專利名稱：晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路及其測量方法
技術領域：
本發明涉及晶控儀技術，特別是涉及一種晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路及其測量方法的技術。
背景技術：
晶控膜厚控制儀是利用石英晶片的諧振頻率與膜層厚度之間的關系來控制膜層厚度的真空鍍膜過程控制裝置，主要由帶有石英晶片的晶振探頭，及用于測量石英晶片諧振頻率的晶振頻率測量電路，用于控制鍍膜速率的膜速控制電路組成，在晶振頻率測量電路中設有振蕩器，晶振探頭安裝在真空鍛I吳設備的真空室內，晶振探頭上的石英晶片的一側表面暴露在蒸發源的上方。 在對樣品片進行真空鍍膜過程中，膜料會沉積在石英晶片及樣品片上，石英晶片的諧振頻率會隨著膜料沉積而降低，晶控膜厚控制儀利用晶振頻率測量電路測量石英晶片的諧振頻率變化，根據諧振頻率與膜層厚度的轉換關系，得出沉積膜層厚度，及沉積膜層在不同時刻的厚度差，即可得到膜料沉積速率，然后再通過PID算法控制蒸發源的功率，以得到穩定的趨于設計速率的沉積速率。由于石英晶體片在一段頻率變化范圍內，與膜層厚度變化成線性關系，使得晶控膜厚控制儀相對于其他膜厚控制方法(例如光學控制法)，更便于石英晶片鍍膜的沉積速率控制，因此晶控膜厚控制儀已經逐漸成為真空鍍膜設備的標準控制儀器之一。對于晶控儀來說，晶振片頻率及其變化是膜厚計算的依據，頻率測量是所有晶控儀的核心。目前常規晶控儀提供的原始數據也僅限于振蕩頻率，對于晶振片的其他參數沒有提供。晶控儀使用的晶振片，通常為AT切割方式，在常溫附近有良好的頻率溫度特性，其聲學振蕩為厚度剪切模式。在真空鍍膜過程中，為了保證晶振片的溫度穩定，探頭部位需要通冷卻水。在真空鍍膜控制過程中，由于晶振片溫度較低，尤其是沒有離子源輔助或低速率的熱蒸發成膜過程，因此晶振片表面沉積的膜層粗糙度較大，結構疏松，應力大。晶振片內部聲學剪切振蕩波傳播到晶振片表面的疏松或有裂紋膜層時，會有較大的振蕩能量損耗，會導致晶振片Q值降低，電學等效電阻變大。這種損耗越大，晶振片的諧振頻率穩定性就越低，甚至不再振蕩；晶振片的諧振頻率不穩定反應在對真空鍍膜的膜料沉積速率控制上的后果是速率不穩定，而晶振片不振蕩則會導致對真空鍍膜的膜料沉積速率控制失效。這種由于晶振片自身損耗變大帶來的不穩定，使得晶控儀難以繼續進行真實有效的速率控制。另外，當發生這種速率不穩定現象時，晶控儀上的厚度記錄也將難以準確。這在晶控儀的應用中是應該盡量避免的。在真空鍍膜成膜過程中，發生晶控速率不穩的原因較多，晶振片自身損耗變大僅是其中之一卻也是最致命的，因為這種情況下，晶控儀厚度記錄也是不準確的，而且沒有重復性。晶振探頭加工不良、電極污染、安裝不良、電纜破損、晶振片不良、新晶振片表面受到污染等情況在只有頻率測量的晶控儀上也得不到有效反應，目前還沒有測量晶振片損耗的有效方法。
發明內容
針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種能測量晶振片阻力損耗，避免因晶振片損耗大而引起的膜料沉積速率控制不穩定現象發生的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路及其測量方法。為了解決上述技術問題，本發明所提供的一種晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路，涉及待測晶振片，其特征在于該電路包括微處理器、正弦信號發生器，及兩個電壓跟隨回路，所述兩個電壓跟隨回路分別為第一電壓跟隨回路、第二電壓跟隨回路；
所述微處理器設有一控制信號輸出端、一測量信號輸入端，微處理器的控制信號輸出端接到正弦信號發生器的控制信號輸入端；
所述第一電壓跟隨回路的輸入端接到正弦信號發生器的信號輸出端，第一電壓跟隨回 路的輸出端經一分壓電阻接到第二電壓跟隨回路的輸入端；
所述第二電壓跟隨回路的輸出端依次經一整流回路、一濾波回路、一電平變換回路、一模數轉換器接到微處理器的測量信號輸入端；
所述待測晶振片的一個電氣連接端接地，另一個電氣連接端接到第二電壓跟隨回路的輸入端。進一步的，所述整流回路采用的是全波整流回路。進一步的，所述濾波回路采用的是低通濾波回路。本發明所提供的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路的測量方法，其特征在于
將晶控儀的待測晶振片與晶控儀的電路分離，再將待測晶振片的額定諧振頻率值設定為掃描頻率上限值，將掃描頻率上限值減去I兆赫后所得到的值設定為掃描頻率下限值；利用微處理器向正弦信號發生器輸出控制信號，使正弦信號發生器向待測晶振片輸出正弦波測試信號，通過微處理器測量出待測晶振片在不同頻率正弦波測試信號下的振蕩幅度，并對此進行歸一化處理；
歸一化處理的具體步驟如下
1)測量待測晶振片在正弦波測試信號的頻率為掃描頻率上限值時的振蕩幅度，作為上限頻率基準滿幅度值，測量待測晶振片在正弦波測試信號的頻率為掃描頻率下限值時的振蕩幅度，作為下限頻率基準滿幅度值；
2)計算出頻率與滿幅度之間線性關系的系數斜率和截距，具體計算公式為
Dl= kXfl+b
D2= kXf2+b 得出
k = (D2-D1) / (f2-fl)b = (f2XDl-flXD2) / (f2-fl)
其中，Dl為上限頻率基準滿幅度值，D2為下限頻率基準滿幅度值，fl為掃描頻率上限值，f2為掃描頻率下限值，k為系數斜率，b為截距；
3)設定測試頻率值，利用微處理器控制正弦信號發生器輸出頻率值與測試頻率值一致的正弦波測試信號；4)利用微處理器測量出待測晶振片在測試頻率值時振蕩幅度，并根據實測振蕩幅度值，計算出待測晶振片在測試頻率值時的阻力損耗為
Z = DS/DX100%
D= kXf+b
其中，Z為阻力損耗，DS為實測振蕩幅度值，f為測試頻率值。本發明提供的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路及其測量方法，通過對晶振片施加不同頻率的正弦波測試信號，測量出晶振片在不同頻率正弦波測試信號下的振蕩幅度，并對此進行歸一化處理，從而測量出晶振片阻力損耗，避免因晶振片損耗大而引起的膜料 沉積速率控制不穩定現象發生，能用于檢查晶控儀的晶振探頭回路狀態，及晶振片的安裝質量，晶振片的更換時機等。
圖I是本發明實施例的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路的原理框 圖2是本發明實施例的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路的電路 圖3是本發明實施例的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路，對額定諧振頻率為
5.9995MHz的晶振片的電抗定量計算圖。
具體實施例方式以下結合
對本發明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發明，凡是采用本發明的相似結構及其相似變化，均應列入本發明的保護范圍。如圖I所示，本發明實施例所提供的一種晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路，涉及待測晶振片Xl，其特征在于該電路包括微處理器U3、正弦信號發生器SI，及兩個電壓跟隨回路，所述兩個電壓跟隨回路分別為第一電壓跟隨回路U11、第二電壓跟隨回路U12 ；
所述微處理器U3設有一控制信號輸出端、一測量信號輸入端,微處理器U3的控制信號輸出端接到正弦信號發生器SI的控制信號輸入端；
所述第一電壓跟隨回路Ull的輸入端接到正弦信號發生器SI的信號輸出端，第一電壓跟隨回路Ull的輸出端經一分壓電阻R6接到第二電壓跟隨回路U12的輸入端；
所述第二電壓跟隨回路U12的輸出端依次經一整流回路U13、一濾波回路U14、一電平變換回路U15、一模數轉換器U2接到微處理器U3的測量信號輸入端；
所述待測晶振片Xl的一個電氣連接端接地，另一個電氣連接端接到第二電壓跟隨回路U12的輸入端。本發明實施例中，所述電壓跟隨回路、整流回路、濾波回路、電平變換回路均為現有技術；
圖2是測量諧振頻率為5. 9995MHz的晶振片阻力損耗的具體電路，該電路中
電壓跟隨回路由單個運算放大器構成，其中第一電壓跟隨回路由單個運算放大器UlC構成，第二電壓跟隨回路由單個運算放大器UlD構成；
整流回路采用的是由兩個運算放大器U1A、U1B，兩個二極管D1、D2，及六個電阻R1、R2、R31、R32、R4構成的全波整流回路，其中Rl、R2、R31、R32、R4的阻值為500 Ω，R5的阻值為Ik Ω ；電平轉換回路由一增益電阻R5構成；
濾波回路是由一電阻R7、一電容Cl構成的RC低通濾波回路；
模數轉換器U2的輸入端設有兩個保護二極管D3、D4，模數轉換器U2的滿量程為3. 3V ；運算放大器UlC的正相輸入端接正弦信號發生器SI的信號輸出端，運算放大器UlC的輸出端經分壓電阻R6接到運算放大器UlD的正相輸入端；
待測晶振片Xl的一個電氣連接端接地，另一個電氣連接端接到運算放大器UlD的正相輸入端；
圖2中的Vo、Vi、Vx是電路中的三個電壓取值點的電壓，該三個電壓取值點的電壓有如下關系
Vo = -Vi X R5/R4 - VxXR5/R3 ；
Vi>0 時，Dl 截止，D2 導通，此時 Vx = - (R2/R1) Vi = -Vi JlJVo = Vi X R5/R4 ；
Vi〈0 時，Dl 導通，D2 截止，此時 Vx = OJlJVo = -Vi X R5/R4 ；
Vo值即為電平轉換回路的輸出增益；
電平轉換回路的目的是使得模數轉換器U2的輸入端電壓最大值不超過供電電源電壓，為充分利用模數轉換器U2的分辨力，模數轉換器U2的輸入端電壓最大值宜調整在電源電壓的一半多。本發 明其它實施例中，所述電壓跟隨回路、整流回路、濾波回路、電平變換回路也可以采用能實現相同功能的其它現有回路替代。本發明實施例所提供的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路的測量方法，其特征在于
將晶控儀的待測晶振片與晶控儀的電路分離，再將待測晶振片的額定諧振頻率值設定為掃描頻率上限值，將掃描頻率上限值減去I兆赫后所得到的值設定為掃描頻率下限值，比如待測晶振片的額定諧振頻率值為6兆赫，則掃描頻率上限值為6兆赫，掃描頻率下限值為5兆赫；
利用微處理器向正弦信號發生器輸出控制信號，使正弦信號發生器輸出正弦波測試信號，正弦信號發生器輸出的正弦波測試信號經第一電壓跟隨回路及分壓電阻后加載到待測晶振片上，待測晶振片的諧振信號則經第二電壓跟隨回路、整流回路、濾波回路、電平變換回路后，由模數轉換器轉換為數字信號輸入微處理器，利用微處理器測量出待測晶振片在不同頻率正弦波測試信號下的振蕩幅度，并對此進行歸一化處理；
歸一化處理的具體步驟如下
1)測量待測晶振片在正弦波測試信號的頻率為掃描頻率上限值時的振蕩幅度，作為上限頻率基準滿幅度值，測量待測晶振片在正弦波測試信號的頻率為掃描頻率下限值時的振蕩幅度，作為下限頻率基準滿幅度值；
2)計算出頻率與滿幅度之間線性關系的系數斜率和截距，具體計算公式為
Dl= kXfl+b
D2= kXf2+b 得出
k = (D2-D1) / (f2-fl)b = (f2XDl-flXD2) / (f2-fl)其中，Dl為上限頻率基準滿幅度值，D2為下限頻率基準滿幅度值，fl為掃描頻率上限值，f2為掃描頻率下限值，k為系數斜率，b為截距；
3)設定測試頻率值，利用微處理器控制正弦信號發生器輸出頻率值與測試頻率值一致的正弦波測試信號；
4)利用微處理器測量出待測晶振片在測試頻率值時振蕩幅度，并根據實測振蕩幅度值，計算出待測晶振片在測試頻率值時的阻力損耗為
Z = DS/DX100%
D= kXf+b
其中，Z為阻力損耗，DS為實測振蕩幅度值，f為測試頻率值，當測試頻率f等于晶振片的諧振頻率時，則Z值就是晶振片的真實阻力損耗。 圖3是對一額定諧振頻率為5. 9995MHz的晶振片的電抗定量計算圖，該圖中的橫軸為頻率數值軸，縱軸為晶振片的電抗值軸。從圖3可以看出，在串聯諧振頻率處，電抗為0，晶振片的阻抗呈純阻性，而在稍偏離額定諧振頻率時，無論是低頻還是高頻部分，晶振片阻抗都很快呈現出較大的容抗(即小于0)，所以在這些非額定諧振頻率點處，由于晶振片阻抗遠大于測量電路上端的電阻值，力口在整個測量電路上的電壓降基本落在晶振片上，所以這些頻率點測得的電壓幅度也可以作為歸一化的基準滿幅度100%使用，而不會帶來很大偏差。本發明實施例中，以掃描頻率上限值及掃描頻率下限值這兩個掃描端點頻率的滿幅度作線性關系，其它頻率處滿幅度運算值與實測值之間，最大偏差小于2%。由于阻力損耗只是一個定性工具，阻力損耗與晶振片的振蕩穩定性之間并沒有建立起一個完全對應的定量關系，具有少量的偏差是允許的。另外，這種使用百分比形式表達的阻力損耗，可部分抵消電路元器件參數的分布及漂移特性，而獲得很好的前后一致性。因此測量電路的元器件選擇余地也非常大，可以很容易獲得。在晶控儀出廠之前調試中，應當得出系數斜率k及截距b，并把它保存在晶控儀的參數存儲區域，供正常工作時使用。晶振片的R值越小，則諧振時晶振片回路的分壓也就越小，即阻力損耗值越小，隨著晶振片R值的變大，阻力損耗值也會變大。在晶控儀工作時，如果晶振片接近失效(或安裝不良，此時損耗很大)、失效或回路開路，晶振片的阻力損耗值接近100% ;如果晶振片回路短路，則晶振片的阻力損耗值接近0%。若晶振片安裝時與電極之間的接觸不良，則在阻力損耗測量回路中相當于串聯了一個阻抗值(相當一部分情況下可以測量出頻率，即頻率上看不出問題)，這在阻力損耗值上的反應當然是變大，這樣的晶振片在實際成膜過程中也容易發生速率不穩的現象，所以阻力損耗值也可看做是晶振片是否安裝良好的參數之一。
權利要求
1.一種晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路，涉及待測晶振片，其特征在于該電路包括微處理器、正弦信號發生器，及兩個電壓跟隨回路，所述兩個電壓跟隨回路分別為第一電壓跟隨回路、第二電壓跟隨回路； 所述微處理器設有一控制信號輸出端、一測量信號輸入端，微處理器的控制信號輸出端接到正弦信號發生器的控制信號輸入端； 所述第一電壓跟隨回路的輸入端接到正弦信號發生器的信號輸出端，第一電壓跟隨回路的輸出端經一分壓電阻接到第二電壓跟隨回路的輸入端； 所述第二電壓跟隨回路的輸出端依次經一整流回路、一濾波回路、一電平變換回路、一模數轉換器接到微處理器的測量信號輸入端； 所述待測晶振片的一個電氣連接端接地，另一個電氣連接端接到第二電壓跟隨回路的輸入端。
2.根據權利要求I所述的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路，其特征在于所述整流回路采用的是全波整流回路。
3.根據權利要求I或2所述的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路，其特征在于所述濾波回路采用的是低通濾波回路。
4.根據權利要求I所述的晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路的測量方法，其特征在于將晶控儀的待測晶振片與晶控儀的電路分離，再將待測晶振片的額定諧振頻率值設定為掃描頻率上限值，將掃描頻率上限值減去I兆赫后所得到的值設定為掃描頻率下限值；利用微處理器向正弦信號發生器輸出控制信號，使正弦信號發生器向待測晶振片輸出正弦波測試信號，通過微處理器測量出待測晶振片在不同頻率正弦波測試信號下的振蕩幅度，并對此進行歸一化處理； 歸一化處理的具體步驟如下 1)測量待測晶振片在正弦波測試信號的頻率為掃描頻率上限值時的振蕩幅度，作為上限頻率基準滿幅度值，測量待測晶振片在正弦波測試信號的頻率為掃描頻率下限值時的振蕩幅度，作為下限頻率基準滿幅度值； 2)計算出頻率與滿幅度之間線性關系的系數斜率和截距，具體計算公式為 Dl= kXfl+b D2= kXf2+b 得出k = (D2-D1) / (f2-fl)b = (f2XDl-flXD2) / (f2-fl) 其中，Dl為上限頻率基準滿幅度值，D2為下限頻率基準滿幅度值，fl為掃描頻率上限值，f2為掃描頻率下限值，k為系數斜率，b為截距； 3)設定測試頻率值，利用微處理器控制正弦信號發生器輸出頻率值與測試頻率值一致的正弦波測試信號； 4)利用微處理器測量出待測晶振片在測試頻率值時振蕩幅度，并根據實測振蕩幅度值，計算出待測晶振片在測試頻率值時的阻力損耗為 Z = DS/DX100%D= kXf+b 其中，Z為阻力損耗，DS為實測振蕩幅度值，f為測試頻率值。
全文摘要
一種晶控儀的晶振片阻力損耗測量電路及其測量方法，涉及晶控儀技術領域，所解決的是測量晶振片阻力損耗的技術問題。該電路利用微處理器控制正弦信號發生器向待測晶振片輸出正弦波測試信號，通過微處理器測量出待測晶振片在不同頻率正弦波測試信號下的振蕩幅度，并對此進行歸一化處理，計算出晶振片的阻力損耗。本發明提供的電路及方法，能用于檢查晶控儀的晶振探頭回路狀態，及晶振片的安裝質量，晶振片的更換時機等。
文檔編號G01R27/26GK102914698SQ20121042544
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月31日 優先權日2012年10月31日
發明者張子業 申請人:上海膜林科技有限公司