[其他]薄膜厚度測量裝置

無效

• 申請號: 87207427
• 申請日: 1987-07-07
• 公開（公告）號: CN87207427U
• 公開（公告）日: 1988-04-20
• 發明（設計）人: 李焯;楊進城;鐘茂聲;呂文選
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01B15/02
• 分類號: G01B15/02
• 代理公司: 廈門大學專利事務所
• 代理人: 馬應森

本實用新型屬于微波測厚技術。

1973年特爾湯（B.L.Dalton，J.Microwavepower??Vol??8，1973.235）用兩個一端開放的園柱型TEo11模高Q腔體作為傳感器，被測金屬板位于兩個腔體的共有端面。金屬板的厚度d與諧振頻偏有如下關系：

d＝Xo－△f／α????????（1）

式中Xo為兩腔體的間距，α為常數，△f為兩腔體諧振頻偏和，即相對開放端密封時的頻偏。其測量精度為2.5μm。但該方法是利用電磁波在金屬面的全反射，不適于介質薄膜的厚度測量。

介質微擾腔體方法較早是用于濕度的測量。

本實用新型的目的是對微波腔體微擾法的改進，并應用于介質薄膜的厚度測量。

利用微波腔體微擾法測量薄膜厚度的裝置一般包括傳感器、微波源、檢測電路、脈沖形成電路、顯示電路和電源等，其中傳感器是裝置的關鍵。本實用新型采用雙腔單膜高Q????TEo11模園柱型腔體作為傳感器，雙腔為工作腔和參考腔。被測薄膜插入工作腔，例如將工作腔沿縱向中央開橫向隙縫，被測薄膜穿透插入腔體。為實現自動、連續測量，設有與工作腔相同模式的腔體作為參考腔。

微波壓控振蕩器通過T型等功率分配器和隔離器與工作腔和參考腔連接，當工作腔受介質微擾產生正比于厚度d的諧振頻偏時，其諧振峰與參考腔諧振峰比較后，就將厚度d轉換為諧振時間差。兩諧振曲線經峰值檢測電路、脈沖形成電路、雙穩態電路后輸出其寬度與厚度d成正比的脈沖，再經線性積分后，輸出電壓即與厚度d成正比。

被測薄膜穿透插入腔體時，在符合微擾的條件下，腔體諧振頻率偏移為：

△f＝－（ε_r－1）d／l （2）

式中d為被測薄膜厚度，εr為相對介電常數，l為腔體長度。當εr、l一定時，△f與d成正比，由此可推導得厚度的分辨率為

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

式中Qu為諧振腔有載Q值，△fo為諧振曲線的半功率帶寬，δf為厚度δd所對應的腔體諧振頻偏。若工作頻率取為9300MHz，Qu＝3000，諧振峰點監測精度為0.02，則可估算得δd＝1.3μm，即高Q腔微擾法可獲得較高的分辨率。式（3）表明，提高工作頻率，減少l，可提高分辨率。然而，工作頻率再提高，Qu值下降，開槽隙縫也相應減小，使被測薄膜不能順利通過。因此，沒有必要再提高工作頻率。

為了提高傳感器的溫度自補償作用，工作腔5由兩個半腔組成，如圖1所示，其中一半5A與參考腔6直接連結在一起，可用同一園的材料加工而成，另一半5B通過良導熱體例如“︺”形黃銅連接塊18與參考腔連結在一起，使兩腔體的溫度基本相同，達到溫度的自補償作用。

本實用新型選用線性好、功耗小的場效應壓控振蕩器作為微波振蕩源，利用掃頻技術實現自動測量，壓控振蕩器的線性對儀器的精度及溫度的穩定性是極為重要的。常用的鐵氧體YIG單晶電調諧振蕩器雖然掃頻線性很好，但需磁場部件及供電，而體效應壓控振蕩器的功耗大，掃頻線性差。

與現有技術相比，由于將參考腔和工作腔結合在一起，兩高Q腔體均工作于TEo11模式，掃頻微波源選擇線性好、功耗小的場效應壓控振蕩器，使得兩腔體的熱漂移一致性好，具有良好的溫度自補償作用和線性指示，零漂小，耗散功率小，體積小。被測薄膜通過園柱型高QTEo11腔體中的電場波腹處，因而大大提高了測量分辨率及精度，通常整機分辨率可達0.2μm，精度≤±0.5μm。適用于一般的介質薄膜，磁帶介質薄膜、塑料薄膜，介質上的無水涂層等的厚度及厚度均勻性測量。可以在線連續測量和質檢兼容，無接觸測量，快速顯示，及時指導現場生產，減少原材料損耗，提高成品率。

附圖給出本實用新型的實施例。

圖1為傳感器結構示意圖。

圖2為薄膜厚度測量裝置方框圖。

其中1……壓控振蕩器，2……T型等功率分配器，3、4……隔離器，5（5A，5B）、6……工作腔、參考腔，7、8……晶體檢波器，9、10……放大器，11，12……脈沖形成電路，13……雙脈沖形成電路，14????R－S觸發器，15……積分濾波器，16……數字電壓面板表，17……被測薄膜，18……連接塊。