CN111596129B - 石英晶片研磨的高精度频率校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了石英晶片研磨的高精度频率校准方法，包括研磨过程频率统计和机器校准；所述机器校准包括仪器校准、机台校准和用户校准；校准采用如下公式：F_主显＝F_实测+F_仪器校准+F_机台校准+F_用户校准＝F_晶片；研磨过程频率统计用以保证频率统计的精确性，从而保证同一批料散差小，一致性高，所述机器校准用以保证仪器频率的准确性，从而使频率统计数据能真实反应研磨机的研磨能力；本发明提供了一种通过增加仪器校准来保障机器本身的无误，并通过机台校准和用户校准用于保证测频精度；实现了同一批料盘间散差小，且当达到目标频率时精准停机，保证了仪器间的一致性。

Description

石英晶片研磨的高精度频率校准方法

此发明是石英晶片研磨的高精度频率统计校准方法，申请号为201810466469.2的专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及石英晶片领域，更具体的说，它涉及用于石英晶片研磨的高精度校准测频方法。

背景技术

石英晶片是晶振的核心元器件，石英晶体振荡器(晶振)为电子设备提供时间基准，在电子信息产业中具有极其重要的地位。中国是晶振的制造大国，但产品档次和总产值与发达国家相比仍有较大差距。

根据石英晶片生产工艺流程中不同阶段的需求，频率检测技术可以分为两个方向。一个方向是流程后段的“石英晶片电参数测试”技术，其将基本加工完成的石英晶片按照以谐振频率为核心参数进行分选，主要侧重测量的精确性和测试参数的全面性。国内外很多研究机构都对其进行了研究探索，相应的产品也比较成熟。比如，美国桑德斯公司的250A、250B系列网络分析仪和美国安捷伦公司的E5100系列网络分析仪的频率带宽分别在400MHz和200MHz，负载谐振频率测量精度达到2ppm以内，代表了石英晶片静态和准静态测频领域的世界最高水平。

频率检测技术的另一个方向就是本发明所关注的“在线测频”技术，主要侧重测量的速度和实时性。石英晶棒通过切割后先成为一定厚度的石英薄片，接下来利用研磨机把石英晶片准确地减薄到目标频率。在整个研磨过程中石英晶片始终在研磨机的上下研磨盘之间快速地相对滑动，其厚度无法直接测量。如果利用目前高精度(亚微米量级)的非接触式尺寸测量技术对石英晶片厚度进行在线间接测量，难度大且成本高昂。因此，想要控制石英晶片达到目标频率，要么多次停机取出石英晶片进行静态频率测量，要么使用在线测频技术。显然前者是繁琐且不可靠的，目前所有石英晶片生产厂商都需要研磨在线测频系统和在线测频技术。

石英晶片研磨生产过程中研磨盘相对于石英晶片是不断滑动的，探测头下并不是始终存在石英晶片，谐振信号是间断的；另外，不同频率的石英晶片所需要的射频激励功率大小是不同的，不同频段谐振信号的幅度也是不同的。现有的在线测频技术具备在不同频段下提取动态谐振信号的能力，已经可以实现最基本的在线测频和研磨机自动停止功能。

国外许多石英晶片制造厂家都使用美国TRANSAT公司的在线频率监控仪(AutoLapping Control system-ALC)对研磨过程中的石英晶片频率进行在线测控，该仪器能够实现石英晶片在线测频的基本功能，但是核心技术被该公司垄断，能够获取的专利技术资料非常有限。国内石英晶片制造厂家多使用北京三禾泰达技术有限公司在售的ALC-2000型和ALC-2100型研磨测频仪，该仪器仍然采用基于美国TRANSAT公司的核心技术。以ALC-2100型研磨测频仪为例，其标称的测频范围在1-95MHz；测试精度为0.1％；用两个八段数码管显示当前频率和频率散差；具备“当石英晶片达到预置的目标频率时，仪器自动关停研磨机”的功能。

使石英晶片准确地达到目标频率而避免发生过度研磨导致的超频生产事故，是所有石英晶片生产厂家对在线测频仪的最基本需求。但是，随着市场对石英晶振产品要求的不断提高，石英晶振行业技术日新月异，原有的ALC系统的功能却并没有及时更新换代，生产实践中出现了越来越多不能忽视的问题和其他一些迫切的应用需求亟待解决。

第一，在研磨过程中到达2次目标频率(瞬时值)就停机，由于停机时的测频数据不能反应整盘料的实际情况，导致两个问题：单盘无法停准(跟设定的目标频率比较)和同一批料盘间散差比较大的问题。即由于单位时间内测频速度能到几十次，瞬时谐振频率到达2次目标频率就停机的机制，基本只能反映一个晶片的频率状态，完全不能反应整盘料的实际情况。

第二，研磨不同目标频率的石英晶片，通过修改一阶校准系数(校准值＝k*频率值)来修正目标频率，无法准确停机。因为一阶校准机制无法覆盖全频段频率的目标频率校准。由于是频率校准采用一阶校准函数无法覆盖全频段，因此在换料时(更换频点)，需要手动修改一阶校准系数，存在忘记修改的风险，同时如何设置一个准确的系数难度很大。操作员有时为了不超频，将目标频点设置的低一点，这样就可能需要二次研磨会降低石英晶片的品质，同时研磨效率大大降低。

第三、没有自校准机制，无法保证仪器本身是否准确。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种通过增加仪器校准来保障机器本身的无误，并通过机台校准和用户校准用于保证测频精度；实现了同一批料盘间散差小，且当达到目标频率时精准停机，保证了仪器间的一致性。

本发明的技术方案如下：

石英晶片研磨的高精度频率校准方法，包括研磨过程频率统计和机器校准；所述机器校准包括仪器校准、机台校准和用户校准；所述研磨过程频率统计用以保证频率统计的精确性，从而保证同一批料散差小，一致性高，所述机器校准用以保证仪器频率的准确性，从而使频率统计数据能真实反应研磨机的研磨能力；

研磨过程频率统计具体包括如下步骤：

101)频宽约束步骤：通过谐振频率搜索方法获取待测石英晶片的谐振频率，根据频宽约束值对谐振频率瞬时值进行约束，频宽约束＝扫频范围/(2*散差约束)，散差约束获取于在线测频时的设置的相应参数数据；由当前谐振频率瞬时值与平均频率的差值，与频宽约束进行比较，当差值小于频宽约束则符合条件；否则认为该谐振频率值为误测值，舍弃该频率值；

102)堆栈处理步骤：将步骤101)符合条件的数据进行存储，当数据量超过存储数组的大小，则进行先进先出的堆栈存储处理，使谐振频率瞬时值写入数组最后一个位置，其余数据依次往前移动一个位置，同时存储数组大小随着测频速率的变化而正比例变化，从而保证谐振频率平均值基本反映整盘料的频率状况；存储数组的大小通过统计控制参数中的频率平均参数设置；

103)频率校准步骤：对步骤102)中存储数组的数据进行统计获得平均值，再根据仪器校准、机台校准和用户校准的校准值，综合得到谐振频率；

104)关停研磨机步骤：根据所要石英晶片的目标频率与步骤103)得到的谐振频率进行对比，当达到一次，则计数一次，并根据设置的达到目标频率值的限定次数与计数值比较，只有计数值达到限定次数才关停研磨机，防止由于一次误测或者盘内石英晶片出现几片频率偏高就停机。

进一步的，步骤103)所述的仪器校准采用对标准晶振进行全频段静态频率统计，获取频率偏差值，将测得的频率偏差值通过多项式拟合得到拟合的校准系数，从而保证仪器出厂前的准确性。

进一步的，步骤103)所述的机台校准采用动态频率统计校准，并在研磨过程中获取石英晶片实时频率，对石英晶片全频段进行频率统计，获取各个频点的频率偏差值，并将频率偏差值通过高阶拟合方法拟合获取拟合系数，从而保证在研磨机即使在干扰因素的影响下，也能保证石英晶片频率统计的精确性和准确性。

进一步的，所述机台校准的具体步骤如下：

301)研磨频率划分步骤：系统有一组默认的机台频率校准拟合系数及根据这些系数得到的30个研磨频率值对应的频率校准值，研磨频率默认起始频率为5MHz，截止频率为80MHz，30个研磨频率值从起始频率至截止频率等间距取值；

302)校准处理步骤：根据步骤301)将研磨频率划分后，会将实际研磨过程中收集到的实时研磨频率和频率校准值进行记录并填入相应统计表格对应的位置；

303)获取机台校准值步骤：对步骤302)得到的实时研磨频率和频率校准值进行多项式拟合获取6阶拟合系数，从而量化得到校准的频率；所述多项式拟合采用最小二乘法多项式拟合。

本发明相比现有技术优点在于：本发明通过研磨过程频率统计机制，来保证频率统计系统的精确性(测试值之间的一致性)，保证了频率统计精确性才能保证同一批料散差小，一致性高。通过多种校准方式，保证在研磨机、研磨砂新旧等外界干扰因素的影响下，能保证石英晶片频率统计的精确性和准确性。

附图说明

图1为本发明的频率统计和研磨停机流程图；

图2为本发明的机台校准操作流程图；

图3为本发明的机台校准对应的校准界面图；

图4为本发明的仪器校准对应的静态测频界面图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

石英晶片研磨的高精度频率校准方法，包括研磨过程频率统计和机器校准；所述机器校准包括仪器校准、机台校准和用户校准；所述研磨过程频率统计用以保证频率统计的精确性，从而保证同一批料散差小，一致性高，所述机器校准用以保证仪器频率的准确性，从而使频率统计数据能真实反应研磨机的研磨能力；

研磨过程频率统计具体包括如下步骤：

101)频宽约束步骤：通过谐振频率搜索方法获取待测石英晶片的谐振频率，根据频宽约束值对谐振频率瞬时值进行约束，频宽约束＝扫频范围/(2*散差约束)，散差约束获取于在线测频时的设置的相应参数数据。由当前谐振频率瞬时值与平均频率的差值，与频宽约束进行比较，当差值小于频宽约束则符合条件；否则认为该谐振频率值为误测值，舍弃该频率值；

102)堆栈处理步骤：将步骤101)符合条件的数据进行存储，当数据量超过存储数组的大小，则进行先进先出的堆栈存储处理，使谐振频率瞬时值写入数组最后一个位置，其余数据依次往前移动一个位置，从而保证谐振频率平均值基本反映整盘料的频率状况；存储数组的大小通过统计控制参数中的频率平均参数设置。

103)频率校准步骤：对步骤102)中存储数组的数据进行统计获得平均值，再根据仪器校准、机台校准和用户校准的校准值，综合得到谐振频率。

用户校准采用用户自定义校准值，为一常量。

所述的仪器校准采用对全频段进行静态频率统计标准晶振，获取频率遍差值，将测得的频率偏差值通过多项式拟合得到拟合的校准系数，从而保证仪器出厂前的准确性。

所述的机台校准采用动态频率统计校准，对石英晶片全频段进行频率统计，获取各个频点的频率偏差值，并将频率偏差值通过高阶拟合方法拟合获取拟合系数，从而保证在研磨机即使在干扰因素的影响下，也能保证石英晶片频率统计的精确性和准确性。

所述机台校准的具体步骤如下：

301)研磨频率划分步骤：系统有一组默认的机台频率校准拟合系数及根据这些系数得到的30个研磨频率值对应的频率校准值，研磨频率默认起始频率为5MHz，截止频率为80MHz，30个研磨频率值从起始频率至截止频率等间距取值；

302)校准处理步骤：根据步骤301)将研磨频率划分后，会将实际研磨过程中收集到的实时研磨频率和频率校准值进行记录并填入相应统计表格对应的位置；

303)获取机台校准值步骤：对步骤302)得到的实时研磨频率和频率校准值进行多项式拟合获取6阶拟合系数，从而量化得到校准的频率；所述多项式拟合采用最小二乘法多项式拟合。

从而根据图3、图4，结合图2，用户在参数设置处输入标准晶振频率，按下开始按钮后，在校准结果处显示实时频率和标准差。该实时频率1秒钟刷新一次，为1秒钟内50个瞬时谐振频率的平均值与仪器自校准值的和。仪器自校准值为瞬时谐振频率的平均值与仪器自校准拟合系数的乘积得到的校准值，默认情况下7个拟合系数(6阶多项式)都为0。在仪器没有做自校准时，用户可以将实时频率与标准晶振频率的偏差作为校准频率值，如果已经做过自校准，则将该偏差加到校准频率值后作为新的校准频率值。标准差为1秒钟50个瞬时谐振频率值通过标准差算法算得，标准差的大小可以反映仪器本身的精确性。实时频率可以反映仪器本身的准确性。

具体仪器校准、机台校准和用户校准的结合采用如下公式：

F_主显＝F_实测+F_仪器校准+F_机台校准+F_用户校准＝F_晶片 公式(1)

其中，F_主显为主显示界面的石英晶片实时平均频率，作为石英晶片研磨目标频率的比对依据。F_实测为研磨机内石英晶片的实际测得的频率值。F_晶片为研磨机内石英晶片的平均中心频率。F_仪器校准为通过静态测试标准晶振得到的仪器校准拟合系数，得到的仪器校准值。F_机台校准为动态测试石英晶片的校准。F_用户校准为手动固定频偏值校准。

首先进行仪器校准即F_仪器校准。F_静测显作为F_仪器校准比对的依据，F_静测显为石英晶片静态测试时的平均值。

1)F_静测显＝F_实测+F_仪器校准＝F_标准晶振；F_标准晶振为晶振的目标频率，其为一个范围值。

2)表格校准方式：

a)默认设置5MHz至80MHz自动30频点，各频点校准值根据出厂校准实验设置默认值，六阶多项式拟合，按下默认设置按钮就恢复出厂值F_仪器校准。

b)客户可以重新设置各频点值和校准值，按下拟合按钮，进行六阶多项式拟合更新得到仪器校准拟合系数，直到F_静测显＝F_标准晶振(在精度要求范围内)。

3)给出F_仪器校准的精准度要求范围100ppm。

在F_仪器校准的基础上，进行F_机台校准，此时要保证F_用户校准＝0，主要由用户工程人员完成。

1)F_主显＝F_静测显+F_机台校准＝F_晶片；

2)开放表格校准，方式：

a)默认设置5MHz至80MHz自动30频点，各频点校准值根据研磨工厂的经验值设置默认值F_机台校准，通过六阶多项式拟合得到机台校准拟合系数。

b)按下频段划分按钮，首先根据起始和终止频率自动分配30频点，再各频点校准值根据研磨工厂的经验值设置默认值F_机台校准。

c)用户可以重新设置各频点值和校准值，按下拟合按钮，六阶多项式拟合更新F_机台校准，直到F_主显＝F_晶片，即目标频率设置值与研磨机内石英晶片的平均中心频率一致。

3)完成此一步定义F_主显为F_主显0。F_主显0是为了用户校准时进行使用。

其中F_用户校准用于用户对F_主显的临时频率校准，主要由用户一线作业员设置，通过网络或者存储设备监控记录设定值。

1)F_主显＝F_主显0+F_用户校准＝F_晶片。

2)手动固定频偏值校准方式：F_用户校准＝F_晶片-F_主显0。

仪器校准是为了用于保证仪器出厂前的一致性，机台校准用于保证不同的研磨环境下测频的一致性。其中F_仪器校准和F_机台校准都为6阶多项式函数，其函数形式为F＝a₆f⁶+a₅f⁵+a₄f⁴+a₃f³+a₂f²+a₁f¹+a₀，其中a0...a6为多项式系数，f为晶片频率。

其中拟合多项式是为了使数据点均在离此曲线的上方或下方不远处，它既能放映数据的整体分布，又不至于出现局部较大的波动，能反映被逼近函数的特性，使求得的逼近函数

与已知函数y从总体上来说其偏差按某种方法度量达到最小。

其中i为数据点标识，j为变量，n为函数阶数数量，α为系数，得到一个逼近函数

使δ_i尽可能地小，本方案中最小二乘法原则是使“偏差平方和最小”，即使

最小，m为数据点个数。

在某个函数类

中寻找逼近函数

为函数类中某一函数。

其中

为

的导数，n为函数类中的函数阶数，a_n代表不同的系数值。

本方案采用6阶多项式，数据个数为30个。故

其逼近函数需要满足

其中多元函数极值就为如下公式：

其必要满足条件为如下公式：

转换后代入6阶多项式，数据个数为30个，具体如下：

其中n＝6，m＝30，k＝0,1…n；根据矩阵内各个数据的值，再通过高斯消元法可得上述公式中的a₀...a₆，从而确定最终的逼近函数。

104)关停研磨机步骤：根据所要石英晶片的目标频率与步骤103)得到的谐振频率进行对比，当达到一次，则计数一次，并根据设置的达到目标频率值的限定次数与计数值比较，只有计数值达到限定次数才关停研磨机，防止由于一次误测或者盘内石英晶片出现几片频率偏高就停机。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (4)

1.石英晶片研磨的高精度频率校准方法，其特征在于，包括研磨过程频率统计和机器校准；所述机器校准包括仪器校准、机台校准和用户校准；所述研磨过程频率统计用以保证频率统计的精确性，从而保证同一批料散差小，一致性高，所述机器校准用以保证仪器频率的准确性，从而使频率统计数据能真实反应研磨机的研磨能力；

其中，仪器校准、机台校准和用户校准的结合采用如下公式：

F_主显＝F_实测+F_仪器校准+F_机台校准+F_用户校准＝F_晶片 公式(1)

其中，F_主显为主显示界面的石英晶片实时平均频率，作为石英晶片研磨目标频率的比对依据；F_实测为研磨机内石英晶片的实际测得的频率值；F_晶片为研磨机内石英晶片的平均中心频率；F_仪器校准为通过仪器校准拟合系数得到的仪器校准值，仪器校准拟合系数由静态测试标准晶振得到；F_机台校准为动态测试石英晶片的校准；F_用户校准为手动固定频偏值校准；

研磨过程频率统计具体包括如下步骤：

101)频宽约束步骤：通过谐振频率搜索方法获取待测石英晶片的谐振频率，根据频宽约束值对谐振频率瞬时值进行约束，频宽约束＝扫频范围/(2*散差约束)，散差约束获取于在线测频时的设置的相应参数数据；由当前谐振频率瞬时值与平均频率的差值，与频宽约束进行比较，当差值小于频宽约束则符合条件；否则认为该谐振频率值为误测值，舍弃该频率值；

102)堆栈处理步骤：将步骤101)符合条件的数据进行存储，当数据量超过存储数组的大小，则进行先进先出的堆栈存储处理，使谐振频率瞬时值写入数组最后一个位置，其余数据依次往前移动一个位置，同时存储数组大小随着测频速率的变化而正比例变化，从而保证谐振频率平均值基本反映整盘料的频率状况；存储数组的大小通过统计控制参数中的频率平均参数设置；

103)频率校准步骤：对步骤102)中存储数组的数据进行统计获得平均值，再根据仪器校准、机台校准和用户校准的校准值，综合得到谐振频率；

104)关停研磨机步骤：根据所要石英晶片的目标频率与步骤103)得到的谐振频率进行对比，当达到一次，则计数一次，并根据设置的达到目标频率值的限定次数与计数值比较，只有计数值达到限定次数才关停研磨机，防止由于一次误测或者盘内石英晶片出现几片频率偏高就停机。

2.根据权利要求1所述的石英晶片研磨的高精度频率校准方法，其特征在于，步骤103)所述的仪器校准采用对标准晶振进行全频段静态频率统计，获取频率偏差值，将测得的频率偏差值通过多项式拟合得到拟合的校准系数，从而保证仪器出厂前的准确性。

3.根据权利要求1所述的石英晶片研磨的高精度频率校准方法，其特征在于，步骤103)所述的机台校准采用动态频率统计校准，并在研磨过程中获取石英晶片实时频率，对石英晶片全频段进行频率统计，获取各个频点的频率偏差值，并将频率偏差值通过高阶拟合方法拟合获取拟合系数，从而保证在研磨机即使在干扰因素的影响下，也能保证石英晶片频率统计的精确性和准确性。

4.根据权利要求1所述的石英晶片研磨的高精度频率校准方法，其特征在于，所述机台校准的具体步骤如下：

301)研磨频率划分步骤：系统有一组默认的机台频率校准拟合系数及根据这些系数得到的30个研磨频率值对应的频率校准值，研磨频率默认起始频率为5MHz，截止频率为80MHz，30个研磨频率值从起始频率至截止频率等间距取值；

302)校准处理步骤：根据步骤301)将研磨频率划分后，会将实际研磨过程中收集到的实时研磨频率和频率校准值进行记录并填入相应统计表格对应的位置；

303)获取机台校准值步骤：对步骤302)得到的实时研磨频率和频率校准值进行多项式拟合获取6阶拟合系数，从而量化得到校准的频率；所述多项式拟合采用最小二乘法多项式拟合。

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