專利名稱：用于測定涂層厚度的掃頻渦流系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂層厚度的測定，特別涉及用掃頻振蕩器的渦流發(fā)生器進(jìn)行的涂層厚度的測定。
襯底部分涂敷有薄涂層時(shí)，控制涂層的厚度是非常重要的。涂層的物理性能(例如聲阻抗或電阻率)與襯底顯然不同時(shí)，涂層厚度的控制是用一般方法進(jìn)行的，例如，超聲波或恒頻渦流法。但在涂敷某些襯底部分時(shí)，襯底與涂敷材料之間只有輕微的差別，例如，用鋯金屬涂敷鋯錫合金管材就是這樣。所以物理性能差別很小時(shí)，涂層厚度的測定就很困難。
因此本發(fā)明的目的是測定涂層的厚度，特別是測定物理性能與襯底差別很小的涂層的厚度。
簡單地說，上述和其它目的是借助根據(jù)本發(fā)明測定襯底材料已知的襯底上的涂層厚度測定儀達(dá)到的，該厚度測定儀包括變頻渦流發(fā)生裝置和導(dǎo)電率變化比較裝置，前者用以在經(jīng)涂敷的襯底、涂層和該已知材料的未經(jīng)涂敷的襯底中產(chǎn)生變頻渦流，后者用以比較涂層和經(jīng)涂敷的襯底兩者與未經(jīng)涂敷的襯底在導(dǎo)電率方面隨頻率的變化而變的情況。
根據(jù)本發(fā)明測定材料已知的襯底上的涂層厚度的方法包括以下步驟在經(jīng)涂敷的襯底、涂層和該已知材料但未經(jīng)涂敷的襯底中產(chǎn)生變頻渦流;然后將涂層和經(jīng)涂敷的襯底兩者與未經(jīng)涂敷的襯底在導(dǎo)電率方面隨頻率的變化而變的情況加以比較。


圖1 是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方框圖。
圖2 是圖1中使用的探測線圈配置方式的剖視圖。
圖3 是本發(fā)明校準(zhǔn)用的彎板的剖視圖。
圖4 是圖1實(shí)施例中的信號(hào)曲線圖。
圖5 是本發(fā)明另一實(shí)施例的部分方框圖。
從圖1中可以看到電橋線路10包括探測線圈12和14，各線圈的一端接地。電橋10還包括電感16和18，分別連接到探頭12和14的另一端。盡管電感16和18可以用電阻器或電容器代替，但它們最好還是電感，這樣可以使電橋10在較寬的頻率范圍內(nèi)保持其靈敏度。電感16和18的另一端連接有掃頻信號(hào)源或振蕩器20。信號(hào)源20的掃頻一般在大約10千赫至10兆赫之間，掃描頻率約為30赫，但也可以采用其它頻率。信號(hào)源20最好是(輸出阻抗高的)恒流源，以便進(jìn)一步使電橋在整個(gè)掃頻范圍內(nèi)保持其靈敏度。比較裝置，例如相位檢波器22和24，其各自的一對輸入端分別連接到線圈12和16的接點(diǎn)，還連接到線圈14和18的接點(diǎn)。信號(hào)源20將信號(hào)供到相位調(diào)節(jié)器26的輸入端。來自調(diào)節(jié)器26的輸出信號(hào)直接加到檢波器24的一個(gè)輸入端，還加到90度移相電路28的輸入端;來自電路28的輸出信號(hào)則加到檢波器22上。因此檢波器22是Q(正交)波道相位檢波器，檢波器24是I(同相)波道相位檢波器。
本技術(shù)領(lǐng)域中的人們都知道，檢波器22和24各包括一個(gè)以來自探頭12和14和來自信號(hào)源20的差分信號(hào)作為輸入信號(hào)的二極管電橋。來自該電橋的輸出信號(hào)加到一阻容低通濾波器上。該濾波器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于掃頻低頻極限的周期，例如1/10千赫，同時(shí)小于掃描頻率的周期，例如1/30赫。相位檢波器22和24實(shí)質(zhì)上是在來自探頭12和14的差分信號(hào)與加到相應(yīng)檢波器上參考振蕩信號(hào)同相時(shí)讓該差分信號(hào)通過，在不同相時(shí)不準(zhǔn)該差分信號(hào)通過。
來自Q波道檢波器22的輸出信號(hào)加到伺服電路30，伺服電路30有一個(gè)機(jī)械操作器(圖中未示出)，用以控制探頭12的位置，如圖中的虛線32所示。來自Q波道檢波器22的輸出信號(hào)還加到陰極射線管(CRT)顯示器33的垂直軸線輸入端上，顯示器33的水平軸線時(shí)間掃描與信號(hào)源20的掃頻同步。
來自I波道檢波器24的輸出信號(hào)加到放大器34的輸入端，該放大器的輸出信號(hào)供到開關(guān)36。開關(guān)36搭到接點(diǎn)38上作為直接顯示工作狀態(tài)時(shí)，放大器34的輸出信號(hào)加到CRT顯示器40的垂直軸線輸入端上，顯示器40的水平軸線時(shí)間掃描與信號(hào)源20的掃頻同步，以便顯示過渡頻率(下面即將說明)。
開關(guān)36搭接到點(diǎn)42上時(shí)，即選用了數(shù)字曲線擬合的工作狀態(tài)。所述放大器34的輸出信號(hào)加到回歸分析電路44上，回歸分析電路44可包括一經(jīng)編程可執(zhí)行最小二乘方近似法、最大似然法等算法的微處理器(這是本技術(shù)領(lǐng)域所周知的)，以便確定上述過渡頻率。也可以采用硬連線電路。來自電路44的過渡頻率輸出信號(hào)加到電路46上，電路46可以是例如一個(gè)只讀存儲(chǔ)器，是經(jīng)過涂層厚度對過渡頻率的關(guān)系一覽表標(biāo)定過的(下面即將說明)。來自電路46的涂層厚度輸出信號(hào)加到顯示器47，顯示器47可以是涂層厚度模擬顯示器，也可以是涂層厚度數(shù)字顯示器。
開關(guān)36搭到接點(diǎn)48上時(shí)，所述放大器34的輸出信號(hào)就加到微分器50，以計(jì)算所述輸出信號(hào)的一次導(dǎo)數(shù)。微分器50的輸出信號(hào)加到比例電路52，比例電路52可包括一個(gè)經(jīng)編程用以計(jì)算比值的微處理器。如本技術(shù)領(lǐng)域所周知的那樣，計(jì)算比值也可以采用硬線連接的數(shù)字和模擬電路。微分器50的輸出信號(hào)還加到微分器54上，以便計(jì)算放大器34輸出信號(hào)的二次導(dǎo)數(shù)。微分器54的輸出信號(hào)加到比例電路52。比例電路52的輸出信號(hào)加到CRT顯示器56的垂直軸線輸入端，顯示器56的水平軸線時(shí)間掃描與信號(hào)源20的掃頻同步。不難理解，顯示器33、40和56可以是具有根據(jù)開關(guān)36的位置或相位調(diào)節(jié)操作(下面即將談到)轉(zhuǎn)接到電路22、34或52各輸出端的開關(guān)(圖中未示出)的同一顯示器。該顯示器也可采用雙跡示波器。
如圖2(a)中所示的那樣，在第一次操作(叫做“相位調(diào)節(jié)”)期間，探頭12系安置在靠近襯底58的地方該襯底涂有厚度已知或未知的涂層或包層60，線圈的軸線最好垂直于襯底58。探頭14安置在靠近材料與襯底58相同的未經(jīng)涂敷的參考襯底62處，且線圈的軸線垂直于襯底62，如圖2(b)中所示。通常，襯底58和62以及涂層60可以是任何導(dǎo)電的材料，例如，金屬、導(dǎo)電的塑料、合成材料等。探頭12和14以及襯底58和60通常都是不動(dòng)的。掃頻信號(hào)，由信號(hào)源20產(chǎn)生于是襯底58和62以及涂層60中就產(chǎn)生與它們在瞬時(shí)頻率下各自的導(dǎo)電率相適應(yīng)的渦流。Q波道相位檢波器22通過比較渦流在線圈12和14中所產(chǎn)生的電壓的大小和相位而比較這些導(dǎo)電率，比較結(jié)果顯示在顯示器33上。然后調(diào)節(jié)相位調(diào)節(jié)電路26，使顯示器33顯示出的顯示線條64盡可能水平，即Q波道檢波器22對導(dǎo)電率變化上的差異可能有的最低靈敏度。這大致上相當(dāng)于I波道檢波器22對襯底58和涂層60兩者在導(dǎo)電率變化方面與襯底62的差異的最大靈敏度，也相當(dāng)于Q波道檢波器22對探頭12與襯底58之間距離變化的最大靈敏度。這后一種變化叫做“偏移”(lift-off)。
下一步是進(jìn)行標(biāo)定。如圖3所示，探頭12系貼近有一個(gè)成一定角度重疊的楔形涂層68的襯底66配置。涂層68的厚度按已知的方式隨其沿襯底的長度而變化。涂層68也可以不呈楔形而呈臺(tái)階高度已知的階梯(臺(tái)階)形。探頭14仍然如圖2(b)所示那樣配置。信號(hào)源20起作用之后，其頻率周期性地變化著。當(dāng)探頭12靠近涂層68的薄層部分且頻率低時(shí)，渦流透過涂層68和襯底66。于是由于探頭12和14實(shí)質(zhì)上在分別測量襯底66和62彼此相等的導(dǎo)電率，因而來自探頭12和14的信號(hào)幾乎相等，且電橋10近乎處于平衡狀態(tài)。隨著頻率的升高，電橋起初保持不變，但最后集膚效應(yīng)促使穿透到襯底66的渦流越來越少，于是電橋不平衡的程度增加，見圖4的曲線70。最后，不平衡情況穩(wěn)定下來，這時(shí)就測定涂層68的初始導(dǎo)電率。曲線70這兩個(gè)穩(wěn)定部分之間的半途有一個(gè)過渡頻率f2，這個(gè)頻率發(fā)生在涂層68的厚度大約等于表層厚度時(shí)。鑒于涂層的厚度是已知的，因而可以求出頻率對厚度的標(biāo)定點(diǎn)，并將其存儲(chǔ)在電路46中，然后校準(zhǔn)顯示器40和56的水平軸線。接著移動(dòng)探頭12，將其配置在靠近涂層68較厚部分處，然后重復(fù)上述過程，如曲線72所示。這次就得出新的過渡頻率f1，其中f2大于f1。將新的標(biāo)定點(diǎn)存儲(chǔ)在電路46中，然后校準(zhǔn)顯示器40和56的水平軸線。重復(fù)這個(gè)過程若干次，直到獲得足夠數(shù)量的標(biāo)定點(diǎn)為止。顯然，可以先用厚涂層進(jìn)行標(biāo)定，然后再用較薄的涂層進(jìn)行標(biāo)定。
下一步是用本發(fā)明的厚度測定儀測定未知厚度的涂層厚度，具體作法是將探頭12配置到靠近其涂層60的厚度未知的襯底58處，如圖2(a)所示。用探頭12在整個(gè)襯底58上就一維或二維的方式慢慢進(jìn)行掃描。不然也可以使探頭12保持不動(dòng)而移動(dòng)襯底58，或者采用上述兩種運(yùn)動(dòng)的組合，特別是在進(jìn)行二維掃描時(shí)，這時(shí)其中一個(gè)運(yùn)動(dòng)可以在一個(gè)方向上進(jìn)行，另一個(gè)運(yùn)動(dòng)可以垂直于所述一個(gè)方向進(jìn)行。這里“慢慢地”是指這種機(jī)械掃描比信號(hào)源20的掃描速度慢。必要時(shí)，在上述掃描過程中可以用Q波道檢波器22的輸出信號(hào)控制伺服電路30，由伺服電路30保持探頭12與襯底58之間的距離大致不變，即，使偏移減少到最低程度，從而提高厚度測定的精度。探頭14仍然如圖2(b)所示那樣配置。
放大器34提供如圖1中編號(hào)74所示的信號(hào)。當(dāng)用開關(guān)36選擇直接顯示的工作狀態(tài)時(shí)，則信號(hào)74會(huì)由顯示器40顯示。若選用數(shù)字曲線擬合工作狀態(tài)，則回歸分析電路44確定最適合信號(hào)74的過渡頻率。這時(shí)，表示該頻率的信號(hào)就加到電路46上，并由顯示器47顯示并讀出對應(yīng)于此頻率的厚度。
若選用斜率-曲率比工作狀態(tài)，則不直接利用電橋的不平衡，而是由電路50計(jì)算出信號(hào)74的一次導(dǎo)數(shù)，如圖中所示信號(hào)76。然后由電路54計(jì)算信號(hào)74的二次導(dǎo)數(shù)，如信號(hào)78所示。接著再由電路52計(jì)算信號(hào)76對信號(hào)78的比值。在高頻和低頻下，一次導(dǎo)數(shù)小。在過渡頻率下，一次導(dǎo)數(shù)大，二次導(dǎo)數(shù)則為零。在電橋不平衡與頻率的關(guān)系曲線的拐點(diǎn)處比值最大，如信號(hào)80所示。因此這是靈敏度極高的過渡頻率測定法。然后顯示器56顯示信號(hào)80。
必要時(shí)，和若用二維掃描時(shí)，可利用放大器34的輸出信號(hào)在一個(gè)顯示器(圖中未示出)上以黑白或彩色顯示一立體圖象。
不難理解，本發(fā)明提供的是一種即使在涂層與襯底的物理性能差別甚小時(shí)也能測定襯底涂層的厚度極為靈敏的儀器和方法。還應(yīng)該理解的是，在不脫離本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)和范圍的前提下是還可以舉出其它許多實(shí)施例的。例如，如圖5所示的那樣，探頭12和14也可以不是電橋電路10的一部分，而是連接到差分放大器82比較裝置相應(yīng)的輸入端上。各檢波器22和24的一個(gè)輸入端連接到放大器82的輸出端，而檢波器22和24的其余輸入端接地。電路的其余部分與圖1所示的相同。
權(quán)利要求
1.一種用于測定襯底材料已知的襯底上的涂層厚度的儀器，所述儀器包括變頻渦流發(fā)生裝置，用以在經(jīng)涂敷的襯底、該涂層和該已知材料但未經(jīng)涂敷的襯底中產(chǎn)生變頻渦流；和導(dǎo)電率變化比較裝置，用以比較所述涂層和經(jīng)涂敷的襯底兩者與未經(jīng)涂敷的襯底在導(dǎo)電率方面隨頻率的變化而變的情況。
2.如權(quán)利要求1所述的厚度測定儀器，其特征在于，所述比較裝置包括相位差檢測裝置，用以檢測所述渦流之間的相位差。
3.如權(quán)利要求1所述的厚度測定儀器，其特征在于，所述發(fā)生裝置包括一對探頭，即第一線圈和第二線圈，適宜分別配置在所述經(jīng)涂敷和未經(jīng)涂敷的襯底附近。
4.如權(quán)利要求3所述的厚度測定儀器，其特征在于，所述發(fā)生裝置包括含有所述第一和第二線圈的一個(gè)電橋電路。
5.如權(quán)利要求4所述的厚度測定儀器，其特征在于，所述電橋電路還包括第三和第四線圈。
6.如權(quán)利要求3所述的厚度測定儀器，其特征在于，所述比較裝置包括一差分放大器，該差分放大器的一對輸入端分別連接到所述各線圈上。
7.如權(quán)利要求1所述的厚度測定儀器，其特征在于，所述發(fā)生裝置包括在大約10千赫至10兆赫之間掃頻的振蕩器。
8.如權(quán)利要求1所述的厚度測定儀器，其特征在于，它還包括連接到所述比較裝置的顯示裝置。
9.如權(quán)利要求1所述的厚度測定儀器，其特征在于，它還包括一連接到所述比較裝置的回歸分析電路，和一連接到所述分析電路的厚度對頻率關(guān)系的存儲(chǔ)器。
10.如權(quán)利要求9所述的厚度測定儀器，其特征在于，所述分析電路是個(gè)最小二乘方電路。
11.如權(quán)利要求9所述的儀器，其特征在于，所述分析電路是個(gè)最大似然電路。
12.如權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，它還包括一連接到所述比較裝置的第一微分器、一連接到所述第一微分器的第二微分器、和一連接到兩個(gè)所述微分器的比例電路。
13.一種用于測定材料已知的襯底上涂層的厚度的厚度測定儀，所述測定儀包括一對探頭第一和第二線圈，適宜分別貼近經(jīng)涂敷的襯底和材料已知但未經(jīng)涂敷的襯底配置;一掃頻振蕩器，連接到所述各線圈上;和-比較裝置，連接到所述各線圈和所述振蕩器上，用以比較涂層和經(jīng)涂敷的襯底兩者與未經(jīng)涂敷的襯底在導(dǎo)電率方面隨頻率的變化而變的情況。
14.如權(quán)利要求13所述的測定儀，其特征在于還包括經(jīng)涂敷和未經(jīng)涂敷的襯底。
15.如權(quán)利要求14所述的測定儀，其特征在于，各所述襯底包括鋯錫合金，且所述涂層包括鋯。
16.如權(quán)利要求13所述的測定儀，其特征在于，它還包括一含有所述探頭線圈的電橋電路。
17.如權(quán)利要求16所述的測定儀，其特征在于，所述電橋電路包括分別連接到所述第一和第二線圈的第三和第四線圈。
18.如權(quán)利要求13所述的測定儀器，其特征在于，所述掃頻振蕩器的掃頻在10千赫至10兆赫之間。
19.如權(quán)利要求13所述的測定儀，其特征在于，所述比較裝置包括連接到所述各線圈的第一相位檢波器，所述第一檢波器還連接到所述振蕩器。
20.如權(quán)利要求19所述的測定儀器，其特征在于，它還包括一連接到所述各線圈的第二相位檢波器，和一連接在所述振蕩器與所述第二檢波器之間的90度移相器。
21.如權(quán)利要求20所述的測定儀，其特征在于，它還包括一相位調(diào)節(jié)裝置，該相位調(diào)節(jié)裝置的一輸入端連接到所述振蕩器，且一輸出端連接到所述第一檢波器和所述移相器。
22.如權(quán)利要求20所述的測定儀，其特征在于，它還包括一伺服電路，該伺服電路連接到所述第二檢波器，并機(jī)械耦合到貼近所述經(jīng)涂敷襯底配置的所述線圈上。
23.如權(quán)利要求13所述的測定儀，其特征在于，所述比較裝置包括一微分放大器，該微分放大器有一對輸入端分別連接到所述諸線圈上。
24.一種用以對襯底材料已知的襯底上的涂層測定其厚度的方法，該方法包括下列步驟在所述經(jīng)涂敷的襯底、所述涂層和該已知材料但未經(jīng)涂敷的襯底中產(chǎn)生變頻渦流;和對所述涂層和經(jīng)涂敷的襯底兩者與所述未經(jīng)涂敷的襯底在導(dǎo)電率方面隨頻率的變化而變的情況進(jìn)行比較。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述比較步驟包括對所述渦流之間的相位差進(jìn)行檢測的步驟。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述發(fā)生步驟包括產(chǎn)生在大約10千赫至10兆赫之間掃掠的頻率。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括顯示渦流的比較結(jié)果的步驟。
28.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括計(jì)算過渡頻率和根據(jù)所述過渡頻率確定厚度的步驟。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算步驟包括最小二乘方法。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算步驟包括最大似然法。
31.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括計(jì)算表示導(dǎo)電率變化比較結(jié)果的一個(gè)信號(hào)的一次導(dǎo)數(shù)，計(jì)算所述信號(hào)的二次導(dǎo)數(shù)和計(jì)算所述一次對二次導(dǎo)數(shù)的比值等步驟。
32.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括調(diào)節(jié)相位使靈敏度達(dá)最大程度的步驟。
33.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括用涂層厚度已知的襯底進(jìn)行校準(zhǔn)的步驟。
全文摘要
一種用以測定襯底之涂層厚度的儀器，該儀器具有包括四個(gè)線圈的一個(gè)電橋電路。一個(gè)線圈安置在靠近經(jīng)涂敷襯底處，另一個(gè)線圈安置在襯底材料相同但未經(jīng)涂敷的襯底附近。電橋電路上連接有一振蕩器，其掃頻在10千赫至10兆赫之間。檢測各線圈中感應(yīng)出的各電壓之間的相位差以確定導(dǎo)電率隨頻率的變化。一種測定涂層厚度的方法，該方法包括在相同材料經(jīng)涂敷和未經(jīng)涂敷的襯底中產(chǎn)生變頻渦流并將所產(chǎn)生的渦流進(jìn)行比較等步驟。
文檔編號(hào)G01R33/12GK1052548SQ9010984
公開日1991年6月26日 申請日期1990年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月14日
發(fā)明者戴維·韋伯斯特·奧利弗 申請人:通用電氣公司