基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統及方法

2024-01-27 18:00:15

基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統及方法
【專利摘要】一種基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統及對應測量方法，利用渦流傳感器探測線圈的阻抗在電阻-電感平面中的對應點在不同探測距離下形成的提離線的斜率與被測導電膜厚度的關係來實現厚度測量。所述導電膜厚度測量系統包括：帶有探測線圈的電渦流傳感器探頭、阻抗測量電路、實現探頭上下移動的微型致動器以及控制測量過程和厚度結果輸出的控制器。本發明方法簡單高效，可以非接觸地準確測量出導電膜的厚度，測量結果幾乎不受探測距離的影響，厚度測量範圍從幾十nm到幾mm，可以廣泛地用於半導體金屬膜檢測、工業生產線上的金屬膜在線測量系統以及各種鍍膜工藝的質量監控或檢測等應用中。
【專利說明】基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統及方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及渦流傳感器領域，尤其涉及一種基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量 系統及方法。

【背景技術】
[0002] 電渦流傳感器是採用施加高頻激勵的探測線圈來在被測導體樣品中產生感應渦 流，改變探測線圈的阻抗，不同的距離和不同的樣品屬性會產生不同的渦流，從而使探測線 圈具有不同的阻抗變化。通過測量探測線圈的阻抗（電感和電阻）變化，即可提取被測樣 品的位置（速度）、電阻率、厚度等各種屬性信息。由於電渦流傳感器自身的特點，它具有穩 定性高、對環境汙染不敏感、工作溫度範圍寬、頻率響應寬、價格便宜等諸多優勢，已經廣泛 地應用於各種實驗研究和工業現場的位移、振動、角度、速度等的測量，以及缺陷檢查、質量 監測等在線系統中。
[0003] 各種導電薄膜（銅箔、鋁箔等）的生產線，以及電鍍薄膜和半導體晶片的基板上的 銅膜拋光工藝，都需要一個能夠非接觸的、簡單可靠的導電薄膜厚度測量方法。目前主要採 用的是光學測量方法、超聲波法和X射線測量方法。
[0004] 光學傳感器基於光波長來進行測量，可以精確地測量各種膜厚，但其系統設備昂 貴、龐大，系統複雜，對環境敏感，而且需要對樣品進行特殊的處理才能實現精確測量，難於 廣泛地用於在線生產線中。射線法可以較為準確的測量非常薄的金屬膜的厚度，但系統昂 貴複雜，對人體有危害。超聲波法已經較為成熟，系統簡單可靠，但只能用於比較厚的物體 測量，而且測量解析度不高。
[0005] 近十年來，電渦流厚度測量系統開始受到廣泛關注，採用複合頻率和脈衝式電渦 流傳感器可以可靠地測量各種導電膜的厚度，系統相對簡單，可以實現非接觸、高速測量。 但由於渦流傳感器對探測距離（提離距離）高度敏感，因此在厚度測量中，通常需要控制探 測距離，或者採用一些特殊的特徵信息來減低或者消除探測距離的影響。諸如頻率拐點、脈 衝的過零點和峰值等特徵信息已經被國內外的一些研究者用於導電膜厚度測量。不同結構 的探頭結構和方法以及特徵信息被設計用來實現厚度測量。但所有這些方法仍然存在渦流 傳感器結構複雜、設計要求高、信號處理複雜、不可靠、測量速度慢、測量結果一定程度上受 探測距離影響等問題。因此簡單可靠、高速，與探測距離無關的導電膜厚度測量渦流傳感器 仍然是亟待解決的難題。


【發明內容】

[0006] 針對上述技術問題，本發明的目的是提供一種基於電渦流傳感器的導電膜厚度測 量系統及方法，以快速、精確地對導電膜厚度進行測量。
[0007] 為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，本發明提供了一種基於電渦流傳感 器的導電膜厚度測量系統，包括：
[0008] 傳感器探測線圈10,位於電渦流傳感器探頭2的下端，用於產生交變磁場，在導電 膜樣品上形成感應渦流；
[0009] 阻抗測量電路3,用於給所述傳感器探測線圈10通以高頻交流信號，同時檢測所 述傳感器探測線圈10的電阻R和電感L ;以及
[0010] 控制器4,用於控制所述阻抗測量電路3輸出到所述傳感器探測線圈10的高頻交 流信號的頻率，並根據所述阻抗測量電路3檢測到的電阻R和電感L求得L0C線斜率，給出 所述導電膜樣品的厚度。
[0011] 其中所述傳感器探測線圈10由圓盤型線圈構成。
[0012] 所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統，還包括微型致動器6,用於驅動 所述電渦流傳感器探頭2振動。
[0013] 其中所述微型致動器6為壓電懸臂梁驅動器、壓電致動器、直線電機或電磁激振 器。
[0014] 其中所述控制器4控制的所述阻抗測量電路3輸出到所述傳感器探測線圈10的 高頻交流信號的頻率隨著所述導電膜樣品的厚度和電導率作適當的調整，需要滿足該頻率 下渦流在目標樣品中的透射深度S大於兩倍的目標厚度t，即δ >2t。
[0015] 其中所述控制器4根據所述阻抗測量電路3檢測到的電阻R和電感L求得L0C線 斜率的步驟包括：
[0016] 所述控制器4同步記錄微型致動器6的激勵信號和傳感器探頭2的R和L信號， 獲得探頭振動的半個周期的完整移動距離下的線圈阻抗值R和L ;
[0017] 利用最小二乘法公式進行數值計算，得到R-L直線的斜率K。
[0018] 其中所述控制器4還執行下列步驟：
[0019] 計算最小二乘擬合的擬合線性相關係數r ;
[0020] 通過所述擬合線性相關係數判斷擬合的質量，如果所述擬合線性相關係數r小於 設定的值，則認為測量不可靠，重新進行測量；否則認可試驗結果。
[0021] 其中，在實際測量前，利用公式K = Q 〇 t，通過測量某種已知標準厚度和電阻率 的樣品，所述控制器4即可計算獲得係數q的值。
[0022] 作為本發明的另一個方面，本發明還提供了一種基於電渦流傳感器的導電膜厚度 測量方法，包括下列步驟：
[0023] 初步調整傳感器探頭2和導電膜樣品的距離，使其進入敏感區間；
[0024] 控制傳感器探頭2進一步移動，同時根據測得的阻抗信號的變化，初步判斷出傳 感器探頭2的工作距離，並據此調整傳感器探頭2與導電膜樣品的工作距離；
[0025] 控制器4調整DDS信號源11，產生合適頻率和幅度的激勵信號，通過功放放大後驅 動微型致動器6,激勵傳感器探頭2做上下往復振動；
[0026] 控制器4同步記錄微型致動器6的激勵信號和傳感器探頭2的R和L信號，獲得 探頭振動的半個周期的完整移動距離下的線圈阻抗值R和L ;
[0027] 利用最小二乘法公式進行數值計算，得到R-L直線的斜率K，換算出導電膜樣品的 厚度。
[0028] 其中，所述厚度測量方法還包括以下步驟：
[0029] 計算最小二乘擬合的擬合線性相關係數r ;
[0030] 通過所述擬合線性相關係數判斷擬合的質量，如果所述擬合線性相關係數r小於 設定的值，則認為測量不可靠，重新進行測量；否則認可試驗結果。
[0031] 其中，在實際測量前，利用公式K = Q 〇 t，通過測量某種已知標準厚度和電阻率 的樣品，即可計算獲得係數q的值。
[0032] 其中，所述微型致動器6激勵信號的工作頻率隨著所述導電膜樣品的厚度和電導 率作適當的調整，需要滿足該工作頻率下渦流在目標樣品中的透射深度S大於兩倍的目 標厚度t,即δ > 2t。
[0033] 其中，所述被測導電膜樣品的厚度為幾十nm到幾 mm之間。
[0034] 其中，所述被測導電膜樣品是非磁性導電材料。
[0035] 其中，所述導電膜厚度測量方法的測量速度高達20kHz以上。
[0036] 其中，所述導電膜厚度測量方法對被測目標的縱向振動不敏感，利用被測目標有 規律的縱向振動直接實現獲得L0C提離線，實現厚度測量，無需致動器驅動探頭做振動。
[0037] 其中，所述導電膜厚度測量方法對被測目標的水平移動不敏感，當被測目標以高 達100m/ S的速度移動時帶來的測量誤差在0. 01 %以下。
[0038] 其中，所述導電膜厚度測量方法的測量解析度高達其厚度的0. 1 %以上，對微米級 薄膜的測量解析度可以高達nm級。
[0039] 其中，所述導電膜厚度測量方法由於採用最小二乘法計算測量結果，對個別數據 的測量誤差不敏感，厚度測量的解析度高於線圈阻抗的測量分辨能力。
[0040] 通過上述技術方案可知，本發明的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統及對 應測量方法具有以下有益的技術效果：測量速度快，測量結果不受探測距離的影響，厚度與 測量物理量的關係簡單明確，信息處理簡單，安全無汙染，對環境參數變化不敏感，可以在 各種惡劣環境中工作，可以適用的測量範圍大，既可適用於高達幾 mm的金屬板測量，也可 用於幾十nm的超薄金屬膜厚度的精密測量。此外，被測樣品橫向或者縱向運動幾乎不會 影響測量結果，非常適合工業現場在線測量和一些先進的高速精密厚度測量。本發明的厚 度測量方法具有任何目前已有電渦流厚度測量方法，或者其它厚度測量方法無可比擬的優 勢，可以廣泛地用於半導體金屬膜檢測、工業生產線上的金屬膜在線測量以及各種鍍膜工 藝的檢測等應用中，在各種工業現場的膜厚質量監控系統中，也具有非常好的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 圖1是本發明的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統的簡單結構示意圖；
[0042] 圖2是電渦流傳感器的結構及磁感應線分布示意圖；
[0043] 圖3 (a)、圖3 (b)分別是電渦流傳感器工作原理及對應的變壓器模型的示意圖；
[0044] 圖4 (a)、圖4 (b)分別是電渦流傳感器渦流強度-厚度曲線及電渦流傳感器等效成 導體環模型的示意圖；
[0045] 圖5 (a)、圖5 (b)分別是電渦流傳感器不同目標材料對應的L0C線圖，以及L0C線 斜率K2與電阻率〇的關係曲線圖；
[0046] 圖6(a)、圖6(b)分別是電渦流傳感器不同厚度的目標材料的L0C線圖，以及L0C 線斜率Κ與厚度t的曲線圖；
[0047] 圖7 (a)、圖7 (b)分別是同一厚度、不同電阻率材料的L0C線圖和L0C線斜率K與 電阻率σ的關係曲線圖；
[0048] 圖8是本發明的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統的電路系統結構簡圖； [0049] 圖9(a)_(d)是微型致動器的幾種形式的結構示意圖，分別採用壓電懸臂梁、壓電 堆、直線電機、電磁鐵作為致動器；
[0050] 圖10左右兩幅圖是本發明的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統的工作示 意圖，其中左圖是有驅動器的，右圖是固定不動的；
[0051] 圖11 (a)、圖11(b)分別是探頭振動時的位移X、探頭電感L、電阻R隨時間變化的 曲線圖，以及對應的L-R的L0C線的曲線圖；
[0052] 圖12 (a)、圖12(b)分別是探頭目標的不同靜態距離屯下相同振幅時探測線圈的 阻抗R和L隨時間變化的曲線圖，以及對應的L-R的L0C線的曲線圖；
[0053] 圖13(a)、圖13(b)分別是有振動幹擾時探測線圈的阻抗R和L隨時間變化的曲線 圖，以及對應的L-R的L0C線的曲線圖；
[0054] 圖14是測量目標高速運動時對測量結果將會產生影響的示意圖；
[0055] 圖15是根據本發明的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法對不同厚度樣品 進行測量的L0C線斜率K隨時間變化的曲線圖。
[0056] 附圖標記說明：
[0057] 1、被測樣品；2、傳感器探頭；3、阻抗測量電路；4、控制器；5、同軸電纜；6、致動器； 7、填充樹脂膠；8、線圈保護殼；9、空氣介質；10、探測線圈；11、DDS信號源；12、V/I變換器； 13、90度移相器；14、鎖定放大器LIA ;15、正交解調器；16、功率放大器；17、底座；18、PZT 片；19、雙層中空懸臂梁；20、傳感器安裝固定夾；21、壓電致動器；22、直線步進電機；23、勵 磁線圈；24、磁鐵；25、彈簧；26、底座支架。

【具體實施方式】
[0058] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0059] 本發明的技術方案的基本原理如下：
[0060] 一個圓盤型的空心線圈作為渦流傳感器的探測線圈，通過同軸線與阻抗測量電路 相連接。阻抗測量電路給探測線圈施加一個高頻交流電流，同時能以極高的解析度測量出 探測線圈阻抗的實部（R)和虛部（L)的變化量。
[0061] 當探測線圈與樣品之間的距離X增大（或者減小）時，探測線圈在不同距離下的 阻抗在R-L平面中一序列的點形成一條曲線，稱之為提離線（L0C線）。在探測距離X不太 大時（x<0.5r。，其中r。是探測線圈的半徑），工作在高頻的空心探測線圈，對於非鐵磁性 樣品的提離線是一條直線。當被測樣品厚度小於該頻率下的透射深度時，提離線的斜率與 被測導電樣品的厚度和電阻率成正比：K = Q 〇 t ;當被測樣品厚度超過該頻率下透射深 度S的3倍時，斜率為

【權利要求】
1. 一種基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統，包括： 傳感器探測線圈（10)，位於電渦流傳感器探頭（2)的下端，用於產生交變磁場，在導電 膜樣品上形成感應渦流； 阻抗測量電路（3)，用於給所述傳感器探測線圈（10)通以高頻交流信號，同時檢測所 述傳感器探測線圈（10)的電阻R和電感L;以及 控制器（4)，用於控制所述阻抗測量電路（3)輸出到所述傳感器探測線圈（10)的高頻 交流信號的頻率，並根據所述阻抗測量電路（3)檢測到的電阻R和電感L求得線圈阻抗在 R-L平面的提離線（LOC)的斜率，給出所述導電膜樣品的厚度。
2. 根據權利要求1所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統，其中所述傳感器 探測線圈（10)由圓盤型線圈構成。
3. 根據權利要求1或2所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統，還包括微型 致動器（6)，用於驅動所述電渦流傳感器探頭（2)振動。
4. 根據權利要求3所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統，其中所述微型致 動器（6)為壓電懸臂梁驅動器、壓電致動器、直線電機或電磁激振器。
5. 根據權利要求1所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統，其中所述控制器 (4)控制的所述阻抗測量電路（3)輸出到所述傳感器探測線圈（10)的高頻交流信號的頻率 隨著所述導電膜樣品的厚度和電導率作適當的調整，需要滿足該頻率下渦流在目標樣品中 的透射深度S大於兩倍的目標厚度t，即δ >2t。
6. 根據權利要求1所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統，其中所述控制器 (4)根據所述阻抗測量電路（3)檢測到的電阻R和電感L求得LOC線斜率的步驟包括： 所述控制器（4)同步記錄微型致動器（6)的激勵信號和傳感器探頭（2)的R和L信號， 獲得探頭振動的半個周期的完整移動距離下的線圈阻抗值R和L ; 利用最小二乘法公式進行數值計算，得到R-L直線的斜率K。
7. 根據權利要求6所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統，其中所述控制器 (4)還執行下列步驟： 計算最小二乘擬合的擬合線性相關係數r ; 通過所述擬合線性相關係數判斷擬合的質量，如果所述擬合線性相關係數r小於設定 的值，則認為測量不可靠，重新進行測量；否則認可試驗結果。
8. 根據權利要求1所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量系統，其中在實際測量 前，利用公式K = Q 〇 t，通過測量某種已知標準厚度和電阻率的樣品，所述控制器（4)即 可計算獲得係數(^的值。
9. 一種基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法，包括下列步驟： 初步調整傳感器探頭（2)和導電膜樣品的距離，使其進入敏感區間； 控制傳感器探頭（2)進一步移動，同時根據測得的阻抗信號的變化，初步判斷出傳感 器探頭（2)的工作距離，並據此調整傳感器探頭（2)與導電膜樣品的工作距離； 控制器（4)調整DDS信號源（11)，產生合適頻率和幅度的激勵信號，通過功放放大後驅 動微型致動器￠)，激勵傳感器探頭（2)做上下往復振動； 控制器⑷同步記錄微型致動器（6)的激勵信號和傳感器探頭（2)的R和L信號，獲 得探頭振動的半個周期的完整移動距離下的線圈阻抗值R和L ; 利用最小二乘法公式進行數值計算，得到R-L直線的斜率K，換算出導電膜樣品的厚 度。
10. 根據權利要求9所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法，還包括以下步 驟： 計算最小二乘擬合的擬合線性相關係數r ; 通過所述擬合線性相關係數判斷擬合的質量，如果所述擬合線性相關係數r小於設定 的值，則認為測量不可靠，重新進行測量；否則認可試驗結果。
11. 根據權利要求9所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法，其中在實際測 量前，利用公式K = Q 〇 t，通過測量某種已知標準厚度和電阻率的樣品，即可計算獲得系 數心的值。
12. 根據權利要求9所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法，其中所述微型 致動器（6)激勵信號的工作頻率隨著所述導電膜樣品的厚度和電導率作適當的調整，需要 滿足該工作頻率下渦流在目標樣品中的透射深度S大於兩倍的目標厚度t，即δ >2t。
13. 根據權利要求9所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法，其中所述被測 導電膜樣品的厚度為幾十nm到幾 mm之間。
14. 根據權利要求9所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法，所述被測導電 膜樣品是非磁性導電材料。
15. 根據權利要求9所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法，所述導電膜厚 度測量方法的測量速度高達20kHz以上。
16. 根據權利要求9所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法，其中所述導電 膜厚度測量方法對被測目標的水平移動不敏感，當被測目標以高達l〇〇m/ S的速度移動時 帶來的測量誤差在0.01 %以下。
17. 根據權利要求9所述的基於電渦流傳感器的導電膜厚度測量方法，其中所述導電 膜厚度測量方法的測量解析度高達其厚度的〇. 1%以上，對微米級薄膜的測量解析度可以 高達nm級。
【文檔編號】G01B7/06GK104154852SQ201410412326
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月20日 優先權日:2014年8月20日
【發明者】馮志華, 王洪波, 李偉, 琚斌 申請人:中國科學技術大學