CN218973412U - 一种无创伤超薄金属膜测厚仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种无创伤超薄金属膜测厚仪，包括无损伤探头和整机，整机包括高频振荡器、交流放大器、测量电桥、检波器、直流放大器、微处理器、显示屏和电源，高频振荡器的输出端连接交流放大器，交流放大器的输出端连接测量电桥，测量电桥与测量头相连接，测量电桥的输出端连接检波器，检波器的输出端连接直流放大器，直流放大器的输出端连接微处理器，微处理器的输出端连接显示屏，且分别连接电源；无损伤探头的输入端与整机相连，以获得高频电动势，并输入到无损伤探头的线圈两端，线圈内产生高频磁场；本实用新型同现有技术相比，不仅测量精度高，直观易操作，且不受被测金属膜表面覆盖印刷膜或非导电保护膜(10um以下)对测量的影响。

Description

一种无创伤超薄金属膜测厚仪

[技术领域]

本实用新型属于精密仪表技术领域，具体地说是一种无创伤超薄金属膜测厚仪。

[背景技术]

目前，用于测量金属膜厚度的测厚仪的方法有很多，如：电阻法、库仑法、射线法、超声波法等，且不同的方法应用在不同场合。然而，这些测量厚度的方法要么测量精度不高，要么受被测金属膜表面覆盖印刷膜或非导电保护膜对测量的影响，甚至有些测试仪器存在破坏性，等等。若能提供一种无创伤超薄金属膜测厚仪，以解决上述问题，将具有非常重要的意义。

[实用新型内容]

本实用新型的目的就是要解决上述的不足而提供一种无创伤超薄金属膜测厚仪，不仅测量精度高，直观易操作，而且不受被测金属膜表面覆盖印刷膜或非导电保护膜对测量的影响。

为实现上述目的设计一种无创伤超薄金属膜测厚仪，包括无损伤探头和整机，所述整机包括高频振荡器、交流放大器、测量电桥、检波器、直流放大器、微处理器、显示屏和电源，所述高频振荡器的输出端连接交流放大器的输入端，所述交流放大器的输出端连接测量电桥的输入端，所述测量电桥与测量头相连接，所述测量电桥的输出端连接检波器的输入端，所述检波器的输出端连接直流放大器的输入端，所述直流放大器的输出端连接微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接显示屏，所述显示屏为触屏操控式显示屏，所述高频振荡器、交流放大器、测量电桥、检波器、直流放大器、微处理器、显示屏分别连接电源；所述无损伤探头内载有高频信号的激磁线圈，所述无损伤探头的输入端与整机相连，以获得高频电动势，并输入到无损伤探头的线圈两端，所述线圈内产生高频磁场，所述线圈中心位置为一个增加磁通量密度的圆形磁性材料棒。

进一步地，所述无损伤探头垂直放置在被测金属膜表面，所述无损伤探头产生交变的高频磁场穿透超薄金属膜，所述金属膜内产生垂直于磁场的涡流，涡流强度与金属膜厚度成理论上的线性关系。

进一步地，所述无损伤探头激磁线圈的工作频率为750KC或375KC，所述工作频率为375KC时的涡流渗透深度较工作频率为750KC大，所述工作频率为375KC用于测更厚的金属膜层厚度。

进一步地，还设置有一个台阶样片，所述台阶样片置于测试台面上，所述台阶样片的金属面紧贴测试台面，所述被测件置于测试台面上。

进一步地，所述台阶样片选用表面抛光的高阻硅片，所述台阶样片上蒸发一层与被测产品相同的均匀金属膜，并通过光刻形成矩形台阶图形。

本实用新型同现有技术相比，采用涡流测量原理，将蒸发后得到金属膜层看作是一个无穷多匝的线圈，而测量探头内载有高频信号的激磁线圈，根据法拉第电磁感应定律，金属膜层中感应会产生涡流，由于金属膜中涡流磁场反作用激磁磁场，因而产生反射电阻和反射电抗，然后通过放大器放大，再经微处理器线性化处理，最终送显示器显示，其测量精度高，可达

级，具有智能触摸屏操控，直观易操作，可直接读出被测样品的金属膜厚度，无需换算；而且，本实用新型不受被测金属膜表面覆盖印刷膜或非导电保护膜(10um以下)对测量的影响，且无需形成被测样品的台阶，是一种非破坏性的测试仪器；此外，本实用新型测量响应时间短，仅秒级，已被广泛用于生产现场的常规鉴测手段，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本实用新型的电路框图；

图2是本实用新型渗透深度um与750KC高频电动势间的特性曲线图；

图3是本实用新型阻抗匹配变压器的结构示意图；

图4是本实用新型的测量电路图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本实用新型作以下进一步说明：

本实用新型提供了一种无创伤超薄金属膜测厚仪，包括无损伤探头和整机，整机包括高频振荡器、交流放大器、测量电桥、检波器、直流放大器、微处理器、显示屏和电源，高频振荡器的输出端连接交流放大器的输入端，交流放大器的输出端连接测量电桥的输入端，测量电桥与测量头相连接，测量电桥的输出端连接检波器的输入端，检波器的输出端连接直流放大器的输入端，直流放大器的输出端连接微处理器的输入端，微处理器的输出端连接显示屏，显示屏为触屏操控式显示屏，高频振荡器、交流放大器、测量电桥、检波器、直流放大器、微处理器、显示屏分别连接电源；无损伤探头内载有高频信号的激磁线圈，无损伤探头的输入端与整机相连，以获得高频电动势，并输入到无损伤探头的线圈两端，线圈内产生高频磁场，线圈中心位置为一个增加磁通量密度的圆形磁性材料棒。

本实用新型的测量原理为：在非金属基体上蒸发铝膜，利用涡流方法测量厚度。将这层铝膜看作一个无穷多匝的线圈，利用电磁感应原理在这层膜内感应产生涡电流，此涡电流产生涡流磁场反过来又反作用测量激磁磁场，使测量线圈阻抗发生变化，阻抗变化通过检测电桥产生于厚度成正比电压信号。

如附图4所示，为本实用新型的测量电路图，该测量电路原理为：有高频振荡器，再经过分频器分频选择一个适当工作频率，这个高频信号再经过交流放大器放大使之能满足检测电桥需要，检测电桥产生信号经检波器检波后产生直流信号再经过直流放大器放大，最后经微处理器处理后提供显示屏显示所测厚度。

该测量电路图中可具体设置为，R1＝2KΩ，R2＝1KΩ，R3＝510Ω，R4＝510Ω，R5＝10KΩ，R6＝R7＝100KΩ，R8＝1KΩ电阻器，R9＝5.1KΩ，R10＝24KΩ，C1＝39pf，C2＝C3＝200pf，C4＝C5＝C6＝C7＝0.1μf，C8＝510pf，C9＝1000+200pf，C10＝1μf，C11～C14＝0.1μf，C15＝1μf；X：6M晶振；DT1：MC54HC00；DT2：MC74HC4040；U1：BGF3005；U2：7650SCPDZ；D：IN4148X4；T:阻抗匹配变压器；BK:传感器；1/2DT1、X等电路构成6MC高频振荡器；1/2DT1与DT2等电路为分频器，U1等电路为交流放大器；T、BK等电路构成检测电桥；D检波；U2等电路构成直流放大器。

其中，无损伤探头的输入端与整机相连，获得高频电动势v，输入到无损伤探头的线圈二端，线圈中心位置是一个增加磁通量密度的圆形磁性材料棒。无损伤探头垂直于金属膜，产生一个交变的高频磁场，穿透超薄金属膜，在金属膜内产生垂直于磁场的涡流，涡流强度与金属膜厚度成理论上的线性关系；通过推导得到v＝κi，式中，v为法拉第电磁感应电动势；i为涡流强度；k为比例系数，包含了被测金属膜厚度的反射阻抗。通过测量反射阻抗的大小，整机的电路系统的分解演变，以厚度的最小单位

(埃)显示出来。

该测厚仪适用于绝缘体表面的金属膜厚度的测量，金属膜可以通过电子束蒸发、磁控溅射等工艺手段形成；是一种无损伤的测量方法。无损伤探头的输入端与整机相连，获得高频电动势v，输入到无损伤探头的线圈二端，在线圈内产生高频磁场。无损伤探头垂直放置在被测的金属膜表面，产生一个交变的高频磁场，穿透超薄金属膜，在金属膜内产生垂直于磁场的涡流。涡流强度与金属膜厚度成理论上的线性关系，通过推导得到v＝κi，式中，v为法拉第电磁感应电动势；i为涡流强度；k为比例系数。无损伤探头的两端会产生反射阻抗r，反射阻抗的大小取决于被测金属膜的厚度。

本专利采用涡流测量原理，将蒸发后得到金属膜层看作是一个无穷多匝的线圈，而测量探头内载有高频信号的激磁线圈。根据法拉第电磁感应定律，金属膜层中感应会产生涡流。由于金属膜中涡流磁场反作用激磁磁场，因而产生反射电阻和反射电抗，然后通过放大器放大，再经微处理器线性化处理，最终送显示器显示，具体如附图1所示。

此外，对本实用新型的具体实施作如下说明：

1、工作频率选择：

激磁线圈工作频率越高，其涡电流集肤效应就越大，测金属膜薄层灵敏度就越高。因而就可能有效分辨出金属膜厚度最小单位：

(埃)，

当然工作频率越高时，其谐振电容值就越小，那么微小电路分布电容就会影响电路的稳定性。所以选择工作频率就要兼顾二者之间关系。目前本专利产品JM301型和JM303型产品选择工作频率为750KC。专利产品JM302工作频率分750KC和375KC两种。(375KC工作频率涡流渗透深度较750KC大，因而能测更厚的金属膜层厚度)。

如附图2所示的特性曲线说明：(1)

之内曲线斜率大且线性；JM301量程100-1000A和JM303

正是我们所需要的，有效分辨可达

(2)750KC频率，电涡流渗透深度到0.2μm已趋向饱和，所以JM302测2μm到5μm时必须将工作频率降低到375KC(375KC时涡流渗透深度增加)。

2、阻抗匹配变压器：

交流信号输出采用差分输出与检测电路之间采用变压器藕合(如附图3)，为达到最大信号输出，变压器的输出阻抗与负载必须匹配。

假定负载阻抗为RL＝1150Ω，取WL＝RL(WL为感抗)

AL取63太大损耗大

则

阻抗变压器参数如下：

变压器副边62圈，电感值244μH变压器原边按1.8：1。即112圈。

AL＝63(可由AL＝400或AL＝100材料垫间隙达到)

3、传感器谐振回路(L.C)的计算：

Q:是指电感在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比，Q值大损耗小，效率高。

电感L计算：取Q＝8R＝15因为WL＝QR＝8×15＝120

电感(传压器)线圈圈数：

传感器线圈内加短磁芯因此AL取10

则

电容C计算：

因为

所以

由此得到：

C＝1774×10^-12f＝1774pf

传感器谐振回路参数如下:

L＝25.4μH 50圈(加磁芯)

C＝1774pf(实际调试时C值可微调)

4、膜厚定标和测量方法：

精准测量厚度，获得一个高精度的标准件—“台阶样片”很重要。标准件膜厚定标如下：标准台阶片通过α台阶仪精确测量，测得台阶片表面薄膜的精确数据，然后将台阶样片作为本测厚仪的附件。当测量被测件表面金属膜厚度时，首先将这种金属膜的标准台阶片放在本测厚仪的特殊的测试台面上，将标准台阶片的金属面紧贴测试台面。然后对本测厚仪进行校正，使测厚仪处于待测的工作状态。紧接着便可以把被测件放在测试台面上，无创伤的测得被测件表面的金属膜厚度。

5、台阶样片的制作

上台阶仪测量的台阶样片表面必须达到一定平整度和光洁度，因此选用表面抛光的高阻硅片，然后在其上蒸发一层与被测产品相同的均匀金属膜，通过光刻形成矩形台阶图形，其中白色的矩形台面是金属膜，周边为硅片表面。最后台阶样品通过台阶仪测量，即得到测量报告。

为验证标准样品的准确性,我们与四探针法和电阻法进行了对比。

6、与四探针法比较：

将台阶样品用四探针测试仪测得方块电阻为

然后采用本专利设计制造的JM302超薄金属膜测厚仪测得铝膜厚度为0.75μm。

根据公式

式中，

为方块电阻【或为薄层电阻】；ρ为电阻率；X_j为膜层厚度；

由手册查得铝的电阻率是3.93×10^-8Ω-CM。代入上式求得：

由此可见，两者完全等同。

另由本专利产品JM301型金属膜测厚仪测得另一样品膜厚为

即0.077um。

代入

的计算公式，求得：

由此可见，JM301型金属膜测厚仪与JM302型金属膜测厚仪具有同样高的精度。

7、本测试仪与三种不同电阻法测量比较：

相同的样品在三种不同的仪器上测的结果如下表1所示，误差都较大。电阻法测量受到：1.测量头受力不同，测得结果不同；2.取样面积要大，且尺寸要精准。

表1：

才能达到测量准确性，这对用户来说快速、多批次测量造成很多麻烦。本专利经过多年的改进，实现在大小不同面积膜上测出值几乎相同结果(见下表2)

表2：

8、涡流边缘效应：

当测量探头放在被测样品的边缘附近时，会造成探头上产生的电涡流部分缺损，因而发射信号减弱，造成测量值略偏小。虽然由于测边缘附近时造成测量误差，但仍远小于技术指标±(20A+2％)。当然仍需提醒用户测量时不要太靠近边上去测量。

本专利所述的无创伤超薄金属膜测厚仪具有如下优点：

(1)参考标准沪Q/CB005-86。

(2)厚度标准通过中国计量科学院鉴定。

(3)无需形成被测样品的台阶，是一种非破坏性的测试仪器。

(4)测量响应时间短，仅秒级，已被广泛用于生产现场的常规鉴测手段。

(5)不受被测金属膜表面覆盖印刷膜或非导电保护膜(10um以下)对测量的影响。

(6)测量精度高，可达

级。

(7)直接读出被测样品的金属膜厚度，无需换算。

(8)根据不同的被测样品的量程要求，本测试仪分为三种不同型号，可以自行选择被测样品的需求型号：[仅测蒸发铝薄膜厚度]

(9)具有智能触摸屏操控，直观易操作。

(10)机箱金属质感，美观大方。

本实用新型并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无创伤超薄金属膜测厚仪，其特征在于：包括无损伤探头和整机，所述整机包括高频振荡器、交流放大器、测量电桥、检波器、直流放大器、微处理器、显示屏和电源，所述高频振荡器的输出端连接交流放大器的输入端，所述交流放大器的输出端连接测量电桥的输入端，所述测量电桥与测量头相连接，所述测量电桥的输出端连接检波器的输入端，所述检波器的输出端连接直流放大器的输入端，所述直流放大器的输出端连接微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接显示屏，所述显示屏为触屏操控式显示屏，所述高频振荡器、交流放大器、测量电桥、检波器、直流放大器、微处理器、显示屏分别连接电源；所述无损伤探头内载有高频信号的激磁线圈，所述无损伤探头的输入端与整机相连，以获得高频电动势，并输入到无损伤探头的线圈两端，所述线圈内产生高频磁场，所述线圈中心位置为一个增加磁通量密度的圆形磁性材料棒。

2.如权利要求1所述的无创伤超薄金属膜测厚仪，其特征在于：所述无损伤探头垂直放置在被测金属膜表面，所述无损伤探头产生交变的高频磁场穿透超薄金属膜，所述金属膜内产生垂直于磁场的涡流，涡流强度与金属膜厚度成理论上的线性关系。

3.如权利要求1所述的无创伤超薄金属膜测厚仪，其特征在于：所述无损伤探头激磁线圈的工作频率为750KC或375KC，所述工作频率为375KC时的涡流渗透深度较工作频率为750KC大，所述工作频率为375KC用于测更厚的金属膜层厚度。

4.如权利要求1所述的无创伤超薄金属膜测厚仪，其特征在于：还设置有一个台阶样片，所述台阶样片置于测试台面上，所述台阶样片的金属面紧贴测试台面，所述被测件置于测试台面上。

5.如权利要求4所述的无创伤超薄金属膜测厚仪，其特征在于：所述台阶样片选用表面抛光的高阻硅片，所述台阶样片上蒸发一层与被测产品相同的均匀金属膜，并通过光刻形成矩形台阶图形。

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