高靈敏度石英溫度感測器之熱傳設計與製造

The High Sensitivity Quartz Temperature Sensor Heat Transfer Design and Manufacture

趙升陽(Sheng-Yang Chao)

指導教授 ： 王金樹

國立臺北科技大學/機電學院/製造科技研究所/碩士(2010年)

摘要

本論文分為石英溫度感測器的熱傳設計、製程與實驗三部分，由熱傳率 計算其溫度改變量對時間的影響，設計出三種不同對高靈敏度石英溫度感測器內的熱通路(內含銅柱型、凹陷上蓋型、填充氮氣型)，模擬三種不同設計熱通路之高靈敏度石英溫度感測器，由穩定時間(Settling Time)、半衰時間(Decay Time)、延遲時間(Delay Time)，瞭解其溫度反應對時間的變化。
製作出平均切割角度為(YXι)4.1∘14´55"的平板型石英晶片，經由倒邊處理使石英晶片發振集中，則以蒸鍍面積為X(1.66㎜)× Z(1.22㎜)，上下厚度為5650Å並以四種方式進行封裝製作出四種石英溫度感測器。
實驗結果顯示本論文所製作之Crystal(MQ) 5×3.2OSC (W/B)抽真空製程高靈敏度石英溫度感測器其靈敏度(Sensitivity)與線性度(Linearity)分別為86.431(ppm/℃)和Lin)measure為0.999711~1之間，優於NTFL在2008年所製作的Crystal(MQ) 5×7OSC (W/B)抽真空製程高靈敏度石英溫度感測器79.479（ppm/℃）和Lin)measure為0.76636~1之間，在靈敏度(Sensitivity)方面大於STATEK公司所出售的The TS Quartz Temperature Sensor 34.526(ppm/℃)，本論文所設計的(製程A)高靈敏度石英溫度感測器其靈敏度(Sensitivity)為84.395(ppm/℃)，線性度(Linearity)Lin)measure為0.99941~1之間，以非接觸式無對流的環境內，其溫度差設定範圍在25℃~45℃時只需88秒就可以完成反應，使用範圍在－40.00℃~85.00℃之間，解析度可達1/100℃，透過NTFL所製作的溫度讀取電路板可以進行溫度的顯示。
未來可提高製程良率，増加溫度使用範圍，透過外部電路設計進行無線傳輸，透過精確的溫度控制，可應用在核能冷卻系統或生物晶片上的溫度量測等。

關鍵字

石英 ； 熱傳遞方程式 ； 反應時間 ； 靈敏度 ； 線性度

並列摘要

This research will discuss three parts: the design, manufacture and experiment of heat transfer of high sensitivity quartz temperature sensors and utilize Heat Transfer rate ( ) to calculate the effect of the change of temperature to reacting time. The author designs three different high sensitivity quartz temperature sensors which contain three different heat route（Copper piller、Concave lid、N2）and simulates three different heat route high sensitivity quartz temperature sensors. In order to study the change of the reacting time of temperature, the author considers the variations of settling time, decay time and delay time.
The author make evenly cut plate quartz which angle is (YXι)4.1∘14´55". Then beveling quartz make the quartz vibrate to the quartz chips center. The coating area is X(1.66㎜)× Z(1.22㎜) and the thickness is 5650Å. The author further use four different packing ways to made four different quartz sensors.
The research result indicates that the sensitivity and linearity of the Crystal(MQ) 5×3.2OSC (W/B) vacuum type high sensitivity quartz temperature sensor are 86.431(ppm/℃) and Lin)measure 0.999711~1. The sensitivity is better than The TS Quartz Temperature Sensor 34.526(ppm/℃) sold by STATEK Company. The sensitivity of the high sensitivity quartz temperature sensor (Process A) is 84.395(ppm/℃) and the linearity is 0.99941~1. It can complete a reaction by 88 seconds when the temperature is between 25℃ to 45℃ in an isolated and convective environment. The usable range is between －40.00℃ to 85.00℃ and dip can reach to 1/100℃. The temperature can be shown by the circuit board of reading temperature made by NTFL.
In the future, raising Yield Rate and expanding the usable range of temperature could still be improved. It could be applied to the temperature measuring of nuclear cooling system or biochips through wireless transfer by external circuit design and accurate temperature control.

並列關鍵字

Quartz ； heat transfer equation ； reponse time ； Sensitivity ； Linearity

參考文獻

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