CN101876528B - 一种基于电磁传感器的金属膜厚测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电磁传感器技术领域，涉及一种基于电磁传感器的金属膜厚测量装置，包括电磁传感器、信号发生单元、功率放大器、信号采集单元、上位计算机，电磁传感器包括3个平行且同轴的线圈，其中，外侧的两个线圈为接收线圈，由相同的绕线按照相同的绕线密度、匝数和线圈直径及相反的绕线方向绕制而成，两个线圈的一端相互连接，各自的另一端分别作为一个接收端，构成差分结构，处在中间的线圈为激励线圈；上位计算机控制信号发生单元发出不同频率的激励信号经过功率放大器后被接在激励输入端，信号采集单元从两个接收端采集接收线圈的感应信号。本发明同时提供采用上述测量装置实现的金属膜厚测量方法。本发明结构简单，成本低廉，检测灵敏、准确、快速、有效。
Description
技术领域
本发明属于材料测试技术领域，涉及一种金属膜厚的测量装置及测量方法。
背景技术
在工业应用的许多场合需要对金属膜厚进行测量，对金属膜厚的严格控制在汽车工业、精密机械加工、甚至集成电路生产中都有意义。比如硅衬底CMOS射频集成电路中纳米级的金属膜厚的测量意义重大，因为硅衬底CMOS射频集成电路中平面螺旋电感的Q值就受到金属膜层厚度的影响；在其它材料加工处理领域，对金属涂料的测厚也是一个广泛存在的问题。
目前为止，利用电磁法测量金属膜厚是比较好的方法，但提离距离的变化是采取电磁法测量金属膜厚度精度限制的主要因素。以前的学者做过一些研究来克服这个问题，比如采取双线圈法等。但是没有人从理论和实践上解决了这个问题。所以在理论和实践上提出一个切实有效的、能克服提离距离产生误差的方法意义重大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种金属膜厚的测量装置及测量方法。本发明采用如下的技术方案：
一种基于电磁传感器的金属膜厚测量装置，包括电磁传感器、信号发生单元、功率放大器、信号采集单元、上位计算机，其特征在于，所述的电磁传感器包括3个平行且同轴的线圈，其中，外侧的两个线圈为接收线圈，由相同的绕线按照相同的绕线密度、匝数和线圈直径及相反的绕线方向绕制而成，两个线圈的一端相互连接，各自的另一端分别作为一个接收端，构成差分结构，处在中间的线圈为激励线圈；上位计算机控制信号发生单元发出不同频率的激励信号经过功率放大器后被接在激励输入端，信号采集单元从两个接收端采集接收线圈的感应信号，其输出被送入上位计算机。
作为优选实施方式，所述的3个线圈的直径相等；所述的各个线圈的直径为0.5-500mm，绕线匝数介于1-20000；绕线的直径可以在0.001mm-10mm之间。
本发明同时提供一种采用所述的测量装置测量金属膜厚的方法，包括下列步骤：
(1)在不存在待测金属膜的情况下对电磁传感器的激励线圈通以不同频率的激励电流，对每个频率，采集两个接收线圈的感应电压值，并根据电感虚部模值公式得到不存在待测金属膜的情况下，各个频率所对应的电感虚部模值序列{K0}，式中，阻抗I为激励电流值，U为感应电压值；
(2)将电磁传感器置于靠近被测金属膜的位置，使线圈与被测金属膜平行，用同样的方法测得被测金属膜存在的情况下各个频率所对应的电感虚部模值序列{K1}；
(3)根据步骤(1)和(2)采集的数据，将存在被测金属膜和不存在被测金属膜两种情况测得的同频率下的电感虚部模值求差，并找到该差值随频率而变化的峰值；
(4)找到该峰值所对应的激励电流的频率wp，并根据c×wp＝常数，得到待测金属膜厚c，该常数可以通过实验或仿真得到。
本发明设计了一种用于测量金属膜厚的电磁传感器阵列，该阵列由两个相互连接并构成差分结构的接收线圈和位于两者之间的激励线圈构成，结构简单，成本低廉，检测灵敏、快速、有效，是最具可行性的金属膜厚的检测工具之一。
附图说明
图1是本发明的基于电磁传感器的金属膜厚的测量系统装置结构框图；
图2是电磁传感器的示意图。
具体实施方法
图1是按照本发明一个实施例画出的测量装置结构框图。它由激励线圈、接收线圈、信号发生单元、信号采集单元、功率放大器和上位计算机七部分构成。参见图2，电磁传感器1为线圈阵列，包括激励线圈3、两个接收线圈4和5；激励与接收线圈均为空芯、同轴且相互平行的线圈，其中接收线圈由差分结构的两个线圈构成，其制作方法是，在一个圆柱形框上标定两个绕线圆，距离视传感器要求而定，在一个圆柱形框上选定2个位于不同横截面上的标定点，将一根导线从一个标定点开始在其所处的横截面上缠绕一圈后又从另一个标定点开始按照相同的绕线密度和匝数缠绕一圈，从导线两端引出检测输出端2，两个线圈采用相反的绕线方向，从而形成差分结构，以增加测量的灵敏度。激励线圈3位于两个接收线圈之间，激励线圈的引出的接线端1作为激励信号的输入端。图2只是表达了三个线圈之间的空间位置关系和线圈的绕线方式，未画出支撑三个线圈的圆柱形框。该传感器的长度视线圈的匝数及绕线的直径而定，其直径可以为0.5-500mm，绕线匝数可以介于1-20000；绕线的直径可以在0.001mm-10mm之间；上位计算机控制信号发生单元发出的激励信号经过功率放大器后被接在激励输入端，信号采集单元从检测输出端采集接收线圈的感应信号，其输出被送入上位计算机；信号发生单元采用直接数字合成(DDS)芯片AD7008，该芯片可以产生不同幅度和相位的正弦激励信号。激励信号的幅值和相位可由计算机设置，通过功率放大器放大后加装在激励线圈上。数据采集单元将采集的感应信号通过模数转换送入上位计算机。可以将此类电磁传感器固定在离待测金属膜一定距离的位置(该距离可以由实验或仿真定标)，因为U＝I×j×w×L(相量形式)，其中I为激励电流，U为感应电压，w为激励信号的频率，j为虚数单位，L为电感值；定义1：
Z为阻抗；定义2：
K为电感虚部模值，Im代表取虚部，||||代表取模值(绝对值)；用该电磁传感器测量不存在金属膜(即在空气中)的情况下得到{K0}(不同激励频率对应的电感虚部模值序列)，将该值保存在上位计算机内；再将电磁传感器置于靠近金属膜，使线圈与金属膜表面平行的位置，按照同样的方法测量待测金属膜存在的情况下得到{K1}，令{ΔK}＝{K1}-{K0}，当{ΔK}取峰值时，此时对应的wp满足c×wp＝常数，其中c为金属膜厚，常数是由传感器几何模型及与待测金属膜的距离决定的，这个常数可通过定标得出。测量时，先对空气进行测量，对该电磁传感器通以不同频率的激励电流，上位计算机采集得到不同的感应电压值，再对待测金属膜进行测量，在上位计算机里利用Matlab或VC实现上述算法，即可得到待测金属膜厚，其中算法包括得到{K0}、{K1}，从而根据{ΔK}取峰值时，此时对应的wp，最后根据c×wp＝常数来求待测金属膜厚c。
本发明中接收线圈的直径与激励线圈相比，可大可小，但最好一致。测量方法具体包括以下步骤：
(1)在不存在待测金属膜的情况下，对电磁传感器的激励线圈通以不同频率的激励电流，对每个频率，采集两个接收线圈的感应电压值，并根据电感虚部模值公式
得到不存在待测金属膜的情况下，各个频率所对应的电感虚部模值序列{K0}，式中，阻抗
I为激励电流值，U为感应电压值；
(2)将电磁传感器置于靠近被测金属膜的位置，使线圈与被测金属膜平行，用同样的方法测得被测金属膜存在的情况下各个频率所对应的电感虚部模值序列{K1}；
(3)根据前两步采集的数据，利用Matlab将存在被测金属膜和不存在被测金属膜两种情况测得的同频率下的电感虚部模值求差，并找到该差值随频率而变化的峰值；
(4)找到该峰值所对应的激励电流的频率wp，并根据c×wp＝常数，得到待测金属膜厚c，该常数可以通过实验或仿真得到。
Claims (5)
1.一种基于电磁传感器的金属膜厚测量装置，包括电磁传感器、信号发生单元、功率放大器、信号采集单元和上位计算机，其特征在于，所述的电磁传感器包括3个平行且同轴的线圈，其中，外侧的两个线圈为接收线圈，由相同的绕线按照相同的绕线密度、匝数和线圈直径及相反的绕线方向绕制而成，两个接收线圈的一端相互连接，各自的另一端分别作为一个接收端，构成差分结构，处在两个接收线圈中间的线圈为激励线圈；上位计算机控制信号发生单元发出不同频率的激励信号经过功率放大器后被接在激励线圈的激励信号输入端，信号采集单元从两个接收端采集接收线圈的感应信号，其输出被送入上位计算机，由上位计算机根据所采集的信号，得到待测金属膜厚度。
2.根据权利要求1所述的电磁传感器的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述的3个线圈的直径相等。
3.根据权利要求1所述的电磁传感器的金属膜厚测量装置，其特征在于，所述的电磁传感器由3个线圈构成，各个线圈的直径为0.5-500mm，绕线匝数介于1-20000。
4.根据权利要求1所述的电磁传感器的金属膜厚测量装置，其特征在于，绕线的直径在0.001mm-10mm之间。
5.一种采用权利要求1所述的测量装置测量金属膜厚的方法，包括下列步骤：
(1)在不存在待测金属膜的情况下对电磁传感器的激励线圈通以不同频率的激励电流，对每个频率，采集两个接收线圈的感应电压值，并根据电感虚部模值
得到不存在待测金属膜的情况下，各个频率所对应的电感虚部模值序列{K0}，式中，代表取Im
模值，
代表取
的虚部，w为激励信号的频率，j为虚数单位，阻抗
I为激励电流值，U为感应电压值；
(2)将电磁传感器置于靠近被测金属膜的位置，使线圈与被测金属膜平行，用同样的方法测得被测金属膜存在的情况下各个频率所对应的电感虚部模值序列{K1}；
(3)根据步骤(1)和(2)采集的数据，将存在被测金属膜和不存在被测金属膜两种情况测得的同频率下的电感虚部模值求差，并找到该差值随频率而变化的峰值；
(4)找到该峰值所对应的激励电流的频率wp，并根据c×wp＝常数，得到待测金属膜厚c，该常数通过实验或仿真得到。
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