基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统及方法
【专利摘要】一种基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统及对应测量方法，利用涡流传感器探测线圈的阻抗在电阻-电感平面中的对应点在不同探测距离下形成的提离线的斜率与被测导电膜厚度的关系来实现厚度测量。所述导电膜厚度测量系统包括：带有探测线圈的电涡流传感器探头、阻抗测量电路、实现探头上下移动的微型致动器以及控制测量过程和厚度结果输出的控制器。本发明方法简单高效，可以非接触地准确测量出导电膜的厚度，测量结果几乎不受探测距离的影响，厚度测量范围从几十nm到几mm，可以广泛地用于半导体金属膜检测、工业生产线上的金属膜在线测量系统以及各种镀膜工艺的质量监控或检测等应用中。
【专利说明】基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及涡流传感器领域，尤其涉及一种基于电涡流传感器的导电膜厚度测量 系统及方法。
【背景技术】
[0002] 电涡流传感器是采用施加高频激励的探测线圈来在被测导体样品中产生感应涡 流，改变探测线圈的阻抗，不同的距离和不同的样品属性会产生不同的涡流，从而使探测线 圈具有不同的阻抗变化。通过测量探测线圈的阻抗（电感和电阻）变化，即可提取被测样 品的位置（速度）、电阻率、厚度等各种属性信息。由于电涡流传感器自身的特点，它具有稳 定性高、对环境污染不敏感、工作温度范围宽、频率响应宽、价格便宜等诸多优势，已经广泛 地应用于各种实验研究和工业现场的位移、振动、角度、速度等的测量，以及缺陷检查、质量 监测等在线系统中。
[0003] 各种导电薄膜（铜箔、铝箔等）的生产线，以及电镀薄膜和半导体晶片的基板上的 铜膜抛光工艺，都需要一个能够非接触的、简单可靠的导电薄膜厚度测量方法。目前主要采 用的是光学测量方法、超声波法和X射线测量方法。
[0004] 光学传感器基于光波长来进行测量，可以精确地测量各种膜厚，但其系统设备昂 贵、庞大，系统复杂，对环境敏感，而且需要对样品进行特殊的处理才能实现精确测量，难于 广泛地用于在线生产线中。射线法可以较为准确的测量非常薄的金属膜的厚度，但系统昂 贵复杂，对人体有危害。超声波法已经较为成熟，系统简单可靠，但只能用于比较厚的物体 测量，而且测量分辨率不高。
[0005] 近十年来，电涡流厚度测量系统开始受到广泛关注，采用复合频率和脉冲式电涡 流传感器可以可靠地测量各种导电膜的厚度，系统相对简单，可以实现非接触、高速测量。 但由于涡流传感器对探测距离（提离距离）高度敏感，因此在厚度测量中，通常需要控制探 测距离，或者采用一些特殊的特征信息来减低或者消除探测距离的影响。诸如频率拐点、脉 冲的过零点和峰值等特征信息已经被国内外的一些研究者用于导电膜厚度测量。不同结构 的探头结构和方法以及特征信息被设计用来实现厚度测量。但所有这些方法仍然存在涡流 传感器结构复杂、设计要求高、信号处理复杂、不可靠、测量速度慢、测量结果一定程度上受 探测距离影响等问题。因此简单可靠、高速，与探测距离无关的导电膜厚度测量涡流传感器 仍然是亟待解决的难题。
【发明内容】
[0006] 针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于电涡流传感器的导电膜厚度测 量系统及方法，以快速、精确地对导电膜厚度进行测量。
[0007] 为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种基于电涡流传感 器的导电膜厚度测量系统，包括：
[0008] 传感器探测线圈10,位于电涡流传感器探头2的下端，用于产生交变磁场，在导电 膜样品上形成感应涡流；
[0009] 阻抗测量电路3,用于给所述传感器探测线圈10通以高频交流信号，同时检测所 述传感器探测线圈10的电阻R和电感L ;以及
[0010] 控制器4,用于控制所述阻抗测量电路3输出到所述传感器探测线圈10的高频交 流信号的频率，并根据所述阻抗测量电路3检测到的电阻R和电感L求得L0C线斜率，给出 所述导电膜样品的厚度。
[0011] 其中所述传感器探测线圈10由圆盘型线圈构成。
[0012] 所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统，还包括微型致动器6,用于驱动 所述电涡流传感器探头2振动。
[0013] 其中所述微型致动器6为压电悬臂梁驱动器、压电致动器、直线电机或电磁激振 器。
[0014] 其中所述控制器4控制的所述阻抗测量电路3输出到所述传感器探测线圈10的 高频交流信号的频率随着所述导电膜样品的厚度和电导率作适当的调整，需要满足该频率 下涡流在目标样品中的透射深度S大于两倍的目标厚度t，即δ >2t。
[0015] 其中所述控制器4根据所述阻抗测量电路3检测到的电阻R和电感L求得L0C线 斜率的步骤包括：
[0016] 所述控制器4同步记录微型致动器6的激励信号和传感器探头2的R和L信号， 获得探头振动的半个周期的完整移动距离下的线圈阻抗值R和L ;
[0017] 利用最小二乘法公式进行数值计算，得到R-L直线的斜率K。
[0018] 其中所述控制器4还执行下列步骤：
[0019] 计算最小二乘拟合的拟合线性相关系数r ;
[0020] 通过所述拟合线性相关系数判断拟合的质量，如果所述拟合线性相关系数r小于 设定的值，则认为测量不可靠，重新进行测量；否则认可试验结果。
[0021] 其中，在实际测量前，利用公式K = Q 〇 t，通过测量某种已知标准厚度和电阻率 的样品，所述控制器4即可计算获得系数q的值。
[0022] 作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种基于电涡流传感器的导电膜厚度 测量方法，包括下列步骤：
[0023] 初步调整传感器探头2和导电膜样品的距离，使其进入敏感区间；
[0024] 控制传感器探头2进一步移动，同时根据测得的阻抗信号的变化，初步判断出传 感器探头2的工作距离，并据此调整传感器探头2与导电膜样品的工作距离；
[0025] 控制器4调整DDS信号源11，产生合适频率和幅度的激励信号，通过功放放大后驱 动微型致动器6,激励传感器探头2做上下往复振动；
[0026] 控制器4同步记录微型致动器6的激励信号和传感器探头2的R和L信号，获得 探头振动的半个周期的完整移动距离下的线圈阻抗值R和L ;
[0027] 利用最小二乘法公式进行数值计算，得到R-L直线的斜率K，换算出导电膜样品的 厚度。
[0028] 其中，所述厚度测量方法还包括以下步骤：
[0029] 计算最小二乘拟合的拟合线性相关系数r ;
[0030] 通过所述拟合线性相关系数判断拟合的质量，如果所述拟合线性相关系数r小于 设定的值，则认为测量不可靠，重新进行测量；否则认可试验结果。
[0031] 其中，在实际测量前，利用公式K = Q 〇 t，通过测量某种已知标准厚度和电阻率 的样品，即可计算获得系数q的值。
[0032] 其中，所述微型致动器6激励信号的工作频率随着所述导电膜样品的厚度和电导 率作适当的调整，需要满足该工作频率下涡流在目标样品中的透射深度S大于两倍的目 标厚度t,即δ > 2t。
[0033] 其中，所述被测导电膜样品的厚度为几十nm到几 mm之间。
[0034] 其中，所述被测导电膜样品是非磁性导电材料。
[0035] 其中，所述导电膜厚度测量方法的测量速度高达20kHz以上。
[0036] 其中，所述导电膜厚度测量方法对被测目标的纵向振动不敏感，利用被测目标有 规律的纵向振动直接实现获得L0C提离线，实现厚度测量，无需致动器驱动探头做振动。
[0037] 其中，所述导电膜厚度测量方法对被测目标的水平移动不敏感，当被测目标以高 达100m/ S的速度移动时带来的测量误差在0. 01 %以下。
[0038] 其中，所述导电膜厚度测量方法的测量分辨率高达其厚度的0. 1 %以上，对微米级 薄膜的测量分辨率可以高达nm级。
[0039] 其中，所述导电膜厚度测量方法由于采用最小二乘法计算测量结果，对个别数据 的测量误差不敏感，厚度测量的分辨率高于线圈阻抗的测量分辨能力。
[0040] 通过上述技术方案可知，本发明的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统及对 应测量方法具有以下有益的技术效果：测量速度快，测量结果不受探测距离的影响，厚度与 测量物理量的关系简单明确，信息处理简单，安全无污染，对环境参数变化不敏感，可以在 各种恶劣环境中工作，可以适用的测量范围大，既可适用于高达几 mm的金属板测量，也可 用于几十nm的超薄金属膜厚度的精密测量。此外，被测样品横向或者纵向运动几乎不会 影响测量结果，非常适合工业现场在线测量和一些先进的高速精密厚度测量。本发明的厚 度测量方法具有任何目前已有电涡流厚度测量方法，或者其它厚度测量方法无可比拟的优 势，可以广泛地用于半导体金属膜检测、工业生产线上的金属膜在线测量以及各种镀膜工 艺的检测等应用中，在各种工业现场的膜厚质量监控系统中，也具有非常好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0041] 图1是本发明的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统的简单结构示意图；
[0042] 图2是电涡流传感器的结构及磁感应线分布示意图；
[0043] 图3 (a)、图3 (b)分别是电涡流传感器工作原理及对应的变压器模型的示意图；
[0044] 图4 (a)、图4 (b)分别是电涡流传感器涡流强度-厚度曲线及电涡流传感器等效成 导体环模型的示意图；
[0045] 图5 (a)、图5 (b)分别是电涡流传感器不同目标材料对应的L0C线图，以及L0C线 斜率K2与电阻率〇的关系曲线图；
[0046] 图6(a)、图6(b)分别是电涡流传感器不同厚度的目标材料的L0C线图，以及L0C 线斜率Κ与厚度t的曲线图；
[0047] 图7 (a)、图7 (b)分别是同一厚度、不同电阻率材料的L0C线图和L0C线斜率K与 电阻率σ的关系曲线图；
[0048] 图8是本发明的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统的电路系统结构简图； [0049] 图9(a)_(d)是微型致动器的几种形式的结构示意图，分别采用压电悬臂梁、压电 堆、直线电机、电磁铁作为致动器；
[0050] 图10左右两幅图是本发明的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统的工作示 意图，其中左图是有驱动器的，右图是固定不动的；
[0051] 图11 (a)、图11(b)分别是探头振动时的位移X、探头电感L、电阻R随时间变化的 曲线图，以及对应的L-R的L0C线的曲线图；
[0052] 图12 (a)、图12(b)分别是探头目标的不同静态距离屯下相同振幅时探测线圈的 阻抗R和L随时间变化的曲线图，以及对应的L-R的L0C线的曲线图；
[0053] 图13(a)、图13(b)分别是有振动干扰时探测线圈的阻抗R和L随时间变化的曲线 图，以及对应的L-R的L0C线的曲线图；
[0054] 图14是测量目标高速运动时对测量结果将会产生影响的示意图；
[0055] 图15是根据本发明的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法对不同厚度样品 进行测量的L0C线斜率K随时间变化的曲线图。
[0056] 附图标记说明：
[0057] 1、被测样品；2、传感器探头；3、阻抗测量电路；4、控制器；5、同轴电缆；6、致动器； 7、填充树脂胶；8、线圈保护壳；9、空气介质；10、探测线圈；11、DDS信号源；12、V/I变换器； 13、90度移相器；14、锁定放大器LIA ;15、正交解调器；16、功率放大器；17、底座；18、PZT 片；19、双层中空悬臂梁；20、传感器安装固定夹；21、压电致动器；22、直线步进电机；23、励 磁线圈；24、磁铁；25、弹簧；26、底座支架。
【具体实施方式】
[0058] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0059] 本发明的技术方案的基本原理如下：
[0060] 一个圆盘型的空心线圈作为涡流传感器的探测线圈，通过同轴线与阻抗测量电路 相连接。阻抗测量电路给探测线圈施加一个高频交流电流，同时能以极高的分辨率测量出 探测线圈阻抗的实部（R)和虚部（L)的变化量。
[0061] 当探测线圈与样品之间的距离X增大（或者减小）时，探测线圈在不同距离下的 阻抗在R-L平面中一序列的点形成一条曲线，称之为提离线（L0C线）。在探测距离X不太 大时（x<0.5r。，其中r。是探测线圈的半径），工作在高频的空心探测线圈，对于非铁磁性 样品的提离线是一条直线。当被测样品厚度小于该频率下的透射深度时，提离线的斜率与 被测导电样品的厚度和电阻率成正比：K = Q 〇 t ;当被测样品厚度超过该频率下透射深 度S的3倍时，斜率为
【权利要求】
1. 一种基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统，包括： 传感器探测线圈（10)，位于电涡流传感器探头（2)的下端，用于产生交变磁场，在导电 膜样品上形成感应涡流； 阻抗测量电路（3)，用于给所述传感器探测线圈（10)通以高频交流信号，同时检测所 述传感器探测线圈（10)的电阻R和电感L;以及 控制器（4)，用于控制所述阻抗测量电路（3)输出到所述传感器探测线圈（10)的高频 交流信号的频率，并根据所述阻抗测量电路（3)检测到的电阻R和电感L求得线圈阻抗在 R-L平面的提离线（LOC)的斜率，给出所述导电膜样品的厚度。
2. 根据权利要求1所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统，其中所述传感器 探测线圈（10)由圆盘型线圈构成。
3. 根据权利要求1或2所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统，还包括微型 致动器（6)，用于驱动所述电涡流传感器探头（2)振动。
4. 根据权利要求3所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统，其中所述微型致 动器（6)为压电悬臂梁驱动器、压电致动器、直线电机或电磁激振器。
5. 根据权利要求1所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统，其中所述控制器 (4)控制的所述阻抗测量电路（3)输出到所述传感器探测线圈（10)的高频交流信号的频率 随着所述导电膜样品的厚度和电导率作适当的调整，需要满足该频率下涡流在目标样品中 的透射深度S大于两倍的目标厚度t，即δ >2t。
6. 根据权利要求1所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统，其中所述控制器 (4)根据所述阻抗测量电路（3)检测到的电阻R和电感L求得LOC线斜率的步骤包括： 所述控制器（4)同步记录微型致动器（6)的激励信号和传感器探头（2)的R和L信号， 获得探头振动的半个周期的完整移动距离下的线圈阻抗值R和L ; 利用最小二乘法公式进行数值计算，得到R-L直线的斜率K。
7. 根据权利要求6所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统，其中所述控制器 (4)还执行下列步骤： 计算最小二乘拟合的拟合线性相关系数r ; 通过所述拟合线性相关系数判断拟合的质量，如果所述拟合线性相关系数r小于设定 的值，则认为测量不可靠，重新进行测量；否则认可试验结果。
8. 根据权利要求1所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统，其中在实际测量 前，利用公式K = Q 〇 t，通过测量某种已知标准厚度和电阻率的样品，所述控制器（4)即 可计算获得系数(^的值。
9. 一种基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法，包括下列步骤： 初步调整传感器探头（2)和导电膜样品的距离，使其进入敏感区间； 控制传感器探头（2)进一步移动，同时根据测得的阻抗信号的变化，初步判断出传感 器探头（2)的工作距离，并据此调整传感器探头（2)与导电膜样品的工作距离； 控制器（4)调整DDS信号源（11)，产生合适频率和幅度的激励信号，通过功放放大后驱 动微型致动器￠)，激励传感器探头（2)做上下往复振动； 控制器⑷同步记录微型致动器（6)的激励信号和传感器探头（2)的R和L信号，获 得探头振动的半个周期的完整移动距离下的线圈阻抗值R和L ; 利用最小二乘法公式进行数值计算，得到R-L直线的斜率K，换算出导电膜样品的厚 度。
10. 根据权利要求9所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法，还包括以下步 骤： 计算最小二乘拟合的拟合线性相关系数r ; 通过所述拟合线性相关系数判断拟合的质量，如果所述拟合线性相关系数r小于设定 的值，则认为测量不可靠，重新进行测量；否则认可试验结果。
11. 根据权利要求9所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法，其中在实际测 量前，利用公式K = Q 〇 t，通过测量某种已知标准厚度和电阻率的样品，即可计算获得系 数心的值。
12. 根据权利要求9所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法，其中所述微型 致动器（6)激励信号的工作频率随着所述导电膜样品的厚度和电导率作适当的调整，需要 满足该工作频率下涡流在目标样品中的透射深度S大于两倍的目标厚度t，即δ >2t。
13. 根据权利要求9所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法，其中所述被测 导电膜样品的厚度为几十nm到几 mm之间。
14. 根据权利要求9所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法，所述被测导电 膜样品是非磁性导电材料。
15. 根据权利要求9所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法，所述导电膜厚 度测量方法的测量速度高达20kHz以上。
16. 根据权利要求9所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法，其中所述导电 膜厚度测量方法对被测目标的水平移动不敏感，当被测目标以高达l〇〇m/ S的速度移动时 带来的测量误差在0.01 %以下。
17. 根据权利要求9所述的基于电涡流传感器的导电膜厚度测量方法，其中所述导电 膜厚度测量方法的测量分辨率高达其厚度的〇. 1%以上，对微米级薄膜的测量分辨率可以 高达nm级。
【文档编号】G01B7/06GK104154852SQ201410412326
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】冯志华, 王洪波, 李伟, 琚斌 申请人:中国科学技术大学