智能涂布机膜厚测量装置的研究

王万军^1,a，瑞华泉¹，国风堂¹，李华仁​​6）和王宇¹

¹山东烟台汽车工程职业学院

摘 要：离子束溅射机使用计算机实时监测软X射线多层元件制备过程中膜厚的变化。它解决了原制备过程中存在的膜厚不均，膜厚过厚等问题。高精度石英晶体将薄膜厚度测量转换为频率测量。基于FPGA的等精度频率计测量频率。它可以减小分立元件的信号延迟和干扰信号，从而提高测量精度。然后通过单片机串口将计数值送到主机。它通过LabVIEW的GUI来计算和显示该值。实验结果表明，相对测量误差可降至1/10，即测量精度可以达到提高了十倍以上。

关键词：微加工，平版印刷，光刻胶涂层。

1 介绍

涂层技术在工业过程中被广泛应用。溅射镀膜技术广泛应用于光学薄膜，大规模集成电路镀膜，建筑材料镀膜，装饰材料镀膜，超硬刀具镀膜等行业。随着国民经济的发展，国内对溅射镀膜设备的需求迅速增加。目前已有一些涂装设备引进，部分单位也在考虑引进。在工业生产中，涂层后会明显改变工件的物理特性。离子束溅射机使用计算机实时监测软X射线多层元件制备过程中膜厚的变化。它解决了原制备工艺^[1]中存在的膜厚不均，膜厚过厚等问题。

它使用离子束溅射原理涂覆工件，同时还涂覆侧向石英振荡器探头。石英晶体频率变化与厚度变化之间存在线性关系，因此可通过测试频率变化来实现对薄膜厚度的控制。通过FPGA，MCU和PC的通用控制，实现了智能控制系统的设计，降低了分立元件的信号延迟和干扰信号，提高了测量精度。

本文的主要研究内容包括：涂布机工作原理及膜厚控制技术研究; 基于FPGA的等精度频率计的研制;

2 离子束溅射镀膜机膜厚控制系统的原理

1.1 离子束溅射镀膜的原理

离子束溅射镀膜机使用考夫曼型离子枪。进入离子枪的工作气体（Ar气体）已被电离以产生离子流Ar通过限制板，离子流将轰击目标材料。溅射靶材沉积在涂层样品上。目标材料沉积在涂层样本上。同时，它也沉积在侧向石英晶体振荡器探头上。 它利用石英晶体压电效应和质量负荷效应监测膜厚。

显然，谐振频率f和c之间存在直接关系。晶体温度,温度梯度，激励场等外部因素影响谐振频率。这是因为以上因素。

对于某种涂层材料，m是一个常数。当膜不是很厚时，即沉积膜质量远低于石英板质量时，固有频率变化不会很大。可以近似看到s为常数，则石英晶体频率F的变化与沉积膜厚度DM之间存在线性关系。因此可以通过检测石英晶体固有频率的变化来实现对膜厚的控制。

1.2 等精度频率计的测量原理

基于传统计数频率测量原理的频率计的测量精度会随着测量信号频率的降低而降低。在实际应用中存在很大的局限性 等精度频率计不仅测量精度高，而且在整个频率范围内保持恒定的测试精度。因此，本系统采用基于FPGA的等精度频率计作为频率测量单元 图1显示了等精度测量原理图：

图1.等精度测量原理图

等精度频率的测量原理是：当预设的门控信号到达后，D触发器的Q端与D端一起产生高电平，同时触发被测信号的上升沿。直到下一个触发脉冲的上升沿在预置信号的下降沿到来之后，Q端变为低电平。这将产生一个门控信号来控制主门I和II。 同时，被测信号和标准信号分别通过主门I和II进入计数单元。然后它可以得到. . 测得的信号频率可由此得到。也就是说，在相同选通信号的有效电平下，它同时对被测信号和标准信号进行计数。然后通过公式计算并显示^[5]。

2 离子束溅射镀膜机膜厚控制系统的总体设计

根据离子束溅射镀膜机的工作原理，该系统由测量频率部分（全频率计功能），步进控制部分（开关目标材料）和控制主机部分组成。

整个系统设计的基本框图如图2所示：

图2.整个系统设计的基本框图

测量频率部分采用复杂的可编程逻辑器件FPGA进行频率测量，可以减小分立元件的信号延迟和干扰信号，从而提高测量精度。

主控部分采用目前成熟的两级管理系统，由单片机和主机组成。作为中央控制单元的单片机，​​可以充分保证整个系统在硬件上的可靠性。主机采用虚拟仪器计算和显示频率，并对单片机进行管理，使整个设计更加智能化，虚拟化和灵活化。

FPGA接口到单片机。它可以作为MCU外设来实现MCU所需的功能。 它可以达到嵌入式应用系统的灵活性。在功能上，MCU和FPGA之间有很强的互补性。 MCU具有性价比高，功能灵活，人机通信简单，数据处理能力强等特点。FPGA具有高可靠性，高可靠性，便于开发和规范等优点。客户计算机通过串行通信与主机通信。MCU的串口是

TTL电平，由RS232转换。它采用低功耗芯片MAX232和单电源。PC通信适配卡的TXD连接到MCU的接收器RXD。MCU的TXD连接到PC的接收器RXD。 因此，PC可以实现PC与MCU之间的通信。

3 系统硬件的设计

在频率测量单元中，系统使用基于FPGA的等精度频率测量电路，要求精度高达10^-7。为了达到精度要求，标准频率信号必须达到10MHz以上。一般LC振荡器频率的稳定度可以达到10^-3~10^-5的水平，所以测试电路可以采用高频率，高稳定度和高精度的石英晶体振荡器，可以恒温调节，标准频率发生电路。该系统使用16MHz的石英晶体振荡器。石英晶体振荡器具有高精度和高稳定性。

3.1 89C51和FPGA的接口逻辑设计

FPGA连接到MCU。它可以用作MCU的外设来实现所需的功能。在功能上，MCU与FPGA有很强的互补性。MCU具有性价比高，功能灵活，人机交互方便，数据处理能力强等特点。FPGA具有速度快，可靠性高，开发方便，规格简单等优点。

在频率测量系统中，89C51的任务是通过信号线实现等精度的频率测量，读取FPGA中标准频率计数器和测量信号计数器的值，处理测量结果并与主机通信电脑。 MCU和FPGA的硬件连接如图3所示。

图3. MCU和FPGA的硬件连接

3.2 89C51与PC之间的串行通信接口设计

客户计算机通过串行通信与主机通信。MCU的串口是TTL电平，由RS232转换。它采用低功耗芯片MAX232和单电源。PC通信适配卡的TXD连接到MCU的接收器RXD。MCU的TXD连接到PC的接收器RXD。因此PC可以实现PC与MCU之间的通信^[7]。MCU和PC的通信接口如图4所示。

图4. MCU和PC的通信接口

4 系统软件的设计

4.1 本系统中FPGA的软件实现

随着电子技术的不断发展，基于EDA技术的芯片设计正在成为电子系统设计的主流。大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA是两种应用最广泛的可编程专用集成电路（ASIC）。该系统使用ALTERA公司的软件Quartus II来进行设计和仿真CPLD/FPGA^[8]。

采用超高速集成电路硬件描述语言VHDL实现了两个24位计数器的计数，分别用于计数被测信号和标准信号的频率。它通过Quartus II生成以下器件：

图5.计数模块

4.2 基于虚拟仪器的软件设计

本系统中的主机控制部分是整个系统的核心部分。它处理和显示数据，实现信息检测，数据处理和指挥中心的功能。它采用虚拟仪器软件LabVIEW设计友好的人机交互界面^[9]。

在该系统中，LabVIEW有5个串行通信节点，分别实现串口设置，串口写入，串口读取，串行缓冲和中断检测等功能。

串口检测和数据传输处理框图如图6所示。a：测试串口并将数据传输到单片机。b：MCU返回一个值，与发送的值进行比较。如果它们相同，则串行端口工作良好。c：PC接收由微控制器发送的10个数据。d：正确接收到10个数据后，PC关闭串口。

a.测试串口	b.串口工作正常
c.MCU发送数据	d.PC正确接收数据

图6.串行数据传输软件图

它将数据序列的中间六位数据分别传送到计算模块的不同连接端口进行处理。计算模块程序框图如图7所示。十个数据通过串口发送到PC。然后它计算最终结果。

通过计算可以得到被测信号频率可以通过公式得到该程序如下所示：

图7.总程序的框图

5 实验结果

测量的信号频率可以显示在整个程序的前面板上，用绿灯发送数据。当单片机和PC机传输数据时，绿灯闪烁。在LabVIEW程序的前面板上，可以清晰地显示串行通信，数据传输和数据处理的全过程，如图8所示。

图8.前面板

根据上述设计，完成了双计算机的测量频率，数据处理和通信的实现。 实验结果如下：

表1.门限时间为1秒时的系统测试结果（单位：MHz）

	1	2	3	4
检测结果	5.00000	5.0000003	4.9999997	5.0000000

表2.通用频率计在门限时间为1秒时的测试结果（单位：MHz）

	1	2	3	4
检测结果	5.000002	5.000001	4.999998	5.000002

当测量频率为5 MHz时，通用频率计的相对测量误差为：r = 1/5000000 = 2x10^-7

当它测量5 MHz的频率时，该系统的相对测量误差为：r=1/16000000=6.25x10^-8

可以看出，采用等精度测量，可以满足系统设计要求，相对误差小。

如果您想要获得较高的测量精度，则需要使用更时尚的时间频率。

当门限时间改变为10秒时，我们可以看到，门限越长，在此期间的频率标准越大。根据公式，测量误差较小，测量精度较高。但由于时基准确性，当闸门时间为10秒时，测量的频率与理论值有一些偏差。为了解决这个问题，在实际应用中需要精密的校准仪器。

6 结论

该系统完成了智能涂布机膜厚测量装置的研究。 它使用离子束溅射技术，FPGA，MCU主机和LabVIEW。 它实现了整

全文共8255字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[16261]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word