CN87207427U - 薄膜厚度测量装置 - Google Patents

Abstract

薄膜厚度测量装置。本实用新型属于微波测厚技术，是对微波腔体微扰法的改进，并应用于介质薄膜的厚度测量。它采用圆柱型TE。双腔单模作为传感器，被测薄膜位于沿纵向中央所开的横向隙缝中，采取温度自补偿措施和线性好的场效应压控振荡器作为微波振荡源，利用扫频技术实现无接触在线连续自动测量和质检兼容。其测量分辨率和精度高，零漂小，耗散功率小，体积小。

Description

本实用新型属于微波测厚技术。

1973年特尔汤（B.L.Dalton，J.Microwavepower  Vol  8，1973.235）用两个一端开放的园柱型TEo11模高Q腔体作为传感器，被测金属板位于两个腔体的共有端面。金属板的厚度d与谐振频偏有如下关系：

d＝Xo－△f／α        （1）

式中Xo为两腔体的间距，α为常数，△f为两腔体谐振频偏和，即相对开放端密封时的频偏。其测量精度为2.5μm。但该方法是利用电磁波在金属面的全反射，不适于介质薄膜的厚度测量。

介质微扰腔体方法较早是用于湿度的测量。

本实用新型的目的是对微波腔体微扰法的改进，并应用于介质薄膜的厚度测量。

利用微波腔体微扰法测量薄膜厚度的装置一般包括传感器、微波源、检测电路、脉冲形成电路、显示电路和电源等，其中传感器是装置的关键。本实用新型采用双腔单膜高Q    TEo11模园柱型腔体作为传感器，双腔为工作腔和参考腔。被测薄膜插入工作腔，例如将工作腔沿纵向中央开横向隙缝，被测薄膜穿透插入腔体。为实现自动、连续测量，设有与工作腔相同模式的腔体作为参考腔。

微波压控振荡器通过T型等功率分配器和隔离器与工作腔和参考腔连接，当工作腔受介质微扰产生正比于厚度d的谐振频偏时，其谐振峰与参考腔谐振峰比较后，就将厚度d转换为谐振时间差。两谐振曲线经峰值检测电路、脉冲形成电路、双稳态电路后输出其宽度与厚度d成正比的脉冲，再经线性积分后，输出电压即与厚度d成正比。

被测薄膜穿透插入腔体时，在符合微扰的条件下，腔体谐振频率偏移为：

△f＝－（ε_r－1）d／l （2）

式中d为被测薄膜厚度，εr为相对介电常数，l为腔体长度。当εr、l一定时，△f与d成正比，由此可推导得厚度的分辨率为

δd＝－ (l)/(2Qu(ε_r-1)) · (δf)/(△fo) （3）

式中Qu为谐振腔有载Q值，△fo为谐振曲线的半功率带宽，δf为厚度δd所对应的腔体谐振频偏。若工作频率取为9300MHz，Qu＝3000，谐振峰点监测精度为0.02，则可估算得δd＝1.3μm，即高Q腔微扰法可获得较高的分辨率。式（3）表明，提高工作频率，减少l，可提高分辨率。然而，工作频率再提高，Qu值下降，开槽隙缝也相应减小，使被测薄膜不能顺利通过。因此，没有必要再提高工作频率。

为了提高传感器的温度自补偿作用，工作腔5由两个半腔组成，如图1所示，其中一半5A与参考腔6直接连结在一起，可用同一园的材料加工而成，另一半5B通过良导热体例如“︺”形黄铜连接块18与参考腔连结在一起，使两腔体的温度基本相同，达到温度的自补偿作用。

本实用新型选用线性好、功耗小的场效应压控振荡器作为微波振荡源，利用扫频技术实现自动测量，压控振荡器的线性对仪器的精度及温度的稳定性是极为重要的。常用的铁氧体YIG单晶电调谐振荡器虽然扫频线性很好，但需磁场部件及供电，而体效应压控振荡器的功耗大，扫频线性差。

与现有技术相比，由于将参考腔和工作腔结合在一起，两高Q腔体均工作于TEo11模式，扫频微波源选择线性好、功耗小的场效应压控振荡器，使得两腔体的热漂移一致性好，具有良好的温度自补偿作用和线性指示，零漂小，耗散功率小，体积小。被测薄膜通过园柱型高QTEo11腔体中的电场波腹处，因而大大提高了测量分辨率及精度，通常整机分辨率可达0.2μm，精度≤±0.5μm。适用于一般的介质薄膜，磁带介质薄膜、塑料薄膜，介质上的无水涂层等的厚度及厚度均匀性测量。可以在线连续测量和质检兼容，无接触测量，快速显示，及时指导现场生产，减少原材料损耗，提高成品率。

附图给出本实用新型的实施例。

图1为传感器结构示意图。

图2为薄膜厚度测量装置方框图。

其中1……压控振荡器，2……T型等功率分配器，3、4……隔离器，5（5A，5B）、6……工作腔、参考腔，7、8……晶体检波器，9、10……放大器，11，12……脉冲形成电路，13……双脉冲形成电路，14    R－S触发器，15……积分滤波器，16……数字电压面板表，17……被测薄膜，18……连接块。

TE₀₁₁模有载Q值大于3000，工作频率为9300MHZ，工作腔由两个半腔组成，5A与参考腔用同一园的黄铜棒加工而成，另一半5B通过“︺”型黄铜块18与参考腔连结在一起，使两腔体的温度基本相同，达到温度的自补偿作用。压控振荡器是场效应压控振荡器。工作腔两半腔的缝距为1mm，腔体口径为43.8mm，工作腔长为36.4mm，参考腔长为36.2mm。

场效应压控振荡器的振荡电压经过T型等功率分配器、单向隔离器进入工作腔体和参考腔体。由于工作腔体填入介质（被测薄膜）产生一定的频偏，因此，压控振荡器将两腔的频率差转换为谐振时间差，再送入同轴检波器组成的检测电路，就把薄膜厚度转换成某一宽度的脉冲信号。放大器可采用双限幅运算放大器，再由过零比较器形成方波，单稳整形，触发与非门，经过积分和滤波电路变换成直流电压值，送至数字电压面板表直接显示被测薄膜的厚度值。

本实施例的测量范围可以达到0～60μm，可扩展至100μm，分辨率≤0.2μm，精度≤±0.5μm，开机一小时后静态零漂≤±0.5μm／8小时，动态连续≤±0.6μm／8小时，环境温度0～40℃可以无接触自动连续数字显示。

Claims (3)

1、微波高Q腔体微扰法测量薄膜厚度的装置，它包括传感器、微波源、检测电路、脉冲形成电路、显示电路和电源，其特征在于传感器采用双腔单模高QTE₀₁₁模园柱型腔体，双腔为工作腔5和参考腔6，工作腔沿纵向中央开横向隙缝，工作腔5分为两个半腔5A、5B，其中5A与参考腔直接连结，5B通过良导热体连接块18与参考腔连接。

2、根据权利要求1和2所述的装置，其特征是高Q腔体的工作频率为9300MHZ。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于微波源用场效应压控振荡器。