[发明专利]基于电涡流传感器的导电膜厚度测量系统及方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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：

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LOC线斜率，给出所述导电膜样品的厚度。

其中所述传感器探测线圈10由圆盘型线圈构成。

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。

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。

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δ大于两倍的目标厚度t，即δ＞2t。

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。

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。

其中，在实际测量前，利用公式K＝C₁·σt，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C₁的值。

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：