CN111238631A - 一种三轴微振实时在线测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三轴微振实时在线测量系统，包括：测量部分(10)、采集处理部分(20)和显示操作部分(30)，测量部分(10)由三个加速度传感器和一个测量底座(14)组成；三个加速度传感器中的两个分别位于测量底座(14)突出部分的两侧，第三个位于测量底座(14)上表面。本发明同时提供一种使用上述在线测量系统实现的测量方法，三个加速度传感器分别用来测量南北轴方向、东西轴方向和垂直轴方向的振动，测量底座置于需要进行微振动测试的设备平台表面，三个加速度传感器产生的三路电压信号分别对应于测量底座的三个方向微振动响应，微型计算机模块用于分析被测平台的微振动特性，实现长时间在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种X、Y、Z三轴微振实时在线测量系统，可用于对半导体设备厂房素地微振测量及隔振平台的微振动进行三方向同步在线测量。
背景技术
自20世纪90年代起，半导体、光电及通信等行业迅速发展，精密设备的需求快速上升。与此同时，随着精密设备加工与测量精度的不断提高，半导体芯片越做越小，半导体微结构的超精密加工除了要求恒温、恒湿和无尘洁净度的环境之外，若环境的振动不达标，振动将导致精密的生产设备和检测设备无法正常工作。精密加工过程中的环境振动成为影响加工和检测精度的一个重要因素，对于环境振动的检测开始成为精密加工技术研究的重要组成部分。
在半导体微电子厂房设计中，从选址到生产设备安装平台的结构在设计方案过程中皆要考虑环境振动问题，半导体精密电子元器件的制造及生产环境，如果无法完善解决振动的问题，对于精密生产设备本身的正常运行及产品的良率会造成很大的影响，甚至导致投入巨大的半导体厂房无法量产芯片。因此环境的振动测量和分析成为半导体制造生产行业的必备条件。
针对半导体微电子厂房的素地微振动测量及隔振平台的实时测量需求，微振测量系统将采集到的振动数据进行实时处理及评估，实现对精密生产和检测环境进行实时测量。目前，国内外尚未见有关三轴微振实时在线测量方法及系统的文献报导。
发明内容
因此，鉴于半导体厂房素地和隔振平台的振动测量及分析在半导体生产过程中的重要性，本发明的主要目的是提供一种X、Y、Z三轴微振实时在线测量方法及系统，通过多线程并行技术实现三轴微振同步并行采集，以及三通道数据的并行处理及显示。通过对加速度时域频域的分析得到精密设备运行时外部环境的微振动等级，根据半导体产品制造时间及产品合格率的关系结合测量到的环境振动情况进行对比跟踪分析，可以用来判断环境振动对产品生产合格率的影响。本发明要实现上述技术目的所采用的技术方案是：
一种三轴微振实时在线测量系统，包括：测量部分10、采集处理部分20和显示操作部分30；测量部分10由三个加速度传感器和一个测量底座14组成；三个加速度传感器中的两个分别位于测量底座14突出部分的两侧，第三个位于测量底座14上表面；采集处理部分20包括三通道采集模块21、并行控制传输模块22、后面板23、微型计算机模块24；三通道采集模块21内部包含三个相互独立的通道，每个通道包括依次连接的模拟放大模块、继电器及隔离保护模块和模数转换模块，每个通道与一个加速度传感器相连；并行控制传输模块22包括三个控制模块、存储模块、处理器模块及同步传输模块，能够同时控制三通道采集模块中的三个独立通道进行数据采集转换，完成数据的初步锁存及同步传输；微型计算机模块24采用多线程并行技术，在接收并行控制传输模块22传输数据的同时，完成三通道数据的并行计算处理及存储；显示操作部分30包含系统控制面板31、系统状态面板32、振动数据显示33、参数设置面板34、振动时域显示面板35和振动频域显示面板36，在提供人机交互界面操作的同时，实时显示振动采集结果和微型计算机模块24的计算结果。
优选地，所述测量底座14由无拼接一体化的不锈钢制成，并且外部包有防静电喷涂的不锈钢外壳，所述三个加速度传感器均通过不锈钢螺钉与测量底座14刚性连接。
所述采集处理部分20的框架采用铝合金材质，并且外部包有防静电喷涂的不锈钢外壳。
后面板23包括三通道采集模块21的三个外部接口，每个加速度传感器各通过一个外部接口连接到三通道采集模块21的一个通道。
所述测量部分10通过屏蔽电缆与三通道采集模块21相连，三通道采集模块21与并行控制传输模块22相连，并行控制传输模块22与微型计算机模块24相连，微型计算机模块24与显示操作部分30相连。
本发明同时提供一种使用所述的在线测量系统实现的测量方法，其特征在于，三个加速度传感器分别用来测量南北轴方向、东西轴方向和垂直轴方向的振动，测量底座置于需要进行微振动测试的设备平台表面，三个加速度传感器产生的三路电压信号分别对应于测量底座的三个方向微振动响应，三路电压信号通过三通道采集模块转化为三路数字化的加速度信号，再通过以太网通信将数字信号实时同步传输到微型计算机模块，微型计算机模块用于分析被测平台的微振动特性，实现长时间在线测量；
进一步地，其特征在于，微型计算机模块通过对加速度时域频域的分析得到所述设备运行时外部环境的微振动等级，根据半导体产品制造时间及产品合格率的关系结合测量到的环境振动情况进行对比跟踪分析，从而判断环境振动对产品生产合格率的影响。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明采用多通道独立同步采集技术及多线程并行技术，有效地保证了X、Y、Z三轴的微振动的同步采集及实时处理显示，可以实时计算并显示X、Y、Z三轴的微振动等级，实现微振动情况的实时准确评估。
2.本发明应用的是压电型加速度传感器，可以有效克服加速度传感器及位移传感器在低频区域准确度较低的问题。
3.本发明采用模拟与数字部分电路彼此独立供电的电源设计，在保证模拟部分电压稳定的同时，实现了长时间在线稳定测量。
4.本发明测量部分、采集处理部分和显示操作部分外部均包有防静电喷涂的不锈钢外壳，满足洁净室对仪器设备外壳要求。
附图说明
图1为本发明实施例1的系统结构示意图；
图2为本发明实施例1中的三通道采集模块与并行控制传输模块示意图；
图3为本发明实施例1中的后面板示意图。
图4为本发明实施例1中的显示操作模块示意图
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，一种X、Y、Z三轴微振实时在线测量系统包括测量部分10、采集处理部分20和显示操作部分30；测量部分10由三个高精度加速度传感器11、12及13和一个测量底座14组成；三个高精度加速度传感器中12和13分别位于测量底座14突出部分的两侧，高精度加速度传感器11位于测量底座14上表面；采集处理部分20由三通道采集模块21、并行控制传输模块22、后面板23、微型计算机模块24、降压模块25、高精度线性电源模块26和直流电源模块27；三通道采集模块21内部包含三个相互独立的通道，每个通道由模拟放大模块、继电器及隔离保护模块和模数转换模块构成；并行控制传输模块22包括三个控制模块、存储模块、处理器模块及同步传输模块，能够同时控制三通道采集模块中的三个独立通道进行数据采集转换，还可以完成数据的初步锁存及同步传输；后面板23包括三通道采集模块21的三个外部接口、两个USB3.0接口、一个以太网口和三向电源接口及开关；微型计算机模块24采用多线程并行技术，可以在接收并行控制传输模块22传输数据的同时，完成三通道数据的并行计算处理及存储；降压模块25可将输入的220V电压进行降压处理；高精度线性电源模块26可将交流电转化为纹波噪声极小的直流电为三通道采集模块21提供电源；直流电源模块27可将交流电转化为直流电并供给并行控制传输模块22、微型计算机模块24及显示操作部分30；显示操作部分30包含系统控制面板31、系统状态面板32、振动数据显示33、参数设置面板34、振动时域显示面板35和振动频域显示面板36，在提供人机交互界面操作的同时，会实时显示振动采集结果和微型计算机模块24的计算结果。
在实施例1中测量底座14为一次加工成型的无拼接一体化的不锈钢块，保证了测量底座14各个部分的动力特性基本一致；三个高精度加速度传感器11、12和13均通过不锈钢螺钉与测量底座刚性连接；整个测量部分10外部包有防静电喷涂的不锈钢外壳，降低静电吸附，满足洁净室使用要求。
在实施例1中采集处理部分20的框架采用铝合金材质，并且外部包有防静电喷涂的不锈钢外壳，降低静电吸附，满足洁净室使用要求；三通道采集模块21、并行控制传输模块22、后面板23、微型计算机模块24、降压模块25、高精度线性电源模块26和直流电源模块27均通过螺钉与采集处理部分20的框架连接。
在实施例1中测量部分10通过屏蔽电缆与三通道采集模块21相连，三通道采集模块21通过J30J连接器与并行控制传输模块22相连，并行控制传输模块22通过RS232和RJ45与微型计算机模块24相连，微型计算机模块24通过USB和HDMI与显示操作部分30相连。
图2为信号流示意图，开始测量时，将测量部分10置于需要进行微振动测试的平台表面，当所测平台产生微振动时，会引起与其表面贴合的测量底座产生相应的微振动响应，测量部分三个高精度加速度传感器会产生三路模拟电压信号分别对应于测量底座的三个方向微振动响应；三路模拟电压信号首先进入三通道采集模块21的模拟放大模块211进行信号整形放大，而后进入继电器及隔离保护模块212，用于将模拟放大模块211与模数转换模块213进行分隔，保护电路，最后通过模数转换模块213将三路模拟电压信号转化为三路数字化的加速度信号；模数转换模块213是由并行控制传输模块22中的控制模块221通过SPI双向通讯方式进行并行控制和信号交互，除此之外控制模块会将采集转换完毕的三路数字化的加速度信号存储于存储模块222完成初步锁存；而后处理器模块223通过AXI总线调度存储模块222中的数字化加速度信号，并通过同步传输模块224以高速以太网的通讯方式将数字化加速度信号实时的发送到微型计算机模块24进行具体的计算处理及存储，并将计算评估结果实时的显示于显示操作部分25，以此为基础可以准确分析出被测平台的微振动特性，并实现长期在线测量。
图3为后面板示意图，后面板23通过七个螺钉固定于采集处理部分20的框架上，三个外部接口231、232和233分别对应测量部分10的三个高精度加速度传感器的接口，以太网口235可用于接入洁净室内部信息网络，USB3.0接口236和237可用于连接外部输入设备或与外部设备进行数据拷贝或通信，开关239与三向电源接口2310用于外部电源引入与整体测量系统的开关控制。
图4为本发明实施例1中的显示操作模块示意图，系统控制面板31可用来选择测量模式，可选择固定时间或连续在线测量，除此之外主要用于控制测量系统的开始与停止；系统状态面板32显示测量系统的测量状态以及测量持续时间；振动数据显示33主要根据VC振动标准将微型计算机模块24的计算结果，将当前微振动等级、峰值和对应中心频率进行显示；参数设置面板34包括测量设置、传感器设置和测量参数设置三个部分，测量设置包括固定时间测量的帧数设置以及需要进行监控的微振动等级选取，传感器设置用于设定三个高精度加速度传感器11、12及13对应的灵敏度系数，测量参数设置包括系统采样频率设定、放大倍数及其它测量参数设置；振动时域显示面板35会进行当前微振动的加速度曲线的实时绘制，并根据测量参数设置对应地进行刷新；振动频域显示面板36显示当前振动速度的1/3倍频程均方根值谱，刷新速度与振动时域显示面板35刷新速度一致。
总之，本发明测量系统可以准确地对半导体微电子厂房的素地及隔振平台进行X、Y、Z三轴微振动测量，具有很好的实时性及稳定性，可用于实时在线测量。
Claims (7)
1.一种三轴微振实时在线测量系统，包括：测量部分(10)、采集处理部分(20)和显示操作部分(30)。测量部分(10)由三个加速度传感器和一个测量底座(14)组成；三个加速度传感器中的两个分别位于测量底座(14)突出部分的两侧，第三个位于测量底座(14)上表面；采集处理部分(20)包括三通道采集模块(21)、并行控制传输模块(22)、后面板(23)、微型计算机模块(24)；三通道采集模块(21)内部包含三个相互独立的通道，每个通道包括依次连接的模拟放大模块、继电器及隔离保护模块和模数转换模块，每个通道与一个加速度传感器相连；并行控制传输模块(22)包括三个控制模块、存储模块、处理器模块及同步传输模块，能够同时控制三通道采集模块中的三个独立通道进行数据采集转换，完成数据的初步锁存及同步传输；微型计算机模块(24)采用多线程并行技术，在接收并行控制传输模块(22)传输数据的同时，完成三通道数据的并行计算处理及存储；显示操作部分(30)包含系统控制面板(31)、系统状态面板(32)、振动数据显示(33)、参数设置面板(34)、振动时域显示面板(35)和振动频域显示面板(36)，在提供人机交互界面操作的同时，实时显示振动采集结果和微型计算机模块(24)的计算结果。
2.根据权利要求1所述的在线测量系统，其特征在于，所述测量底座(14)由无拼接一体化的不锈钢制成，并且外部包有防静电喷涂的不锈钢外壳，所述三个加速度传感器均通过不锈钢螺钉与测量底座(14)刚性连接。
3.根据权利要求1所述的在线测量系统，其特征在于，所述采集处理部分(20)的框架采用铝合金材质，并且外部包有防静电喷涂的不锈钢外壳。
4.根据权利要求1所述的在线测量系统，其特征在于，后面板(23)包括三通道采集模块(21)的三个外部接口，每个加速度传感器各通过一个外部接口连接到三通道采集模块(21)的一个通道。
5.根据权利要求1所述的在线测量系统，其特征在于，所述测量部分(10)通过屏蔽电缆与三通道采集模块(21)相连，三通道采集模块(21)与并行控制传输模块(22)相连，并行控制传输模块(22)与微型计算机模块(24)相连，微型计算机模块(24)与显示操作部分(30)相连。
6.一种使用权利要求1所述的在线测量系统实现的测量方法，其特征在于，三个加速度传感器分别用来测量南北轴方向、东西轴方向和垂直轴方向的振动，测量底座置于需要进行微振动测试的设备平台表面，三个加速度传感器产生的三路电压信号分别对应于测量底座的三个方向微振动响应，三路电压信号通过三通道采集模块转化为三路数字化的加速度信号，再通过以太网通信将数字信号实时同步传输到微型计算机模块，微型计算机模块用于分析被测平台的微振动特性，实现长时间在线测量。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，微型计算机模块通过对加速度时域频域的分析得到所述设备运行时外部环境的微振动等级，根据半导体产品制造时间及产品合格率的关系结合测量到的环境振动情况进行对比跟踪分析，从而判断环境振动对产品生产合格率的影响。
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