CN105333962B - 一种修正双波段测温误差的温度测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种修正双波段测温误差的温度测量方法及系统，在校正阶段通过双波段测温的测温仪测算一个基准物体在两个不同波长下的辐射能量和温度，通过拟合求取表示发射率比值的对数与之间关系的方程式；在测量阶段，通过双波段测温的测温仪测算一个被测物体在两个波长下对应的辐射能量和温度，并根据算出的数值和校正阶段求得的方程式，计算被测物体的实际温度。由于的数值是基于辐射能量的比值来计算的，不受测量路径上干扰介质的影响，因此本发明可以有效修正双波段测温误差，温度测量结果更准确。

Description

一种修正双波段测温误差的温度测量方法及系统

技术领域

本发明涉及温度测量领域，特别涉及一种修正双波段测温误差的温度测量方法及系统。

背景技术

基于普朗克(Plank)原理的非接触式辐射测温方法，通过对物体自身辐射能量的测量来确定物体的表面温度。物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、表面状态等因素有关，一般用发射率或光谱发射率来表征物体的红外辐射特性。实际物体的发射率会随温度变化而变化。如图1所示，被测物体1的辐射能量透过石英视窗2进入红外辐射测温仪，通过光学单元3聚焦到探测器4中形成相应的电信号，按照发射率校正信号后得到被测物体的温度。然而，在红外辐射测温仪与被测物体1之间的测量路径上存在的任何干扰介质5，如烟雾、蒸汽、粉尘、不干净的视窗、机械障碍、测温仪偏离视窗透光孔中心时形成阴影将探测器的一部分遮挡等原因，都可能导致探测器4接收到的辐射能量衰减，影响物体温度测量的准确性。

现有一种基于双波段测温方法(亦称双色测温、比色测温等)中，在测温仪的光学单元中将被测物体的辐射能量分成两路光束后，通过对应两个不同波段的波长(一般是不同的两个红外波长)的滤光片分别滤波后，聚焦到探测器中来计算被测物体在这两个波长下的辐射能量及其比值，并计算这两个波长下温度之间的关系。

如图2所示是现有一种双波段测温方法的流程图。探测器求得被测物体在这两个波长下的辐射能量及其比值，及这两个波长下的温度关系，通过以下公式2来确定被测物体的实际温度，可以不必知晓公式1中物体发射率的具体数值。

其中，c₁为第一辐射系数c₁＝3.7418×10^-16W·m²；c₂为第二辐射系数c₂＝1.4388×10^-2m·K。当被测物体真实的温度为T时，其在第一波长λ₁时的温度为T₁，发射率为ε₁，辐射能量为P₁；其在第二波长λ₂时的温度为T₂，发射率为ε₂，辐射能量为P₂。

设上述公式1和公式2中的第一部分为1/T_dual，设算式中其余为第二部分。

即，

对于第二部分的计算，已知相关参数有如下的关系：

当预先通过大量已知的数据拟合得到ε₁/ε₂与之间的函数关系y时，探测器根据两次采集到的温度数据计算其倒数的差值，根据公式5及函数关系y推导出ln(ε₁/ε₂)的结果，将其与公式3中第一部分1/T_dual的计算结果一起代入公式1，从而确定被测物体的温度T。

在有干扰介质影响时，辐射能量P₁、P₂会同步减弱，因此公式3所示基于比值P₁/P₂计算的结果不会受到干扰介质的影响。然而，由于发射率ε₁、ε₂随物体温度变化会有很大区别，因而当测量路径上有干扰介质时，公式2中第二部分的运算结果与公式1中第二部分的实际结果会有很大误差，以公式2来推导公式1将导致温度测试的结果不准确。一般说来，为了提高双波长测温的精度，关键是选择合适的波长，使两个波长处的发射率相近，ε₁、ε₂相差越小，基于公式2中第二部分的测量误差就越小。

图3示出辐射强度衰减与测量误差的关系。可知同一个物体的辐射强度衰减越多，其测量误差ΔT(即实际温度与通过上述方法测得的温度的差值)越大。另外，被测物体的实际温度越高，测量误差也越大：例如，实际温度在765℃的物体，在辐射强度减少10％时的测量误差ΔT约为13℃；而实际温度在1080℃的物体，在辐射强度减少10％时的测量误差ΔT约为20℃。

以半导体领域为例，在基板上制作半导体器件时需要极为精确的温度控制。根据错误的温度测量数值，温度控制系统会误认为被测物体(基板或基板的托盘等)出现温度波动，从而驱使加热或冷却装置进行温度调节；若温度调节偏离了制造工艺所需的要求，会导致产品质量和生产效率降低，甚至会导致产品报废，机台损坏的严重后果。

发明内容

本发明的目的是提供一种更为精确的温度测量方法及系统，来克服现有双波段测温方法中因干扰介质等原因产生测量误差的问题。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种修正双波段测温误差的温度测量方法，其包含：

在校正阶段，

A1、通过双波段测温的测温仪Hs，来测算一个基准物体在两个不同波长λ₁、λ₂下对应的辐射能量P_1s、P_2s及比值P_1s/P_2s；

A2、利用发射率检测装置检测获得基准物体表面在波长λ₁、λ₂下对应的发射率数值ε_1s、ε_2s，并计算获得ln(ε_1s/ε_2s)；或者，利用基准测温仪Ws获得基准物体的实际温度T_Ws计算获得ln(ε_1s/ε_2s)；

A3、根据所述比值P_1s/P_2s计算获得基准物体的双波长温度测量值T_dual-s：

A4、对基准物体进行多次A1-A3步骤的测量，并获得多个包括T_dual-s与相应温度下的ln(ε_1s/ε_2s)数值的数据组，得到表示ln(ε_1s/ε_2s)与1/T_dual-s之间关系的方程式；

在测量阶段，

B1、通过双波段测温的测温仪Hs，来测算一个被测物体在两个波长λ₁、λ₂下对应的辐射能量P₁、P₂及比值P₁/P₂；

B2、根据所述比值P_1s/P_2s计算获得被测物体的双波长温度测量值T_dual：

B3、将所述双波长温度测量值T_dual代入校正阶段求得的方程式计算得到f(T_dual)，并计算获得双波长温度修正值，根据所述双波长温度测量值T_dual和所述双波长温度修正值计算被测物体的实际温度T：

可选地，在校正阶段的A2中，测量得到基准物体发射率ε_1s、ε_2s的过程，包含以波长为λ₁、λ₂的光线作为基准参考光源入射到基准物体表面，分别测量从基准物体表面反射的辐射值并计算反射率，以1减去该反射率得到相应的发射率ε_1s、ε_2s，进而计算ln(ε_1s/ε_2s)的数值。

可选地，在校正阶段的A2中，测量得到基准物体的实际温度T_Ws后，利用算式4或其等价形式来计算ln(ε_1s/ε_2s)的数值；

其中，T_1s、T_2s是基准物体在两个波长λ₁、λ₂下对应的温度，通过在算式5中代入基准物体的辐射能量P_1s、P_2s来求取：

其中，c₁为第一辐射系数，c₂为第二辐射系数。

可选地，对基准物体进行多次测量，在校正阶段的步骤A4中，以横坐标ln(ε_1s/ε_2s)、纵坐标1/T_dual-s，或者以横坐标T_dual-s、纵坐标1/T_Ws-1/T_dual-s，绘制每次测量时得到的数据点；对数据点进行直线拟合，得到表示ln(ε_1s/ε_2s)与1/T_dual-s之间线性关系的方程式。

可选地，所述被测物体是在MOCVD设备中正在进行处理的基片，所述基准物体是与正在进行处理的基片具有相同材质及表面状态的测试基片。

本发明的另一个技术方案是提供一种修正双波段测温误差的温度测量系统，其中包含：

一个双波段测温的测温仪Hs，其光学单元将采集的基准物体或被测物体的辐射能量在分光及滤波后得到两路波长为λ₁、λ₂的光束，发送至探测器进行信号处理；

所述探测器，进一步包含：

辐射能量测算环节，分别对基准物体或被测物体在两波长λ₁、λ₂下对应的辐射能量及比值进行测算；

温度测算环节，根据基准物体或被测物体的辐射能量，相应计算基准物体或被测物体各自在两波长λ₁、λ₂下对应的温度；

发射率测算环节，计算基准物体与两波长λ₁、λ₂下的温度所对应发射率的比值的对数值；

第一运算环节，在算式2的P₁、P₂中代入基准物体的辐射能量并计算对应结果，或在算式2的P₁、P₂中代入被测物体的辐射能量并计算对应结果：

其中，c₂为第二辐射系数；

方程拟合环节，根据对基准物体多次测量后绘制的数据点，通过拟合得到表示第一参数和第二参数之间关系的方程式f(T_dual)：第一参数是基准物体发射率比值的对数值；第二参数是基准物体实际温度的倒数值与算式2中代入基准物体辐射能量后计算结果的差值；

综合计算环节，将算式2中代入被测物体的辐射能量求得的结果，再代入表示第一参数、第二参数之间关系的方程式计算得到f(T_dual)，之后以算式3计算被测物体的实际温度T；

可选地，还包含一个基准参考光源，提供入射到基准物体表面的波长为λ₁、λ₂的光线；和一个接收由基准物体表面反射的辐射值并计算反射率的测算单元，通过与测温仪Hs的发射率测算环节配合来获得基准物体的发射率，进而计算发射率比值的对数值。

可选地，还包含一个基准测温仪Ws，用来直接精确地测量一个基准物体的实际温度T_Ws；所述测温仪Hs的发射率测算环节，根据基准物体的实际温度T_Ws，计算基准物体与两波长λ₁、λ₂下的温度所对应的发射率比值的对数。

可选地，所述被测物体是在MOCVD设备中正在进行处理的基片，所述基准物体是与正在进行处理的基片具有相同材质及表面状态的测试基片。

与现有技术相比，本发明提供的温度测量方法及系统，其优点在于：

本发明中通过测量实际温度已知的基准物体，来求取表示物体发射率与T_dual之间的函数关系式，例如是发射率比值的对数ln(ε₁/ε₂)与1/T_dual数值之间的线性方程，进而通过仅仅涉及变量T_dual的关系式来计算被测物体的实际温度。由于T_dual的数值是基于辐射能量的比值来计算的，即使在测量路径上有干扰介质，两个波长下测得的辐射能量也会同步衰减，而不影响该T_dual的计算结果，因此本发明可以有效修正双波段测温误差，得到更为准确的物体实际温度测量值。

附图说明

图1是现有红外辐射测温仪的结构示意图；

图2是现有双波段测温方法的流程示意图；

图3是使用现有双波段测温方法时辐射强度衰减与测量误差的关系图；

图4是本发明所述修正双波段测温误差的温度测量方法的流程示意图；

图5是本发明中修正双波段测温误差的温度测量系统的示意图；

图6、图7是本发明中校正阶段求取线性方程的两个示例。

具体实施方式

本发明中基于双波段测温原理进行温度测量，涉及以下公式：

其中，c₁为第一辐射系数c₁＝3.7418×10^-16W·m²；c₂为第二辐射系数c₂＝1.4388×10^-2m·K。实际温度为T的物体，其在第一波长λ₁时的温度为T₁，发射率为ε₁，辐射能量为P₁；其在第二波长λ₂时的温度为T₂，发射率为ε₂，辐射能量为P₂。

根据公式7可推导出：

设公式11中的第一部分为：

其等价形式有：

则，公式11的等价形式有：

上式可变换得到：

可知，ln(ε₁/ε₂)与1/T_dual为线性关系。为了方便描述，将T_dual称为双波长温度测量值，将求取方程式f(T_dual)得到的结果称为双波长温度修正值。

如图4所示，本发明的温度测量方法，包含校正阶段和测量阶段。在校正阶段，包含以下步骤：

A1、通过双波段测温的测温仪Hs，来采集基准物体在两个不同波长λ₁、λ₂下的辐射能量，记为P_1s、P_2s，并计算其比值P_1s/P_2s；所述基准物体是由与被测物体具有类似特性的材料或者与被测物体相同的材料制成。

根据公式8可计算基准物体在这两个波长λ₁、λ₂下的温度T_1s、T_2s；

A2、获取基准物体在温度T_1s、T_2s时的发射率ε_1s、ε_2s的比值的对数，即ln(ε_1s/ε_2s)的数值；具体可以通过以下方式实现：

其一是利用一个发射率检测装置，该发射率监测装置以一个基准参考光源入射到基准物体表面，测量从基准物体表面反射的辐射值并计算反射率，以1减去该反射率得到发射率ε；发射率检测装置分别使用波长为λ₁、λ₂的光线，测得对应这些波长时的基准物体的发射率作为ε_1s、ε_2s，并计算ln(ε_1s/ε_2s)的数值；

其二是由热电偶、或以接触法、或使用其他更高精度的温度测量装置或方法，测量得到基准物体当前的实际温度T_s后，利用公式9或其等价形式来计算ln(ε_1s/ε_2s)的数值；

A3、根据公式12计算公式11中的第一部分的数值，即基准物体的双波长温度测量值的倒数，记为1/T_dual-s；

A4、提供足够多的实验数据，以直线拟合等拟合方式得到公式15形式的f(T_dual-s)的线性方程。

本发明在测量阶段，进一步包含以下步骤：

B1、通过双波段测温的测温仪Hs，采集被测物体在两个不同波长λ₁、λ₂下的辐射能量P₁、P₂并计算其比值P₁/P₂；

根据公式8可计算被测物体在这两个波长λ₁、λ₂下的温度T₁、T₂；

B2、根据公式12计算公式11中的第一部分的数值，即被测物体的双波长温度测量值的倒数1/T_dual；

B3、将T_dual代入校正阶段获得的方程计算得到f(T_dual)，并计算被测物体的实际温度T：

本发明基于上述方法提供一种温度测量系统，其中设置一个双波段测温的测温仪Hs。该测温仪Hs的光学单元能够将被测物体或基准物体的辐射能量分光后形成两路光束后分别进行滤波，再分别聚焦至探测器中求取相应物体在这两个波长下的辐射能量及其比值，和这两个波长下的温度关系。

图5中提供了测温仪Hs的一种示例结构，光学部分中包含聚光、分光用的若干透镜，向探测器提供滤波后波长为λ₁、λ₂的光束的两个滤光片。

所述测温仪Hs中，进一步包含以下的信号处理单元：

辐射能量测算环节，分别对步骤A1中基准物体或步骤B1中被测物体，在两波长下的辐射能量及比值进行测算；

温度测算环节，分别对步骤A1中基准物体或步骤B1中被测物体，在两波长下的温度关系进行测算；

发射率测算环节，对步骤A2中基准物体的发射率或发射率比值的对数进行测算；

第一运算环节，分别对步骤A3中基准物体或步骤B2中被测物体中不受干扰介质影响的第一部分1/T_dual-s、1/T_dual进行计算；

方程拟合环节，在步骤A4中根据基准物体的实验数据点，以直线拟合方式得到能体现ln(ε₁/ε₂)与1/T_dual线性关系的方程式；

综合计算环节，在步骤B3中，根据步骤B2得到的数值及步骤A4中得到的线性方程，计算被测物体的实际温度T。

对应上述校正阶段步骤A2的不同实现方式，在本发明的温度测量系统的一个示例中，可以进一步包含：基准参考光源，提供入射到基准物体表面的波长为λ₁、λ₂的光线；和接收反射的辐射值并计算反射率的测算单元。这些设备可以是测温仪Hs内置的一部分，或者是其他外接的设备。通过与测温仪Hs的发射率测算环节配合来计算基准物体的发射率或发射率比值的对数值。

或者，在本发明的温度测量系统的另一个示例中，还可以包含一个基准测温仪Ws，用来直接精确地测量基准物体的实际温度。配合测温仪Hs的发射率测算环节来计算基准物体的发射率比值的对数值。

本发明的主要应用场合是热化学气相沉积(thermal CVD)特别是MOCVD设备，被测物体是MOCVD设备中正在进行工艺处理的基片；基准物体可以是测试用的基片，具有与处理中的基片相同的材质、表面状态等，例如测试基片是在校正阶段之前通过MOCVD设备进行了与被测物体基本相同的工艺处理。由于MOCVD设备中为了提高温度和反应气体分布的均匀性，处理中的基片由其支撑基座带动做高速旋转，通常为600转/分，所以双波段测温的测温仪Hs不仅要测量两个波长还需要快速的取样计算能力，否则实际测得的温度是下方对应环状区域上的平均温度，检测速度越快则实际测得的温度区域越小，测温就越精确。而在校正阶段由于不是正式加工阶段，不需要考虑均一性，可以降低基片转速甚至不转，所以对基准测温仪Ws的主要要求是高精度，而不是快速检测所以可以获得更高精度的温度用于校正，在校正完成获得f(T_dual)函数后可以拆下基准测温仪Ws，用于其它需要校正的反应机台，所以能低成本的实现高精度温度测量。

如图6所示的一个示例，在校正阶段的步骤A4中，对基准物体测试足够多的次数，并绘制相应的数据点，横坐标为T_dual-s，纵坐标为1/T-1/T_dual-s；此处T代入的是预先通过基准测温仪Ws精确测得的基准物体的实际温度T_Ws，得到f(T_dual-s)＝-1.12×10^-7×T_dual-s+0.000147。

则在测量阶段的步骤B3中，将步骤B2中得到的1/T_dual及T_dual的数值，代入以下公式，来计算被测物体的实际温度：

如图7所示的另一个示例中，则是以横坐标T_dual-s，纵坐标ln(ε₁/ε₂)，绘制基准物体的大量实验数据点，得到ln(ε₁/ε₂)＝9×10^-5×T_dual-s+0.1613。

则在测量阶段的步骤B3中，将步骤B2中得到的1/T_dual及T_dual的数值，代入以下公式，来计算被测物体的实际温度：

由于T_dual的数值是基于辐射能量的比值来计算，即使在测量路径上有干扰介质，两个波长下测得的辐射能量也会同步衰减，而不影响该T_dual的计算结果，因此本发明中通过公式16来计算物体的实际温度时更为准确。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种修正双波段测温误差的温度测量方法，其特征在于，包含：

在校正阶段，

A1、通过双波段测温的测温仪Hs，来测算一个基准物体在两个不同波长λ₁、λ₂下对应的辐射能量P_1s、P_2s及比值P_1s/P_2s；

A2、利用发射率检测装置检测获得基准物体表面在波长λ₁、λ₂下对应的发射率数值ε_1s、ε_2s，并计算获得ln(ε_1s/ε_2s)；或者，利用基准测温仪Ws获得基准物体的实际温度T_Ws计算获得ln(ε_1s/ε_2s)；

A3、根据所述比值P_1s/P_2s计算获得基准物体的双波长温度测量值T_dual-s：

A4、对基准物体进行多次A1-A3步骤的测量，并获得多个包括T_dual-s与相应温度下的ln(ε_1s/ε_2s)数值的数据组，得到表示ln(ε_1s/ε_2s)与1/T_dual-s之间关系的方程式；

在测量阶段，

B1、通过双波段测温的测温仪Hs，来测算一个被测物体在两个波长λ₁、λ₂下对应的辐射能量P₁、P₂及比值P₁/P₂；

B2、根据所述比值P_1s/P_2s计算获得被测物体的双波长温度测量值T_dual：

B3、将所述双波长温度测量值T_dual代入校正阶段求得的方程式计算得到f(T_dual)，并计算获得双波长温度修正值，根据所述双波长温度测量值T_dual和所述双波长温度修正值计算被测物体的实际温度T：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在校正阶段的A2中，测量得到基准物体发射率ε_1s、ε_2s的过程，包含以波长为λ₁、λ₂的光线作为基准参考光源入射到基准物体表面，分别测量从基准物体表面反射的辐射值并计算反射率，以1减去该反射率得到相应的发射率ε_1s、ε_2s，进而计算ln(ε_1s/ε_2s)的数值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在校正阶段的A2中，测量得到基准物体的实际温度T_Ws后，利用算式4或其等价形式来计算ln(ε_1s/ε_2s)的数值；

其中，T_1s、T_2s是基准物体在两个波长λ₁、λ₂下对应的温度，通过在算式5中代入基准物体的辐射能量P_1s、P_2s来求取：

其中，c₁为第一辐射系数，c₂为第二辐射系数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

对基准物体进行多次测量，在校正阶段的步骤A4中，以横坐标ln(ε_1s/ε_2s)、纵坐标1/T_dual-s，或者以横坐标T_dual-s、纵坐标1/T_Ws-1/T_dual-s，绘制每次测量时得到的数据点；对数据点进行直线拟合，得到表示ln(ε_1s/ε_2s)与1/T_dual-s之间线性关系的方程式。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述被测物体是在MOCVD设备中正在进行处理的基片，所述基准物体是与正在进行处理的基片具有相同材质及表面状态的测试基片。

6.一种修正双波段测温误差的温度测量系统，其特征在于，包含：

一个双波段测温的测温仪Hs，其光学单元将采集的基准物体或被测物体的辐射能量在分光及滤波后得到两路波长为λ₁、λ₂的光束，发送至探测器进行信号处理；

所述探测器，进一步包含：

辐射能量测算环节，分别对基准物体或被测物体在两波长λ₁、λ₂下对应的辐射能量及比值进行测算；

温度测算环节，根据基准物体或被测物体的辐射能量，相应计算基准物体或被测物体各自在两波长λ₁、λ₂下对应的温度；

发射率测算环节，计算基准物体与两波长λ₁、λ₂下的温度所对应发射率的比值的对数值；

第一运算环节，在算式2的P₁、P₂中代入基准物体的辐射能量并计算对应结果，或在算式2的P₁、P₂中代入被测物体的辐射能量并计算对应结果：

其中，c₂为第二辐射系数；

方程拟合环节，根据对基准物体多次测量后绘制的数据点，通过拟合得到表示第一参数和第二参数之间关系的方程式：第一参数是基准物体发射率比值的对数值；第二参数是基准物体实际温度的倒数值与算式2中代入基准物体辐射能量后计算结果的差值；

综合计算环节，将算式2中代入被测物体的辐射能量求得的结果，再代入表示第一参数、第二参数之间关系的方程式计算得到f(T_dual)，之后以算式3计算被测物体的实际温度T；

7.如权利要求6所述的温度测量系统，其特征在于，

还包含一个基准参考光源，提供入射到基准物体表面的波长为λ₁、λ₂的光线；和一个接收由基准物体表面反射的辐射值并计算反射率的测算单元，通过与测温仪Hs的发射率测算环节配合来获得基准物体的发射率，进而计算发射率比值的对数值。

8.如权利要求6所述的温度测量系统，其特征在于，

还包含一个基准测温仪Ws，用来直接精确地测量一个基准物体的实际温度T_Ws；所述测温仪Hs的发射率测算环节，根据基准物体的实际温度T_Ws，计算基准物体与两波长λ₁、λ₂下的温度所对应的发射率比值的对数。

9.如权利要求6所述的温度测量系统，其特征在于，

所述被测物体是在MOCVD设备中正在进行处理的基片，所述基准物体是与正在进行处理的基片具有相同材质及表面状态的测试基片。