专利名称：一种介质厚度测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及非电量测量装置，特别涉及一种新型介质厚度测量装置。
背景技术：
随着电子技术的不断发展，对线路板高频性能的要求越来越高，特性阻抗控制成为很普遍的要求。介质厚度是影响特性阻抗的一个很重要的因素，因此介质厚度控制显得越来越重要。线路板发展的另一个关键技术是激光钻孔技术，在激光钻孔的工艺开发和品质控制中，介质厚度是影响最大的一个因素。此外，要取得良好的盲孔制作效果，也必须对介质厚度实施精确监控。
总之，随着线路板性能的提高，介质厚度的精确监控显得愈发重要。在已有技术的介质厚度控制技术中，广为采用的是金相切片法，这是一种破坏性的测试方法，成本很高而且效率很低，不能及时反馈数据。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种新型介质厚度测量装置，它对被测线路板没有破坏性，并且能够精确、实时地提供测量结果。
本实用新型的目的通过以下技术方案实现一种介质厚度测量装置，包含桥式电路，其包含平衡变压器、标准电容器和电阻器，其中，平衡变压器的初级线圈与交流信号源连接，标准电容器的其中一端和待测厚度线路板的其中一面经同一电阻器与次级线圈的均分压抽头相连，标准电容器的另一端和待测厚度线路板的另一面分别与次级线圈的两个同极性端相连；检波和整流电路，其包含两个运算放大器，其中，前一放大器的反相输入端与标准电容器的所述其中一端相连，前一放大器的输出端与同相输入端以及后一运算放大器的反相输入端相连，后一放大器的输出端经极性反向的二极管与后一放大器的同相输入端相连；以及输出电路，其包含放大器，其中，放大器的同相输入端与检波和整流电路中后一放大器的输出端相连。
比较好的是，在上述介质厚度测量装置中，所述标准电容器为已知厚度的线路板。
比较好的是，在上述介质厚度测量装置中，所述平衡变压器的均分压抽头接地。
在上述本实用新型的介质厚度测量装置中，即使全部采用普通元器件也可获得很高的测量精度，因此降低了测量装置的成本。而且由于采用已知厚度的线路板作为标准电容器，所以可以克服环境带来的测量误差。
图1为按照本实用新型的介质厚度测量装置中桥式电路的原理图。
图2为按照本实用新型的介质厚度测量装置所用信号波形示意图。
图3为按照本实用新型的介质厚度测量装置中检波和整流电路的原理图。
图4为按照本实用新型的介质厚度测量装置中输出电路的原理图。
具体实施方式
为了能进行非破坏性的高效率测量，比较好的方法是将介质厚度转换为电学量进行测量。根据平行板电容器的电容C由下式得到C＝εrε0S/d(1)其中，S为平板电容器面积，d为电容器平板之间的间距，如果将线路板厚度及铜层视为一平板电容器，即可根据测得的电容值换算出介质厚度。对于FR-4材料的线路板，假设εr＝4.6，ε0＝8.854×10-12C.V.m-1，S＝4×10-7m2，d＝1×10-4m，则根据式(1)计算得到电容值为0.163pF。直接测量如此小的电容显然会带来很大的测量误差，而且对测量仪器也有很高的要求，为此，本实用新型的方法是进行相对值测量，即，将已知厚度的标准线路板作为标准电容器并将被测线路板与该标准板进行比较，根据测得的相对值确定被测板的介质厚度。
以下借助附图描述本实用新型的介质厚度测量装置。
如上所述，测量介质厚度的核心问题是测量电容的相对值，为此，本实用新型采用图1所示桥式电路提供检测信号。如图1所示，桥式电路包含平衡变压器T、标准电容器C1、被测电容器C2和电阻器R，其中，平衡变压器T的初级线圈n1与交流信号源连接，被测电容器C2即待测厚度的线路板，两个电容器的其中一端(对于被测电容器而言即为线路板其中一个表面)经电阻器R与次级线圈n2的均分压抽头O相连，标准电容器C1和被测电容器C2的另一端(对于被测电容器而言为线路板的另一表面)分别与次级线圈的两个同名端A和B相连。此外，比较好的是，平衡变压器T的均分压抽头O接地。
在图2所示的桥式电容中，交流信号经过平衡变压器T分压后，同名端A和B的电压极性相同并且电压值严格相等。当电容器C1和C2存在微小差别时，C点的电压将发生微小的变化，通过测量该点电信号即可确定出两个电容器的相对值，从而确定标准与待测线路板厚度的相对值。
图2示出了提供给平衡变压器T初级线圈n1的交流信号波形图，如图2所示，该交流信号为极性交替变化的方波，比较好的是，信号频率设定为16MHz，峰值电压为5伏特。
由上可见，C点输出的检测信号为高频信号，为了采用普通仪表测量电信号的大小，需要将该高频交流信号转换为直流信号。为此，在本实用新型中，采用图3所示的检波和整流电路，其包含两个运算放大器A1和A2，其中，前一放大器A1的反相输入端V1-与桥式电路中的C点相连，前一放大器A1的输出端V1o与同相输入端V1+以及后一运算放大器A2的反相输入端V2-相连，后一放大器A2的输出端V2o经极性反向的二极管D与后一放大器A2的同相输入端V1+相连。这种电容结构虽然采用的都是普通器件，但是已经能够保证足够的输入阻抗和检测灵敏度。
检波和整流电路输出的直流信号被送至图4所示的输出电路，该输出电路包含放大器A3和外围辅助电路，其中，放大器A3的同相输入端V3+与检波和整流电路中后一放大器A2的输出端V2o相连。
在实际的测量装置中，可用一块已知厚度的标准测试板来代替标准电容C1。虽然随着环境的变化，标准板的电容值会发生变化，但是由于被测板的电容也会同步发生变化，因此它们的相对值保持固定。这种自位校准的方法可使本实用新型的介质厚度测量装置对环境的适应性很强，不需要特别的环境控制以保证标准电容的稳定，因而很适合在工厂使用。
以下对上述介质厚度测量装置的测量精度进行分析。为简单起见，假设Δd与ΔC成正比，则可根据下式(2)计算误差δδ＝ΔS/S×d(2)如果标准介质厚度d1＝150μm，ΔS＝0.0254mm×1mm，S＝1mm×1mm，则δ为3.8μm，可见，对于待测板介质厚度在150μm左右的线路板，本介质厚度测量装置的精度即可达到3.8μm以内。此外，由(2)式可知，通过选择较大的测试焊盘增大面积S有利于提高测量精度。
权利要求1.一种介质厚度测量装置，其特征在于，包含桥式电路，其包含平衡变压器、标准电容器和电阻器，其中，平衡变压器的初级线圈与交流信号源连接，标准电容器的其中一端和待测厚度线路板的其中一面经同一电阻器与次级线圈的均分压抽头相连，标准电容器的另一端和待测厚度线路板的另一面分别与次级线圈的两个同极性端相连；检波和整流电路，其包含两个运算放大器，其中，前一放大器的反相输入端与标准电容器的所述其中一端相连，前一放大器的输出端与同相输入端以及后一运算放大器的反相输入端相连，后一放大器的输出端经极性反向的二极管与后一放大器的同相输入端相连；以及输出电路，其包含放大器，其中，放大器的同相输入端与检波和整流电路中后一放大器的输出端相连。
2.如权利要求1所述的介质厚度测量装置，其特征在于，所述标准电容器为已知厚度的线路板。
3.如权利要求1或2所述的介质厚度测量装置，其特征在于，所述平衡变压器的均分压抽头接地。
专利摘要一种新型介质厚度测量装置，它可无损伤地测量线路板厚度，并且能够精确、实时地提供测量结果，包含桥式电路，其包含平衡变压器、标准电容器和电阻器，标准电容器的其中一端和待测厚度线路板的其中一面经同一电阻器与次级线圈的均分压抽头相连，标准电容器的另一端和待测厚度线路板的另一面分别与次级线圈的两个同极性端相连；检波和整流电路，其包含两个运算放大器，其中，前一放大器的反相输入端与标准电容器的所述其中一端相连，输出端与同相输入端以及后一运算放大器的反相输入端相连，后一放大器的输出端经极性反向的二极管与同相输入端相连；以及输出电路，其包含放大器，其中，放大器的同相输入端与检波和整流电路中后一放大器的输出端相连。
文档编号G01B7/02GK2615637SQ0323004
公开日2004年5月12日 申请日期2003年4月4日 优先权日2003年4月4日
发明者薛继武, 沈卫岗 申请人:上海美维电子有限公司