專利名稱：一種基于電磁傳感器的金屬膜厚測(cè)量裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種金屬膜厚的測(cè)量裝置及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
在工業(yè)應(yīng)用的許多場(chǎng)合需要對(duì)金屬膜厚進(jìn)行測(cè)量，對(duì)金屬膜厚的嚴(yán)格控制在汽車 工業(yè)、精密機(jī)械加工、甚至集成電路生產(chǎn)中都有意義。比如硅襯底CMOS射頻集成電路中納 米級(jí)的金屬膜厚的測(cè)量意義重大，因?yàn)楣枰r底CMOS射頻集成電路中平面螺旋電感的Q值就 受到金屬膜層厚度的影響；在其它材料加工處理領(lǐng)域，對(duì)金屬涂料的測(cè)厚也是一個(gè)廣泛存 在的問題。目前為止，利用電磁法測(cè)量金屬膜厚是比較好的方法，但提離距離的變化是采取 電磁法測(cè)量金屬膜厚度精度限制的主要因素。以前的學(xué)者做過一些研究來克服這個(gè)問題， 比如采取雙線圈法等。但是沒有人從理論和實(shí)踐上解決了這個(gè)問題。所以在理論和實(shí)踐上 提出一個(gè)切實(shí)有效的、能克服提離距離產(chǎn)生誤差的方法意義重大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種金屬膜厚的測(cè)量裝置及測(cè)量 方法。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種基于電磁傳感器的金屬膜厚測(cè)量裝置，包括電磁傳感器、信號(hào)發(fā)生單元、功率 放大器、信號(hào)采集單元、上位計(jì)算機(jī)，其特征在于，所述的電磁傳感器包括3個(gè)平行且同軸 的線圈，其中，外側(cè)的兩個(gè)線圈為接收線圈，由相同的繞線按照相同的繞線密度、匝數(shù)和線 圈直徑及相反的繞線方向繞制而成，兩個(gè)線圈的一端相互連接，各自的另一端分別作為一 個(gè)接收端，構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，處在中間的線圈為激勵(lì)線圈；上位計(jì)算機(jī)控制信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出 不同頻率的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過功率放大器后被接在激勵(lì)輸入端，信號(hào)采集單元從兩個(gè)接收端采 集接收線圈的感應(yīng)信號(hào)，其輸出被送入上位計(jì)算機(jī)。作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的3個(gè)線圈的直徑相等；所述的各個(gè)線圈的直徑為 0. 5-500mm，繞線匝數(shù)介于1-20000 ；繞線的直徑可以在0. OOlmm-lOmm之間。本發(fā)明同時(shí)提供一種采用所述的測(cè)量裝置測(cè)量金屬膜厚的方法，包括下列步驟(1)在不存在待測(cè)金屬膜的情況下對(duì)電磁傳感器的激勵(lì)線圈通以不同頻率 的激勵(lì)電流，對(duì)每個(gè)頻率，采集兩個(gè)接收線圈的感應(yīng)電壓值，并根據(jù)電感虛部模值公式
K= |Im (Z/jw)|得到不存在待測(cè)金屬膜的情況下，各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的電感虛部模值序列{K0}， 式中，阻抗Z = U/I,I為激勵(lì)電流值，U為感應(yīng)電壓值；(2)將電磁傳感器置于靠近被測(cè)金屬膜的位置，使線圈與被測(cè)金屬膜平行，用同樣 的方法測(cè)得被測(cè)金屬膜存在的情況下各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的電感虛部模值序列{K1}；(3)根據(jù)步驟⑴和⑵采集的數(shù)據(jù)，將存在被測(cè)金屬膜和不存在被測(cè)金屬膜兩種情況測(cè)得的同頻率下的電感虛部模值求差，并找到該差值隨頻率而變化的峰值； (4)找到該峰值所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流的頻率wp，并根據(jù)CXwp =常數(shù)，得到待測(cè)金屬 膜厚c，該常數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)或仿真得到。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量金屬膜厚的電磁傳感器陣列，該陣列由兩個(gè)相互連接 并構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)的接收線圈和位于兩者之間的激勵(lì)線圈構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，檢測(cè)靈 敏、快速、有效，是最具可行性的金屬膜厚的檢測(cè)工具之一。


圖1是本發(fā)明的基于電磁傳感器的金屬膜厚的測(cè)量系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖2是電磁傳感器的示意圖。具體實(shí)施方法圖1是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例畫出的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)框圖。它由激勵(lì)線圈、接收線 圈、信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)采集單元、功率放大器和上位計(jì)算機(jī)七部分構(gòu)成。參見圖2，電磁傳 感器1為線圈陣列，包括激勵(lì)線圈3、兩個(gè)接收線圈4和5 ；激勵(lì)與接收線圈均為空芯、同軸 且相互平行的線圈，其中接收線圈由差分結(jié)構(gòu)的兩個(gè)線圈構(gòu)成，其制作方法是，在一個(gè)圓柱 形框上標(biāo)定兩個(gè)繞線圓，距離視傳感器要求而定，在一個(gè)圓柱形框上選定2個(gè)位于不同橫 截面上的標(biāo)定點(diǎn)，將一根導(dǎo)線從一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)開始在其所處的橫截面上纏繞一圈后又從另一 個(gè)標(biāo)定點(diǎn)開始按照相同的繞線密度和匝數(shù)纏繞一圈，從導(dǎo)線兩端引出檢測(cè)輸出端2，兩個(gè) 線圈采用相反的繞線方向，從而形成差分結(jié)構(gòu)，以增加測(cè)量的靈敏度。激勵(lì)線圈3位于兩 個(gè)接收線圈之間，激勵(lì)線圈的引出的接線端1作為激勵(lì)信號(hào)的輸入端。圖2只是表達(dá)了三 個(gè)線圈之間的空間位置關(guān)系和線圈的繞線方式，未畫出支撐三個(gè)線圈的圓柱形框。該傳感 器的長(zhǎng)度視線圈的匝數(shù)及繞線的直徑而定，其直徑可以為0. 5-500mm，繞線匝數(shù)可以介于 1-20000 ；繞線的直徑可以在0. OOlmm-IOmm之間；上位計(jì)算機(jī)控制信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出的激 勵(lì)信號(hào)經(jīng)過功率放大器后被接在激勵(lì)輸入端，信號(hào)采集單元從檢測(cè)輸出端采集接收線圈的 感應(yīng)信號(hào)，其輸出被送入上位計(jì)算機(jī)；信號(hào)發(fā)生單元采用直接數(shù)字合成(DDS)芯片AD7008， 該芯片可以產(chǎn)生不同幅度和相位的正弦激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)的幅值和相位可由計(jì)算機(jī)設(shè) 置，通過功率放大器放大后加裝在激勵(lì)線圈上。數(shù)據(jù)采集單元將采集的感應(yīng)信號(hào)通過模數(shù) 轉(zhuǎn)換送入上位計(jì)算機(jī)。可以將此類電磁傳感器固定在離待測(cè)金屬膜一定距離的位置(該距 離可以由實(shí)驗(yàn)或仿真定標(biāo))，因?yàn)閁=IXj XwXL(相量形式)，其中I為激勵(lì)電流，U為感
應(yīng)電壓，w為激勵(lì)信號(hào)的頻率，j為虛數(shù)單位，L為電感值；定義1 :Z = *，Z為阻抗；定義2 f Z)
K= Im —，K為電感虛部模值，Im代表取虛部，| | | |代表取模值(絕對(duì)值)；用該電磁傳
VjwJ
感器測(cè)量不存在金屬膜(即在空氣中)的情況下得到{κο}(不同激勵(lì)頻率對(duì)應(yīng)的電感虛部 模值序列)，將該值保存在上位計(jì)算機(jī)內(nèi)；再將電磁傳感器置于靠近金屬膜，使線圈與金屬 膜表面平行的位置，按照同樣的方法測(cè)量待測(cè)金屬膜存在的情況下得到{Κ1}，令{ΔΚ}= {Κ1} “ {Κ0}，當(dāng){ Δ K}取峰值時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Wp滿足c X Wp =常數(shù)，其中C為金屬膜厚，常數(shù) 是由傳感器幾何模型及與待測(cè)金屬膜的距離決定的，這個(gè)常數(shù)可通過定標(biāo)得出。測(cè)量時(shí)，先 對(duì)空氣進(jìn)行測(cè)量，對(duì)該電磁傳感器通以不同頻率的激勵(lì)電流，上位計(jì)算機(jī)采集得到不同的感應(yīng)電壓值，再對(duì)待測(cè)金屬膜進(jìn)行測(cè)量，在上位計(jì)算機(jī)里利用Matlab或VC實(shí)現(xiàn)上述算法， 即可得到待測(cè)金屬膜厚，其中算法包括得到{K0}、{K1}，從而根據(jù){△!(}取峰值時(shí)，此時(shí)對(duì) 應(yīng)的wp，最后根據(jù)cXwp =常數(shù)來求待測(cè)金屬膜厚c。本發(fā)明中接收線圈的直徑與激勵(lì)線圈相比，可大可小，但最好一致。測(cè)量方法具體 包括以下步驟(1)在不存在待測(cè)金屬膜的情況下，對(duì)電磁傳感器的激勵(lì)線圈通以不同頻率 的激勵(lì)電流，對(duì)每個(gè)頻率，采集兩個(gè)接收線圈的感應(yīng)電壓值，并根據(jù)電感虛部模值公式
f z)
K= Im —得到不存在待測(cè)金屬膜的情況下，各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的電感虛部模值序列{K0}， 式中，阻抗Z = J,I為激勵(lì)電流值，U為感應(yīng)電壓值；(2)將電磁傳感器置于靠近被測(cè)金屬膜的位置，使線圈與被測(cè)金屬膜平行，用同樣 的方法測(cè)得被測(cè)金屬膜存在的情況下各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的電感虛部模值序列{K1}；(3)根據(jù)前兩步采集的數(shù)據(jù)，利用Matlab將存在被測(cè)金屬膜和不存在被測(cè)金屬膜 兩種情況測(cè)得的同頻率下的電感虛部模值求差，并找到該差值隨頻率而變化的峰值；(4)找到該峰值所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流的頻率wp，并根據(jù)cXwp =常數(shù)，得到待測(cè)金屬 膜厚c，該常數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)或仿真得到。
權(quán)利要求
一種基于電磁傳感器的金屬膜厚測(cè)量裝置，包括電磁傳感器、信號(hào)發(fā)生單元、功率放大器、信號(hào)采集單元、上位計(jì)算機(jī)，其特征在于，所述的電磁傳感器包括3個(gè)平行且同軸的線圈，其中，外側(cè)的兩個(gè)線圈為接收線圈，由相同的繞線按照相同的繞線密度、匝數(shù)和線圈直徑及相反的繞線方向繞制而成，兩個(gè)線圈的一端相互連接，各自的另一端分別作為一個(gè)接收端，構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，處在中間的線圈為激勵(lì)線圈；上位計(jì)算機(jī)控制信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出不同頻率的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過功率放大器后被接在激勵(lì)輸入端，信號(hào)采集單元從兩個(gè)接收端采集接收線圈的感應(yīng)信號(hào)，其輸出被送入上位計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)根據(jù)所采集的信號(hào)，得到待測(cè)金屬膜厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁傳感器的金屬膜厚測(cè)量裝置，其特征在于，所述的3個(gè)線 圈的直徑相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁傳感器的金屬膜厚測(cè)量裝置，其特征在于，所述的電磁 傳感器由3個(gè)線圈構(gòu)成，各個(gè)線圈的直徑為0. 5-500mm，繞線匝數(shù)介于1-20000。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁傳感器的金屬膜厚測(cè)量裝置，其特征在于，繞線的直徑 可以在0. OOlmm-lOmm之間。
5.一種采用權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置測(cè)量金屬膜厚的方法，包括下列步驟(1)在不存在待測(cè)金屬膜的情況下對(duì)電磁傳感器的激勵(lì)線圈通以不同頻率的激勵(lì)電f Z)流，對(duì)每個(gè)頻率，采集兩個(gè)接收線圈的感應(yīng)電壓值，并根據(jù)電感虛部模值公式K= Im —得到不存在待測(cè)金屬膜的情況下，各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的電感虛部模值序列{K0}，式中，阻抗 Z = J,I為激勵(lì)電流值，U為感應(yīng)電壓值；(2)將電磁傳感器置于靠近被測(cè)金屬膜的位置，使線圈與被測(cè)金屬膜平行，用同樣的方 法測(cè)得被測(cè)金屬膜存在的情況下各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的電感虛部模值序列{K1}；(3)根據(jù)步驟(1)和(2)采集的數(shù)據(jù)，將存在被測(cè)金屬膜和不存在被測(cè)金屬膜兩種情況 測(cè)得的同頻率下的電感虛部模值求差，并找到該差值隨頻率而變化的峰值；(4)找到該峰值所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流的頻率wp，并根據(jù)cXwp=常數(shù)，得到待測(cè)金屬膜厚 c，該常數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)或仿真得到。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于電磁傳感器的金屬膜厚測(cè)量裝置，包括電磁傳感器、信號(hào)發(fā)生單元、功率放大器、信號(hào)采集單元、上位計(jì)算機(jī)，電磁傳感器包括3個(gè)平行且同軸的線圈，其中，外側(cè)的兩個(gè)線圈為接收線圈，由相同的繞線按照相同的繞線密度、匝數(shù)和線圈直徑及相反的繞線方向繞制而成，兩個(gè)線圈的一端相互連接，各自的另一端分別作為一個(gè)接收端，構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，處在中間的線圈為激勵(lì)線圈；上位計(jì)算機(jī)控制信號(hào)發(fā)生單元發(fā)出不同頻率的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過功率放大器后被接在激勵(lì)輸入端，信號(hào)采集單元從兩個(gè)接收端采集接收線圈的感應(yīng)信號(hào)。本發(fā)明同時(shí)提供采用上述測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的金屬膜厚測(cè)量方法。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，檢測(cè)靈敏、準(zhǔn)確、快速、有效。
文檔編號(hào)G01B7/06GK101876528SQ20101021643
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者尹武良, 王奔 申請(qǐng)人:天津大學(xué)