製程， 第一批下線的晶片所量測的震盪頻率與下線前的模擬結果大致吻合。由於使用的電感較大，在蝕刻後產生下墜但蝕刻前的電感正常。 目前仍測量其近接效應。 中文關鍵字：石英晶體，渦電流，電感型近接感測器，互調失真，雙極天線，微機電，電磁干擾 .