一种基于PT对称电路的金属薄膜厚度检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于PT对称电路的金属薄膜厚度检测系统。包括第一谐振电路和第二谐振电路，所述第一谐振电路和第二谐振电路为具有相同固有谐振频率的RLC串联谐振电路，且分别串联在耦合电感线圈两端。通过调整第一谐振电路和第二谐振电路中的电容值，改变增益损耗系数，使两者的增益损耗系数互为相反数，从而得到PT对称谐振系统。该系统的耦合电感线圈和待测金属薄膜在电涡流效应的影响下自感发生改变，第一、第二谐振电路之间的耦合系数改变，进而改变了PT对称谐振系统的谐振频率。通过改变增益损耗系数使PT对称系统工作在增益损耗系数与耦合系数相匹配的奇异点，可以大幅提高探测电路的灵敏度。探测电路的灵敏度。探测电路的灵敏度。

A metal film thickness measurement system based on Pt symmetrical circuit

【技术实现步骤摘要】
一种基于PT对称电路的金属薄膜厚度检测系统


[0001]本专利技术属于电子系统设计
，具体涉及一种基于PT对称电路的金属薄膜厚度检测系统。

技术介绍

[0002]在半导体、工业、汽车等众多领域，需要通过沉积工艺或溅射工艺形成金属薄膜，随着产品性能的提升，对金属薄膜的规范性也提出了越来越高的要求，包括金属薄膜的厚度、尺寸等。现有的金属薄膜检测系统大多是通过平衡电桥与电涡流结合的方式，以检测电感线圈自感变化引起的电桥输出变化来实现。由于该方法在检测微小的薄膜厚度变化时存在局限性，因此如何提高检测系统的灵敏度以提高检测精度是一个亟需解决的问题。
[0003]在具有宇称
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时间(parity
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time,PT)对称的非厄米系统中，系统的哈密顿量可以存在实数的本征值。PT对称系统不同于以往人们所关注的封闭厄米系统，在非厄米系统的参数空间中存在奇异点(exceptional point,EP)。在奇异点处，系统的多个本征值和本征态会简并在一起，从而诱导出许多奇特的物理现象及应用。对于偏置于EP点的系统，任何外界微扰ε都会引起频率的分裂。因此，对于极小的外界微扰，在EP点处能获得更大的频率响应，从而提高系统的灵敏度。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于PT对称电路的金属薄膜厚度检测系统，搭建一个PT对称谐振系统，并通过设置电路的增益损耗系数，使其工作在增益损耗系数与耦合系数相匹配的奇异点，改进传统检测系统灵敏度低的缺点。
[0005]一种基于PT对称电路的金属薄膜厚度检测系统，包括第一谐振电路、第二谐振电路和耦合电感线圈，其中第一、第二谐振电路的固有谐振频率相同，增益损耗系数互为相反数。
[0006]所述第一谐振电路包括第一可调电容、第一固定电感、寄生电阻和矢量网络分析模块。所述第二谐振电路包括第二可调电容、第二固定电感和负载电阻。其中，第一可调电容的两端分别与矢量网络分析模块、第一固定电感的一端连接。第一固定电感的另一端与耦合电感线圈以及第二固定电感的一端连接。第二固定电感的另一端通过第二可调电容与负载电阻的一端连接。负载电阻的另一端与耦合电感线圈的另一端相连，并通过寄生电阻连接到矢量网络分析模块的另一端。所述矢量网络分析模块等效为理想交流信号源与负电阻。
[0007]设置寄生电阻与负电阻的等效电阻值与负载电阻的电阻值互为相反数，绝对值均为R；第一固定电感与第二固定电感的电感值相等，均为L；耦合电感线圈的电感值为M。第一可调电容与第二可调电容的电容值相等，具体数值根据PT对称电路工作在奇异点的条件求解。
[0008]第一、第二谐振电路的耦合系数k相等，为了满足检测系统工作在奇异点
处，增益损耗系数又因为谐振器增益损耗系数根据求解第一可调电容与第二可调电容的电容值C。
[0009]使用上述系统进行金属薄膜厚度检测的方法具体包括以下步骤：
[0010]步骤1、将上述系统固定在非金属基板的一侧表面，记录系统特征频率。然后将不同厚度的金属薄膜生长在非金属基板的另一侧表面，记录不同厚度的金属薄膜引发的系统特征频率偏移。
[0011]步骤2、根据步骤1采集的数据，拟合金属薄膜厚度与系统特征频率偏移关系。
[0012]步骤3、将厚度未知的金属薄膜生长在非金属基板表面，记录此时的系统特征频率。根据步骤2得到的金属薄膜厚度与系统特征频率偏移关系，解算该金属薄膜的厚度，完成测量。
[0013]本专利技术具有以下有益效果：
[0014]基于PT对称系统的物理性质，将谐振电路中的电容设置为可调电容，通过改变电容值的方式使左右两侧谐振电路的增益损耗系数互为相反数，从而使系统处于奇异点。当外部的微小扰动作用在耦合电感线圈上时，本申请所述检测系统的频率分裂随扰动量的平方根变化，扰动的影响被显著放大，可以提高系统灵敏度。此外，本申请设计的基于单耦合电感线圈的 PT对称系统，相比传统的双线圈PT对称系统，外部信号能够相同的影响左谐振电路部分与右谐振电路部分，简化了EP点的锁定过程。
附图说明
[0015]图1是实施例中金属薄膜厚度检测系统框图。
[0016]图2是实施例中金属薄膜厚度检测系统等效电路图。
[0017]图3是实施例中PT对称系统谐振频率变化的理论与实际对比图。
[0018]图4是传统谐振式检测系统的等效模型图。
[0019]图5是实施例中PT对称系统与传统谐振系统谐振频率变化率对比图。
[0020]图6是实施例中PT对称系统用于金属薄膜检测的回波响应信号图。
[0021]图7是实施例中PT对称系统用于金属薄膜检测的频率偏移统计图。
具体实施方式
[0022]以下结合附图对本专利技术作进一步的解释说明。
[0023]如图1所示，一种基于PT对称电路的金属薄膜厚度检测系统，包括左谐振电路1、右谐振电路2和耦合电感线圈3，其中左、右谐振电路的固有谐振频率相同，增益损耗系数互为相反数。
[0024]如图2所示，所述第一谐振电路1包括第一可调电容12、第一固定电感11、寄生电阻 13和矢量网络分析模块14。所述第二谐振电路2包括第二可调电容22、第二固定电感21和负载电阻23。其中，第一可调电容12的两端分别与矢量网络分析模块14、第一固定电感11 的
一端连接。第一固定电感11的另一端与耦合电感线圈3以及第二固定电感21的一端连接。第二固定电感21的另一端通过第二可调电容22与负载电阻23的一端连接。负载电阻23的另一端与耦合电感线圈3的另一端相连，并通过寄生电阻13连接到矢量网络分析模块14的另一端。所述矢量网络分析模块14等效为理想交流信号源与负电阻。
[0025]为了满足PT对称性，第一、第二谐振电路中电感与电容的值应该相等，而电阻的值应互为相反数。在本实施例中，耦合电感线圈3设计为四层平面PCB线圈，其外径为4.9mm，内径为1.8mm，铜皮厚度为35um，每层的匝数为8匝。第一固定电感11与第二固定电感21 的电感值为1.25uH，负载电阻23的电阻值为50Ω，寄生电阻13和矢量网络分析模块14的等效电阻值为
‑
50Ω。根据PT对称电路工作在奇异点需要满足的条件50Ω。根据PT对称电路工作在奇异点需要满足的条件设置第一可调电容与第二可调电容的电容值为150pF。系统特征频率实部随耦合电感的变化规律如图3所示。
[0026]传统的谐振式检测系统如图4所示，包括依次串联并构成回路的电压源、固定电容、固定电感、耦合线圈和电阻，具有一个谐振单元。
[0027]分别测量元件参数相同的传统谐振式检测系统与基于PT对称电路的检测系统在受到外部扰动后，谐振频率的变化率，对比结果如图5所示，可以看出，当电涡流产生的耦合作用使左、右谐振电路之间的等效耦合电感由M变为M+ΔM时，基于PT对称电路的检测系统的谐振频率变化远大于传统谐振式检测系统。
[0028]使用基于PT对称电路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PT对称电路的金属薄膜厚度检测系统，其特征在于：包括第一谐振电路、第二谐振电路和耦合电感线圈；第一、第二谐振电路为谐振频率相等、增益损耗系数互为相反数的RLC串联谐振电路，且分别与耦合电感线圈的两端串联；第一、第二谐振电路中的电容值C、电感值L均相等，电阻值R互为相反数；电容值C满足其中，k表示耦合系数，M表示耦合电感线圈的电感值。2.如权利要求1所述一种基于PT对称电路的金属薄膜厚度检测系统，其特征在于：所述第一谐振电路包括第一可调电容、第一固定电感、寄生电阻和矢量网络分析模块；所述第二谐振电路包括第二可调电容、第二固定电感和负载电阻；其中，第一可调电容的两端分别与矢量网络分析模块、第一固定电感的一端连接；第一固定电感的另一端与耦合电感线圈以及第二固定电感的一端连接；第二固定电感的另一端通过第二可调电容与负载电阻的一端连接；负载电阻的另一端与耦合电感线圈的另一端相连，并通过寄生电阻连接到矢量网络分析模块的另一端；所述矢量...

【专利技术属性】
技术研发人员：轩伟鹏，吴斌骅，夏小彬，陈金凯，骆季奎，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：