专利名称：晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路及其测量方法
技术领域：
本发明涉及晶控仪技术，特别是涉及一种晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路及其测量方法的技术。
背景技术：
晶控膜厚控制仪是利用石英晶片的谐振频率与膜层厚度之间的关系来控制膜层厚度的真空镀膜过程控制装置，主要由带有石英晶片的晶振探头，及用于测量石英晶片谐振频率的晶振频率测量电路，用于控制镀膜速率的膜速控制电路组成，在晶振频率测量电路中设有振荡器，晶振探头安装在真空锻I吴设备的真空室内，晶振探头上的石英晶片的一侧表面暴露在蒸发源的上方。 在对样品片进行真空镀膜过程中，膜料会沉积在石英晶片及样品片上，石英晶片的谐振频率会随着膜料沉积而降低，晶控膜厚控制仪利用晶振频率测量电路测量石英晶片的谐振频率变化，根据谐振频率与膜层厚度的转换关系，得出沉积膜层厚度，及沉积膜层在不同时刻的厚度差，即可得到膜料沉积速率，然后再通过PID算法控制蒸发源的功率，以得到稳定的趋于设计速率的沉积速率。由于石英晶体片在一段频率变化范围内，与膜层厚度变化成线性关系，使得晶控膜厚控制仪相对于其他膜厚控制方法(例如光学控制法)，更便于石英晶片镀膜的沉积速率控制，因此晶控膜厚控制仪已经逐渐成为真空镀膜设备的标准控制仪器之一。对于晶控仪来说，晶振片频率及其变化是膜厚计算的依据，频率测量是所有晶控仪的核心。目前常规晶控仪提供的原始数据也仅限于振荡频率，对于晶振片的其他参数没有提供。晶控仪使用的晶振片，通常为AT切割方式，在常温附近有良好的频率温度特性，其声学振荡为厚度剪切模式。在真空镀膜过程中，为了保证晶振片的温度稳定，探头部位需要通冷却水。在真空镀膜控制过程中，由于晶振片温度较低，尤其是没有离子源辅助或低速率的热蒸发成膜过程，因此晶振片表面沉积的膜层粗糙度较大，结构疏松，应力大。晶振片内部声学剪切振荡波传播到晶振片表面的疏松或有裂纹膜层时，会有较大的振荡能量损耗，会导致晶振片Q值降低，电学等效电阻变大。这种损耗越大，晶振片的谐振频率稳定性就越低，甚至不再振荡；晶振片的谐振频率不稳定反应在对真空镀膜的膜料沉积速率控制上的后果是速率不稳定，而晶振片不振荡则会导致对真空镀膜的膜料沉积速率控制失效。这种由于晶振片自身损耗变大带来的不稳定，使得晶控仪难以继续进行真实有效的速率控制。另外，当发生这种速率不稳定现象时，晶控仪上的厚度记录也将难以准确。这在晶控仪的应用中是应该尽量避免的。在真空镀膜成膜过程中，发生晶控速率不稳的原因较多，晶振片自身损耗变大仅是其中之一却也是最致命的，因为这种情况下，晶控仪厚度记录也是不准确的，而且没有重复性。晶振探头加工不良、电极污染、安装不良、电缆破损、晶振片不良、新晶振片表面受到污染等情况在只有频率测量的晶控仪上也得不到有效反应，目前还没有测量晶振片损耗的有效方法。

发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能测量晶振片阻力损耗，避免因晶振片损耗大而引起的膜料沉积速率控制不稳定现象发生的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路及其测量方法。为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路，涉及待测晶振片，其特征在于该电路包括微处理器、正弦信号发生器，及两个电压跟随回路，所述两个电压跟随回路分别为第一电压跟随回路、第二电压跟随回路；
所述微处理器设有一控制信号输出端、一测量信号输入端，微处理器的控制信号输出端接到正弦信号发生器的控制信号输入端；
所述第一电压跟随回路的输入端接到正弦信号发生器的信号输出端，第一电压跟随回 路的输出端经一分压电阻接到第二电压跟随回路的输入端；
所述第二电压跟随回路的输出端依次经一整流回路、一滤波回路、一电平变换回路、一模数转换器接到微处理器的测量信号输入端；
所述待测晶振片的一个电气连接端接地，另一个电气连接端接到第二电压跟随回路的输入端。进一步的，所述整流回路采用的是全波整流回路。进一步的，所述滤波回路采用的是低通滤波回路。本发明所提供的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路的测量方法，其特征在于
将晶控仪的待测晶振片与晶控仪的电路分离，再将待测晶振片的额定谐振频率值设定为扫描频率上限值，将扫描频率上限值减去I兆赫后所得到的值设定为扫描频率下限值；利用微处理器向正弦信号发生器输出控制信号，使正弦信号发生器向待测晶振片输出正弦波测试信号，通过微处理器测量出待测晶振片在不同频率正弦波测试信号下的振荡幅度，并对此进行归一化处理；
归一化处理的具体步骤如下
1)测量待测晶振片在正弦波测试信号的频率为扫描频率上限值时的振荡幅度，作为上限频率基准满幅度值，测量待测晶振片在正弦波测试信号的频率为扫描频率下限值时的振荡幅度，作为下限频率基准满幅度值；
2)计算出频率与满幅度之间线性关系的系数斜率和截距，具体计算公式为
Dl= kXfl+b
D2= kXf2+b 得出
k = (D2-D1) / (f2-fl)b = (f2XDl-flXD2) / (f2-fl)
其中，Dl为上限频率基准满幅度值，D2为下限频率基准满幅度值，fl为扫描频率上限值，f2为扫描频率下限值，k为系数斜率，b为截距；
3)设定测试频率值，利用微处理器控制正弦信号发生器输出频率值与测试频率值一致的正弦波测试信号；4)利用微处理器测量出待测晶振片在测试频率值时振荡幅度，并根据实测振荡幅度值，计算出待测晶振片在测试频率值时的阻力损耗为
Z = DS/DX100%
D= kXf+b
其中，Z为阻力损耗，DS为实测振荡幅度值，f为测试频率值。本发明提供的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路及其测量方法，通过对晶振片施加不同频率的正弦波测试信号，测量出晶振片在不同频率正弦波测试信号下的振荡幅度，并对此进行归一化处理，从而测量出晶振片阻力损耗，避免因晶振片损耗大而引起的膜料 沉积速率控制不稳定现象发生，能用于检查晶控仪的晶振探头回路状态，及晶振片的安装质量，晶振片的更换时机等。


图I是本发明实施例的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路的原理框 图2是本发明实施例的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路的电路 图3是本发明实施例的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路，对额定谐振频率为
5.9995MHz的晶振片的电抗定量计算图。
具体实施例方式以下结合

对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。如图I所示，本发明实施例所提供的一种晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路，涉及待测晶振片Xl，其特征在于该电路包括微处理器U3、正弦信号发生器SI，及两个电压跟随回路，所述两个电压跟随回路分别为第一电压跟随回路U11、第二电压跟随回路U12 ；
所述微处理器U3设有一控制信号输出端、一测量信号输入端,微处理器U3的控制信号输出端接到正弦信号发生器SI的控制信号输入端；
所述第一电压跟随回路Ull的输入端接到正弦信号发生器SI的信号输出端，第一电压跟随回路Ull的输出端经一分压电阻R6接到第二电压跟随回路U12的输入端；
所述第二电压跟随回路U12的输出端依次经一整流回路U13、一滤波回路U14、一电平变换回路U15、一模数转换器U2接到微处理器U3的测量信号输入端；
所述待测晶振片Xl的一个电气连接端接地，另一个电气连接端接到第二电压跟随回路U12的输入端。本发明实施例中，所述电压跟随回路、整流回路、滤波回路、电平变换回路均为现有技术；
图2是测量谐振频率为5. 9995MHz的晶振片阻力损耗的具体电路，该电路中
电压跟随回路由单个运算放大器构成，其中第一电压跟随回路由单个运算放大器UlC构成，第二电压跟随回路由单个运算放大器UlD构成；
整流回路采用的是由两个运算放大器U1A、U1B，两个二极管D1、D2，及六个电阻R1、R2、R31、R32、R4构成的全波整流回路，其中Rl、R2、R31、R32、R4的阻值为500 Ω，R5的阻值为Ik Ω ；电平转换回路由一增益电阻R5构成；
滤波回路是由一电阻R7、一电容Cl构成的RC低通滤波回路；
模数转换器U2的输入端设有两个保护二极管D3、D4，模数转换器U2的满量程为3. 3V ；运算放大器UlC的正相输入端接正弦信号发生器SI的信号输出端，运算放大器UlC的输出端经分压电阻R6接到运算放大器UlD的正相输入端；
待测晶振片Xl的一个电气连接端接地，另一个电气连接端接到运算放大器UlD的正相输入端；
图2中的Vo、Vi、Vx是电路中的三个电压取值点的电压，该三个电压取值点的电压有如下关系
Vo = -Vi X R5/R4 - VxXR5/R3 ；
Vi>0 时，Dl 截止，D2 导通，此时 Vx = - (R2/R1) Vi = -Vi JlJVo = Vi X R5/R4 ；
Vi〈0 时，Dl 导通，D2 截止，此时 Vx = OJlJVo = -Vi X R5/R4 ；
Vo值即为电平转换回路的输出增益；
电平转换回路的目的是使得模数转换器U2的输入端电压最大值不超过供电电源电压，为充分利用模数转换器U2的分辨力，模数转换器U2的输入端电压最大值宜调整在电源电压的一半多。本发 明其它实施例中，所述电压跟随回路、整流回路、滤波回路、电平变换回路也可以采用能实现相同功能的其它现有回路替代。本发明实施例所提供的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路的测量方法，其特征在于
将晶控仪的待测晶振片与晶控仪的电路分离，再将待测晶振片的额定谐振频率值设定为扫描频率上限值，将扫描频率上限值减去I兆赫后所得到的值设定为扫描频率下限值，比如待测晶振片的额定谐振频率值为6兆赫，则扫描频率上限值为6兆赫，扫描频率下限值为5兆赫；
利用微处理器向正弦信号发生器输出控制信号，使正弦信号发生器输出正弦波测试信号，正弦信号发生器输出的正弦波测试信号经第一电压跟随回路及分压电阻后加载到待测晶振片上，待测晶振片的谐振信号则经第二电压跟随回路、整流回路、滤波回路、电平变换回路后，由模数转换器转换为数字信号输入微处理器，利用微处理器测量出待测晶振片在不同频率正弦波测试信号下的振荡幅度，并对此进行归一化处理；
归一化处理的具体步骤如下
1)测量待测晶振片在正弦波测试信号的频率为扫描频率上限值时的振荡幅度，作为上限频率基准满幅度值，测量待测晶振片在正弦波测试信号的频率为扫描频率下限值时的振荡幅度，作为下限频率基准满幅度值；
2)计算出频率与满幅度之间线性关系的系数斜率和截距，具体计算公式为
Dl= kXfl+b
D2= kXf2+b 得出
k = (D2-D1) / (f2-fl)b = (f2XDl-flXD2) / (f2-fl)其中，Dl为上限频率基准满幅度值，D2为下限频率基准满幅度值，fl为扫描频率上限值，f2为扫描频率下限值，k为系数斜率，b为截距；
3)设定测试频率值，利用微处理器控制正弦信号发生器输出频率值与测试频率值一致的正弦波测试信号；
4)利用微处理器测量出待测晶振片在测试频率值时振荡幅度，并根据实测振荡幅度值，计算出待测晶振片在测试频率值时的阻力损耗为
Z = DS/DX100%
D= kXf+b
其中，Z为阻力损耗，DS为实测振荡幅度值，f为测试频率值，当测试频率f等于晶振片的谐振频率时，则Z值就是晶振片的真实阻力损耗。 图3是对一额定谐振频率为5. 9995MHz的晶振片的电抗定量计算图，该图中的横轴为频率数值轴，纵轴为晶振片的电抗值轴。从图3可以看出，在串联谐振频率处，电抗为0，晶振片的阻抗呈纯阻性，而在稍偏离额定谐振频率时，无论是低频还是高频部分，晶振片阻抗都很快呈现出较大的容抗(即小于0)，所以在这些非额定谐振频率点处，由于晶振片阻抗远大于测量电路上端的电阻值，力口在整个测量电路上的电压降基本落在晶振片上，所以这些频率点测得的电压幅度也可以作为归一化的基准满幅度100%使用，而不会带来很大偏差。本发明实施例中，以扫描频率上限值及扫描频率下限值这两个扫描端点频率的满幅度作线性关系，其它频率处满幅度运算值与实测值之间，最大偏差小于2%。由于阻力损耗只是一个定性工具，阻力损耗与晶振片的振荡稳定性之间并没有建立起一个完全对应的定量关系，具有少量的偏差是允许的。另外，这种使用百分比形式表达的阻力损耗，可部分抵消电路元器件参数的分布及漂移特性，而获得很好的前后一致性。因此测量电路的元器件选择余地也非常大，可以很容易获得。在晶控仪出厂之前调试中，应当得出系数斜率k及截距b，并把它保存在晶控仪的参数存储区域，供正常工作时使用。晶振片的R值越小，则谐振时晶振片回路的分压也就越小，即阻力损耗值越小，随着晶振片R值的变大，阻力损耗值也会变大。在晶控仪工作时，如果晶振片接近失效(或安装不良，此时损耗很大)、失效或回路开路，晶振片的阻力损耗值接近100% ;如果晶振片回路短路，则晶振片的阻力损耗值接近0%。若晶振片安装时与电极之间的接触不良，则在阻力损耗测量回路中相当于串联了一个阻抗值(相当一部分情况下可以测量出频率，即频率上看不出问题)，这在阻力损耗值上的反应当然是变大，这样的晶振片在实际成膜过程中也容易发生速率不稳的现象，所以阻力损耗值也可看做是晶振片是否安装良好的参数之一。
权利要求
1.一种晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路，涉及待测晶振片，其特征在于该电路包括微处理器、正弦信号发生器，及两个电压跟随回路，所述两个电压跟随回路分别为第一电压跟随回路、第二电压跟随回路； 所述微处理器设有一控制信号输出端、一测量信号输入端，微处理器的控制信号输出端接到正弦信号发生器的控制信号输入端； 所述第一电压跟随回路的输入端接到正弦信号发生器的信号输出端，第一电压跟随回路的输出端经一分压电阻接到第二电压跟随回路的输入端； 所述第二电压跟随回路的输出端依次经一整流回路、一滤波回路、一电平变换回路、一模数转换器接到微处理器的测量信号输入端； 所述待测晶振片的一个电气连接端接地，另一个电气连接端接到第二电压跟随回路的输入端。
2.根据权利要求I所述的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路，其特征在于所述整流回路采用的是全波整流回路。
3.根据权利要求I或2所述的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路，其特征在于所述滤波回路采用的是低通滤波回路。
4.根据权利要求I所述的晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路的测量方法，其特征在于将晶控仪的待测晶振片与晶控仪的电路分离，再将待测晶振片的额定谐振频率值设定为扫描频率上限值，将扫描频率上限值减去I兆赫后所得到的值设定为扫描频率下限值；利用微处理器向正弦信号发生器输出控制信号，使正弦信号发生器向待测晶振片输出正弦波测试信号，通过微处理器测量出待测晶振片在不同频率正弦波测试信号下的振荡幅度，并对此进行归一化处理； 归一化处理的具体步骤如下 1)测量待测晶振片在正弦波测试信号的频率为扫描频率上限值时的振荡幅度，作为上限频率基准满幅度值，测量待测晶振片在正弦波测试信号的频率为扫描频率下限值时的振荡幅度，作为下限频率基准满幅度值； 2)计算出频率与满幅度之间线性关系的系数斜率和截距，具体计算公式为 Dl= kXfl+b D2= kXf2+b 得出k = (D2-D1) / (f2-fl)b = (f2XDl-flXD2) / (f2-fl) 其中，Dl为上限频率基准满幅度值，D2为下限频率基准满幅度值，fl为扫描频率上限值，f2为扫描频率下限值，k为系数斜率，b为截距； 3)设定测试频率值，利用微处理器控制正弦信号发生器输出频率值与测试频率值一致的正弦波测试信号； 4)利用微处理器测量出待测晶振片在测试频率值时振荡幅度，并根据实测振荡幅度值，计算出待测晶振片在测试频率值时的阻力损耗为 Z = DS/DX100%D= kXf+b 其中，Z为阻力损耗，DS为实测振荡幅度值，f为测试频率值。
全文摘要
一种晶控仪的晶振片阻力损耗测量电路及其测量方法，涉及晶控仪技术领域，所解决的是测量晶振片阻力损耗的技术问题。该电路利用微处理器控制正弦信号发生器向待测晶振片输出正弦波测试信号，通过微处理器测量出待测晶振片在不同频率正弦波测试信号下的振荡幅度，并对此进行归一化处理，计算出晶振片的阻力损耗。本发明提供的电路及方法，能用于检查晶控仪的晶振探头回路状态，及晶振片的安装质量，晶振片的更换时机等。
文档编号G01R27/26GK102914698SQ20121042544
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者张子业 申请人:上海膜林科技有限公司