CN201096491Y

CN201096491Y - 金属箔测厚仪的测量探头

Info

Publication number: CN201096491Y
Application number: CNU2007200743230U
Authority: CN
Inventors: 叶道庆
Original assignee: SHANGHAI MEADVILLE ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI MEADVILLE ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2017-08-31

Abstract

一种金属箔测厚仪的测量探头，包括外壳，置于外壳内的电路板，置于外壳内电路板上的带有定位孔的探针定位块，至少4根相互平行的弹簧探针垂直安装在电路板上，弹簧探针的针尖穿过探针定位块上的定位孔伸出到外壳外，弹簧探针的针尾连接有电源线和信号引出线，在电源线上串联一采样控制器。采样控制器用于控制弹簧探针与电源之间的通与断。该设计可以消除弹簧探针压缩过程对测量结果的干扰，提高探头测量的重复精度。

Description

金属箔测厚仪的测量探头

技术领域

本实用新型涉及一种测量探头，具体的是涉及一种金属箔测厚仪的测量探头。特别适用于测量微米级金属箔的厚度。

技术背景

测量金属箔表面金属层的厚度最常见的是测量敷铜板表面铜层的厚度，通常使用的仪器是铜箔测厚仪。铜箔测厚仪一般由测量探头，测量电路，数据处理电路，显示电路以及电源部分组成。测量时，测量电路提供测量信号(电流信号)给测量探头，测出铜箔的表面电阻。数据处理电路根据表面电阻与厚度的对应关系函数，将电阻值转换成对应的厚度值，并传给显示电路加以显示。由此可见，测量探头是重要测量工具，直接影响数据采集的效果。

测量探头的性能指标包括测量范围，测量误差，测量重复精度和使用寿命。

测量范围是指可以测量的金属箔的厚度范围。例如，印刷电路板铜箔厚度一般在5um-150um。

测量误差是指测量值与实际值的吻合程度，两者偏差越小，精度越高。测量精度可由参考标准片进行定期校准。

测量重复精度是指重复测量同一区域时测量结果的差异情况，差异越小，重复精度越好。

如在先技术中，电源(或恒流源)直接加在探针上，测量金属箔厚度时，探头需要先对好位置，再按下探针测量，探针压缩需要一定的时间，接触电阻也处于变化中，而负载电阻的变化会导致测量电源的反射过冲，增加杂波干扰。在这一过程中，探头往往还没有被压缩到位，就已经开始测量了。因此，测量信号中就加入了杂波干扰，从而影响探头测量的重复精度甚至测量精度。

探头的使用寿命也是重要的性能指标。由于探头的老化会影响测量性能，因此探头使用一定次数需要更换。目前，在先技术探头的使用寿命约为50万次。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服上述在先技术中的缺陷，提供一种用于金属箔测厚仪上的测量探头，克服弹簧探针压缩过程对测量的干扰，提高测量重复精度，延长使用寿命。

弹簧探针的压缩过程会有三个因素发生变化：1、探针与铜箔的接触电阻；2、探针针尖的轻微移位；3、针尖与针管的接触电阻。

这些变化都会对测量结果造成干扰，降低测量的重复精度。本实用新型为了滤除这些干扰，所采取的技术方案是提供一种用于金属箔测厚仪的测量探头，包括：外壳，置于外壳内的电路板，置于外壳内电路板上的带有定位孔的探针定位块；至少4根相互平行的弹簧探针，垂直安装在电路板上，弹簧探针的针尖穿过探针定位块上的定位孔伸出到外壳外，弹簧探针的针尾连接有电源线和信号引出线；一采样控制器，连接在弹簧探针针尾上的电源线上，用于控制弹簧探针与电源之间的通与断。

在测量时，直到探头与待测铜箔接触稳定后，才启动采样控制器，进行铜箔表面铜层厚度的测量。测量结束，关闭采样控制器，然后探头被抬起，弹簧探针的针尖被弹出。在整个测量过程中，探针与铜箔接触稳定，弹簧压缩过程中的杂波干扰没有被带入采样周期，这样就达到了提高重复精度的目的。

本实用新型探头的测量效果与在先技术中的探头相比具有较高的重复精度。以CMI700铜箔测厚仪的测量波形为例，测量时，初始的两个方波为触发方波，其后的三个方波为采样方波，接着一个两周期的方波为测量结束方波。如图5所示，是无开关控制的测量电压波形，图中三个采样方波上的杂波干扰较多，重复精度差。

本实用新型的有开关控制的测量电压波形如图6所示。图中三个采样方波上的杂波干扰很少，重复精度好。

本实用新型探头与在先技术中的探头相比具有较高的重复精度。性能指标见表1。

表1

厚度	在先技术探头	(牛津SRP-4探头)	本实用新型的探头
	在先技术探头	(牛津SRP-4探头)	本实用新型的探头		误差	重复精度	误差	重复精度
	1/3OZ	±1％	±0.6％	±1％	误差	重复精度	误差	重复精度	±0.3％
1/2OZ	1/3OZ	±1％	±0.6％	±1％	±1％	±1％	±1％	±0.1％	±0.3％
1/2OZ	1OZ	±1％	±1％	±1％	±1％	±1％	±1％	±0.1％	±0.1％
2OZ	1OZ	±1％	±1％	±1％	±1％	±0.5％	±1％	±0.2％	±0.1％

表1中的测量数据都测自CMI700铜箔测厚仪。

从上述的图5、图6、表1中可以看出，本实用新型的探头因为加装了采样控制器，重复精度得到显著提高。

附图说明

图1是本实用新型测量探头一实施例的结构示意图；

图2是图1中4根弹簧探针测量回路的结构示意图；

图3是图1探头的测微电阻电路的原理结构示意图；

图4是弹簧探针一实施例的结构示意图；

图5是在先技术探头测得的电压波形图；

图6是本专利探头测得的电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型测量探头的结构特征。

如图1所示，本实用新型的测量探头包括外壳1，置于外壳1内的电路板5，置于外壳1内电路板5上的带有定位孔的探针定位块2，至少4根相互平行的弹簧探针3，垂直安装在电路板5上，弹簧探针3的针尖穿过探针定位块2上的定位孔伸出到外壳1外，弹簧探针3的针尾位于电路板5上并连接有电源线9和信号引出线6；一采样控制器8，连接在弹簧探针3针尾上的电源线9上，用于控制弹簧探针3与电源(图上未显示)之间的通与断，控制测量探头的工作时间。在本实施例中，如图1所示，探针定位块2用固定螺柱4固定在外壳1内。电源线9和信号引出线6置于电缆线中，通过电缆头7与外部测量仪的测量电路连接。

所述的采样控制器8可以是开关，或者是继电器，或者是光电耦合器，或者是光敏电阻。在本实施例中，采样控制器8是采用微型大电流按钮开关。当然，开关既可以是手动开关，也可以是自动开关。由于探头尺寸的局限，开关必须微型化。本实施例中所采用的微型按钮开关，接触电阻小于1mΩ，接触电阻波动不超过5uΩ，即小于5uΩ。

所述的探针定位块2，在本实施例中，采用的是塑胶块。因为弹簧探针的针尖301是穿过探针定位块2上的定位孔伸出到外壳1外，即探针定位块2上的定位孔对探针起到定位的作用。实验证明，探头测量的准确性和稳定性与4根弹簧探针之间的中心距离有关系，也就是说与探针定位块上定位孔的加工精度有直接关系。探针定位块上定位孔的加工参数见表2。

表2

孔径	01、02探针中心距	02、03探针中心距	03、04探针中心距
孔径	01、02探针中心距	02、03探针中心距	03、04探针中心距	0.7-1.0mm	1-1.5mm	1.2-6.8mm	1-1.5mm

探针压缩行程为0.3mm-3mm。在测量的过程中，为了使全部(4根)弹簧探针都能够被充分地压缩到位，则全部弹簧探针的针尖必须高出外壳的外缘0.3mm-3mm。在本实施例中，探针压缩行程为1.5mm。

防尘高度为0.3-4mm。弹簧探针在被压缩时，为了防止灰尘堵塞探针定位块的定位孔，要求探针定位块的表面比外壳的外缘凹进(称谓防尘高度)0.3mm-4mm。在本实施例中，探针定位块的表面低于外壳的外缘2mm(或称探针定位块的表面比外壳的外缘凹进2mm)。

图2是图1探头的4根弹簧探针测量回路的示意图，4根弹簧探针01、02、03、04，其中两根弹簧探针01、04是电流探针，外接有电流表A；另外两根弹簧探针02、03是电压探针，外接有电压表V。测厚仪开始测量，首先测量电路提供测量信号(电流信号)给探头，通过探头的两根电流探针01、04流过待测的铜箔表面，电流的大小由测量电路上的模数转换电路自动测量计算；两根电压探针02、03检测到铜层微电阻产生的电势差，电势差的大小由测量仪的测量电路自动测量计算。

图2中A表示测量电路中的电流表，连接的是电流探针01、04，V表示测量电路中的电压表，连接的是电压探针02、03。弹簧探针被压缩在待测铜箔上扫描，测厚仪根据电势差和电流值计算出铜箔的电阻，从而计算出铜箔的厚度。

图3是图1探头应用四端法测量金属箔微电阻的电路原理图。如图3所示，电阻R1、R2、R3、R4分别是弹簧探针01、02、03、04的接触电阻，具体的是R1，R4为电流探针01、04的接触电阻，R2、R3为电压探针02、03的接触电阻，R_x为待测金属箔的电阻。采样控制器K(在本实施例中为微型按钮开关)连接于弹簧探针与恒流源(电源)之间的电源线Ic上，采样控制器K的开与关控制着恒流源对弹簧探针的供电，即控制着探头的工作时间。

图4是弹簧探针一实施例的结构示意图。如图4所示，弹簧探针3包括针筒303，置于针筒303内的弹簧302，位于针筒303一端的针尖301，位于针筒303另一端的针尾304以及覆盖在弹簧探针表面上的金属膜。为了保证测量的准确性和稳定性，要求弹簧探针本身接触电阻的变化越小越好，因此在弹簧探针(包括针筒和针尖)的表面上覆盖有重金属膜。在本实施例中，在弹簧探针的表面镀有足够厚度的镍/金复合膜或镍/铹复合膜。目的是减小弹簧探针的接触电阻，提高耐磨性能，并能抵抗氧化和腐蚀。

在本实施例中，弹簧探针的性能如下：探针的自由行程为2-6mm；测量时，探针被压缩的行程要小于2/3自由行程，为0.5-2mm；探针针尖直径为50-250um，针身直径为0.5-0.7mm，针管直径为0.7-1mm。弹簧压力在30-180g之间，过小会降低重复测量精度，过高则会压伤铜箔。弹簧探针使用寿命为100万次，信号电缆线单根导线电阻小于1Ω。

图5是在先技术中的探头测量铜箔时探针上的电压波形图(仪器为泰克TDS2022B示波器，横坐标为扫描时间，纵坐标为电压幅度)，显然，曲线上有不规则的杂波干扰，测量重复精度不佳的原因即在于此。

图6是本实用新型加有采样控制器的探头，在与图5相同的测量条件下所测量的结果，可以看出杂波干扰基本被排除了。因此本实用新型的探头具有较高的测量重复精度。

Claims

1.一种金属箔测厚仪的测量探头，包括外壳，置于外壳内的电路板，置于外壳内电路板上的带有定位孔的探针定位块，其特征在于包括：

至少4根相互平行的弹簧探针，垂直的安装在电路板上，弹簧探针的针尖通过探针定位块上的定位孔伸出到外壳外，弹簧探针的针尾连接有电源线和信号引出线；

一采样控制器，连接在弹簧探针针尾上的电源线上，用于控制弹簧探针与电源之间的通与断。

2.根据权利要求1所述的金属箔测厚仪的测量探头，其特征在于所述的采样控制器是开关，或者是继电器，或者是光电耦合器，或者是光敏电阻。

3.根据权利要求2所述的金属箔测厚仪的测量探头，其特征在于所述的采样控制器的波动电阻小于5uΩ。

4.根据权利要求1所述的金属箔测厚仪的测量探头，其特征在于所述的弹簧探针包括针筒，置于针筒内的弹簧，位于针筒一端的针尖，位于针筒另一端的针尾，覆盖在弹簧探针表面上的的重金属膜。

5.根据权利要求1所述的金属箔测厚仪的测量探头，其特征在于所述的弹簧探针的针尖高出外壳的外缘0.3mm-3mm。

6.根据权利要求1所述的金属箔测厚仪的测量探头，其特征在于所述的探针定位块的表面低于外壳的外缘0.3mm-4mm。