石英晶片研磨在线测频系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种石英晶片研磨在线测频系统，包括电源模块、MCU控制系统模块、DDS模块、射频功率放大模块、π网络接口电路模块、信号放大滤波模块、射频幅值检测模块和触摸屏模块。本实用新型专利技术用基于DDS技术的π网络最大传输法检测原理增强了系统的抗干扰性，解决现有ALC系统“在某些频段发生测频值跳变”的问题。本实用新型专利技术所有频段采用统一的π网络接口电路，解决现有ALC系统不同频段需要更换探测头的缺陷，降低射频接头频繁插拔导致的电学故障风险，增强系统工作稳定性，能够显著提升晶片研磨质量和产品品质稳定性。硬件系统方案不仅能够覆盖目前晶片研磨生产所涉及的所有频段，而且只需要通过算法参数上修改就能兼容石英晶片的所有切型。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及测试仪器
，尤其涉及一种石英晶片研磨在线测频系统。
技术介绍
石英晶片是晶振的核心元器件，石英晶体振荡器（晶振）为电子设备提供时间基准，在电子信息产业中具有极其重要的地位。中国是晶振的制造大国，但产品档次和总产值与发达国家相比仍有较大差距。晶振的制造流程主要可以分为晶片生产和晶片封装两个阶段，前者主要通过切割、研磨和腐蚀等工序将石英晶棒加工成特定厚度和尺寸的晶片；后者主要通过披银、点胶、微调和密封等工序将晶片封装为各种规格的晶振。在一定频率范围内，石英晶片的厚度与其谐振频率可以简化成正比关系，目前大量晶振的频段处于几兆到几十兆赫兹，对应厚度为几百微米，正好满足这一关系。本技术所涉及的技术主要应用在晶片生产阶段，该阶段的生产目标是围绕石英晶片的谐振频率展开的。根据晶片生产工艺流程中不同阶段的需求，频率检测技术可以分为两个方向。一个方向是流程后段的“晶片电参数测试”技术，其将基本加工完成的晶片按照以谐振频率为核心参数进行分选，主要侧重测量的精确性和测试参数的全面性。国内外很多研究机构都对其进行了研究探索，相应的产品也比较成熟。比如，美国桑德斯公司的250A、250B系列网络分析仪和美国安捷伦公司的E5100系列网络分析仪的频率带宽分别在400 MHz和200 MHz，负载谐振频率测量精度达到2 ppm以内，代表了石英晶片静态和准静态测频领域的世界最高水平。频率检测技术的另一个方向就是本技术所关注的“在线测频”技术，主要侧重测量的速度和实时性。石英晶棒通过切割后先成为一定厚度的石英薄片，接下来利用研磨机把晶片准确地减薄到目标频率。在整个研磨过程中晶片始终在研磨机的上下研磨盘之间快速地相对滑动，其厚度无法直接测量。如果利用目前高精度（亚微米量级）的非接触式尺寸测量技术对石英晶片厚度进行在线间接测量，难度大且成本高昂。因此，想要控制晶片达到目标频率，要么多次停机取出晶片进行静态频率测量，要么使用在线测频技术。显然前者是繁琐且不可靠的，目前所有晶片生产厂商都需要研磨在线测频系统和在线测频技术。晶片研磨生产过程中研磨盘相对于晶片是不断滑动的，探测头下并不是始终存在晶片，谐振信号是间断的；另外，不同频率的晶片所需要的射频激励功率大小是不同的，不同频段谐振信号的幅度也是不同的。现有的在线测频技术具备在不同频段下提取动态谐振信号的能力，已经可以实现最基本的在线测频和研磨机自动停止功能。国外许多晶片制造厂家都使用美国TRANSAT公司的在线频率监控仪（Auto Lapping Control system - ALC）对研磨过程中的晶片频率进行在线测控，该仪器能够实现晶片在线测频的基本功能，但是核心技术被该公司垄断，能够获取的专利技术资料非常有限。国内晶片制造厂家多使用北京三禾泰达技术有限公司在售的ALC-2000型和ALC-2100型研磨测频仪，该仪器仍然采用基于美国TRANSAT公司的核心技术。以ALC-2100型研磨测频仪为例，其标称的测频范围在1 - 95 MHz；测试精度为0.1%；用两个八段数码管显示当前频率和频率散差；具备“当石英晶片达到预置的目标频率时，仪器自动关停研磨机”的功能。使晶片准确地达到目标频率而避免发生过度研磨导致的超频生产事故，是所有晶片生产厂家对在线测频仪的最基本需求。但是，随着市场对石英晶振产品要求的不断提高，石英晶振行业技术日新月异，原有的ALC系统的功能却并没有及时更新换代，生产实践中出现了越来越多不能忽视的问题和其他一些迫切的应用需求亟待解决。第一，石英晶振产品的谐振频率不断提高，量产的最高频段已经达到70 MHz，很多企业在实际使用ALC的过程中会遇到诸如“在某些频段发生测频值跳变”而无法有效控制研磨量的缺陷，严重影响产品质量和生产进度。这是由于其硬件构架基于传统的锁相环扫频技术和51系列嵌入式处理器，容易受到工厂环境中电机噪声、电极触点和研磨砂引入的电学噪声干扰；第二，石英晶振产品的种类不断增加，从原来较为单一的单转角AT切型发展为越来越多的双转角切型，比如SC切型和BT切型。双转角切型在一些特定的温度点有更好的稳定性，然而其厚度与频率的函数关系却跟AT切型不一样。经过实际测试，现有的ALC系统即使在自动增益下也不能满足在线测频的生产要求。第三，石英晶振产品已经覆盖了从5 MHz -70 MHz范围内几乎各个频点，现有的ALC系统在生产过程中，不同频段需要更换不同的探测头。频繁地插拔射频器件造成接口的电学故障几率大大上升，造成探测头电极折断损坏也是经常发生。一些很难察觉的探测头触点接触不良将导致产品质量不稳定，甚至造成“超频”的生产事故。这是由于ALC系统使用射频线圈作输入信号进行电压放大，不同频段需要使用不同的线圈造成的。因此，结合生产实际研究和探索晶片在线测频技术，摆脱现有ALC系统架构，创新地研发晶片研磨在线测频系统是当前石英晶振各大生产厂商的迫切需求。压电晶体行业近年来发展十分迅速，对石英晶片生产过程中的加工设备和在线高精度测控设备的需求量也在不断增加。
技术实现思路
本技术的目的是解决目前石英晶片研磨过程中传统在线频率监控仪在线测频 “在某些频段发生测频值跳变”的技术问题。为实现以上技术目的，本技术提供一种石英晶片研磨在线测频系统，包括电源模块、MCU控制系统模块、DDS模块、射频功率放大模块、π网络接口电路模块、信号放大滤波模块、射频幅值检测模块和触摸屏模块；所述电源模块为所述MCU控制系统模块、DDS模块、射频功率放大模块、信号放大滤波模块、射频幅值检测模块和触摸屏模块提供直流电源；所述DDS模块的输入端连接到所述MCU控制系统模块，DDS模块的输出端连接到所述射频功率放大模块的输入端；所述射频功率放大模块的输出端连接到所述π网络接口电路模块的输入端，所述π网络接口电路模块的输出端连接到所述信号放大滤波模块的输入端；所述信号放大滤波模块的输出端连接到所述射频幅值检测模块的输入端；所述射频幅值检测模块的输出端连接到所述MCU控制系统模块；所述触摸屏模块与所述MCU控制系统模块双向电连接。进一步地，所述MCU控制系统模块包括MCU处理器和永久存储器。进一步地，所述π网络接口电路模块直接连接于研磨机的上研磨盘，插在所述上研磨盘对应的输入电极插座和输出电极插座内。进一步地，所述π网络接口电路模块包括若干电阻器、输入电极和输出电极，其中电阻器R1=R6=159 Ω，R2=R5=66.2 Ω，R3=R4=14.2 Ω，所述输入电极和输出电极均采用3 mm直径的纯铜香蕉插头。进一步地，所述DDS模块的最高工作频率为300 MHz。与现有技术相比，本技术的有益效果是：本技术首次创新地将压电晶体的最大传输法检测方案用于石英晶片的研磨在线测频
，基于DDS的数字化、高精度和高稳定性的特点，以及一种宽带射频幅值检测电路，利用π网络最大传输法检测原理大大增强了系统的抗干扰性，解决现有ALC系统“在某些频段发生测频值跳变”的问题。本技术所有频段采用统一的π网络接口电路，解决现有ALC系统不同频段需要更换探测头的缺陷，显著降低射频接头频繁插拔导致的电学故障风险，增强系统工作稳定性，从而能够显著提升晶片研磨质量和产品品质稳定性本文档来自技高网...

【技术保护点】
石英晶片研磨在线测频系统，其特征在于，包括电源模块、MCU控制系统模块、DDS模块、射频功率放大模块、π网络接口电路模块、信号放大滤波模块、射频幅值检测模块和触摸屏模块；所述电源模块为所述MCU控制系统模块、DDS模块、射频功率放大模块、信号放大滤波模块、射频幅值检测模块和触摸屏模块提供直流电源；所述DDS模块的输入端连接到所述MCU控制系统模块，DDS模块的输出端连接到所述射频功率放大模块的输入端；所述射频功率放大模块的输出端连接到所述π网络接口电路模块的输入端，所述π网络接口电路模块的输出端连接到所述信号放大滤波模块的输入端；所述信号放大滤波模块的输出端连接到所述射频幅值检测模块的输入端；所述射频幅值检测模块的输出端连接到所述MCU控制系统模块；所述触摸屏模块与所述MCU控制系统模块双向电连接。

【技术特征摘要】
1.石英晶片研磨在线测频系统，其特征在于，包括电源模块、MCU控制系统模块、DDS模块、射频功率放大模块、π网络接口电路模块、信号放大滤波模块、射频幅值检测模块和触摸屏模块；所述电源模块为所述MCU控制系统模块、DDS模块、射频功率放大模块、信号放大滤波模块、射频幅值检测模块和触摸屏模块提供直流电源；所述DDS模块的输入端连接到所述MCU控制系统模块，DDS模块的输出端连接到所述射频功率放大模块的输入端；所述射频功率放大模块的输出端连接到所述π网络接口电路模块的输入端，所述π网络接口电路模块的输出端连接到所述信号放大滤波模块的输入端；所述信号放大滤波模块的输出端连接到所述射频幅值检测模块的输入端；所述射频幅值检测模块的输出端连接到所述MCU控制系统模块；所述触摸屏模块与...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭彬，潘凌锋，陈浙泊，陈一信，林斌，
申请(专利权)人：浙江大学台州研究院，
类型：新型
国别省市：浙江;33