Измеритель толщины диэлектрических материалов

 

ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, содержащий измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразовате .ли, состоящие каждый из основных высокопотенциального и низкопот-енциального электрЮдов,. закрепленных на ОДНОЙ диэлектрической подложке, два коммутатора, входы; которых подклю- . чёны к основным высокопотенциальным элекродам, блок преобразрвания емкостной функции первичны преобразователей в напряжение, вход которого подключен к выходам ксм лутаторов, избирательный усилитель :вход которо го подключен к блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальному входу с избирательниц усилителем, генератор йизкой 4iacTOты г выход которого подключен к управляющим входам синхронного детектора и коммутаторов и регистратор, соединенный с выходом детектора,-о т лич а ю щ и и с я тем,что,с целью, повыше НИЛ точ ности измерения, он сяаожен дополнительнь1ми высокопотенаи л1 ными электродами, закрепленными на л общей диэлектрической подложке основньши высокопотенциальиыми и Mira с копотенциальнш4й электродгши и повто ритед:1ем напряжения, вход которого § подключен к выходам комм таторов, а выход соединен с дополнительными электродами. ч СО ч1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛЦСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3@9 С 01 В 7 06

1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbfTHA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOIVIY СЯИДЕТЕЛЬСТВУ

V 1 (21) 3408034/18-28

,(22) 1 2. 01. 82 (46) 1:5.05.83 .вюл. в 18 .(72) A.È.Ñâèðèäoâ. Н.M.Câèðèäîâ и Н.Ф.Коломиец (71). Специальное конструкторское бюро с экспериментальным производством

Института ядЕрных иСследозаний

АН украинской CCP (53) 621.317:531.717(088.8) (:56) 1. Авторское свидетельство. СССР

9.398814, кл..G 01 Ц 7/06. 1973, : 2. Авторское свидетельство СССР .

9 2930531/18-28, кл. G 01 В- 7/06, 27 . 05. 80 (прототип) .. (54) (57) .ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАуКРИАЛОВ, содержащий изм6 рнтельный и образцовый накладные.: емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый..из основных высокопотенциального и низкопотенциального электр)дов., закрепленных на

-одной диэлектрической подложке. два коммутатора, входы которых подклю„.SU„„7 А чены к основным высокопотенциальным электродам. блок преобразования емкостной функции первичныМ преобразователей в напряжение, вход которого подключен к выходам коммутаторов, избирательный усилитель, вход котОрого подключен к блоку преобразования, синхронный детектор. соединенный но сигнальному входу с избирательным усилителем. ге нератор низкой часто ты, выход которого подключен к управляющим входам синхронного детектора и коммутаторов; и регистратор. соединенный с выходом детектора,-о т л ич а ю шийся.тем,что,сцелью,повышения точности измерена, он: снабжен дополнительными высокопотенциаль-Я ными электродами, закреплейными на общей диэлектрической подложке между Щ основньичи высокопотенциальиыми и низ копотенциальными электродамн и повто.- рителем напряжения, вход ксцгорого подключен к выходам коммутаторов, а выход соединен с дополнительными электродами.

1017907

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь-. зовано для контроля толщины изделий иэ диэлектрических материалов s хииической и атомной промыалвнностк.

Известно уСтройство для измерв- 5 ния толщины диэлектрических материалов прк одностроннем доступе;содержащее накладные емкостные первккные преобразователи измерительный и образцовый ), каждый из которых состоит 10 из высокопотенциального и ниэкопотенциального электродов, закрепленных

„на одной диэлектрической подложке. Этк преобразователи включены в изме. рительную дифференциальную схему)1 Ji 1g

Недостатком этого устррйства яв,ляются существенные погрешности измерения, обусловленные неплотностью прилегания рабочей поверхности дат» чика к контролируемой пленке. Кроме того; дополнительная погрешность измерения вносится при температурном изменении диэлектрических свойств подложки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является изме; ритель толщины диэлектрических материалов, содержащий измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из основных высокопотенциаль- 30 ного -и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к основным высокопотенциальным электродам, блок 35 ,преобразования емкости Функции пер вичных преобразователей в напряжение, в од которого подключен к выходам коммутаторов, избирательный уси- . лктель, вход которого подключен к - 40 блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальнсму входу с избирательным усилителем, генератор низкой частоты, выход которого подключен к управляющим входам синхронного де.ектора и комму- 45 таторов, и регистратор, соединенный с выходом детектора(2 .

Недостатком указанного кзмерителя является существенная погрешность измерения, обусловленная неплотнос- 50 тью прилегания рабочей поверхности датчика к контролируемой пленке.

Цель изобретения — повышение точности измерения, поставленная цель достигается тем,55 что измеритель толщины диэлектричес-. ких материалов, .содержащий измери, тельный и образцовый накладные емкостные первичные,преобразовагели, ñîñ-тоящие каждый из основных высокопо- 60 тенциального. и нкзкопотенциального электродов, закрепленных иа одной диэлектричвскбй подложке, два ком-. мутатора, входы которых подключены = к основным высокопотенциальным элект-65 . родам, блок преобразования емкостной функции первичных преобразователей в напряжение, вход которого подключен к выхбдам коммутаторов, избирательный усилитель, вход которого подключен к, блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальному вхОду с избирательным усилителем, генератор низкой частоты, выход которого подключен к управляющим входам синхронного детектора и коммутаторов,и регистратор, соединенный с выходом детектора, снабжен дополнительными высокопотенциаль« ными электродами, закрепленными на общей диэлектрической подложке между основными высокопотенциальными и низкопотенциальными электродами и повторителем напряжения, вход которого подключен к выходам коммутаторов, выход соединен с дополнительными электродами, На.чертеже показана структурная схема измерителя.

Измвритель содержит измерительный 1 и образцовый 2 накладные емкостные первичные преобразователи, сос- . тоящие каждый из основных низкопотен-. циальных 3 и 4, основного высокопотенциального 5 и 6 и дополнительных высокопотенциальных 7 и 8 электродов„ закрепленных на диэлектрической подложке 9, коммутаторы 10 и 11, подключенные к основным высокопотенциаль-. ным электродам 5 и б соответственно измерительного 1 и образцового 2 преобразователей, блок 12 преобразования емкостной функции.в напряжение посто! янного тока, вход которого подключен к выходам коммутаторов 10 и. 11, повто;ритель 13 напряжения, вход которого подключен параллельно входу блока 12, а выход к дополнительным высокопотен циальным электродам 7 и 8, избирательный усилитель 14, вход которого соединен а выходом блока 12, синхронный детектор:15 сигнальный вход которлгг> подключей к выходу усилителя 14, генератор 16 низкой частоты, выход которого соединен с управляющими вхо.дами коммутаторов 10, 11 н синхронного детектора 15. и регистратор 17 подключенный к выйоду детектора 15.

Устройство работает следующим образом.

K основным высокопотенциалъным электродам 5 и б через автоматичес-. кие коммутаторы 10, 11 прикладывается переменное электрическое напряжение, существующее на входных зажимах блока 12. Одновременно зто напряженке подается также на вход повторители 13. на выходе которого появляется напряжение по амплитуде и по фазе идентичное приложенному к его входу напряжению. Это напряжение с выхода повторителя 13.. имеющего низкое выходное сопротивление. подается на дополнительные высокопотенциаль1017907 ные электроды 7:и 8 которые расположены соответственно между основными высокопотенциальными 5 6 и низкопотенциальными 3;4 электродами.

При подключенйи измерительного преобразователя 1 к блоку 12.основной 5 высокопотенциальный электрод 6 образ- цового преобразователя 2 подключается к низкопотенциальному электроду 4 и наоборот, при подключении образцового преобразователя 2 к блоку 12 основ- 10 ной высокопотенциальный электрод 5 измерительного преобразователя 1 подключается к низкойотенциальному электроду 3. Такое переключение электродов позволяет перераспределить электрические поля преобразователей 1 и 2 в диэлектрической. подложке 9 так, что ррН поочередйом подключении этих пре-. образователей к блоку 12 их электрические поля пронизывают одни и те же слои диэлектрической подложки 9.

При этом все изменения диэлектрических свойств подложки 9 при изменении температуры давлейия и т.д. .в равной мере влияют иа емкость измерительного 1 и образцового 2 преобразователей.

Так как переменное напряжение на дополнительных высокопотенциальных электродах 7 и 8 по амплитуде и по у() .фазе всегда повторяет напряжение на основных высокопотенциальных электродах 5 и 6, то распределение силовых линий электрических полей между электродами не изменяет при изменении напряжения на основных электродах 5 и 6. На чертеже пуйктиром показаны распределения силовых линий электрических полей. основного высокопотен циального электрода 5, а точками по;казаны распределения .силовых линий 40 электрических полей дополнительных высокопотенциальных электродов 7 и 8.

При йереключенйи коммутаторов 10, 11 картина распределения электрических полей изменится на обратную. Из .этих 45 распределений видно, что силовые линии электрических полей основного электрода 5 как бы приподняты над рабочей поверхностью измерительного преобраЗователя 1 силовыми .линиями электрических, полей дополнительного электрода 7. Электрическое поле между основным 5 и дополнительно 7 электродами. отсутствует, так как приложенные к ним напряжения идентичны по амплитуде и фазе, т.е. в любой момент времени эти электроды являются эквипотенциальныМи.:Поэтому частицы диэлектрика, попавшие в это межэлектродное пространство, не поляризуют,. а следовательно, не из- 60 меняют емкость измерительного преобразователя 1. Частицы диэлектрика, попавшие s.межэлектродное прострайство, образованное дополнительным .электродом 7 и низкопотенциальным электродом 3, подвергаются поляризации электрическим полем, существующим между этими электродами. Однако эта поляризация не вызывает изменения напряжения на дополнительном электроде 7 (как по амплитуде, так и по фазе) ввиду того, что это. напряжение подается от источника с низким выход- . ным сопротивлением, каковым является повторитель 13 напряжения.

При наложении контролируемого материала на измерительный преобразователь 1 емкость его возрастает по отношению к емкости образцового преобразователя 2. Это приращение емкости не изменяется при удалении материала от рабочей поверхности измеритель-. ного преобразователя 1 до тех пор, пока все силовые линии электрических полей основного электрода 5 дважды пересекут контролируемый материал..Таким образом, удаление контролируемого материала на некоторое расстояние от рабочей поверхности измерительного преобразователя 1. не влияет на результат измерения.

Это позволяет осуществи ь бесконтактный односторонний принцип измерения толщины диэлектрического материала путем установления некоторого воздушного зазора между рабочей поверхностью преобразователя 1 и контролируемым материалом. При этом исключается дополнительная погрешность измерения, обусловленная возможным технологическим изменением этого зазора. В этой связи появляется возможность измерять толщину при одностороннем доступе даже жестких диэлект- рических материалов (например, стекляйных ), поверхность которых имеет волнистую форму (см. чертеж)

Введение контролируемого материа" ла в электрическое поле дополнительного высокопотенциального электрода 7 не вызывает изменения напряжения на нем (как по амплитуде, так и пь фазе ), так как это напряжение подается от источника (повторителя 13 )с низким выходным сопротивле-. нием.

При отсутствии контролируемого материала емкости преобразователей 1,2 одинаковы. Вследствие этого при по-. очередном их подключении с помощью коммутаторов 10, 11 к блоку 12 преобразования емкости в напряжение постоянного тока с частотой коммутацИи в выходном напряжении блока 12 отсутствует переменная составляющая часто ты коммутации. При.наложении контролируемого материала на измерительный преобразователь 1 емкость его возрастет по отношению к емкости образцового преобразователя 2. Так как величина напряжения на выходе блока 12 зависит от емкости подключаемого преобразователя, то выходное иа

1017907.Г

Составитель t0.Êóýüìèí

Редактор О.Колесникова Техред 0,Неце Корректор Г. Решетник

Заказ 3519/37 Тираж 602 Поднис ное

HHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушдкая наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 пряжение блока 12 содержит составляющую с частотой коммутации. Амплитуда ее пропорциональна разности емкостей преобразователей 1 и 2. Эта переменная составляющая с частотой комму« тации на выходе блока 12 выделяется и усиливается избирательным усилителем 14. Амплитуда знакопеременного напряжения на выходе усилителя 14 пропорциональна разности емкостей преобразователей 1,2. Это напряжение по- 10 дается на информационный вход синхронного детектора 15, на управляющий вход которого подано опорное напряжение с выхода генератора 16 низкой частоты. С выхода генератора 16 на- 15 пряжение подается также на управляющие входы коммутаторов 10, 11.

На выходе синхронного детектора 15 пОявляется выпрямленное напряжение, величина которого связана пропорцио-. О нальной зависимостью с разностью емкостей преобразователей 1 и 2. Так как эта разность определяется емкос-. тью, вносимой контролируемым диэлектрическим материалом, то напряжение на. выход,е синхронного детектора 15 также связано пропорциональной зависимостью с толщиной диэлектрического материала. Это напряжение подается на регистратор 17.

Таким образом, в данном устройст- ,ве существенно (в 3-4. раза)повышена

:точность измерения за счет исключения погрешности измерения, обусловленной неплотным прилеганием измерительного емкостного преобразователя к контролируемому материалу. Исключение этой погрешности измерения позволит применить данное устройство не только для одностроннего контролй толщины наиболее тонких диэлектрических пленок(например, полиэтиленовых пленок толщиной до 20 мкм, получаемых методом экструзии с раздувом, при котором недопустимо черезмерно плотное прилегание пленки к емкоСтнрму преобразова- . телю из-эа опасности ее прорыва ), на также и для одностороннего контроля толщины листовых диэлектрических материалов, при измерении толщины которых трудно обеспечить плотное прилегание к ним емкостного преобразователя.