图1  系统整体框图

本课题中所需的试验硬件设备为：

?  NI4351板卡（DAQ），NI4351采用PCI总线技术与计算机通信，完成数据采集的功能。其中包含一个24bit的模数转换器，可实现16通道的高速数据采集。内嵌多路通道扫描开关以及1mA、25μA的恒流源。

?  PC机

?  继电器输出板卡PCL735及附属设备

?  恒温腔及相关设备

?  参考电阻

?  测温传感器

?  带10位AD的单片机CPU

?  恒温电路及其他电路PCB板和相关设备

本课题采用Pt100作为测温传感器，其测量公式如下：

   (1)

对于工业常用铂电阻传感器(W(100)=1.391)，有：

A=3.96847×10-3/℃

B=－5.847×10-7/℃

C=－4.22×10-12/℃

    因为光刻机工作环境不会超过10～30℃，所以在软件中计算温度值时，根据上式的第一个公式进行计算，并舍去负值。

4  恒温腔

4.1  恒温腔结构设计

    恒温腔的作用在于为参考电阻提供一个温度恒定在22±0.01℃的环境，稳定的参考电阻在这种环境下，由式(1)，可以消除恒流源漂移对测量准确性的影响。

    加热棒以康铜丝缠绕，置于中心孔洞中，康铜丝长度160mm，康铜丝的电阻率为50×10^－3Ω/mm，因此可得总电阻为：
 (2)
采用直流5V电压供电加热，加热功率为：
 (3)

    下面分析加热曲线特性。采集一组加热的数据，从开始加热时采集数据，到最后恒温腔的温度基本稳定在50℃左右。对恒温腔的特性进行分析，得出恒温系统是一个一阶惯性系统，其特性方程可由测量数据计算出。

4.2  恒温腔温度控制电路

    恒温腔的控制回路见下图，由Pspice绘制，并经过仿真。实际测试过程中，输入的微小电压改变，如1ppm的阻值变化引起的电压变化，将准确地反映在输出端，由带10位AD转换器的CPU进行数据处理，并进行恒温控制。

    通常情况下，本仪器工作光刻机系统中，而光刻机系统环境必须保证相对稳定，因此，整个系统的温度基本固定在22℃左右。恒温腔设计时，为了使恒温腔的温度控制不会受到环境温度的影响，且又避免设计冷却系统，因此我们控制恒温腔温度为30±0.01℃，当系统启动时，即加热恒温腔，使温度逐步升至30℃，并稳定在±0.01℃之间，实现恒温的控制。恒温腔温度控制采用PID控制加锯齿波整合的方法实现。即当刚开始加热时，测量当前温度为T0，与标准温度
30℃之差为△T，经PID算法后得到控制量△P，
 (4)

    由于没有采用冷却系统，因此必须保证T始终小于30℃，即△T <0，△P始终小于0，如果以0为加热器的开关参考标准，则会产生极大过量增益，从而失去恒温控制。为使加热控制能达到无过量增益的效果，必须在温度达到标准温度前就开始控制加热的开关占空比。此处引入三角锯齿波来对控制量△P进行加权，同时根据实验的数据总结出加热开关控制点，使最终恒温腔的加热控制在±0.1℃之间。

5  误差源因素及措施

5.1  导线电阻

    使用电子传感器的测量可能会受到所在连接导线电阻的影响。在常用的2线或3线测量电路中，这些电阻及其变化可能引起0.1~1.0℃的误差。
 
    使用4线电路，可以完全消除导线电阻的影响。在这种设计中，传感器由来自一组导线的电流驱动，所得的EMF（接触电势）使用另一组导线进行测量。信号被发送到一个具有极高输入阻抗的放大器，使流入放大器的电流可以忽略不计，在高导线电阻的情况下也可准确地测量出传感器电阻。

5.2  接触电动势

    电阻传感器在不同的金属导线之间有若干接点。这些接点可以产生接触电动势，可被看作热电偶。除非为某种方式被抑制，这种热电动势可以干扰传感器电动势，并使测量准确度降低。

    产生接触电动势的原因主要是由于两种不同的金属导线焊接在一起而造成的，设计中，采用反向电流法来消除接触电势的影响。其原理如图3所示。

    每次测量包括两次独立的测量，第二次使电流反向通过传感器，由于接触电势并不因为电流的反向而改变方向，因此可得： 
 (5)
将两式相减并取平均值即可消除接触电势ΔVcon对测量结果的影响：
 (6)

    进行两次对立测量，在第二次测量时，只需将激励电流进行反相。接触电动势引起的误差在这两次测量中是相反的。将这2次结果进行平均就可以消除误差。这种技术十分有效，它可消除来自接触电动势的误差，同时避免与交流有关的误差。

图3  反向电流法原理图

5.3  电抗

    使用交流激励电源可在温度测量中造成误差，原因是传感器经常会表现出明显的感抗和容抗。使用直流电路就不易受到电抗的影响。NI4351使用直流电路，因此不受电抗因素的影响。直流电路允许在开始测量一个样值之前有足够的时间使电流和电压进行稳定。

5.4  泄漏

    电阻传感器易受周围的绝缘材料的电泄漏的影响。泄漏通常在低温时较为明显，因为绝缘层可以从空气中吸收湿气。另外在高温下，由于绝缘材料的电导相对升高，这时的泄漏也很明显。泄漏以及介电吸收和涡流等效应在交流电路中比在直流电流中要显著得多。通过直流激励电源，NI4351可以在各种条件下获得极佳的准确度。

5.5  自热
 
    电阻测量中的另外一个问题是自热现象。自热现象是由激励电流施加到传感器上散热功率造成的。这会使得传感器的温度比正常高。NI4351通过使用小电流（1mA或25uA）将自热效应降低到最低来取得较高的准确度。电流可在很宽的范围内、以极高的分辨率进行设定。将电流设定到任意值就可以使自热误差得到控制、测量和消除。

5.6  部件漂移

    典型电阻测量仪器的准确度受到电气部件稳定性的严重影响。为了有效消除板卡提供的恒流源漂移对测量的影响，采用参考电阻的方法。

    铂电阻为无源器件，必须提供激励电流以产生可被DAQ板卡采样的电压信号。系统设计中，利用NI-DAQ卡上的板载恒流源1mA或25uA，通过传感器两端，但由于板载恒流源的不稳定性以及时间漂移，将造成测量精度的下降。
为此，引入参考电阻，其电路图如图4所示。

图4  参考电阻电路

    工作时，首先使电流通过参考电阻Rf和传感器RT，分别测得Vf1和VT1，然后将电流反向，测得Vf2和VT2，以消除接触电势的影响，假定恒流源Iexc在切换时间内保持不变，则：
(7)
   (8)
两式相比，可得：(9)

    可见，电流的影响通过引入参考电阻而得到消除。

    然而，由于参考电阻同样会受到环境温度的改变而发生阻值变化，因此采用稳定度极高的参考电阻，如100Ω、 <10-5的锰铜线电阻，使之处于恒定温度的环境（恒温腔）中，期望其温度在30 ± 0.1℃，以确保参考电阻阻值变化极小。

5.7  噪声和分辨率

    在任何测量电路中都会有噪声的存在。过量的噪声会使测量值随时间随机变化，这样就很难检测到被检测参数的较小变化。过量的噪声会限制测量仪器的分辨率。

    电气噪声来自多种地方。较小的噪声由测量电路中的电阻和半导体器件产生。一些噪声是ADC的有限分辨率造成的。来自内部或外部的电气或电磁干扰也可能引起噪声。虽然不可能完全消除噪声，但可以采取一些步骤来将其降低，如：使用低噪声的部件，选择有较高分辨率的ADC，使用屏蔽来阻止电磁干扰到达敏感电路。为了进一步降低噪声，还应该在这个电路中使用滤波和电磁干扰抑制器件。CPU还可以使用数字滤波来除去大部分的剩余噪声。使用数字滤波的一个缺点是它可能会使仪器对被测量电阻或温度变化的反映较慢。

5.8  非线性度

    将实际电阻比之间的曲线关系的弯曲部分视作非线性度。它们由数模转换器以及电源和放大器造成。为了将非线性度降低至最低，采取一下3个步骤：首先，选择可以获得的最好部件，例如ADC为双斜率积分型，它具有比其它精密积分或Σ－ΔADC至少好10倍的线性度。其次，所使用的测量技术本身可以抑制大部分的非线性度。由于相反极性的值平均，非线性度的零次误差（即漂移）2次误差和更高的偶次分量也被消除。剩下的3次和更高的奇次分量，次数越高其幅度就降得越多。再次就是对3次非线性度用数学方法进行修正。ADC校正参数即用于此目的。

6  信号处理

6.1  均值的估计

    将N个样点数据的算术平均值作为均值的估计 ，即
(10)
设，下面对该估计进行质量评估。估计 的数学期望为
(11)

6.2  样本方差
(12)

6.3  仪器系统分析

    在进行设计开发之前，首先需要了解NI4351恒流源和各个通道的稳定状况。这里利用后面编写的程序，在一个测量通道上接入一个 <10-5的锰铜电阻，对其提供NI4351板卡上的1mA电流源信号，对在较短的时间内测得的信号进行分析，了解恒流源的值、漂移状况、噪声的性质，以便为消除噪声信号采取措施。

    把100Ω（实际99.998Ω）， <10-5的锰铜电阻，由1mA电流源提供电流，按照4线制方式接在通道0上，在测得较短时间内的一组288个信号后，然后利用Matlab对其进行数据分析。

    这个概率分布通过图7可以近似为高斯分布，即数据在出现的概率上为高斯分布；而在频率域由图6可以看作均匀分布；图5中可以看出，在相关域信号为脉冲信号。综上所述，在加载1mA恒流源后，通道上的噪声可以看作为高斯白噪声。对25uA恒流源进行上面3种分析，结果类似。

图5  原始信号图和自相关函数图

图6  原始信号图和功率谱密度图

图7  分布概率分析图

    在上面的分析中可以看出在短时间内，测量稳定性极好的电阻值，得到的测量中包含的噪声是高斯白噪声。从数据中又能够看出，随着采样时间的加长，数据将会向一定的方向缓慢变化（上面使用的测量值是逐渐变大）。
因此，为了减小高斯白噪声对测量精度的影响，对大量动态数据窗的数据进行平均处理作为温度显示值。得到值的方差是直接采样值方差的，测量效果将得到极大的提高。

    如前文所述，要提高精度，需要对大量的动态采集的数据组进行平均处理。

    对采集的动态数据组进行平均处理即是加矩形窗的过程，这里简单讨论一下矩形窗对测量的影响。

    设矩形窗时域表达式w(n)=RN(n)，窗谱为：
(13)
幅度函数为：(14)

主瓣宽度为，旁瓣宽度比主瓣低13dB，最小带阻衰减21dB。

    矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗。这种窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象

7  软件设计

7.1  软件总体功能模块

首先介绍软件的整体功能模块，如图8所示。

图8  软件的整体功能模块图

软件的主要界面有：
?  主界面，即多通道循环采样界面。在这个界面设置采样的通道，参考电阻，系统密码，并控制采样的开始和停止。
?  波形显示画面，可显示选中的通道的采样数据波形和数值。
?  参数设置画面，选择通道的数据平滑时间和通道传感器系数。
?  实时数据画面，显示正在采样的通道的时间和数据，以表格的形式显示，指针始终指向最后一行。
?  系统处理画面，选择要保存数据的通道和要存储数据的个数，并保存到相应的指定文件中。
?  辅助界面，选择包括修改密码画面，退出系统画面等多个界面。

7.2  继电器扫描线路图

    所有的电阻包括参考电阻和所有通道上的温度传感器，都由NI4351板卡的1mA或25uA的恒流源电源进行供电，继电器采用研华公司的PCL735板卡，每个继电器线圈都有一个常开和常闭触点。接线图如图9所示。

图9  继电器控制图

    上图中0，1，2，……11对应的是研华PCL735继电器板卡的12个通道。“0”～“7”对应的8个传感器通道，控制输入到NI4351板卡0～7通道的输入数据，这8个通道采用常闭触点。当需要接通某个通道的传感器时，其相应继电器接通，其常闭触点断开，短路环随即断开，而不需要接通某个通道的传感器时，其相应的继电器断开，其常闭触点接通，从而断开传感器线路，即不测量相应的通道的数据。

    “8”和“9”用于控制数据循环采样时电流的正反向切换，它们为1，即继电器接通时，正向电流接通；它们为0，即继电器为0时，反相电流接通。“10”和“11”用于切换参考电阻和电流源，它们为1时，接通25uA的电流源，它们为0时，接通1mA的电流源，这两个通道采用常闭触点。

7.3  数据采集流程图（如图10所示）

7.4  每个通道的数据采集处理

    在循环数据采集过程中，第一个时间段采集的N个数据放在该通道的第一个数组中，第二个时间段采集的N个数据放在该通道的第二个数组中，以此类推，第M个时间段采集的N个数据放在该通道的第M个数组中。然后进行复位，即在第M＋1个时间段的数据放在第一个数组中，如此进行循环。每个通道采集的数据共有M×N个，然后进行平均，得到的数据作为显示值。

    这种数据处理方式可以理解为在M个时间段中，采集的数据是一个动态的数据流，当前采集的数据在下一个时间段将流动到下一个数据采集组，在第二个时间段流动到倒数第二个数据采集组中，以此类推，而在第M个时间将流动到倒数第一个数据采集组中，在第M＋1个时间将流出，并丢弃。作为测量值的数据是当前时间直至前M个时间的数据进行平均得到的值。由于当前的值和以前采集的数据将以此往下流动，得到的是一个实时更新的动态的平均值。

图10  数据采集流程图