自由曲面反射层质量监控系统设计及其应用

　　1　引　言

　　随着汽车工业的发展,人们在注重汽车的实用性的同时,更加注重汽车的美观。作为汽车的眼睛——车灯也经历了从最初的照明功能向集照明和装饰于一身的发展过程。传统的车灯是由抛物面(或椭球面)反射器和配光镜一起完成光能的收集和配光。而现在越来越多的车灯则是由自由曲面反射器独自实现光能的收集和配光;配光镜则是由透明的塑料(或玻璃)构成,仅起到密封和装饰的作用。这样,人们对反射器表面处理的质量要求也就进一步提高,否则其表面的瑕疵将一览无余而影响美观。其中反射层是以铝作为原料,在真空状态下以螺旋电阻丝加热蒸发镀制而成的。其质量的优劣直接影响了反射器的反射率和配光性能。而铝膜质量又是由厚度和结构直接决定的。如果厚度不适当或结构不合理,就会出现表面彩纹、发蓝、发暗、油斑和麻点等缺陷。因此需对其铝膜镀制过程进行监控,从而提高产品质量和合格率。为此,我们在分析比较电学、光学、扫描等常用膜厚测试方法的原理和特点的基础上,选择了既能适时测量膜厚又能反映影响膜层结构的蒸镀速率的频移法作为监控系统的基础。

　　本文首先讨论了频移法监控自由曲面反射层质量的基本原理,然后介绍探头结构和系统的组成,再后给出该装置在ZD1688—56P型滚筒式镀膜机上的应用情况,最后展望该装置为进一步提高国内车灯质量将起到的作用和应用前景。

　　2　监控原理

　　频移法监控自由曲面反射层质量是通过监测其反射层厚度和镀制速率而实现的。其中频移法是利用压电石英晶体微平衡原理,即改变石英晶体的质量,也就相应改变晶体的谐振频率。如图1所示为石英晶体表面上淀积薄膜的模型,图中tf为薄膜厚度,μf为切变模量,ρf为薄膜体密度,tg为晶体的厚度,μq为切变模量,表面的分界面为x=0。设切割波沿着厚度方向在系统中产生,并假设在两种介质中没有损耗,则波在晶体和薄膜中传播可用如下方程表示:

　　uq和uf分别表示在两种介质中质点位移与时间的关系,ω是角频率。

　　由质点位置的连续性以及应力的连续性在膜与晶体的界面必须满足:

　　这里我们引入一个更为方便的量——声阻抗:

　　因此当测出相关参数即可得到薄膜的厚度tf。

　　3　探头结构

　　石英晶体根据切割的方位不同可分为AT和BT两种类型,其频率常数分别为1680kHz·mm、2535kHz·mm。虽然AT型切断角度的允许误差很窄,但因在某一温度范围内其频率变化小,所以较适合作为自由曲面反射层质量是通过监控系统的探测元件(在此选择厚度为0.301mm,基频为6MHz)。虽然AT型石英晶体振动子频率温度系数较低,但有研究结果表明:振动子上升0.8℃、1.55℃、3.55℃和6.9℃,则其谐振频率分别减少5Hz、9Hz、21Hz、41Hz。因此对用于高温蒸发镀膜的探测器,为抑制由蒸发源辐射热造成的温度升高,必须对晶片的夹持工具、热屏蔽板进行水冷。另外,石英晶体振动子需镀Au或Ag膜作为电极膜。但为防止被策金属膜附着而产生的有效测量范围的变化,必须在元件前设置小于电极膜形成限制孔。故探头结构为右图(图2)所示。