實現自主量測 質量新定義且看矽晶球？

工商時報【工研院量測中心主任林增耀】 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。（本文作者為工研院量測中心主任林增耀）