INTRODUCTION

本專題提出了使用squeeze film效應的頻率響應特性作為回授電路濾波以及補償的依據,再利用回授以連成振盪電路構成壓力感測器的方案。squeeze film效應以及平行板電容的振盪特性先前已被Vamsy Godthi等人所研究過,在此接續其研究成果,設計具有驅動、感測機制的結構與電路,再設計振幅、相位補償機制,並連成振盪電路。

本專題的原理分析包含了平行板電容結構介紹,squeeze film效應之中阻尼力與彈簧力、以squeeze number衡量squeeze film效應的觀點、有效黏性係數於squeeze film效應的考量,同時將squeeze film效應與彈簧性質納入振盪系統考量,電容式以及壓電片式驅動機制中,感測電流以及氣壓感測靈敏度的理論分析。系統設計包含了三部分,分別為平行板電容結構設計、量測電路之PCB設計(Fig.1)、振盪電路設計(Fig.2),本專題設計了兩個晶片共18個平行板電容結構,而PCB設計包含將晶片的輸出電流訊號轉為電壓訊號的轉換電路,振盪電路設計則含振幅、相位補償以及回授電路。

模擬與計算分析部分,使用了matlab、coventor ware、simulink三種輔助軟體,matlab主要為公式計算以及繪圖,coventor ware主要為機械結構及特性模擬(Fig.3),此兩種軟體可協助我們更詳細了解squeeze film效應的運作以及振盪系統得性質,simulink用以模擬電路的訊號性質,檢視回授振盪電路整體的有效性。

本專題實驗部分僅有量測部分,並未將感測器振盪電路成功地實作。量測部分包含LDV於大氣壓及近真空環境量測結構頻率響應(Fig.4)、使用頻譜分析儀量測不同DC感測電壓下的電路頻率響應、使用頻譜分析儀以及以壓力腔調控不同氣壓的電路頻率響應(Fig.5),最後將所有量測結果簡略分析並統整出結論。


Fig. 1


Fig. 2


Fig. 3


Fig. 4


Fig. 5

心得感想

在這一年的專題之中,我不只藉由研讀論文以及和老師、學長間的交流學習專題所需的專業知識,我也藉由軟體模擬、實驗量測、分析數據等事務學到了研究的方法以及處理事情的能力。

此專題的組員僅有我一人,第一學期皆是我獨自一人與老師會面,而到了第二學期則是與其他兩位學長,共三人與老師會面,此時我參與了實驗室團體的運作,並且有許多事情須和學長們配合。這段期間我請教了學長許多問題,最多是軟體方面的問題,例如coventor ware於結構設計以及不同模擬模式的使用、simulink訊號設置以及block diagram電路模擬、altium designer的PCB電路設計等,其次是LDV、頻譜分析儀、壓力腔等儀器的操作,我有時也會提供學長些設計細節的意見,以及模擬、量測數據的內容。有這些意見交流是團隊執行與完成研究的重要因素。

經過一年的專題,我體驗到了當一位研究生的生活,也稍微了解到研究所在探討一個問題時所需要經歷的階段,更加了解到當研究遇到問題時,我們必須選擇的方式不是逃避,而是想辦法面對並解決它。