CN113280725B - 石英晶体厚度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种石英晶体厚度检测装置，石英晶体厚度检测装置包括检测组件、石英晶体检测电路以及控制电路，检测组件包括两个检测极板，两个检测极板之间用于放置待检测的石英晶片。石英晶体检测电路分别与两个检测极板连接，用于检测两个检测极板之间形成的电容的振荡频率。控制电路的数据输入端与石英晶体检测电路的输出端连接，并用于根据振荡频率确定形成的电容的电容值，并根据电容值确定石英晶片的厚度。上述方案解决石英晶体厚度检测精度较低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及检测装置的技术领域，特别涉及石英晶体厚度检测装置。
背景技术
我国石英晶片制造行业起步于上世纪50年代，一直处于依靠出口石英矿石和粗加工的石英晶体为主的阶段。石英晶片厚度差异可以影响其振动频率。石英晶片厚度差从11.3μm降低到1.7μm时,扭振频率从279Hz降低到207Hz,减小26％振动频率衰减十分严重，而石英晶片的稳定性直接影响电子产品的稳定性。当前，我国主要生产石英产品的地方是江苏省东海县，主要是由于当地具有品相极高的石英矿产。而我国石英产业与国外除去研磨设备造成制造精度上的差距，主要还是检测设备的差距。随着电子行业要求的机器周期越来越快。石英晶片要求的频率越来越高。依靠人力测量显得越来越力不从心，主要是人工检测效率低下，且出现失误次数要多于自动化设备；二是由于晶片频率越高，厚度越薄，人工长时间反复拿捏容易碎裂，造成额外损失。行业内普遍长期依赖人工使用精度不高的机械量具(如游标卡尺等机械量具)进行分选。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种石英晶体厚度检测装置，旨在解决石英晶体厚度检测精度较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种一种石英晶体厚度检测装置，所述石英晶体厚度检测装置包括：
检测组件，包括两个检测极板，两个检测极板之间用于放置待检测的石英晶片；
石英晶体检测电路，所述石英晶体检测电路分别与两个所述检测极板连接，用于检测两个检测极板之间形成的电容的振荡频率；以及
控制电路，所述控制电路的数据输入端与所述石英晶体检测电路的输出端连接，并用于根据所述振荡频率确定形成的电容，并根据所述电容值确定所述石英晶片的厚度。
可选地，所述石英晶体检测电路根据下述公式确定两个所述检测极板之间的待检测的石英晶片的厚度：
其中，ε＝εr·ε0为待检测的石英晶片的介电系数；ε0为真空的介电系数；εr为待检测的石英晶片的相对介电系数；S为第一检测极板和第二检测极板之间的有效面积；dx为第一检测极板和第二检测极板之间的距离；δ为待检测的石英晶片的标准厚度要求的最小数量单位；nx为待检测的石英晶片的厚度；Cx两个检测极板之间形成的电容。
可选地，所述石英晶体检测电路根据下述公式确定两个所述检测极板之间的待检测的石英晶片的厚度：
其中，
为500组数据所得平均容值，Cres为寄生电容的数值，Cx为石英晶片实际电容值，nx为待检测的石英晶片的厚度，j、x均为大于或等于1的自然数。
可选地，两个所述检测极板均为覆铜板。
可选地，两个所述检测极板分别为第一检测极板以及第二检测极板，所述石英晶体检测电路包括多个第一电感以及检测芯片，所述石英晶体检测电路包括多个第一电感、多个第一电容以及检测芯片，所述第一电感的第一端、所述第一电容的第一端与所述第一检测极板互连，其连接节点为所述检测芯片的第一检测端，所述第一电感的第二端、所述第一电容的第二端与所述第二检测极板互连，其连接节点为所述检测芯片的第二检测端。
可选地，所述检测芯片的型号为FDC2214。
可选地，所述石英晶体厚度检测装置还包括电源电路，所述电源电路的输出端与所述控制电路的电源端连接；
所述电源电路，用于为所述控制电路供电。
可选地，所述多石英晶体厚度检测装置还包括报警电路，所述报警电路的输入端与所述控制电路的报警信号输出端连接；
所述控制电路，还用于在所述待检测的石英晶片的厚度超出预设值时，输出报警信号；
所述报警电路，用于在接收到所述报警信号时报警。
可选地，所述石英晶体厚度检测装置还包括按键电路，所述按键电路的输出端与所述控制电路的测量输入端连接；
所述按键电路键入模式选择指令，并在模式选择后，进行校准数据输入或者测量数据输入；
所述控制电路，用于根据所述模式选择指令切换到对应的校准模式或者测量模式，并根据所述校准数据入或者测量数据确定所述待检测的石英晶片的厚度是否超出预设值。
可选地，所述石英晶体厚度检测装置还包括显示电路，所述显示电路的输入/输出端与所述控制电路的输入/输出端连接；
所述显示电路，用于输入模式选择指令或者显示所述控制电路输出的显示信号。
可选地，所述检测组件的数量为多个，每一检测组件均单独检测一待检测的石英晶片，所述石英晶体检测电路分别与每一检测组件的两个所述检测极板连接，用于检测每一检测组件的两个检测极板之间形成的电容的振荡频率；以及
控制电路，所述控制电路的数据输入端与所述石英晶体检测电路的输出端连接，并用于根据每一检测组件的所述振荡频率确定每一检测组件形成的电容的，并根据所述电容值确定对应检测组件中待检测的石英晶片的厚度。
可选地，每一检测通道包括底座及滑动部100，所述第一检测极板设置于所述底座，滑动部100沿所述
第一检测极板的厚度方向滑动设置于所述底座；
第二检测极板设置于所述滑动部100，并与所述第一检测极板形成检测电容。
本发明技术方案的石英晶体厚度检测装置包括检测组件、石英晶体检测电路和控制电路，检测组件包括两个检测极板，两个检测极板之间用于放置待检测的石英晶片。石英晶体检测电路检测两个检测极板之间形成的电容的振荡频率。控制电路根据所述振荡频率确定形成的电容，并根据所述电容值确定所述石英晶片的厚度，此时，通过检测两个检测极板之间的电容值可以准确判断出此时的石英晶片的厚度，由于电流检测可以检测到微小的电容变化，而机械量具受限于本身度量衡限制，其检测精度很难做到厘米设置毫米，相比于人工检测，本申请通过电容检测，可以轻松将检测精度提高一个量级，从而解决石英晶体厚度检测精度较低的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明石英晶体厚度检测装置一实施例的模块示意图；
图2为本发明石英晶体厚度检测装置一实施例的模块示意图；
图3为本发明石英晶体厚度检测装置中石英晶体检测电路的电路示意图；
图4为本发明石英晶体厚度检测装置中电源电路的电路示意图；
图5为本发明石英晶体厚度检测装置中报警电路的电路示意图；
图6为本发明石英晶体厚度检测装置中按键电路的电路示意图；
图7为本发明石英晶体厚度检测装置中显示电路的电路示意图；
图8为本发明石英晶体厚度检测装置一实施例的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
本发明提出一种石英晶体厚度检测装置，旨在解决石英晶体厚度检测精度较低的技术问题。
在一实施例中，如图1和图3所示，石英晶体厚度检测装置包括检测组件10、石英晶体检测电路30以及控制电路20，检测组件10包括两个检测极板，所述石英晶体检测电路30分别与两个检测极板(1011、1012)连接，控制电路20的数据输入端与石英晶体检测电路30的输出端连接。
其中，两个检测极板(1011、1012)之间用于放置待检测的石英晶片，石英晶体检测电路30检测两个检测极板(1011、1012)之间形成的电容的振荡频率，此时，需要说明的是，石英晶体检测电路30会输出一个检测信号以给两个检测极板(1011、1012)之间形成的电容充电，由于电容与石英晶体检测电路30形成一个充放电回路，因此，通有检测信号的两个检测极板(1011、1012)反馈一振荡频率，控制电路20根据振荡频率确定形成的电容值，并根据电容值确定石英晶片的厚度。
此时，通过检测两个检测极板(1011、1012)之间的电容值可以准确判断出此时的石英晶片的厚度，由于电流检测可以检测到微小的电容变化，而机械量具受限于本身度量衡限制，其检测精度很难做到厘米甚至是毫米，相比于人工检测，本申请通过检测极板检测，可以将厚度转化为电容量的参数进行检测，相比于直接进行厚度测量，可以通过间接测量轻松将检测精度提高一个量级，从而解决石英晶体厚度检测精度较低的技术问题。还避免了人工长时间反复拿捏容易碎裂，造成的额外损失。
可选地，石英晶体检测电路30根据下述公式确定两个检测极板之间的待检测的石英晶片的厚度：
以上公式通过下述方法得到，根据平板电容的公式：
可得有：
其中，ε＝εr·ε0为待检测的石英晶片的介电系数；ε0为真空的介电系数；εr为待检测的石英晶片的相对介电系数；S为第一检测极板和第二检测极板之间的有效面积；dx为第一检测极板和第二检测极板之间的距离；δ为待检测的石英晶片的标准厚度要求的最小数量单位；nx为待检测的石英晶片的厚度；Cx为两个检测极板(1011、1012)之间形成的电容。
如果控制S保持不变，在本申请方案中，视ε和δ为常数，从而石英晶片厚度nx的测量归结为电容Cx的测量。
若S取mm2、dx取mm，则：
通过上述公式，可以有充分的理论依据将厚度的测量替代为电容值的测量，进一步加快厚度测试的过程。需要说明的是，目前石英晶片的厚度大部分在0.06-0.07mm，也存在厚度在3.5mm的产品，石英晶片的厚度变化通常在微米单位。因此本设计的精度必须精确到微米级别。依据上述公式确定的测量方法，可以将其测量的量程精确到在0-5mm范围以内，最小计量单位精确到1μm，从而极大的提高了测量精度。
可选地，依据下述公式进一步提高测量结果的准确性。
其中，
为500组数据所得平均容值，Cres为寄生电容的数值，Cx为石英晶片实际电容值，j、x均为大于或等于1的自然数。
需要说明的是，在石英晶体检测电路30和检测极板之间会有寄生电容的存在，石英晶体检测电路30得到的数据已经包含了信号线寄生电容的贡献，由于寄生电容Cres是不可知的，因此检测极板之间的电容Cx无法准确得到的。因此，上述过程测量的数据存在寄生电容的误差。由于寄生电容Cres可以固定，本申请根据校准数据数组
建立厚度nx与平均值
之间的测量模型。测量时，在测得
之后，根据所建模型推得厚度nx。
由上述公式结合测量模型，我们可以得到更为具体的误差校准公式
采用“多段直线逼近方法”的线性方程表达晶片厚度nx与平均值
之间的测量模型，即对
搜索后确认测量值
则晶片厚度最终可用下式表示：
由于上述公式中考虑到了由于寄生电容的存在所引起的测量误差，通过上述公式优化了通过测量电容值确定石英晶片的厚度的计算方法，从而更进一步的提高了测量的石英晶片的厚度的准确性，从而方便用户进一步将测量精度和准确度提高。
可选地，两个检测极板(1011、1012)均为覆铜板。
采用覆铜板可以大幅度节约生产和检测成本。
可选地，如图1、2、8所示，两个检测极板(1011、1012)分别为第一检测极板1012以及第二检测极板1011，石英晶体检测电路30包括多个第一电感(L3/L4)、多个第一电容(C7/C9)以及检测芯片，第一电感(L3/L4)的第一端、第一电容(C7/C9)的第一端与第一检测极板1012互连，其连接节点为检测芯片的第一检测端，第一电感(L3/L4)的第二端、第一电容(C7/C9)的第二端与第二检测极板1011互连，其连接节点为检测芯片的第二检测端。
其中，每一第一电感(L3/L4)和每一第一电容(C7/C9)形成一LC振荡电路；两个检测极板(1011、1012)所形成的电容与LC电路相连接，将产生一个振荡频率，根据该频率值可计算出被测电容值。因此通过上述电路，可以准确地检测出两个检测极板(1011、1012)之间的电容。
可选地，检测芯片的型号为FDC2214。
其中，FDC2214的芯片内具有多路复用器，这些多路复用器对每一检测组件10进行排序，将其连接到测量并数字化传感器频率的内核。芯片内部时钟会提供一个基准振动频率。在芯片内进行处理后，得出频率之差，从而得到与频率成比例的电容值。
可选地，如图2所示，石英晶体厚度检测装置还包括电源电路40，电源电路40的输出端与控制电路20的电源端连接。
电源电路40为控制电路20供电。
可选地，如图4所示，电源电路40由第二芯片U2、第十六电阻R16、第十八电阻R18、第十七电容C17、第十八电容C18、第十九电容C19、第二十电容C20、第二二极管D2、第五按键KP5以及第五电感L5组成。具体连接关系参见图4。
其中，电源电路40输出的电源还可以通过V3为石英晶体厚度检测装置的其他工作电路供电。
可选地，第二芯片的型号LM2596，降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器。具有很好的线性和负载调节特性。
可选地，如图2所示，多石英晶体厚度检测装置还包括报警电路50，报警电路50的输入端与控制电路20的报警信号输出端连接。
其中，控制电路20在待检测的石英晶片的厚度超出预设值时，输出报警信号，报警电路50在接收到报警信号时报警。
可选地，如图5所示，报警电路50由第十二电阻R12、第十七电阻R17、蜂鸣器LS1以及第一光耦组件U2组成，具体连接关系参见图5。
控制信号由报警电路50的的输入端PB13经由第一光耦器件U2以给蜂鸣器LS1提供工作电源。通过上述电路，可以准确的输入并将蜂鸣器与控制电路20隔离，以避免蜂鸣器工作时的电流以及电压影响控制电路20的正常工作。
可选地，如图2所示，石英晶体厚度检测装置还包括按键电路60，按键电路60的输出端与控制电路20的测量输入端连接。
其中，按键电路60键入模式选择指令，并在模式选择后，进行校准数据输入或者测量数据输入；控制电路20，用于根据模式选择指令切换到对应的校准模式或者测量模式，并根据校准数据入或者测量数据确定待检测的石英晶片的厚度是否超出预设值。需要说明的是，校准数据是测量的包括有电容和厚度的多组数据，而测量数据为实际测量标准。通过上述方案，能根据用户的需求选择合适的模式进行测量。
可选地，如图6所示，按键电路60包括第二按键KP2、第三按键KP3、第四按键KP4、R第十三电阻R13、第十四电阻R14和第十五电阻R15组成，其中，第十三电阻R13、第十四电阻R14和第十五电阻R15均连接至电源端。其中，第二按键KP2为模式选择按键，键入模式选择指令。第三按键KP3为校准数据按键，进行校准数据输入。第三按键KP3为测量数据按键，进行测量数据输入。
可选地，如图2所示，石英晶体厚度检测装置还包括显示电路70，显示电路的输入/输出端与控制电路20的输入/输出端连接。
其中，显示电路显示控制电路20输出的显示信号。通过显示电路20用户可以方便的知道检测结果和检测过程。
可选地，如图7所示，显示电路70为OLED。通过上述OLED，用户可以通过显示面板执行按键电路60的功能，即键入模式选择指令，并在模式选择后，进行校准数据输入或者测量数据输入。从而实现更多方式的控制。
可选地，如图3所示，检测组件10(101、102)的数量为多个，每一检测组件10均单独检测一待检测的石英晶片，石英晶体检测电路30分别与每一检测组件10的两个检测极板连接，控制电路20的数据输入端与石英晶体检测电路30的输出端连接。
其中，石英晶体检测电路30检测每一检测组件10的两个检测极板(1011、1012)之间形成的电容的振荡频率，控制电路20根据每一检测组件10的振荡频率确定每一检测组件10形成的电容值，并根据电容值确定对应检测组件10中待检测的石英晶片的厚度。此时，通过检测两个检测极板(1011、1012)之间的电容值可以准确判断出此时的石英晶片的厚度，由于电流检测可以检测到微小的电容变化，而机械量具受限于本身度量衡限制，其检测精度很难做到厘米设置毫米，相比于人工检测，本申请通过检测极板检测，可以将厚度转化为电容量的参数进行检测，相比于直接进行厚度测量，可以通过间接测量轻松将检测精度提高一个量级，从而解决石英晶体厚度检测精度较低的技术问题。还避免了人工长时间反复拿捏容易碎裂，造成的额外损失。当检测组件10数量为多个时，可以同时实现多个石英晶片的检测，以此实现工业化以及批量化的产能，大幅度提高生产效率。
可选地，如图8所示，每一检测通道包括底座80及滑动部90，第一检测极板1012设置于底座80，滑动部100沿第一检测极板1012的厚度方向滑动设置于底座80。第二检测极板1011设置于滑动部100，并与第一检测极板1012形成检测电容。
其中，滑动部90的或多个可以带动第二检测极板1011相对于第一基板相对滑动，以此改变两者之间的厚度，从而可以方便测量不同厚度的石英晶片，并保证第一检测极板1012以及第二检测极板1011与石英晶片贴合，以此提高测量结果的准确度。
以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (11)
1.一种石英晶体厚度检测装置，其特征在于，所述石英晶体厚度检测装置包括：
检测组件，包括两个检测极板，两个所述检测极板分别为第一检测极板以及第二检测极板，两个检测极板之间用于放置待检测的石英晶片；
石英晶体检测电路，所述石英晶体检测电路分别与两个所述检测极板连接，用于检测两个检测极板之间形成的电容的振荡频率；以及
控制电路，所述控制电路的数据输入端与所述石英晶体检测电路的输出端连接，并用于根据所述振荡频率确定形成的电容的电容值，并根据所述电容值确定所述石英晶片的厚度；
所述石英晶体检测电路根据下述公式确定两个所述检测极板之间的待检测的石英晶片的厚度：
其中，
，
为500组数据所得平均容值，
为寄生电容的数值，
为石英
晶片实际电容值，
为待检测的石英晶片的厚度，j、x均为大于或等于1的自然数。
2.如权利要求1所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，所述石英晶体检测电路根
据下述公式确定两个所述检测极板之间的待检测的石英晶片的厚度：
；
其中，
为待检测的石英晶片的介电系数；
为真空的介电系数；
为待检测的
石英晶片的相对介电系数；
为第一检测极板和第二检测极板之间的有效面积；
为第一
检测极板和第二检测极板之间的距离；
为待检测的石英晶片的标准厚度要求的最小数量
单位；
为待检测的石英晶片的厚度；
为两个检测极板之间形成的电容。
3.如权利要求1所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，两个所述检测极板均为覆铜板。
4.如权利要求1所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，两个所述检测极板分别为第一检测极板以及第二检测极板，所述石英晶体检测电路包括多个第一电感、多个第一电容以及检测芯片，所述第一电感的第一端、所述第一电容的第一端与所述第一检测极板互连，其连接节点为所述检测芯片的第一检测端，所述第一电感的第二端、所述第一电容的第二端与所述第二检测极板互连，其连接节点为所述检测芯片的第二检测端。
5.如权利要求4所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，所述检测芯片的型号为FDC2214。
6.如权利要求1所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，所述石英晶体厚度检测装置还包括电源电路，所述电源电路的输出端与所述控制电路的电源端连接；
所述电源电路，用于为所述控制电路供电。
7.如权利要求1所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，所述石英晶体厚度检测装置还包括报警电路，所述报警电路的输入端与所述控制电路的报警信号输出端连接；
所述控制电路，还用于在所述待检测的石英晶片的厚度超出预设值时，输出报警信号；
所述报警电路，用于在接收到所述报警信号时报警。
8.如权利要求4所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，所述石英晶体厚度检测装置还包括按键电路，所述按键电路的输出端与所述控制电路的测量输入端连接；
所述按键电路键入模式选择指令，并在模式选择后，进行校准数据输入或者测量数据输入；
所述控制电路，用于根据所述模式选择指令切换到对应的校准模式或者测量模式，并根据所述校准数据入或者测量数据确定所述待检测的石英晶片的厚度是否超出预设值。
9.如权利要求1所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，所述石英晶体厚度检测装置还包括显示电路，所述显示电路的输入/输出端与所述控制电路的输入/输出端连接；
所述显示电路，用于显示所述控制电路输出的显示信号。
10.如权利要求1所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，所述检测组件的数量为多个，每一检测组件均单独检测一待检测的石英晶片，所述石英晶体检测电路分别与每一检测组件的两个所述检测极板连接，用于检测每一检测组件的两个检测极板之间形成的电容的振荡频率；以及
控制电路，所述控制电路的数据输入端与所述石英晶体检测电路的输出端连接，并用于根据每一检测组件的所述振荡频率确定每一检测组件形成的电容的电容值，并根据所述电容值确定对应检测组件中待检测的石英晶片的厚度。
11.如权利要求1-10任一项所述的石英晶体厚度检测装置，其特征在于，每一检测通道包括底座及滑动部100，所述第一检测极板设置于所述底座，滑动部100沿所述第一检测极板的厚度方向滑动设置于所述底座；
第二检测极板设置于所述滑动部100，并与所述第一检测极板形成检测电容。
Priority Applications (1)
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