CN106093581A - 导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法 - Google Patents

Abstract

一种导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法，提高测量速度，减少测量误差。先选取多个Rs值已知且Rs值相异的标样片，使得目标样品的Rs估算值落在各标样片的Rs值之间，再利用电涡流探头测出各标样片的提离曲线，然后再根据各标样片的提离曲线，在三维空间中拟合出一个标样提离曲面，然后再利用电涡流探头测量目标样品，并将目标样品的测量值代入标样提离曲面的曲面方程，通过标样提离曲面的曲面方程计算出目标样品的Rs值。本发明提供的方法，特别适用于测量导电薄膜的方块电阻。

Description

导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法

技术领域

本发明涉及电学领域，尤其涉及导电薄膜的方块电阻测量技术，特别涉及一种导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法。

背景技术

现代工业对导电薄膜的膜厚、电阻率等特性的精确控制要求越来越高。导电薄膜的方块电阻能同时反映导电薄膜的膜厚和电阻率的特性。因而，导电薄膜的方块电阻测量被工业界广泛使用，现有的导电薄膜方块电阻测量中，涡电流法具有无损，及测量迅速的优点，其应用日益广泛。

传统的涡电流法测量系统主要由探头、交流电流源、电学信号检测装置构成，其中的探头由一个线圈组成或由多个线圈组成，电学信号检测装置用于测量探头的交流阻抗变化。当探头结构固定，探头阻抗(电阻和电感值)由探头和样品之间的几何关系(探头到样品之间距离)以及被测样品的方块电阻大小决定。一旦探头样品距离发生变化，提离效应(lift-off)会使得测量信号发生变化，从而产生误差。在实际测量中为了实现高精度测量，往往要求探头到样品之间的距离固定或者通过精确测量获得。比如专利号为4849694的美国专利公开了一种在距离固定的条件下通过电涡流探头信号来测量薄膜电阻率或者厚度的方法，又如专利号为4302721的美国专利公开了一种采用复杂的声波测量技术来测定探头和样品之间的实际距离的方法。在实际使用中，以上这些办法或者因为条件不允许而不可实施，或者因为结构复杂而不具有经济性。

还有一些专利提出了克服提离效应的方法。比如专利号为5552704的美国专利公开了采用复杂的标样方法来避免提离效应。该专利的技术方案的重点是对一系列不同Rs(方块电阻)值的标样进行测量，记录下AC信号的同相分量(in-phase component)和正交分量(quadrature component)的提离曲线。通过定义和将标样的提离曲线在R-θ平面中画出。通过将被测样品的提离曲线与标样提离曲线在R-θ平面内进行比对，从而得到被测样品的Rs值。该方法的缺点是由于人为引入了一些中间定义，使得该方法在实际使用中具有一定的不确定性。

还有一些专利提出了避免提离效应带来的测量误差的方法，比如专利号为6407546的美国专利公开了利用精确的相对高度变化下测量的阻抗值来弥补对于绝对距离的不确定性。但是该方法需要在两个高度进行测量，所以其测量速度和应用场合受到了限制。

还有一些专利提出了利用频率扫描来减少提离误差的方法，这种方法的原理是不同Rs值的样品具有不同的电感-频率曲线拐点，通过与标样拐点频率的比对，试样方块电阻可以被确定。这种方法的缺点是对设备的要求比较高，测试时间较长。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种测量速度快，并且能避免测量高度变化所引起的测量误差的导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)估算目标样品的Rs值，并根据目标样品的Rs估算值，选取多个Rs值已知且Rs值相异的标样片，使得目标样品的Rs估算值落在各标样片的Rs值之间，Rs值是指方块电阻值；

2)利用电涡流探头，采用将电涡流探头逐渐靠近标样片的方式，或采用将电涡流探头逐渐远离标样片的方式，测量每个标样片在不同的提离高度下的X分量、Y分量；

3)建立一个三维坐标系，该三维坐标系中的X轴代表X分量，该三维坐标系中的Y轴代表Y分量，该三维坐标系中的Z轴代表Rs值；

根据各标样片的Rs值，及各标样片在不同的提离高度下的X分量、Y分量，在三维坐标系中绘制出各标样片的提离曲线；

4)在三维坐标系中，采用三维空间曲面拟合方法对各标样片的提离曲线进行曲面拟合，从而拟合出一个标样提离曲面；

5)利用电涡流探头测量目标样品的X分量、Y分量，并将测得的目标样品的X分量、Y分量代入标样提离曲面的曲面方程，通过标样提离曲面的曲面方程计算出目标样品的Rs值。

本发明提供的导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法，具有对测量高度变化不敏感的特点，因此在测量时不需要控制探头到样品的绝对距离，可以实现样品相对于探头平面做连续运动时的连续测量，大大缩短了测量时间，具有测量速度快的特点，并且能避免测量高度变化所引起的测量误差。

附图说明

图1是本发明实施例的导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法的测量流程图；

图2是本发明实施例的导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法中，各标样片在三维坐标系中的提离曲线的示意图，图2中的曲线L1、L2、L3、L4、L5为各标样片的提离曲线；

图3是本发明实施例的导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法中，在三维坐标系中拟合出标样提离曲面的示意图，图3中的曲面M1为标样提离曲面；

图4是双线圈式电涡流探头的基本电路；

图5是典型的提离曲线的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系。

如图1-图3所示，本发明实施例所提供的一种导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)估算目标样品(即待测的导电薄膜)的Rs值，并根据目标样品的Rs估算值，选取多个Rs值已知且Rs值相异的标样片，使得目标样品的Rs估算值落在各标样片的Rs值之间，即目标样品的Rs估算值大于各标样片的最小Rs值，并且小于各标样片的最大Rs值，Rs值是指方块电阻值；

2)利用电涡流探头，采用将电涡流探头逐渐靠近标样片的方式，或采用将电涡流探头逐渐远离标样片的方式，测量每个标样片在不同的提离高度下的X分量、Y分量；

如果电涡流探头采用的是单线圈式电涡流探头，则电涡流探头所测得的X分量为电阻分量，电涡流探头所测得的Y分量为电抗分量；

如果电涡流探头采用的是双线圈式电涡流探头，则电涡流探头所测得的X分量为同相分量，电涡流探头所测得的Y分量为正交分量；

3)建立一个三维坐标系，该三维坐标系中的X轴代表X分量，该三维坐标系中的Y轴代表Y分量，该三维坐标系中的Z轴代表Rs值；

根据各标样片的Rs值，及各标样片在不同的提离高度下的X分量、Y分量，在三维坐标系中绘制出各标样片的提离曲线(参见图2中的曲线L1、L2、L3、L4、L5)；

4)在三维坐标系中，采用三维空间曲面拟合方法对各标样片的提离曲线进行曲面拟合，从而拟合出一个标样提离曲面(参见图3中的曲面M1)；

5)利用电涡流探头测量目标样品的X分量、Y分量，并将测得的目标样品的X分量、Y分量代入标样提离曲面的曲面方程，通过标样提离曲面的曲面方程计算出目标样品的Rs值。

本发明实施例的测量原理如下：

以双线圈式电涡流探头为例，双线圈式电涡流探头的基本电路如图4所示，图4中的器件Z0为电阻或电感，探测线圈A1和参考线圈A2的电学性能一致，探测线圈A1、参考线圈A2与两个器件Z0构成桥式电路物两臂，采用双线圈式电涡流探头进行测量时，测量时目标样品U0从探测线圈A1一侧靠近探头，而参考线圈A2总是远离样品，交流电源频率由目标样品的Rs值和探头设计决定；当探测线圈A1远离目标样品时，桥式电路两臂上的总的阻抗总是相等，从而没有净电流通过，电压表上没有电压信号，当探测线圈A1靠近目标样品时，其阻抗由于提离效应发生变化，而参考线圈A2由于远离目标样品，其阻抗不变，从而使得桥式电路失去平衡，这时电压表可以探测到一个交流电压输出信号，通过与驱动电流做比较，将输出电压信号分解为和输入电流相位一致的同相分量，以及和输入电流相位差π/2的正交分量。

图5是典型的提离曲线的曲线图，从图5可以看出，在探头逐渐接近目标样品的过程中，不管提离高度是多少，对于Rs值固定的样品，其X分量(同相分量)、Y分量(正交分量)总是落在一根固定的提离曲线上。

三维空间曲面拟合方法及通过标样提离曲面的曲面方程计算出目标样品的Rs值的方法均为现有技术；比如，可以通过最小二乘法在已知提离曲面的情况下，通过目标样品的X分量、Y分量计算出目标样品的Rs值。

Claims (1)

1.一种导电薄膜方块电阻的电涡流测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）估算目标样品的Rs值，并根据目标样品的Rs估算值，选取两个以上数目的Rs值已知且Rs值相异的标样片，使得目标样品的Rs估算值落在各标样片的Rs值之间，Rs值是指方块电阻值；

2）利用电涡流探头，采用将电涡流探头逐渐靠近标样片的方式，或采用将电涡流探头逐渐远离标样片的方式，测量每个标样片在不同的提离高度下的X分量、Y分量；

3）建立一个三维坐标系，该三维坐标系中的X轴代表X分量，该三维坐标系中的Y轴代表Y分量，该三维坐标系中的Z轴代表Rs值；

根据各标样片的Rs值，及各标样片在不同的提离高度下的X分量、Y分量，在三维坐标系中绘制出各标样片的提离曲线；

4）在三维坐标系中，采用三维空间曲面拟合方法对各标样片的提离曲线进行曲面拟合，从而拟合出一个标样提离曲面；

5）利用电涡流探头测量目标样品的X分量、Y分量，并将测得的目标样品的X分量、Y分量代入标样提离曲面的曲面方程，通过标样提离曲面的曲面方程计算出目标样品的Rs值。