[发明专利]一种基于电磁传感器的金属膜厚测量装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，涉及一种金属膜厚的测量装置及测量方法。

背景技术

在工业应用的许多场合需要对金属膜厚进行测量，对金属膜厚的严格控制在汽车工业、精密机械加工、甚至集成电路生产中都有意义。比如硅衬底CMOS射频集成电路中纳米级的金属膜厚的测量意义重大，因为硅衬底CMOS射频集成电路中平面螺旋电感的Q值就受到金属膜层厚度的影响；在其它材料加工处理领域，对金属涂料的测厚也是一个广泛存在的问题。

目前为止，利用电磁法测量金属膜厚是比较好的方法，但提离距离的变化是采取电磁法测量金属膜厚度精度限制的主要因素。以前的学者做过一些研究来克服这个问题，比如采取双线圈法等。但是没有人从理论和实践上解决了这个问题。所以在理论和实践上提出一个切实有效的、能克服提离距离产生误差的方法意义重大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种金属膜厚的测量装置及测量方法。本发明采用如下的技术方案：

一种基于电磁传感器的金属膜厚测量装置，包括电磁传感器、信号发生单元、功率放大器、信号采集单元、上位计算机，其特征在于，所述的电磁传感器包括3个平行且同轴的线圈，其中，外侧的两个线圈为接收线圈，由相同的绕线按照相同的绕线密度、匝数和线圈直径及相反的绕线方向绕制而成，两个线圈的一端相互连接，各自的另一端分别作为一个接收端，构成差分结构，处在中间的线圈为激励线圈；上位计算机控制信号发生单元发出不同频率的激励信号经过功率放大器后被接在激励输入端，信号采集单元从两个接收端采集接收线圈的感应信号，其输出被送入上位计算机。

作为优选实施方式，所述的3个线圈的直径相等；所述的各个线圈的直径为0.5-500mm，绕线匝数介于1-20000；绕线的直径可以在0.001mm-10mm之间。

本发明同时提供一种采用所述的测量装置测量金属膜厚的方法，包括下列步骤：

(1)在不存在待测金属膜的情况下对电磁传感器的激励线圈通以不同频率的激励电流，对每个频率，采集两个接收线圈的感应电压值，并根据电感虚部模值公式得到不存在待测金属膜的情况下，各个频率所对应的电感虚部模值序列{K0}，式中，阻抗I为激励电流值，U为感应电压值；

(2)将电磁传感器置于靠近被测金属膜的位置，使线圈与被测金属膜平行，用同样的方法测得被测金属膜存在的情况下各个频率所对应的电感虚部模值序列{K1}；

(3)根据步骤(1)和(2)采集的数据，将存在被测金属膜和不存在被测金属膜两种情况测得的同频率下的电感虚部模值求差，并找到该差值随频率而变化的峰值；

(4)找到该峰值所对应的激励电流的频率w_p，并根据c×w_p＝常数，得到待测金属膜厚c，该常数可以通过实验或仿真得到。

本发明设计了一种用于测量金属膜厚的电磁传感器阵列，该阵列由两个相互连接并构成差分结构的接收线圈和位于两者之间的激励线圈构成，结构简单，成本低廉，检测灵敏、快速、有效，是最具可行性的金属膜厚的检测工具之一。

附图说明

图1是本发明的基于电磁传感器的金属膜厚的测量系统装置结构框图；

图2是电磁传感器的示意图。

具体实施方法