石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)，包括電源模塊、MCU控制系統(tǒng)模塊、DDS模塊、射頻功率放大模塊、π網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊、信號(hào)放大濾波模塊、射頻幅值檢測模塊和觸摸屏模塊。本發(fā)明用基于DDS技術(shù)的π網(wǎng)絡(luò)最大傳輸法檢測原理增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性，解決現(xiàn)有ALC系統(tǒng)“在某些頻段發(fā)生測頻值跳變”的問題。本發(fā)明所有頻段采用統(tǒng)一的π網(wǎng)絡(luò)接口電路，解決現(xiàn)有ALC系統(tǒng)不同頻段需要更換探測頭的缺陷，降低射頻接頭頻繁插拔導(dǎo)致的電學(xué)故障風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，能夠顯著提升晶片研磨質(zhì)量和產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性。本發(fā)明的硬件系統(tǒng)方案不僅能夠覆蓋目前晶片研磨生產(chǎn)所涉及的所有頻段，而且只需要通過算法參數(shù)上修改就能兼容石英晶片的所有切型。
【專利說明】
石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及測試儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]石英晶片是晶振的核心元器件，石英晶體振蕩器(晶振)為電子設(shè)備提供時(shí)間基準(zhǔn)，在電子信息產(chǎn)業(yè)中具有極其重要的地位。中國是晶振的制造大國，但產(chǎn)品檔次和總產(chǎn)值與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距。
[0003]晶振的制造流程主要可以分為晶片生產(chǎn)和晶片封裝兩個(gè)階段，前者主要通過切害J、研磨和腐蝕等工序?qū)⑹⒕О艏庸こ商囟ê穸群统叽绲木?；后者主要通過披銀、點(diǎn)膠、微調(diào)和密封等工序?qū)⒕庋b為各種規(guī)格的晶振。在一定頻率范圍內(nèi)，石英晶片的厚度與其諧振頻率可以簡化成正比關(guān)系，目前大量晶振的頻段處于幾兆到幾十兆赫茲，對(duì)應(yīng)厚度為幾百微米，正好滿足這一關(guān)系。本發(fā)明所涉及的技術(shù)主要應(yīng)用在晶片生產(chǎn)階段，該階段的生產(chǎn)目標(biāo)是圍繞石英晶片的諧振頻率展開的。
[0004]根據(jù)晶片生產(chǎn)工藝流程中不同階段的需求，頻率檢測技術(shù)可以分為兩個(gè)方向。一個(gè)方向是流程后段的“晶片電參數(shù)測試”技術(shù)，其將基本加工完成的晶片按照以諧振頻率為核心參數(shù)進(jìn)行分選，主要側(cè)重測量的精確性和測試參數(shù)的全面性。國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都對(duì)其進(jìn)行了研究探索，相應(yīng)的產(chǎn)品也比較成熟。比如，美國桑德斯公司的250A、250B系列網(wǎng)絡(luò)分析儀和美國安捷倫公司的E5100系列網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率帶寬分別在400 MHz和200MHz，負(fù)載諧振頻率測量精度達(dá)到2 ppm以內(nèi)，代表了石英晶片靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測頻領(lǐng)域的世界最高水平。
[0005]頻率檢測技術(shù)的另一個(gè)方向就是本發(fā)明所關(guān)注的“在線測頻”技術(shù)，主要側(cè)重測量的速度和實(shí)時(shí)性。石英晶棒通過切割后先成為一定厚度的石英薄片，接下來利用研磨機(jī)把晶片準(zhǔn)確地減薄到目標(biāo)頻率。在整個(gè)研磨過程中晶片始終在研磨機(jī)的上下研磨盤之間快速地相對(duì)滑動(dòng)，其厚度無法直接測量。如果利用目前高精度(亞微米量級(jí))的非接觸式尺寸測量技術(shù)對(duì)石英晶片厚度進(jìn)行在線間接測量，難度大且成本高昂。因此，想要控制晶片達(dá)到目標(biāo)頻率，要么多次停機(jī)取出晶片進(jìn)行靜態(tài)頻率測量，要么使用在線測頻技術(shù)。顯然前者是繁瑣且不可靠的，目前所有晶片生產(chǎn)廠商都需要研磨在線測頻系統(tǒng)和在線測頻技術(shù)。
[0006]晶片研磨生產(chǎn)過程中研磨盤相對(duì)于晶片是不斷滑動(dòng)的，探測頭下并不是始終存在晶片，諧振信號(hào)是間斷的；另外，不同頻率的晶片所需要的射頻激勵(lì)功率大小是不同的，不同頻段諧振信號(hào)的幅度也是不同的?，F(xiàn)有的在線測頻技術(shù)具備在不同頻段下提取動(dòng)態(tài)諧振信號(hào)的能力，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)最基本的在線測頻和研磨機(jī)自動(dòng)停止功能。
[0007]國外許多晶片制造廠家都使用美國TRANSAT公司的在線頻率監(jiān)控儀(Aut οLapping Control system - ALC)對(duì)研磨過程中的晶片頻率進(jìn)行在線測控，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)晶片在線測頻的基本功能，但是核心技術(shù)被該公司壟斷，能夠獲取的專利技術(shù)資料非常有限。國內(nèi)晶片制造廠家多使用北京三禾泰達(dá)技術(shù)有限公司在售的ALC-2000型和ALC-2100型研磨測頻儀，該儀器仍然采用基于美國TRANSAT公司的核心技術(shù)。以ALC-2100型研磨測頻儀為例，其標(biāo)稱的測頻范圍在1- 95 MHz;測試精度為0.1%;用兩個(gè)八段數(shù)碼管顯示當(dāng)前頻率和頻率散差;具備“當(dāng)石英晶片達(dá)到預(yù)置的目標(biāo)頻率時(shí)，儀器自動(dòng)關(guān)停研磨機(jī)”的功能。
[0008]使晶片準(zhǔn)確地達(dá)到目標(biāo)頻率而避免發(fā)生過度研磨導(dǎo)致的超頻生產(chǎn)事故，是所有晶片生產(chǎn)廠家對(duì)在線測頻儀的最基本需求。但是，隨著市場對(duì)石英晶振產(chǎn)品要求的不斷提高，石英晶振行業(yè)技術(shù)日新月異，原有的ALC系統(tǒng)的功能卻并沒有及時(shí)更新?lián)Q代，生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)了越來越多不能忽視的問題和其他一些迫切的應(yīng)用需求亟待解決。
[0009]第一，石英晶振產(chǎn)品的諧振頻率不斷提高，量產(chǎn)的最高頻段已經(jīng)達(dá)到70MHz，很多企業(yè)在實(shí)際使用ALC的過程中會(huì)遇到諸如“在某些頻段發(fā)生測頻值跳變”而無法有效控制研磨量的缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度。這是由于其硬件構(gòu)架基于傳統(tǒng)的鎖相環(huán)掃頻技術(shù)和51系列嵌入式處理器，容易受到工廠環(huán)境中電機(jī)噪聲、電極觸點(diǎn)和研磨砂引入的電學(xué)噪聲干擾；
第二，石英晶振產(chǎn)品的種類不斷增加，從原來較為單一的單轉(zhuǎn)角AT切型發(fā)展為越來越多的雙轉(zhuǎn)角切型，比如SC切型和BT切型。雙轉(zhuǎn)角切型在一些特定的溫度點(diǎn)有更好的穩(wěn)定性，然而其厚度與頻率的函數(shù)關(guān)系卻跟AT切型不一樣。經(jīng)過實(shí)際測試，現(xiàn)有的ALC系統(tǒng)即使在自動(dòng)增益下也不能滿足在線測頻的生產(chǎn)要求。
[0010]第三，石英晶振產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋了從5 MHz -70 MHz范圍內(nèi)幾乎各個(gè)頻點(diǎn)，現(xiàn)有的ALC系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中，不同頻段需要更換不同的探測頭。頻繁地插拔射頻器件造成接口的電學(xué)故障幾率大大上升，造成探測頭電極折斷損壞也是經(jīng)常發(fā)生。一些很難察覺的探測頭觸點(diǎn)接觸不良將導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至造成“超頻”的生產(chǎn)事故。這是由于ALC系統(tǒng)使用射頻線圈作輸入信號(hào)進(jìn)行電壓放大，不同頻段需要使用不同的線圈造成的。
[0011]因此，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際研究和探索晶片在線測頻技術(shù)，擺脫現(xiàn)有ALC系統(tǒng)架構(gòu)，創(chuàng)新地研發(fā)晶片研磨在線測頻系統(tǒng)是當(dāng)前石英晶振各大生產(chǎn)廠商的迫切需求。壓電晶體行業(yè)近年來發(fā)展十分迅速，對(duì)石英晶片生產(chǎn)過程中的加工設(shè)備和在線高精度測控設(shè)備的需求量也在不斷增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是解決目前石英晶片研磨過程中傳統(tǒng)在線頻率監(jiān)控儀在線測頻“在某些頻段發(fā)生測頻值跳變”的技術(shù)問題。
[0013]為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)，包括電源模塊、MCU控制系統(tǒng)模塊、DDS模塊、射頻功率放大模塊、π網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊、信號(hào)放大濾波模塊、射頻幅值檢測模塊和觸摸屏模塊；
所述電源模塊為所述MCU控制系統(tǒng)模塊、DDS模塊、射頻功率放大模塊、信號(hào)放大濾波模塊、射頻幅值檢測模塊和觸摸屏模塊提供直流電源；
所述DDS模塊根據(jù)所述MCU控制系統(tǒng)模塊發(fā)出的掃頻指令產(chǎn)生指定頻率范圍、掃頻速率和射頻輸出幅度的正弦波掃頻信號(hào)；
所述射頻功率放大模塊用于放大所述DDS模塊的掃頻信號(hào)功率，放大后的掃頻信號(hào)輸入到所述網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊；
所述信號(hào)放大濾波模塊用于將從所述η網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊探測獲得的石英晶片諧振信號(hào)進(jìn)行幅值放大，并濾除放大后射頻諧振信號(hào)中的干擾信號(hào)； 所述射頻幅值檢測模塊用于將濾波后的石英晶片諧振信號(hào)轉(zhuǎn)換為僅保留幅值變化信息的信號(hào)，并將該信號(hào)發(fā)至所述MCU控制系統(tǒng)模塊進(jìn)行AD采樣和計(jì)算處理；
所述觸摸屏模塊用于與用戶的交互，顯示石英晶片的測量統(tǒng)計(jì)信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息、設(shè)置研磨起始頻率和研磨目標(biāo)頻率、設(shè)置掃頻參數(shù)、統(tǒng)計(jì)參數(shù)、波形搜索參數(shù)和控制策略參數(shù)及設(shè)置研磨流程的開始和緊急停止。
[0014]進(jìn)一步地，所述M⑶控制系統(tǒng)模塊包括M⑶處理器和永久存儲(chǔ)器；
所述MCU處理器根據(jù)掃頻參數(shù)發(fā)送掃頻指令至所述DDS模塊，用于對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，計(jì)算出石英晶片諧振頻率、研磨速率和散差統(tǒng)計(jì)信息，控制研磨機(jī)開關(guān)及研磨砂開關(guān)，實(shí)時(shí)監(jiān)控所述觸摸屏的設(shè)置信息；
所述永久存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)研磨起始頻率、研磨目標(biāo)頻率、掃頻參數(shù)、波形搜索參數(shù)、控制策略參數(shù)、每次研磨流程和修研磨盤流程的統(tǒng)計(jì)信息。
[0015]進(jìn)一步地，所述網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊直接連接于研磨機(jī)的上磨盤，插在所述上研磨盤對(duì)應(yīng)的輸入電極插座和輸出電極插座內(nèi)。
[0016]進(jìn)一步地，所述網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊包括若干電阻器、輸入電極和輸出電極，其中電阻器R1=R6=159 Ω ,R2=R5=66.2 Ω ,R3=R4=14.2 Ω，所述輸入電極和輸出電極均采用3_直徑的純銅香蕉插頭。
[0017]進(jìn)一步地，所述DDS模塊的最高工作頻率為300 MHz。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明首次創(chuàng)新地將壓電晶體的最大傳輸法檢測方案用于石英晶片的研磨在線測頻技術(shù)領(lǐng)域，基于DDS的數(shù)字化、高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，以及一種寬帶射頻幅值檢測電路，利用網(wǎng)絡(luò)最大傳輸法檢測原理大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性，解決現(xiàn)有ALC系統(tǒng)“在某些頻段發(fā)生測頻值跳變”的問題。本發(fā)明所有頻段采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口電路，解決現(xiàn)有ALC系統(tǒng)不同頻段需要更換探測頭的缺陷，顯著降低射頻接頭頻繁插拔導(dǎo)致的電學(xué)故障風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，從而能夠顯著提升晶片研磨質(zhì)量和產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性。本發(fā)明的硬件系統(tǒng)方案不僅能夠覆蓋目前晶片研磨生產(chǎn)所涉及的所有頻段，而且只需要通過算法參數(shù)上修改就能同時(shí)兼容石英晶片的所有切型，適用范圍大大擴(kuò)展。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的原理框圖；
圖2是本發(fā)明的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是MCU控制系統(tǒng)模塊原理框圖；
圖4是網(wǎng)絡(luò)接口電路圖；
圖5是信號(hào)放大濾波模塊電路原理圖；
圖6是射頻幅值檢測模塊電路原理圖；
圖7是石英晶片最大傳輸法的典型諧振信號(hào)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明的石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)包括:電源模塊、MCU控制系統(tǒng)模塊、DDS模塊、射頻功率放大模塊、π網(wǎng)絡(luò)接口模塊、信號(hào)放大濾波模塊、射頻幅值檢測模塊和觸摸屏模塊；
所述電源模塊為MCU控制系統(tǒng)模塊、DDS模塊、射頻功率放大模塊、信號(hào)放大濾波模塊、射頻幅值檢測模塊和觸摸屏模塊提供直流電源。
[0022]所述DDS模塊根據(jù)接收到的MCU控制系統(tǒng)模塊的掃頻命令產(chǎn)生指定頻率范圍、掃頻速率和射頻輸出幅度的正弦波掃頻信號(hào)；
所述MCU控制系統(tǒng)模塊中的MCU處理器根據(jù)掃頻參數(shù)發(fā)送掃頻指令給DDS模塊;用于對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，計(jì)算出晶片諧振頻率、研磨速率和散差等統(tǒng)計(jì)信息；用于根據(jù)研磨控制策略對(duì)研磨機(jī)開關(guān)、研磨砂開關(guān)進(jìn)行控制；用于實(shí)時(shí)監(jiān)控觸摸屏的設(shè)置信息;模塊中的永久存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)研磨起始頻率和研磨目標(biāo)頻率、掃頻參數(shù)、波形搜索參數(shù)和控制策略參數(shù);也用于存儲(chǔ)每次研磨流程和修研磨盤流程的相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息；
所述射頻功率放大模塊提高DDS模塊的掃頻信號(hào)功率，放大后的掃頻信號(hào)輸入到網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊；
所述信號(hào)放大濾波模塊將從η網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊探測獲得的晶片諧振信號(hào)進(jìn)行幅值放大，并濾除放大后射頻諧振信號(hào)中的干擾信號(hào)；
所述射頻幅值檢測模塊將濾波后的晶片諧振信號(hào)轉(zhuǎn)換為僅保留幅值變化信息，發(fā)送給所述MCU控制系統(tǒng)模塊進(jìn)行AD采樣和計(jì)算處理；
所述觸摸屏模塊用于系統(tǒng)與用戶的交互，顯示石英晶片的測量統(tǒng)計(jì)信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息；用于設(shè)置研磨起始頻率和研磨目標(biāo)頻率;用于設(shè)置參數(shù)，包括掃頻參數(shù)、統(tǒng)計(jì)參數(shù)、波形搜索參數(shù)和控制策略參數(shù);用于設(shè)置研磨流程的開始和緊急停止；
所述的網(wǎng)絡(luò)接口模塊作為直接連接研磨機(jī)上磨盤的獨(dú)立模塊，石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)中除η網(wǎng)絡(luò)接口模塊以外的其他模塊構(gòu)成石英晶片研磨在線測頻儀的主體。
[0023]所述的石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)用于石英晶片研磨機(jī)的典型安裝方式如圖2所示。典型的石英晶片研磨機(jī)主要由上研磨盤、下研磨盤、研磨載具、研磨電機(jī)、研磨機(jī)開關(guān)組成。π網(wǎng)絡(luò)接口電路插在上研磨盤對(duì)應(yīng)的輸入電極插座和輸出電極插座內(nèi)。電極插座一般是中空的銅柱，由特氟龍?zhí)坠芙^緣隔離后緊密地嵌入上研磨盤的通孔內(nèi)，電極插座下表面與上研磨盤表面完全平齊，研磨過程中可直接與晶片表面接觸。輸入和輸出電極插座之間應(yīng)間隔適當(dāng)距離，本發(fā)明取15 mm。在線測頻儀和網(wǎng)絡(luò)接口電路之間通過50歐姆阻抗的射頻電纜連接，研磨電機(jī)、研磨機(jī)開關(guān)和在線測頻儀之間通過0.2平方的導(dǎo)線連接。
[0024]電源模塊將220V市電轉(zhuǎn)換為±5V、+12V和+24V的直流電源，其中±5V電源用基于LM7805和LM7905的線性穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)，采用額定功率為1W的220V轉(zhuǎn)雙9 V變壓器，用于給信號(hào)放大濾波模塊和射頻幅值檢測模塊供電；其中+5V電源還用于給MCU控制系統(tǒng)模塊和DDS模塊供電；其中+12V和+24V電源采用臺(tái)灣明偉的NET-35D開關(guān)電源，額低功率35W，+ 12V和+24V額定輸出電流均為IA; +12V電源用于給射頻功率放大模塊供電，+24V電源用于給觸摸屏模塊供電。
[0025]MCU控制系統(tǒng)模塊采用ARM 32位內(nèi)核的STM32F439IIT6處理器，172管腳，2GB閃存儲(chǔ)存器，LQFP封裝，工業(yè)工作范圍是-40 0C到+85 V ；處理器同時(shí)集成了FPU自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速度器，工作頻率高達(dá)180 MHz;MCU控制系統(tǒng)模塊包括最小系統(tǒng)部分和交互部分；
如圖3所示MCU控制系統(tǒng)模塊的最小系統(tǒng)部分包括:復(fù)位電路向MCU處理器輸入復(fù)位電平，低電平時(shí)處理器工作。在上電或復(fù)位過程中復(fù)位電路可以控制MCU的復(fù)位狀態(tài)，防止MCU發(fā)出錯(cuò)誤指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能;BOOT電路向MCU處理器輸入數(shù)字電平信號(hào)，低電平時(shí)MCU處理器從內(nèi)部存儲(chǔ)器啟動(dòng)程序，高電平時(shí)MCU處理器可以從外部存儲(chǔ)器啟動(dòng)程序;電池供電電路可以在外部電源切斷時(shí)為MCU處理器的掉電存儲(chǔ)器供電，采用CR2032標(biāo)準(zhǔn)電池可以提供3.0 V電壓；晶振電路為MCU處理器提供時(shí)鐘參考，本發(fā)明采用的MCU處理器有兩組晶振。一組用作25 MHz的主時(shí)鐘，另一組用作32.768 kHz的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘；JTAG仿真下載電路為MCU控制系統(tǒng)模塊下載程序和程序仿真，可以方便程序員觀察系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)MCU寄存器數(shù)據(jù)的變化。
[0026]M⑶控制系統(tǒng)模塊的交互部分包括:LED指示電路用于指示系統(tǒng)狀態(tài)，用MCU的輸入輸出端口來控制LED的亮暗;AD采樣電路負(fù)責(zé)將外部模擬信號(hào)輸入MCU處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)由處理器進(jìn)一步分析處理;SRAM電路作為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器與M⑶處理器進(jìn)行運(yùn)算數(shù)據(jù)交互，用于M⑶處理器的二級(jí)高速緩存;EEPROM電路作為M⑶處理器掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)芯片，用于保存用戶與設(shè)備的交互數(shù)據(jù);并口通訊電路由MCU處理器的二十六個(gè)輸入輸出管腳提供，作為MCU控制系統(tǒng)模塊與DDS進(jìn)行通信的數(shù)字通道；串口通信電路由MCU處理器的串口輸入輸出管腳提供，用于MCU控制系統(tǒng)模塊和觸摸屏之間的數(shù)據(jù)交互，也可以替代JTAG仿真下載電路用于系統(tǒng)程序的下載；SD卡電路由MCU處理器提供相應(yīng)的SD卡存儲(chǔ)管腳，作為本發(fā)明的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
[0027]DDS模塊使用的型號(hào)是AD9854，最高工作頻率為300 MHz。一般情況下，DDS時(shí)鐘頻率的40%為實(shí)際輸出波形的最高頻率，因此AD9854輸出波形的最高頻率可達(dá)120 MHz，符合本發(fā)明的需求；為了給MCU控制系統(tǒng)模塊提供掃頻的起始參考，本發(fā)明采用AD9854的Ramped FSK掃頻模式，同時(shí)可根據(jù)信號(hào)需求實(shí)時(shí)修改輸出幅值；將DDS掃頻模式修改為Ramped FSK模式后，只需要設(shè)置開始頻率、截止頻率、掃頻步進(jìn)、掃頻速度、掃頻幅度后即可開始從起始頻率到截止頻率的掃頻，單步掃頻時(shí)間僅需要10 us;每次掃頻開始時(shí)，AD9854的數(shù)據(jù)更新管腳將同步觸發(fā)信號(hào)由低電平置為高電平。
[0028]以RampedFSK模式掃頻信號(hào)的產(chǎn)生為例，闡述對(duì)DDS模塊的AD9854的操作步驟:復(fù)位DDS，即AD9854的第71腳保持10個(gè)以上時(shí)鐘周期的正脈沖；寫控制寄存器，設(shè)置工作模式、數(shù)據(jù)更新方式、鎖相環(huán)倍頻數(shù)、開啟和屏蔽相應(yīng)的功能；寫數(shù)據(jù)寄存器，寫入掃頻的起始頻率和終止頻率，設(shè)置掃頻步進(jìn)和掃頻斜率;數(shù)據(jù)設(shè)置完成后，在數(shù)據(jù)更新管腳產(chǎn)生上升沿觸發(fā)，芯片開始掃頻，并不斷以終頻、初頻、終頻的方式循環(huán)。
[0029]射頻功率放大模塊采用MWLA-001080M20低噪聲放大器，工作頻率范圍:I MHZ-80MHz，增益:20 dB，最大輸出功率:20 dBm。功放與DDS模塊和網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊均采用SMA射頻接口連接。
[0030]JT網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊由圖4所示。電路由電阻器和輸入輸出電極組成，其中電阻器R1=R6=159 Ω ,R2=R5=66.2 Ω ,R3=R4=14.2 Ω。輸入電極和輸出電極采用3 mm直徑的純銅香焦插頭。
[0031]信號(hào)放大濾波模塊電路原理如圖5所示，芯片Ul、U2和U3的型號(hào)都是LMH6609，均采用±5 V供電，圖中VCC= +5V，VSS= -5V;JT網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊的輸出信號(hào)通過SMA接口(SI)進(jìn)入，輸入電阻Rl=I kQ ,R2=50 Ω用于阻抗匹配，一端接入U(xiǎn)l的正向輸入端(+)，一端接信號(hào)地;與Ul反向輸入端(_)相連的電阻是R3=100 Ω另一端接參考地，R4=l kQ另一端接Ul的輸出端，構(gòu)成十倍的電壓增益;Ul的輸出端連接交流耦合電容Cl=1 nF，再連接到R5=100 Ω后輸入U(xiǎn)2的反向輸入端(_);R6=1 kQ跨接在U2的反向輸入端(-)和輸出端之間，與R5構(gòu)成十倍的電壓增益，Ul和U2總計(jì)構(gòu)成一百倍的電壓增益;R7=82 Ω作為補(bǔ)償電阻一端接入U(xiǎn)2的正向輸入端(+)，一端接信號(hào)地；U2的輸出端連接一個(gè)截止頻率為I MHz的兩階巴特沃斯高通濾波電路，其中R8=930 Ω ,R9=390 Ω，C2=390 pF，C3=180 pF，U3的輸出端與反向輸入端(-)直接相連，輸出端連接到SMA接口( S2);
射頻幅值檢測模塊電路原理如圖6所示，所有芯片采用±5 V供電，圖中VCC= +5V，VSS=-5V;信號(hào)放大濾波模塊的輸出信號(hào)通過SMA接口(SI)進(jìn)入，Rl=50 Ω用于阻抗匹配，一端接入高速比較器0PA690(U1)的正向輸入端(+)，一端接信號(hào)地;高速比較器Ul作為緩沖器實(shí)現(xiàn)阻抗變換，輸出端與反向輸入端(_)直接相連，輸入電阻R2=l kQ ;運(yùn)算放大器TL3016(U2)比較的信號(hào)是同相端(IN+)的待測信號(hào)與反相端(IN-)反饋回來的信號(hào)，接地端GND和使能端EN接信號(hào)地，輸出端Qout連接限流電阻R3=820 Ω ;反饋電路利用的是快速二極管IN4148(Dl)和由R4=100 kQ ,Cl = 1 nF構(gòu)成的RC充放電回路進(jìn)行檢波，如果待測信號(hào)的賦值大于二極管Dl和RC檢測幅值，則比較器會(huì)輸出高電平，這時(shí)二極管Dl導(dǎo)通并對(duì)電容充電使檢測幅值上升;如果待測信號(hào)幅值小于二極管Dl和RC檢測幅值，那么比較器一直輸出低電平，電容器通過電阻放電使檢測幅值降低，最終檢測充放電平衡;RC充放電回路連接反饋運(yùn)算放大器TL08UU3)的正向輸入端(+)，U3的輸出端與反向輸入端(-)直接相連，限流電阻R5=120Ω，電容R6=100 pF;電路測量輸出值進(jìn)入運(yùn)算放大器TL08UU4)的正向輸入端(+)，U4的輸出端與反向輸入端(_)直接相連構(gòu)成跟隨電路輸出到SMA接口( S2);
觸摸屏模塊采用的是昆侖通態(tài)的TPC7062Ti，觸摸屏與MCU控制系統(tǒng)模塊之間的通信采用MODBUS協(xié)議，該通信協(xié)議采用查詢回應(yīng)機(jī)制，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸。MCU控制系統(tǒng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控觸摸屏的界面跳轉(zhuǎn)狀態(tài)、研磨按鈕是否按下、緊急暫停按鈕是否按下、研磨起始頻率和目標(biāo)頻率、測頻參數(shù)是否修改等信息。
[0032]石英晶片諧振頻率的在線檢測技術(shù)基于壓電諧振原理:在晶片兩側(cè)施加正弦電場，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場的振幅都很小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)振幅明顯加大，該頻率就是晶片的諧振頻率。因此，石英晶片在線測頻系統(tǒng)必須具備射頻信號(hào)發(fā)生和掃頻的功能。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS(Direct Digital Synthesizer)是一種新型的頻率合成技術(shù)，優(yōu)于用傳統(tǒng)鎖相環(huán)(PLL)掃頻設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器。其主要優(yōu)點(diǎn)是易于程序控制，相位連續(xù)，輸出的頻譜范圍寬，輸出頻率穩(wěn)定度高，分辨率高，響應(yīng)速度快。本發(fā)明所采用的AD9854 DDS模塊能夠輸出I MHz -120 MHz的正弦掃頻信號(hào)，最大輸出功率O dBm。
[0033]石英晶片的頻率研磨生產(chǎn)過程中，晶片首先被排布到研磨載具中，晶片厚度大于研磨載具厚度，上下磨盤直接跟晶片接觸，其間充滿了作為研磨介質(zhì)的研磨砂。研磨機(jī)啟動(dòng)的同時(shí)開啟本發(fā)明涉及的石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)，上下研磨盤相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，研磨載具也會(huì)在下研磨盤內(nèi)外圈齒輪的帶動(dòng)下繞著電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)和自傳，晶片通過上下研磨盤的相對(duì)滑動(dòng)被研磨砂不斷切削減薄，諧振頻率不斷上升直到目標(biāo)頻率值。本發(fā)明實(shí)時(shí)監(jiān)測研磨盤內(nèi)晶片的諧振頻率，到達(dá)目標(biāo)頻率點(diǎn)時(shí)準(zhǔn)確關(guān)停研磨機(jī)。由于射頻傳輸線和輸入輸出電極之間的研磨砂會(huì)對(duì)DDS模塊的掃頻產(chǎn)生衰減，為了保證足夠的射頻激勵(lì)強(qiáng)度，本發(fā)明涉及的射頻功率放大模塊可以將輸出功率提高100倍至20 dBm。
[0034]本發(fā)明涉及的DDS模塊、射頻功率放大模塊、Ji網(wǎng)絡(luò)接口電路、信號(hào)放大濾波電路和射頻幅值檢測電路共同構(gòu)成了本發(fā)明所涉及的石英晶片研磨在線測頻最大信號(hào)傳輸法的硬件基礎(chǔ)。當(dāng)石英晶片滑動(dòng)到網(wǎng)絡(luò)接口電路中對(duì)應(yīng)的輸入輸出電極下時(shí)，DDS模塊改變輸入信號(hào)的頻率使之從低頻向高頻方向變化，射頻幅值檢測電路將檢測到石英晶片兩端的電壓信號(hào)隨頻率的改變而變化，最大傳輸法的典型信號(hào)如圖7所示。從圖中可以看到，當(dāng)掃頻信號(hào)頻率等于Fr時(shí)，電壓出現(xiàn)最大值;而當(dāng)頻率進(jìn)一步增加時(shí)，電壓出現(xiàn)最小值。其中Fr是晶片的最小阻抗頻率，當(dāng)忽略晶片的機(jī)械損耗時(shí)，F(xiàn)r可以認(rèn)為是晶片的諧振頻率。在晶片頻率研磨階段優(yōu)于千分之一的檢測精度(幾百PPM)已經(jīng)可以滿足實(shí)際需求，因此這樣的近似是完全能被接收的。最后，本發(fā)明涉及的MCU控制系統(tǒng)模塊會(huì)采集晶片諧振信號(hào)并用恰當(dāng)?shù)乃惴ǖ贸鯢r的實(shí)時(shí)值，不斷與目標(biāo)頻率比較直到關(guān)停研磨機(jī)。
[0035]考慮到一般晶片長度尺寸(10 mm左右)、研磨盤轉(zhuǎn)速(每分鐘10圈)、研磨盤直徑和輸入輸出電極之間的間距(15 mm)，研磨過程中晶片經(jīng)過電極的有效探測時(shí)間約為100 ms左右。本發(fā)明涉及的DDS模塊的掃頻速度和MCU控制系統(tǒng)模塊處理速度可以達(dá)到50次每秒，即每次掃頻和處理20 ms，足以滿足晶片研磨過程中動(dòng)態(tài)測頻的需求。
[0036]由于本發(fā)明在石英晶片的研磨在線測頻流程中創(chuàng)新地采用了最大傳輸法的原理，因此自然地僅用同一種網(wǎng)絡(luò)接口電路就可以覆蓋所有頻率點(diǎn)。同時(shí)對(duì)于不同切型的晶片僅需要通過改變DDS模塊的射頻輸出功率就可以實(shí)現(xiàn)有效激勵(lì)，滿足不同晶片厚度與頻率的函數(shù)關(guān)系。因此本系統(tǒng)可以克服傳統(tǒng)ALC在線測頻系統(tǒng)的諸多問題，在顯著提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、兼容性的同時(shí)基于全新的MCU控制系統(tǒng)模塊開發(fā)更多的廠家急需的訂制功能，并可以實(shí)現(xiàn)研磨車間各研磨機(jī)臺(tái)之間的通訊交互。
[0037]以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)，其特征在于，包括電源模塊、MCU控制系統(tǒng)模塊、DDS模塊、射頻功率放大模塊^網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊、信號(hào)放大濾波模塊、射頻幅值檢測模塊和觸摸屏模塊； 所述電源模塊為所述MCU控制系統(tǒng)模塊、DDS模塊、射頻功率放大模塊、信號(hào)放大濾波模塊、射頻幅值檢測模塊和觸摸屏模塊提供直流電源； 所述DDS模塊根據(jù)所述MCU控制系統(tǒng)模塊發(fā)出的掃頻指令產(chǎn)生指定頻率范圍、掃頻速率和射頻輸出幅度的正弦波掃頻信號(hào)； 所述射頻功率放大模塊用于放大所述DDS模塊的掃頻信號(hào)功率，放大后的掃頻信號(hào)輸入到所述網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊； 所述信號(hào)放大濾波模塊用于將從所述η網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊探測獲得的石英晶片諧振信號(hào)進(jìn)行幅值放大，并濾除放大后射頻諧振信號(hào)中的干擾信號(hào)； 所述射頻幅值檢測模塊用于將濾波后的石英晶片諧振信號(hào)轉(zhuǎn)換為僅保留幅值變化信息的信號(hào)，并將該信號(hào)發(fā)至所述MCU控制系統(tǒng)模塊進(jìn)行AD采樣和計(jì)算處理； 所述觸摸屏模塊用于與用戶的交互，顯示石英晶片的測量統(tǒng)計(jì)信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息、設(shè)置研磨起始頻率和研磨目標(biāo)頻率、設(shè)置掃頻參數(shù)、統(tǒng)計(jì)參數(shù)、波形搜索參數(shù)和控制策略參數(shù)及設(shè)置研磨流程的開始和緊急停止。2.如權(quán)利要求1所述的石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)，其特征在于，所述MCU控制系統(tǒng)模塊包括MCU處理器和永久存儲(chǔ)器； 所述M⑶處理器根據(jù)掃頻參數(shù)發(fā)送掃頻指令至所述DDS模塊，用于對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，計(jì)算出石英晶片諧振頻率、研磨速率和散差統(tǒng)計(jì)信息，控制研磨機(jī)開關(guān)及研磨砂開關(guān)，實(shí)時(shí)監(jiān)控所述觸摸屏的設(shè)置信息； 所述永久存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)研磨起始頻率、研磨目標(biāo)頻率、掃頻參數(shù)、波形搜索參數(shù)、控制策略參數(shù)、每次研磨流程和修研磨盤流程的統(tǒng)計(jì)信息。3.如權(quán)利要求1所述的石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊直接連接于研磨機(jī)的上磨盤，插在所述上研磨盤對(duì)應(yīng)的輸入電極插座和輸出電極插座內(nèi)。4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)接口電路模塊包括若干電阻器、輸入電極和輸出電極，其中電阻器R1=R6=159 Ω，R2=R5=66.2 Ω，R3=R4=14.2Q，所述輸入電極和輸出電極均采用3 mm直徑的純銅香蕉插頭。5.如權(quán)利要求4所述的石英晶片研磨在線測頻系統(tǒng)，其特征在于，所述DDS模塊的最高工作頻率為300 MHz。
【文檔編號(hào)】G01R23/02GK105866540SQ201610271878
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月28日
【發(fā)明人】郭彬, 潘凌鋒, 陳浙泊, 陳信, 陳一信, 林斌
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)臺(tái)州研究院