應用於高溫射出製程與低溫冷凍製程檢測之超音波感測器
The Application of Ultrasonic Transducer on the Process Diagnosis of Injection Molding at High Temperature and Freezing at Low Temperature
智慧感測器是智慧城市、工廠、製造、交通、農業、生活等的基礎，感測器偵測到的資訊，藉由網路傳送到雲端，可達到智慧、人性與節能等功能。但是，傳統的感測器除了尺寸限制外，也只能偵測特定的單一資訊，藉先進的半導體製程技術與電子電路技術的開發，感測器的資料處理能力和通訊技術明顯提升。本文介紹常用的感測器及其性能，將其應用在工業上高溫的射出製程及低溫的冷凍製程上的檢測，以達到製程監測、改善及品質保證等目標。
Smart sensors are the basis of smart city, factory, manufacture, transportation, agriculture and life. The sensor is able to detect the information of environment, and transmits to the cloud through internet for smart control. The traditional sensors are limited by their sizes and single-phase detection. However, through the development of semiconductor and electrical circuit technologies, the capacity of sensor is significantly uplifted. In this paper, the general utilized sensors and their properties are introduced. The applications on the process diagnosis of high-temperature injection molding and low-temperature freezing processes by ultrasonic technology for improvement of process operation and guarantee of products are also presented.
一、前言
感測器發展的歷程已經有一段時間了，並且也普遍應用在各個領域，例如大家所熟知的溫度、濕度、速度、照度感測器等，在各應用領域中對於提供正確的資訊佔有舉足輕重的角色，在現代化的應用潮流上，特別是物聯網 (internet of things, IoT) 技術、巨量資料分析 (big data) 技術、乃至於人工智慧 (artificial intelligent, AI) 技術等，更顯得不可或缺，可以說是這些應用技術的眼耳鼻口和皮膚之「五感」。然而，現有的感測器製造多採用傳統的技術，不僅體積大、不同公司的感測器有不同的通訊協定與安裝方法，還有偏高的成本讓真正需要的領域業者無以負擔，因此造成了這些應用技術普及的最大障礙(1)。
幸運的是，目前已有許多的研究單位與業者，鑒於廣大的應用市場，已經積極地投入新型態的智慧感測器開發，這些智慧感測器除了原有需要量測的各種物理/化學資訊外，藉由先進的半導體製程技術與電子電路技術的開發，更添加資料處理能力和通訊技術，還可以在日趨複雜的環境中，透過各種行動通訊裝置與穿戴式裝置，隨時偵測裝置上的內容以及周遭環境的變化，加上機器學習及多樣性的控制演算邏輯，為設備實現預測性維護、故障診斷、更靈活的製造，以提高系統或機器的生產率。根據市場調查公司 Gartner 預估，物聯網智慧感測器市場將在 2022 年達到 3,300 億美元，年複合成長率 (compound annual growth rate, CAGR) 達 40%。隨著物聯網產業進展，未來 10 年，物聯網智慧相關感測器市場規模將成長逾 300%。
除了應用在民生產業，智慧感測技術的開發與應用也逐漸深入工業製造領域。在工廠智慧製造過程中，「生產資訊」越來越重要，透過各種先進的智慧感測器技術作為底層資料擷取端，負責將工業生產現場的大量物化參數，透過數位化技術轉化成電訊號，再由單晶片運算核心系統從中解讀出關鍵的資訊，提供雲端分析計算中心作為控制與決策的依據，以提高生產資訊的透明化，才能瞭解哪些生產流程必須進行調整、置換或增強，從而提升生產品質、工廠效能與生產率。因此，隨著智慧製造對於資料的依賴日益加深，未來對於智慧感測器的需求勢必更加成長。
空調系統也逐漸有效地整合了相當多的感測器，特別是熱流相關感測器，用於提供空間的溫／溼度等資訊到空調系統的回授控制，便於系統進行適時適量的反應、控制與調整，以提供舒適的環境。最近，隨著半導體製造技術的進步，不僅感測器尺寸可以微小化，最重要的是感測器透過積體電路 (integrated circuit, IC) 可以提高量測的精準度，同時將測得的數據轉換為數位信號，這些數位信號可通過有線或無線通信傳輸技術，傳輸到雲端，進一步進行分析、整合、判斷、預估與控制，並且與電力需量反應結合，達到舒適、節能、尖峰降載等需求。
二、感測器的種類
本文將工業及冷凍空調上常用的感測器做一整理，希冀對讀者有些許的幫助，包含如下(2-10)：
1. 溫度感測器
在量測溫度方面，最常用的感測器是熱電耦，它利用雙金屬接觸誘導熱啟動的電動勢來測量溫度。電阻溫度檢測器 (resistance temperature detector, RTD) 則是利用鉑金屬線的電阻值會隨溫度的變化特性來測試溫度變化。熱敏電阻是燒結的金屬氧化物，它的電阻值對溫度很敏感，可以用來提供溫度變化資訊。以熱電堆變化為基礎的數位溫度感測器是多晶矽和鋁合金的半導體感測器，利用熱感應電動力的變化來測量溫度。紅外熱電堆感測器使用紅外線來檢測物體的熱輻射溫度。
2. 濕度感測器
對於濕度，有陶瓷式電容器和電阻式濕度感測器。電阻式濕度感測器使用多孔陶瓷或大分子來吸收空氣中的濕度。其電阻值會隨著濕度而變化。介電質電容濕度計具有一個可暴露在外部空氣中的電阻器，可以通過電阻的變化來測量濕度。
3. 壓力感測器
對於壓力，壓電感測器和矽壓力感測器使用陶瓷壓電材料或半導體的壓電效應來測量壓力。此外，還有結合隔膜及線性位移感測器 (linear variable differential transformer, LVDT) 或是隔膜及應變片的設計，藉此發出與壓力值相關的電信號的壓力感測器。皮托管可以藉由量測總壓力和靜壓力之間的差異來測量壓力。
4. 流速感測器
關於流速感測器方面，使用熱絲的設備是基於流體通過電阻線時會冷卻電阻線的原理，流速值是藉由固定溫度和受控溫度的環境差異，對於電阻絲的功率變化反饋計算得到。超聲波風速計則是利用氣流速度變化引起的超聲波在傳遞過程中產生的相位差異，藉此獲得高解析度的流速測量。粒子成像測速儀 (particle image velocimetry, PIV) 是一種特殊的方法，該方法使用高速攝影機記錄在兩次鐳射照射下粒子的分散情形，流場和速度分佈可以藉由計算分析獲得。文氏管乃是根據伯努利的壓力原理來量測管中的流速。另一種方法是藉由觀察流體通過徑向直葉風扇輪的旋轉速度來測量管內的流速。藉由超聲波督普勒流量計分析管內超聲波反射的頻率變化，可以量測到 1 μL/min 高解析度的流速。
5. 熱舒適感測器
人體對環境的舒適感不僅僅取決於溫度，而是溫度、濕度、周圍空氣速度和輻射溫度的組合。然而，對於傳統的感測器，不可能使用單個感測器測量多個物理量，因此傳統的空調幾乎都完全依靠回風溫度來進行控制，藉由使用 MEMS (microelectromechanical systems)技術，可以開發用於測量溫度、濕度、氣壓和空氣速度的積體式舒適度感測器。2000 年，Kang 等人(11) 展示了一個將熱電阻器、吸濕層、壓電電阻器和流速感測器整合在一起的模組，該模組充分展示了 IC 型熱舒適度感測器及其應用。
近年來，熱流體感測器開發的重點不在於提高其靈敏度，而是將半導體技術及 IC 整合到感測器中，這些整合的感測器性能預期將與現有感測器相當，並且成本將大大降低，這一發展的優勢將使熱流體感測器得到廣泛應用。
三、超音波感測器
超音波探頭主要是將電脈衝轉換為超音波，經過待測物後，再將穿透或是返回的超音波轉換為電能，再進行解析觀察。超音波探頭有各種各樣的尺寸、頻率、外殼類型，但是大多數探頭的內部結構都相同。一般來說，超音波探頭的致動晶片是一種呈圓盤形、正方形或矩形的薄層壓電陶瓷或壓電複合材料結構，可以將電能轉換為機械能 (超音波震動)，或將機械能轉換為電能。當晶片被電脈衝激勵時，會生成超音波，當晶片接觸到返回的超音波而振動時，會產生電壓。為了防止致動的晶片受到損壞，通常在探頭會裝上防磨板，其背面可裝上一塊隔音阻尼材料，如圖 1 所示，這樣探頭在發射了超音波脈衝後，就不會產生噪音。這種超音波組合體被裝於一個金屬外殼內，並連接適當的電氣接線與接頭。超音波本質上是能夠穿過固體、液體和氣體的壓力波，在工業上可用來測量距離或偵測物體／缺陷的有無。但是常用的超音波探頭因為隔音阻尼材料是塑膠材質，所以不耐高溫的環境，當操作環境溫度大於 50 °C，例如：金屬的熔爐、塑膠產品的生產加工過程等，隔音阻尼材料便會老化，而無法再進行降低噪音的功能，所以在許多高溫的環境下要進行超音波檢測時，便需要特別的超音波探頭與系統才能滿足需求。
圖 1. 市售超音波探頭結構(12)。
有許多耐高溫的超音波換能器技術與成品已被提出，例如：電磁式的超音波換能器(electromagnetic acoustic transducer, EMAT)，雷射式的超音波換能器以及壓電式的超音波換能器等。美國 University of Dayton 的 David 博士等人，於 1996 年提出一種高溫的電磁式的超音波換能器，可在高溫下用來測試缺陷、材料特性及機械性能，但是這種的電磁式的超音波換能器有兩個主要缺點：待測物品必須是導電材，以及所得到的信號雜訊比很差。而雷射式的超音波換能器具有快速掃瞄複雜表面的優點，但是造價通常都很高，並且基於安全理由，通常都使用低功率雷射，而且雷射的發射率無法太高 (< 200 Hz)。而壓電式的超音波換能器因為具有低價格、高超音波發射與接收頻率 (> 1 kHz)，因此成為發展耐高溫的超音波換能器的最佳趨勢。Kobayashi 等人(13) 於 2002 年開發出來的積體化超音波感測器能在高溫 (可以承受約 400 °C)、低溫 (約 -100 °C) 及非平面表面 (凹、凸) 與真空的環境下工作，並且不需要冷卻／保溫設備及耦合劑，可以跟待測物或設備結合一體，尺寸也可根據設備與環境需求微小化，並且具有可撓性，不僅降低了成本，也增加了便利性，所產生的超音波具有足夠的信號強度及高的雜訊比，如圖 2 所示。
圖 2. 耐高溫超音波探頭應用範例(13)。
四、射出製程檢測應用
本文將介紹超音波感測器應用在工業的製程檢測上，經由超音波檢測提供的非破壞、非侵入、即時特性，幫助工業生產上的製程檢測，藉以了解製程中的材料特性、製程參數及成品品質，首先針對與民生用品最息息相關的射出製程作介紹。「塑膠射出」是一個非常有效率的大量製造產品的工藝技術，現行的塑膠成型機的種類及製造廠很多，根據 Osswald 等人(14) 指出：往復式螺旋射出機由貝克 (Beck) 於 1943 年發明並於 1952 年獲得專利；而 Kalpakjian(15) 指出：現代的型態多以「往復式螺旋塑化單元」為最主要的熱塑性塑膠的成型方案。「往復式螺旋塑化單元」這個發明，透過了不同產品的需求型態已經創造出許多相關的製程設備，如雙原料射出、金屬埋入射出、快速溫度轉換等相關模具技術，也搭配各種不同型態用途的材料發展，促使塑膠成型品可以廣泛的被運用在不同的尺寸或各式各樣的商品上。
從生產技術的觀點而言，設備上的參數是被動受限於設備商所呈現的硬體技術，而製程參數的設定及其監控數據回饋的判讀是技術人員主動管制成品品質之必要的措施與指標；且這個在製程設備上參數指標的回饋精準與否，以及指標技術判讀的能力的好壞，直接影響了製程參數的設定的效率，以及最終品質的穩定性能。因此愈能提供簡單容易掌握的指標，就愈能有效地掌握成型品質。但是目前業界多以設定並監控常見的成型條件參數來進行成型過程的管理為主，在塑化過程中僅能提供偵側料管溫度、螺桿壓力及塑化計量的回饋狀態，這些數值僅可以作為塑化階段輸入參數的相對回饋值而已，對於塑膠原料分子量的變動與實際的流動特性無法顯現，並且無法表達出塑料真實的流動特性，常用的感測器大多僅提供單項資訊的解析，並沒有太多的整合資訊與理論來提升實質的成品品質均勻度，導致在許多的特殊元件在生產過程中，無法透過監控取得更有效的指標來管制品質。因此，本文介紹 T 型延長射嘴 (t shape extension nozzle, TsEN)(16)，如圖 3 所示，並安裝壓電陶瓷耐高溫超音波感測器(17) 以提供具有長期穩定性的監控性能，以檢測塑料流動性能及其與產品品質的關係，作為改善物料性質與製程參數的依據。
圖 3. T 型延長射嘴安裝於模具之狀態完成照片(17, 19)。
實驗以塑膠材料：聚丙烯 (polypropylene, PP) 進行驗證，在相同的製程參數設定下，僅射出速度有些許的差異，這個差異在業界並不認為會對製程與成品有影響，但是超音波速度在進料階段的特徵波 L2 波速曲線卻呈現不同變化狀態，如圖 4 所示，超音波速度在兩種製程設定下平均有 9m/s 的差異。
圖 4. 不同射出速度的塑膠材料 PP 超音波速度的表現(18, 19)。
將不同射出速度生產的 PP 產品進行拉伸試驗，其拉伸的成果照片如圖 5 所示，而各樣品的最大拉伸應力如表 1 所示，結果顯示不同的射出速度設定會影響產品的拉伸品質，並且這樣的差異可以藉由超音波速度在進料階段就檢測出來，藉此在樣品成模之前就能夠先期檢測得知，不需事後再進行各樣離線、破壞式、侵入式的性能檢測，可以提高成品的良率，並能夠就著超音波速度與製程參數的關係，調整製程參數以達到最佳的製程設定，為業界提供產品保證與節能的方案。
圖 5. 塑膠材料 PP 在不同射出速度下，成品的拉伸試驗照片(18, 19)。
表 1. 塑膠材料 PP 在不同射出速度下，成品在拉伸試驗的最大拉伸應力(18, 19)。
五、冷凍製程檢測應用
糧食短缺 (food shortages) 與疾病威脅 (disease threats) 是人類於本世紀要面對且迫切需要設法克服的兩大挑戰。生產與研發技術對於這兩項威脅而言，固然是解決問題的契機，但最終仍都指向同一個關鍵：貯藏 (storage)。經由妥善保存 (preservation) 下來的食品/藥品，於必要時能夠即時供應需求。因此，對於新鮮／加工食材乾燥程度的控制，或是製藥的乾燥流程管控等，這些都是產品於包裝／封裝後能夠有效並長期保存的重要因子。然而目前諸多乾燥方法都面臨製程環境條件的限制，且乾燥後的樣品可能會有形變、色變、質變的問題，或是乾燥後的樣品不易於再水化 (rehydrated)；另外，有些具熱敏性的物質 (temperature sensitive products)，如蛋白質、維生素等，易發生變性，使得微生物失去活性 (active)，甚至樣品中若含有易揮發性 (volatility) 的成分，則容易於乾燥過程造成損失(20)。
不過，上述的問題若採用冷凍真空乾燥法 (lyophilization or freeze-drying)，則可於乾燥過程中，避免這些影響樣品的負面因素。冷凍真空乾燥法在使用的能源消耗上，相較於其它技術雖然是比較多的，但是此法所製作出來的樣品品質卻是最為穩定，能保持原來樣品的形狀、體積與色澤，並且有最高度的乾燥效果與極佳的再水性，適用於熱敏感與含易揮發性物質的樣品。另外，在負壓環境下進行的製程也可防止樣品氧化，並保持乾燥過程潔淨無菌，而乾燥後的樣品，若包裝／封裝得當，則能長期保存、不易變質。因此，冷凍真空乾燥法以其技術優勢，廣泛應用於生物科技 (biotechnology)、製藥 (pharmaceuticals)、食品製程 (food processing) 與外科處置 (surgical procedures) 等產業(21)。
冷凍真空乾燥製程或是產品的檢測，目前普遍依賴溫度、壓力、真空計、低溫顯微鏡 (Cryo-microscope) 等線上，或是示差掃描量熱儀 (differential scanning calorimetry, DSC)、機械熱分析儀 (thermomechanical analysis, TMA)、動態力學分析 (dynamic mechanical analysis, DMA)、可調諧二極管雷射光譜等，或是熱介電性質分析儀 (dielectric thermal analysis, DTA)、核磁共振 (nuclear magnetic resonance, NMR)、鬆弛圖譜分析儀 (relaxation map analysis spectroscopy, RMA) 等離線檢測，雖然這些儀器有助於精準的量測，但上述方式卻有著相同的缺點，包含昂貴的分析儀器、需要有經驗的技術員量測與說明數據、必須間接量測(22) 等。因此，藉著文獻蒐集，可知在冷凍真空乾燥的過程中，凍結、昇華與脫附過程對整個冷凍真空乾燥的操作時間、消耗能源與樣品品質具有重要的影響性，因此，如何控制物品的溫度與有效判斷樣品完全凍結與乾燥的時間點，在整個冷凍真空乾燥的過程是一個非常重要且關鍵的技術，影響操作時間、消耗能源與樣品品質，因此開發出一個適合於線上、即時檢測冷凍真空乾燥過程的感測器與技術，對冷涷真空乾燥產業是非常重要，也能在糧食與醫藥的保存上造福人類。
本文所介紹的凍乾瓶，如圖 6(a) 所示，瓶底與瓶身一體成形，材質為 SUS 304 不鏽鋼，凍乾瓶的內徑為 16 mm，深度為 30 mm，而凍乾瓶的底部與瓶身厚度為 3 mm，凍乾瓶的內容積約 6.03 cm3；圖 6(b) 凍乾瓶底部安裝上壓電陶瓷超音波感測器，感測器直徑約 8 mm，銀灰色的部位是上電極 (top electrode)，直徑約 4 mm，白色的部位是 PZT 膜 (piezoelectric film)，直徑約 6 mm。
圖 6. 不鏽鋼一體成形的超音波檢測載具，(a) 側視圖 (b) 下視圖(23, 24)。
預凍是冷凍真空乾燥過程的第一個階段，同時也是製程成功與否的重要關鍵，因為凍結速度與冰晶形成有密切關係，這將影響後續乾燥的速度與樣品的品質(22)。因此，為了瞭解凍結過程中水的溫度變化，將定量的水注入凍乾瓶中，放置於冷凍乾燥設備的棚板上進行預凍。而圖 7 為預凍過程中水與棚板的溫度變化，橫軸表示時間 (min)，縱軸表示溫度 (°C)。在 3.2 min 時 (A 點)，凍乾瓶放置於棚板上，此時水的溫度開始下降，從 A 點至 6.9 min 的 B 點，水的溫度從 24.1 °C 冷卻至 1.4 °C，冷卻速率約為 6.14°C/min，過程中棚板透過與凍乾瓶的接觸面不斷將水的顯熱帶走，這段時間稱為冷卻週期 (cooling period)，將該週期以 ΔPCT 表示。而從 B 點至 15.2 min 的 C 點，水的溫度維持在 0.7°C－2.9°C 間，這段時間棚板不斷移除水的潛熱，致使水從液體相變成為固體冰，而過冷度也是發生於這個階段，從 B 點至 C 點的這段週期稱為凍結週期 (frozen period)，以 ΔPFT 表示，最後，從 C 點至 40 min 結束整個預凍過程，水的溫度從 1.2°C 凍結為 -27.6°C 的冰。
圖 7. 凍結過程中，水與棚板的溫度變化(23, 24)。
為確實瞭解凍結過程中水的實際變化，進行凍結過程中瓶內水的變化拍攝，結果如圖 8(a)－(c) 所示。圖 8(a) 為水注入凍乾瓶後 (8 min)，水的溫度為 0 °C 時的照片，從圖中可以清楚的看到冰晶的形成。圖 8(b) 為 16 min 時，水的溫度為 -1 °C，從照片中可以發現大部分的水已經相變成冰，且已經無法看透瓶內狀況，而接近凍結表面有許多小氣泡，但是凍結似乎還未完成。圖 8(c) 為 20 min 時，水的溫度為 -10 °C，凍結更為完整，小氣泡向中心更為集中，此時冰面中心呈現較為白色且隆起的狀態。
圖 8. 凍結過程中，不鏽鋼凍乾瓶內水相變成冰的過程照片(23, 24)。
然而以視覺和溫度的觀察方法來瞭解水的凍結過程是非常普遍的，但就文獻瞭解，運用超音波檢測凍結過程則是相當少見的。因此，本文中將超音波檢測的訊號與視覺、量測的狀態與數值作比對，藉以瞭解超音波訊號與水相變過程的相關性。圖 9 展示實驗在凍結過程中超音波信號 L4 而 Lw 的振幅變化，在 2.75 min 時，水注入凍乾瓶，並立即放置於 -30 °C 的棚板上，此時可以發現 L4 的振幅下降，而 Lw 的振幅上升；在時間 7.51 min 時，水的溫度為 1.7 °C，對比於圖 8(b) 此時冰晶開始生成，L4 與 Lw 的振幅同時下降，此點可視為水的凍結點。L4 振幅於低準位持續 2.75 至 7.51 min 的這段週期為超音波訊號所判斷的冷卻週期 ΔPCUT。在 8.50、10.16 與 11.59 min 時間點 L4 振幅變動，這個現象可能是由於水中小氣泡向中心並逐漸向上集中所造成的短暫現象，當時間到達 19.08 min 時，L4 的振幅驟升至接近未注入水時的 L4 振幅，這可能是由於水形成冰時，水中的氣泡向中心集中，造成凍乾瓶底部與冰介面性質改變的現象。
圖 9. 凍結過程中，超音波訊號對應從水相變成為冰的過程(23, 24)。
實驗結果，可以清楚觀察到純物質 (水) 於冷凍過程中的狀態變化，並藉由超音波振幅變動的特徵，可以用來判斷冷凍過程中，冷卻週期與凍結週期的時間長度。因此，這個超音波傳感器與技術是可應用於監測冷凍過程連續性變化有效的量測方法之一。
六、結論
本文介紹常用的熱流體感測器及其性能，包含溫度、濕度、壓力、流速、熱舒適等感測器，這些感測器近來開發的重點在於將半導體技術及 IC 整合到感測器中，這些整合的感測器性能預期將與現有感測器相當，但是成本將大大降低，並且添加資料處理能力和通訊技術，透過各種行動通訊裝置與穿戴式裝置，反應隨時周遭環境的變化，這將使熱流體感測器在智慧功能上得到廣泛應用。同時介紹超音波感測器應用在工業製程檢測上的例子，包含高溫的射出製程及低溫的冷凍製程上的檢測，超音波感測器除了可以微小化，並適應凹凸的表面，也可以耐高／低溫，突破射出機從料桶、噴嘴到模具的空間限制，能線上即時提供塑料的流動資訊，並在成品開模前即檢出產品的優劣；並且突破低溫真空環境的限制，即時檢測產品的共晶點與結凍相變化結束點，除了提供結晶顆粒大小的資訊外，也可以節省製程時間，達到節能省成本等目標。