趙俊明,王文廉*

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

薄膜或者涂層厚度測量對于半導體技術(shù)、材料分析、航空制造及工業(yè)生產(chǎn)都具有重要的意義。目前用于涂層厚度測量的方法包括紅外、超聲、電磁、電渦流和電容傳感器等,其中電容測量方法具有低成本和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。常規(guī)的電容測厚方法是在電容傳感器兩極板間放入薄膜材料,薄膜厚度不同引起介電常數(shù)的變化,從而帶來電容的變化。若薄膜本身的介電常數(shù)一定,電容的大小反映薄膜厚度。這種方法需要將被測對象放置在兩個極板中間,限制了應用的范圍。本文利用邊緣電場傳感器實現(xiàn)對薄膜厚度測量,使用更加靈活方便。

邊緣電場傳感器的兩個電極位移同一平面內(nèi),邊緣電場穿透絕緣層可檢測其厚度。與傳統(tǒng)的平行板電容式傳感器相比,邊緣電場傳感器的電力線分布呈散射狀,電場能集中在電極附近,同時具有單邊穿透、信號強度可調(diào)和層析成像等優(yōu)點[1-4]。邊緣電場傳感器已經(jīng)逐漸被應用于濕度檢測[5]、PH值檢測[6]、材料特性分析[7]、位移和厚度測量[8-9]。

FEF傳感器一直是國內(nèi)外學者研究的熱點,目前的研究主要集中在傳感器的設計、參數(shù)估計算法的實現(xiàn),測量系統(tǒng)的設計與應用等方面。愛爾蘭Arshak K科研團隊通過在FEF傳感器電極上涂二氧化鈦涂層來測量傳感器表面的壓力,使用CMOS振蕩電路將傳感器電極間的電容值轉(zhuǎn)換為振蕩頻率變化,再利用PLL電路將振蕩頻率變化轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷鹤兓M行測量,建立了傳感器輸出電壓與壓力的關(guān)系[10]。竇銀科等人設計了基于叉指傳感器的冰層厚度測量系統(tǒng),該系統(tǒng)以飛思卡爾MC9S12x為控制器核心,外部提供正弦驅(qū)動信號,實驗有效[11]。黃云志等人利用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件對單層涂層厚度測量進行了參數(shù)化分析,驗證其可行性,并設計了一套基于LabView的涂層厚度檢測系統(tǒng),對基體為鋁合金的噴涂樣本進行了測量[12]。在目前的厚度測量應用中,測量目標是單層或多層絕緣材料,通過電容的大小檢測絕緣層的厚度。當絕緣層位于金屬襯底上時,邊緣電場將穿透絕緣層中金屬表面發(fā)生突變。本文針對金屬襯底上的絕緣層厚度測量,分析邊緣電場的分布情況,建立分析模型,并通過仿真和實驗研究測量方法。

1 測量模型

邊緣電場傳感器由位于同一平面內(nèi)的兩個電極組成,即驅(qū)動電極和感應電極。產(chǎn)生的邊緣電場穿過被測物,可實現(xiàn)材料的特性檢測。對于一個具有確定介電常數(shù)的薄膜而言,電容的變化反映厚度的特性。邊緣場電容常被設計成環(huán)形或者叉指型的結(jié)構(gòu),對于一個電容單元,其電容的大小可表示為[13]

(1)

式中:γ邊緣比例系數(shù),ε0是真空介電常數(shù),εc是邊緣場內(nèi)的復合介電常數(shù),電極的長度和寬度為別為Le和We(單位:m),電極距離為Dff(單位:m),C為電容量。用于絕緣層厚度測量時,厚度將影響復合介電常數(shù)從而改變傳感器的電容值。

當襯底為金屬或其他導電材料時,襯底將影響邊緣電場的分布,如圖1所示。式(1)也不能準確描述傳感器的電容值大小。

圖1 基于邊緣場電容的金屬襯底絕緣層測量原理

為了分析傳感器的輸出特性,金屬襯底作為一個浮動的電極,傳感器電容可以通過3個電容組成,如圖2所示。Cff是邊緣場電容,Csub1和Csub2是平行板電容。Csub1通過襯底與Csub2串聯(lián),然后與Cff并聯(lián)。

圖2 金屬襯底絕緣層厚度測量分析模型

由于傳感器的驅(qū)動電極同時作為Cff和Csub1的電極,而感應電極同時作為Cff和Csub2的電極,所以邊緣場電容與平行板電容互相影響。從驅(qū)動電極出發(fā)的電力線部分通過襯底回到感應電極,其影響平行板電容的大小;另一部分電力線直接終止于傳感器感應電極影響邊緣場電容的大小。Cff可以描述為

(2)

式中:Wff是邊緣場電容的有效電極寬度,εi是絕緣層的介電常數(shù)。而Csub1和Csub2可以描述為

(3)

式中:Wpp是平行板電容的有效極板寬度,Tdi是絕緣層的厚度。傳感器電容可以通過3個電容的串并聯(lián)關(guān)系計算為

(4)

邊緣場電容與傳感器電容的比值與電極距離和絕緣層厚度有關(guān),可以表示為

(5)

式中:f(·)為函數(shù)關(guān)系。

2 仿真分析

為了驗證測量過程中的電容分析模型,基于Ansoft Maxwell軟件完成了二維的數(shù)字仿真分析[14]。圖3比較了在襯底為金屬和沒有襯底兩種情況下的電場分布情況。當襯底為空時,電力線從驅(qū)動電極出發(fā),通過絕緣層到達感應電極。電場(箭頭)呈現(xiàn)出弧形的分布。在兩個電極的相鄰區(qū)域出現(xiàn)高電場,電力線集中;而在電極的兩邊電場較弱,電力線分散,這體現(xiàn)了明顯的邊緣電場特性。對于金屬襯底的情況,電場具有兩方面的特征。一方面,在兩個電極相鄰的區(qū)域表現(xiàn)出邊緣電場的特征。電場具有弧形的特征,并且越靠近電極,電場越強。另一方面,在兩個電極的兩邊區(qū)域表現(xiàn)出平行電場的特性。在驅(qū)動電極部分,電力線從電極出發(fā),直接到達金屬襯底。電力線均勻,也就是在絕緣層中的電場是均勻分布的。同樣,在感應電極部分,電力線從金屬襯底出發(fā),直接到達感應電極,并具有均勻分布的特征。

圖3 電容傳感器的電場分布圖

從電場分布來看,對于金屬襯底上的絕緣層測量過程中,電容表現(xiàn)出復合的特性,也就是邊緣電場電容和平行板電容共同工作。具體表現(xiàn)為兩個平行板電容通過襯底串聯(lián),并與邊緣場電容并聯(lián),這與模型分析吻合。比較圖3中的兩種仿真結(jié)果,可以看出,邊緣電場會受到金屬襯底的影響。也就是說,邊緣場電容(Cff)的值會受到平行板電容的影響。在兩種襯底情況下,邊緣場電容的大小是不相同的。

通過Ansoft Maxwell二維仿真分析了在不同的襯底下結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感電容的影響。當襯底為金屬材料時,電容值隨著絕緣層厚度的變化很大,如圖4和圖5所示。當電極寬度為2 mm,絕緣層介電常數(shù)為5時,若絕緣層厚度從0.5 mm增加到3 mm,那么電容將從180 pF減小到20 pF。隨著絕緣層厚度的繼續(xù)增加,因為電場的減弱電容的變化很小。當電極寬度為10 mm,絕緣層介電常數(shù)為2.5時,若絕緣層厚度從0.5 mm增加到3 mm,那么電容將從1 290 pF減小到100 pF以下。這說明傳感器的靈敏度很高,有利于厚度的測量。而電極間的距離對電容的影響很小,特別是當電極寬度更大時,幾乎沒有影響。從圖5可以看出,當電極的距離從3 mm增加到23 mm時,電容的值幾乎沒有變化。這是因為當絕緣層厚度相比電極寬度較小時,邊緣 場電容(Cff)相比平行板電容(Csub)很小,而電極的間距對對平行板電容影響不大。

We=2 mm,i=5圖4 金屬襯底時電容結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感電容的影響

We=10 mm,i=2.5圖5 金屬襯底時電容結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感電容的影響

We=10 mm,i=2.5圖6 襯底為空時電容結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感電容的影響

相比之下,當襯底為空或者非絕緣材料時,電容的變化規(guī)律將發(fā)生變化,如圖6所示。傳感器的電容值很小,當電極寬度為10 mm,絕緣層介電常數(shù)為2.5時,電容的仿真值小于10 pF。而且電容的變化很小,當絕緣層厚度從0.1 mm增加到1.8 mm時,傳感器器的電容值變化很微弱。這說明傳感器的靈敏度很低,不利于絕緣層厚度的測量。而電極的間距對電容的影響比較大,而且距離越小的時候,減小距離增加的電容越明顯。為了提高傳感器的靈敏度應減小電極的間距并增加電極對數(shù)量。

對比不同襯底的仿真結(jié)果,對于金屬襯底上的絕緣層厚度測量,邊緣場對于傳感電容的影響相比非金屬襯底結(jié)構(gòu)情況明顯減弱。特別是在絕緣層厚度相比電極尺寸比較小的情況,通過增加電極的距離,可以使傳感電容逐漸趨于平行電容的特性。

3 實驗結(jié)果

為了驗證仿真結(jié)果,通過在印刷電路板(PCB)上制作邊緣場電容,對復合材料薄膜厚度進行測量,如圖7所示。其中電極的長度和寬度分別是90 mm和10 mm,電極的材料為銅,并覆蓋一層絕緣漆。當測量金屬襯底的絕緣層厚度時,將鋁板放置在實驗平臺上,將復合材料薄膜放置在鋁板上,而電容在最上方。為了測量襯底為空的情況,將PCB電容板放置在實驗平臺上,而復合材料薄膜放置在PCB板上面。該方法對絕緣層厚度的有效測量范圍為0～3.33 mm。由于復合材料薄膜比較輕,當多層薄膜放在一起時會有間隙,厚度會出現(xiàn)誤差。所以此實驗僅為電容變化過程提供依據(jù),測量精度不高。

圖7 測量實驗圖

Le=90 mm,We=10 mm圖8 金屬襯底時厚度測量的電容變化

圖8是傳感器電容輸出隨著復合材料薄膜數(shù)量增加的變化曲線。隨著薄膜厚度的增加電容減小,而且減小的速率越來越小,符合仿真規(guī)律。比較不同的電極間距下的電容變化,當距離為 13 mm和 23 mm時,傳感器電容幾乎是相等的。說明在電極距離遠大于絕緣層厚度時,邊緣場電容的影響很小,所以總的傳感電容不變。當電極距離為3 mm時,電容有較小的變化。絕緣層厚度較小時(d<0.5 mm),小距離的電極使得傳感電容更小;當絕緣層厚度較大時(d>0.5 mm),小距離的電極使得傳感電容更大。

圖9是襯底為空時對不同復合材料薄膜數(shù)量的測量結(jié)果。由于傳感電容僅由邊緣場電容決定,所以傳感器靈敏度很低,電容值小。隨著薄膜數(shù)量的增加,電容是增大的。這是因為傳感器的波長比較長,而薄膜的介電常數(shù)大于空氣,所以增加的薄膜會加大邊緣電場內(nèi)的有效介電常數(shù),從而引起電容的增加。電極的間距對電容的影響很大,隨著距離的增加電容減小很快。所以對于絕緣襯底上的厚度測量,可以通過減小電極間距來提高傳感器的靈敏度。

Le=90 mm,We=10 mm圖9 襯底為空時厚度測量的電容變化

4 結(jié)論

針對金屬襯底上的絕緣層厚度測量,建立了一種邊緣場電容傳感器測量分析方法。將襯底作為浮動電極,用邊緣場電容與平行板電容并聯(lián)的分析模型討論了傳感電容的特性。通過Ansoft Maxwell二維仿真結(jié)果,獲得不同襯底情況下的測量電容變化,分析了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對測量過程的影響,并進行了實驗驗證。結(jié)果表明,對于金屬襯底的邊緣層厚度測量,雖然傳感器電容為邊緣場結(jié)構(gòu),但也體現(xiàn)出平行板電容的特性和傳感器靈敏度高的特點。當絕緣層厚度遠遠小于電極長度時,電極間距對傳感器的電容輸出影響較小。