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一种单晶方棒平面角度测试装置及其测试方法

阅读:0发布:2020-07-01

专利汇可以提供一种单晶方棒平面角度测试装置及其测试方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种单晶 硅 方棒平面 角 角度测试装置及其测试方法,包括电容测量 电路 、 控制器 、 电机 驱动器 、显示器,旋转台,电机,所述控制器与电容测量电路连接,所述控制器与显示器连接,所述控制器与电机驱动器连接。本方法可以提醒操作人员是否需要重新对 单晶硅 方棒进行滚磨修正的问题,提高了 硅片 的 质量 以及生产成品率。,下面是一种单晶方棒平面角度测试装置及其测试方法专利的具体信息内容。

1.一种单晶方棒平面角度测试装置,其特征在于:包括电容测量电路控制器电机驱动器、显示器,旋转台,电机,所述控制器与电容测量电路通过信号线连接,所述控制器与显示器通过信号线连接,所述控制器与电机驱动器通过信号线连接;
所述电容测量电路由9个电容传感器信号处理电路组成,用于将电容信号转换为电压信号并输入控制器;9个电容传感器中每3个电容传感器分为一组,共分为三组;所述单晶硅方棒放置在电容测量电路的9个电容传感器中间的旋转台上;所述电机驱动器用于执行控制器的命令,驱动电机带动旋转台转动,调整电容传感器与单晶硅方棒的位置;所述显示器用于显示电容测量电路的测量值以及提醒操作人员单晶硅方棒是否需要重新滚磨加工;
所述控制器通过测量三组电容传感器中第一个和第二个电容传感器的电容比,根据如下关系式求出单晶硅方棒任意相邻两平面平面角角度的平均值
其中,C1i,C2i分别为第i组中第一个和第二个电容传感器的电容值。
2.如权利要求1所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置,其特征在于:
所述电容测量电路包括对电容传感器Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23、Q31、Q32、Q33的电容值C11、C12、C13、C21、C22、C23、C31、C32、C33分别转换成0V~10V的电压值V1~V9的转换电路;Q11、Q21、Q31电容传感器的转换电路包括电容转换电路、频率转换电路,Q12、Q13、Q22、Q23、Q32、Q33电容传感器的转换电路包括电容转换电路、频率转换电路和反相放大电路组成。
3.如权利要求1所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置,其特征在于:
所述电容值转换电路选取NE555芯片。
4.如权利要求1所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置,其特征在于:
所述频率转换电路选取LM331芯片。
5.如权利要求1所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置,其特征在于:
所述运算放大器选取OP07。
6.如权利要求1所述的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置,其特征在于:
所述控制器选择TRIO运动控制器。
7.一种采用权利要求1所述装置测量单晶硅方棒任意相邻两平面平面角角度的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
S1调整单晶硅方棒相对于电容传感器的定位
首先调整9个电容传感器所在平面与单晶硅方棒面对角线垂直;9个电容传感器共分成三组,每一组的第三个电容传感器Q3i和第一个传感器Q1i的电容比C3i/C1i值为11.9时,表明9个电容传感器所在平面与单晶硅方棒面对角线垂直;不满足这一要求时,可以通过旋转单晶硅方棒所在旋转台完成;这一步骤可以通过控制器内部程序控制电机轴带动单晶硅方棒所在旋转台旋转到指定位置,从而实现定位,定位步骤如下:
S1.1利用电容测量电路采集9个电容传感器的电容信号,并输出给控制器;
S1.2控制器存储电容测量电路输出的数据,提取电容传感器Q31和电容传感器Q11的电路输出电容信号,计算其电容比值C31/C11;
S1.3当所测电容比值大于11.9时,控制器控制电机,使单晶硅方棒所在旋转台向右旋转一个步长;重复步骤S1.2;当所测电容值大于11.9时,再将此次电容值与上一次所测的电容值比较,如果大于上一次测量的电容比值,则使控制器控制电机,使单晶硅方棒所在旋转台向右旋转一个步长;如果小于上一次测量到的电容比值,则使控制器控制电机,使单晶硅方棒所在旋转台向左旋转一个步长;
S1.4重复步骤S1.2~S1.3,直到电容比值等于11.9,停止旋转单晶硅方棒所在旋转台;
S1.5测量电容传感器Q32和电容传感器Q12的电路输出电容信号,计算其电容比值C32/C12,并与11.9比较,重复步骤S1.1~S1.4,直到电容比值等于11.9,停止旋转单晶硅方棒所在旋转台;
S1.6测量电容传感器Q33和电容传感器Q13的电路输出电容信号,计算其电容比值C33/C13,并与11.9比较,重复步骤S1.1~S1.4,直到电容比值等于11.9,停止旋转单晶硅方棒所在旋转台;
至此完成单晶硅方棒的定位;
S2单晶硅方棒相邻两平面夹角的测定:
Q1i、Q2i、Q3i电容器的电容值分别可写为:
将εsi=ε0·εr=11.9ε0带入到(3)式,整理得到
则有:
其中,
分别将 和 在π/4处进行泰勒级数展开,并代入到(6)式,简化后得到
将式(2),(7)带入到(5)式中,整理可得
通过3组电容器和公式(8)可得出3个平面角,再求其平均值得(9)式:
S3单晶硅方棒任意两平面夹角的测定:
S3.1控制器控制电机,使单晶硅棒所在平台向右旋转90°;
S3.2重复S1~S2的步骤,测量9个电容传感器的电容值并计算当前单晶硅棒两平面夹角值;
S3.3重复步骤S3.1~S3.2,完成单晶硅棒第三个平面夹角值的测量计算;
S3.4重复步骤S3.1~S3.2,完成单晶硅棒第四个平面夹角值的测量计算。

说明书全文

一种单晶方棒平面角度测试装置及其测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及单晶硅方棒两相邻平面角角度的测量方法和测量设备领域,特别涉及一种单晶硅方棒平面角角度测试装置及其测试方法。

背景技术

[0002] 单晶硅片是信息产业中重要的基础材料,主要用于制作半导体元件,如大功率整流器、大功率晶体管、二极管开关器件、晶体硅太阳能电池。其制作方法如下:首先,制得多晶硅或无定型硅,然后通过直拉法或区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅,再将单晶硅方棒
通过滚磨和切割制成单晶硅片。单晶硅属于金刚石结构,因此在对单晶硅方棒进行切割和
制作成单晶硅片时,都需要操作人员沿着一定的晶向进行操作,否则单晶硅片容易崩角或
断片,或表面出现花纹,从而导致硅片质量差,可靠性差,寿命降低,同时降低了生产成品
率,提高了生产成本。单晶硅棒在滚磨后,确定其是否是长方体,即每两相邻面夹角是否是
90°,是一种确定晶向的有效方法。
[0003] 因此,为确保单晶硅片的质量,测量单晶硅方棒两相邻平面的夹角具有重要的作用。如果单晶硅方棒两相邻平面的夹角非直角,经过滚磨后的单晶硅方棒不能按照特定的
晶向切割,导致单晶硅片变脆,容易损坏。此外,由此做成的半导体器件质量变差,可靠性
差,寿命降低。
[0004] 测量平面角角度的方法通常利用光学方法以及视觉成像设备测定物体两面的位置,如光学自准直法、光学内反射法、激光干涉法、环形激光器法、光学超外差法等。这些光学方法要求光学成像器件具有很高的分辨率,同时,光学方法要求对准精度高,自动对准和
自动化控制的实现较为困难。此外,实用新型“测量单晶硅棒端面垂直度的高度尺”
(ZL201020243388.5)是利用刻度尺测量单晶硅棒相邻平面的垂直度,这种方法虽然结构简
单、操作方便,但是不能实现自动化控制和显示。

发明内容

[0005] 本发明提供一种单晶硅方棒平面角角度测试装置及测试方法,可以解决现有技术中单晶硅方棒两相邻平面的夹角值测试,以便提醒操作人员是否需要重新对单晶硅方棒进
行滚磨加工。
[0006] 本发明提供了一种单晶硅方棒平面角角度测试装置,包括电容测量电路控制器电机驱动器、显示器,旋转台,电机,所述控制器与电容测量电路通过信号线连接,所述控制器与显示器通过信号线连接,所述控制器与电机驱动器通过信号线连接,所述电容测量电
路由9个电容传感器信号处理电路组成,用于将电容信号转换为电压信号并输入控制器;
9个电容传感器中每3个电容传感器分为一组,共分为三组;所述单晶硅方棒放置在电容测
量电路的9个电容传感器中间的旋转台上;所述电机驱动器用于执行控制器的命令,驱动电
机带动旋转台转动,调整电容传感器与单晶硅方棒的位置;所述显示器用于显示电容测量
电路的测量值以及提醒操作人员单晶硅方棒是否需要重新滚磨加工;所述控制器通过测量
三组电容传感器中第一个和第二个电容传感器的电容比,根据如下关系式求出单晶硅方棒
任意相邻两平面平面角角度的平均值
[0007]
[0008] 其中,C1i,C2i分别为第i组中第一个和第二个电容传感器的电容值。
[0009] 所述电容测量电路包括对电容传感器Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23、Q31、Q32、Q33的电容值C11、C12、C13、C21、C22、C23、C31、C32、C33分别转换成0V~10V的电压值V1~V9的转换电路;Q11、Q21、Q31电容传感器的转换电路包括电容转换电路、频率转换电路,Q12、Q13、Q22、Q23、Q32、Q33电容传感器的转换电路包括电容转换电路、频率转换电路和反相放大电路组成。
[0010] 所述电容值转换电路选取NE555芯片。
[0011] 所述频率转换电路选取LM331芯片。
[0012] 所述运算放大器选取OP07。
[0013] 所述控制器选择TRIO运动控制器。
[0014] 本发明还提供一种采用如上所述装置测量单晶硅方棒任意相邻两平面平面角角度( )的方法,包括如下步骤:
[0015] S1调整单晶硅方棒相对于电容传感器的定位
[0016] 首先调整9个电容传感器所在平面与单晶硅方棒面对角线垂直。9个电容传感器共分成三组,每一组的第三个电容传感器Q3i和第一个传感器Q1i的电容比C3i/C1i值为11.9时,表明9个电容传感器所在平面与单晶硅方棒面对角线垂直。不满足这一要求时,可以通过旋
转单晶硅方棒所在旋转台完成。这一步骤可以通过控制器内部程序控制电机轴带动单晶硅
方棒所在旋转台旋转到指定位置,从而实现定位。定位步骤如下:
[0017] S1.1利用电容测量电路采集9个电容传感器的电容信号,并输出给控制器;
[0018] S1.2控制器存储电容测量电路输出的数据,提取电容传感器Q31和电容传感器Q11的电路输出电容信号,计算其电容比值C31/C11;
[0019] S1.3当所测电容比值大于11.9时,控制器控制电机,使单晶硅方棒所在旋转台向右旋转一个步长;重复步骤S1.2;当所测电容值大于11.9时,再将此次电容值与上一次所测
的电容值比较,如果大于上一次测量的电容比值,则使控制器控制电机,使单晶硅方棒所在
旋转台向右旋转一个步长;如果小于上一次测量到的电容比值,则使控制器控制电机,使单
晶硅方棒所在旋转台向左旋转一个步长;
[0020] S1.4重复步骤S1.2~S1.3,直到电容比值等于11.9,停止旋转单晶硅方棒所在旋转台;
[0021] S1.5测量电容传感器Q32和电容传感器Q12的电路输出电容信号,计算其电容比值C32/C12,并与11.9比较,重复步骤S1.1~S1.4,直到电容比值等于11.9,停止旋转单晶硅方棒所在旋转台;
[0022] S1.6测量电容传感器Q33和电容传感器Q13的电路输出电容信号,计算其电容比值C33/C13,并与11.9比较,重复步骤S1.1~S1.4,直到电容比值等于11.9,停止旋转单晶硅方棒所在旋转台;
[0023] 至此完成单晶硅方棒的定位;
[0024] S2单晶硅方棒相邻两平面夹角的测定:
[0025] Q1i、Q2i、Q3i电容器的电容值分别可写为:
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 将εsi=ε0·εr=11.9ε0带入到(3)式,整理得到
[0030]
[0031] 则有:
[0032]
[0033] 其中,
[0034] 分别将 和 在π/4处进行泰勒级数展开,并代入到(6)式,简化后得到
[0035]
[0036] 将式(2),(7)带入到(5)式中,整理可得
[0037]
[0038] 通过3组电容器和公式(8)可得出3个平面角,再求其平均值得(9)式:
[0039]
[0040] S3单晶硅方棒任意两平面夹角的测定:
[0041] S3.1控制器控制电机,使单晶硅棒所在平台向右旋转90°;
[0042] S3.2重复S1~S2的步骤,测量9个电容传感器的电容值并计算当前单晶硅棒两平面夹角值;
[0043] S3.3重复步骤S3.1~S3.2,完成单晶硅棒第三个平面夹角值的测量计算;
[0044] S3.4重复步骤S3.1~S3.2,完成单晶硅棒第四个平面夹角值的测量计算。
[0045] 本发明具有以下有益效果:本发明提供的一种单晶硅方棒平面角角度测试装置及测试方法,设计了单晶硅方棒两相邻平面的夹角值测试方法,相对于现有技术,本方法可以
提醒操作人员单晶硅方棒是否需要重新对单晶硅方棒进行滚磨修正的问题,提高了硅片的
质量以及生产成品率。
附图说明
[0046] 图1为本发明所述一种单晶硅方棒平面角角度测试装置的结构组成图;
[0047] 图2为本发明提供的电容传感器与单晶硅方棒的相对位置分布俯视图;
[0048] 图3为本发明提供的一种电容测量电路的转换电路方框图
[0049] 图4为本发明提供的一种电容传感器Q11的测量电路与TRIO运动控制器的电路连接图
[0050] 图5为本发明提供的一种电容传感器Q12的测量电路与TRIO运动控制器的电路连接图;
[0051] 图6为本发明提供的一种电容传感器Q13的测量电路与TRIO运动控制器的电路连接图。

具体实施方式

[0052] 下面结合附图,对本发明的一个具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0053] 如图1所示,本发明提供了一种单晶硅方棒平面角角度测试装置,包括电容测量电路、控制器、电机驱动器、显示器,旋转台,电机,所述控制器与电容测量电路连接,所述控制器与显示器连接,所述控制器与电机驱动器连接,所述电容测量电路由9个电容传感器及信
号处理电路组成,用于将电容信号转换为电压信号并输入控制器;9个电容传感器中每3个
电容传感器分为一组,共分为三组;所述单晶硅方棒放置在电容测量电路的9个电容传感器
中间的旋转台上;所述电机驱动器用于执行控制器的命令,驱动电机带动旋转台转动,调整
电容传感器与单晶硅方棒的位置;所述显示器用于显示电容测量电路的测量值以及提醒操
作人员单晶硅方棒是否需要重新滚磨加工;所述控制器通过测量三组电容传感器中第一个
和第二个电容传感器的电容比,根据如下关系式求出单晶硅方棒任意相邻两平面平面角角
度的平均值
[0054]
[0055] 其中,C1i,C2i分别为第i组中第一个和第二个电容传感器的电容值。
[0056] 所述电容测量电路包括对电容传感器Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23、Q31、Q32、Q33的电容值C11、C12、C13、C21、C22、C23、C31、C32、C33分别转换成0V~10V的电压值V1~V9的转换电路;Q11、Q21、Q31电容传感器的转换电路包括电容转换电路、频率转换电路,Q12、Q13、Q22、Q23、Q32、Q33电容传感器的转换电路包括电容转换电路、频率转换电路和反相放大电路组成。
[0057] 所述电容值转换电路选取NE555芯片。
[0058] 所述频率转换电路选取LM331芯片。
[0059] 所述运算放大器选取OP07。
[0060] 所述控制器选择TRIO运动控制器。
[0061] 本发明还提供一种采用如上所述装置测量单晶硅方棒任意相邻两平面平面角角度( )的方法,包括如下步骤:
[0062] S1调整单晶硅方棒相对于电容传感器的定位:
[0063] 首先调整9个电容传感器所在平面与单晶硅方棒面对角线垂直。9个电容传感器共分成三组,每一组的第三个电容传感器Q3i和第一个传感器Q1i的电容比C3i/C1i值为11.9时,表明9个电容传感器所在平面与单晶硅方棒面对角线垂直。不满足这一要求时,可以通过旋
转单晶硅方棒所在旋转台完成。这一步骤可以通过控制器内部程序控制电机轴带动单晶硅
方棒所在旋转台旋转到指定位置,从而实现定位。定位步骤如下:
[0064] S1.1利用电容测量电路采集9个电容传感器的电容信号,并输出给控制器;
[0065] S1.2控制器存储电容测量电路输出的数据,提取电容传感器Q31和电容传感器Q11的电路输出电容信号,计算其电容比值C31/C11;
[0066] S1.3当所测电容比值大于11.9时,控制器控制电机,使单晶硅方棒所在旋转台向右旋转一个步长;重复步骤S1.2;当所测电容值大于11.9时,再将此次电容值与上一次所测
的电容值比较,如果大于上一次测量的电容比值,则使控制器控制电机,使单晶硅方棒所在
旋转台向右旋转一个步长;如果小于上一次测量到的电容比值,则使控制器控制电机,使单
晶硅方棒所在旋转台向左旋转一个步长;
[0067] S1.4重复步骤S1.2~S1.3,直到电容比值等于11.9,停止旋转单晶硅方棒所在旋转台;
[0068] S1.5测量电容传感器Q32和电容传感器Q12的电路输出电容信号,计算其电容比值C32/C12,并与11.9比较,重复步骤S1.1~S1.4,直到电容比值等于11.9,停止旋转单晶硅方棒所在旋转台;
[0069] S1.6测量电容传感器Q33和电容传感器Q13的电路输出电容信号,计算其电容比值C33/C13,并与11.9比较,重复步骤S1.1~S1.4,直到电容比值等于11.9,停止旋转单晶硅方棒所在旋转台;
[0070] 至此完成单晶硅方棒的定位;
[0071] S2单晶硅方棒相邻两平面夹角的测定:
[0072] Q1i、Q2i、Q3i电容器的电容值分别可写为:
[0073]
[0074]
[0075]
[0076] 将εsi=ε0εr=11.9ε0带入到(3)式,整理得到
[0077]
[0078] 根据图2所示几何关系,则有:
[0079]
[0080] 其中,
[0081] 分别将 和 在π/4处进行泰勒级数展开,并代入到(6)式,简化后得到
[0082]
[0083] 将式(2),(7)带入到(5)式中,整理可得
[0084]
[0085] 通过3组电容器和公式(8)可得出3个平面角,再求其平均值得(9)式:
[0086]
[0087] S3单晶硅方棒任意两平面夹角的测定:
[0088] S3.1控制器控制电机,使单晶硅棒所在平台向右旋转90°;
[0089] S3.2重复S1~S2的步骤,测量9个电容传感器的电容值并计算当前单晶硅棒两平面夹角值;
[0090] S3.3重复步骤S3.1~S3.2,完成单晶硅棒第三个平面夹角值的测量计算;
[0091] S3.4重复步骤S3.1~S3.2,完成单晶硅棒第四个平面夹角值的测量计算。
[0092] 图3是电容测量电路1的转换电路方框图。参见图3,电容测量电路包括对电容传感器Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23、Q31、Q32、Q33的电容值C11、C12、C13、C21、C22、C23、C31、C32、C33分别转换成0V~10V的电压值V1~V9的转换电路。Q11、Q21、Q31电容传感器的转换电路包括电容转换电路、频率转换电路。Q12、Q13、Q22、Q23、Q32、Q33电容传感器的转换电路包括电容转换电路、频率转换电路和反相放大电路组成。
[0093] 图4~6是电容传感器Q11、Q12、Q13的转换电路与TRIO运动控制器的电路连接图。Q21、Q22、Q23;Q31、Q32、Q33与图4-6一样。电容值转换电路选取NE555芯片,频率转换电路选取LM331芯片,运算放大器选取OP07,控制器选择TRIO运动控制器。
[0094] NE555作用是利用内部的定时器构成时基电路,给系统提供时序脉冲信号,其输出的脉冲频率由第4脚和第7脚连接的电阻、第2脚和第7脚连接的电阻、第1脚和第2脚连接的
电容确定。NE555的工作原理是:当NE555的第4脚和第8脚接通5V电源时,NE555处于置位状
态,输出端第3脚呈高电平“1”。同时,第1脚和第2脚连接的电容通过第4脚和第7脚连接的电阻、第2脚和第7脚连接的电阻对其充电,第2脚电位升高。当第2脚电位增加到阈值电平时,
输出端第3脚呈低电平“0”。此时,NE555内部放电管导通,第1脚和第2脚连接的电容放电,第
2脚电位降低。当第2脚电位降至阈值电平时,输出端第3脚呈高电平“1”。以上过程重复出
现,形成无稳态多谐振荡。
[0095] 9个电容传感器Q11~Q33配有9个NE555芯片U1~U9,每个NE555芯片的电路原理图相似,只外接电阻值不同。以U1芯片为例,Q11电容传感器连接在U1的第1脚和第2脚之间,第1脚同时接地,第2脚同时与第6脚连接,第3脚通过电阻R3接地,第4脚和第8脚连接+5V电源,
第5脚通过固定电容C1接地,第7脚通过电阻R2与第6脚连接,并通过电阻R1与+5V电源连接。
[0096] LM331芯片的作用将NE555的输出端频率信号转换为电压信号,其输出端第1脚输出的电压值与输入频率信号的关系由输出端第1脚的外接电阻、第2脚外接的可变电阻、第5
脚外接的电阻、固定电容确定。LM331的工作原理是:第6脚经外接电阻、电容组成的微分电
路加约15V的直流电压,第7脚经两电阻分压而加有约13V的直流电压。当输入脉冲的下降沿
到来时,第6脚接收一负尖脉冲,当负向尖脉冲大于2V时,LM331内部电流源对输出端第1脚
外接的电容充电。当第1脚外接的电容两端电压达到13V时,输出端第1脚外接的电容放电。
每当输入脉冲下降沿到来时,电路重复上述过程。
[0097] 从结构上,9个NE555芯片U1~U9输出9个不同的脉冲频率,配有9个LM331芯片U10~U18,实现频率到电压的转换。每个NE555芯片的电路原理图相似,只外接电阻值和电容值
不同。以U10为例,U10的输入端第6脚连接电阻R3和电容C2组成的微分电路,输出端第1脚通
过电容C3和电阻R7的并联接地,第2脚通过可变电阻R8接地,第3脚、第4脚接地,电容Ct1和电阻Rt1串联,分别电容Ct1另一端接地,电阻Rt1另一端接+15V电源,电容Ct1和电阻Rt1连接端共同接在第5脚,电阻R5和R6串联,连接端共同接在第7脚,R5另一端接+15V电源,R6另一端接
地,第8脚连接+15V电源。
[0098] OP07的作用是将接收到的电压信号缩小并反相后范围在(0,10)V区间内,再与TRIO扩展卡的模拟量输入引脚连接。Q12~Q33电容传感器的反相放大电路的电路原理图相
同。以Q12的反相和放大电路为例,差分放大器A11的同相输入端接地,反相输入端通过电阻
R73与LM331的第1脚连接,并通过电阻R74与差分放大器A11的输出端连接,反相器A21的同相
输入端接地,反相输入端通过电阻R75与差分放大器A11的输出端连接,并通过电阻R76与反
相器A21的输出端连接,反相器A21输出端信号为V2,并与TRIO运动控制器的扩展卡P325的
模拟量输入第1脚连接。
[0099] 电容测量电路输出的9个电压信号通过1个CAN模拟量输入模P325与TRIO运动控制器连接。
[0100] 以上公开的仅为本发明的具体实施例,但是,本发明实施例并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
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