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實現自主量測 質量新定義且看矽晶球?

實現自主量測 質量新定義且看矽晶球?

國家度量衡標準實驗室 主任 林增耀

50微克(μg)有多重?一片蚊子翅膀?還是一粒沙?看似微乎其微,若換成是放射性物質或是用在晶圓奈米製程,50微克可能攸關性命,也會影響良率。世界質量標準的「國際公斤原器」近年發現可能潛藏著數十微克的質量不穩定度,促使「公斤」這個七大基本單位中唯一一個人為物標準,加速退場。

2018年物理學界的大事之一,要屬國際度量衡大會(CGPM)將以普朗克常數定義公斤,肩負質量標竿任務達百餘年的「鉑銥公斤原器」可望功成身退。為接軌國際新標準與產業需求,我國採用「X射線晶體密度法(XRCD Method)」來實現公斤新定義,引進德國聯邦物理技術研究院(Physikalisch Technische Bundesanstalt;PTB)所製造的矽晶球,未來透過工研院領先亞洲的矽晶球表層質量量測技術,即可自行校正,再也不用將公斤原器千里迢迢送至巴黎。

日前,德國聯邦物理技術研究院院長Joachim H. Ullrich親自來台遞交此新公斤質量傳遞的關鍵矽晶球並表示,台灣是科技強國,精準量測更是維持競爭力的後盾,PTB與工研院的合作,象徵台灣在國際單位制(SI)更新之際,展現創新的力量。他說,PTB很榮幸與工研院攜手,協助台灣科技發展、創新、發揮其影響力,讓台灣成為亞洲質量量測標準的一盞明燈。

揮別百年公斤原器 改採不變常數

從古到今,重量一直在人類社會扮演重要的角色,然隨著近代科學大步向前,對重量/質量的精確度要求更加迫切,否則相關物理量,如壓力、流量的誤差就會被放大。1889年首屆國際度量衡大會召開時,決定以高硬度、高抗氧化性的鉑銥合金製作公斤與公尺原器,作為國際單位制的質量與長度標準,其它物質都得透過與原器比較來校正。到了1983年,公尺改以光速重新定義,讓「公尺」的概念離開了實體。也就是說,任何具有一定技術能力的單位,都可以根據定義自主找出精確的公尺。

相較之下,只有質量還要靠著與公斤原器比對,大大降低了各國計量機構的自主能力。「我國國家度量衡標準實驗室每隔10年,都得將公斤原器送回位於法國巴黎的國際度量衡局進行比對,」工研院量測中心組長傅尉恩表示,確認後才能標準值傳遞到學術與產業界,整個過程歷時9個月。麻煩費時不說,更大的問題是,重重保護下的公斤原器是否能始終維持穩定一致?各國計量機構從1990年代起,就開始尋找替代方法,我國採用的X射線晶體密度法,正是主要方案之一。此法可將公斤新定義,透過精確矽原子計數連結到基本物理常數─普朗克常數上,主要為德國、日本與義大利所採用。

X射線晶體密度法透過製作高純度矽晶球,計數球內矽原子數與每顆矽原子的平均質量,求得矽晶球質量。這顆精密製作的矽晶球,是99.99%由矽28原子所組成的完美球體,晶格缺陷比例相當低,因而能確保質量精確一致。

鉑銥公斤原器 最快2020年除役

公斤重新定義後,原來使用的鉑銥公斤原器暫時還不會退場,最快要到2020年才能除役。按照國際度量衡委員會(CIPM)的規畫,2020年起,先由有能力實現新定義公斤的國家計量機構(NMI),包括我國的國家度量衡標準實驗室,將各自實現的公斤進行比對實驗,並決定公斤的共識值,作為後續國際公斤標準。等到多國計量機構都有能力獨立實現公斤的定義,且結果相互一致,才停用公斤共識值。

質量的微量飄移,固然對日常生活影響不大,但對於高科技尖端精密產業卻有關鍵影響。隨著工業4.0、人工智慧、半導體先進製程、生技醫療技術的快速進展,與國際接軌的精準量測,將有助於我國高科技產業發展,鞏固產業在國際市場的優勢。

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  • 網站最新更新日期 : 2019/10/16
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