Измеритель толщины полимерных пленок

 

I. ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК,содержащий измерительный и образцовый накладные первичные преобразователи, состоящие каждый. из высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к высокопотенциальным электр .одам измерительного и образцового преобразователей, мостовую схему, измерительные входы которой подключены к выходам коммутаторов, генератор высокой частоты, последовательно .соединенные избирательный усилитель высокой частоты, входом подключенный к выходу мостовой схемы, амплитудный детектор, избирательный усилитель частоты коммутации , синхронныйдетектор и регистра:-, тор и делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора, а выход - к управляющим входам коммутаторов и синхронного детектора, о тличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерения, он снабжен управляемым делителем напряжения, включенным между генератором высокой частоты и мостовой схемой , дифференциальным усилителем, выход которого подключен к управляющему входу делителя напряжения, стабилизированным источником.напряжения , подключенным к первому входу дифференциального усилителя, запоминающей ячейкой, выход которой подключен ко второму входу дифференциального усилителя, дополнительным коммутатором, информационный вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а первый выход - ко входу запоминающего элемента, и 0) эквивалентной нагрузкой, подключенной ко второму выходу дополнительс ного коммутатора. 2. Измеритель толщины полимерных пленок по п. 1, отличающийс я тем, что он снабжен дополнительт ными измерительным и образцовым. накладными первичными преобразователями , состоящими каждый из высоко -, потенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на той же диэлектрической подложке, высокопотенциальный электрод дополнительного sl измерительного преобразователя и 00 низкопотенциалЬные электроды дополнительных измерительного и образцового преобразователей соединены с низкопотенциальными электродами основных измерительного и образцового преобразователей, а высокопотенциальный электрод дополнительного образцового преобразователя соединен с измерительным входом мостовой схемы.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) ОИ зов С01В7

СПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2i) 3557400/18-28 (22) 21.02.83 (46) 15.11.84. Бюл. У 42 (72) Ю.А.Скрипник и Н.M.ÑBèðèäoB (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (53) 621. 317. 39: 531. 717 (088. 8) (56) 1 ° Авторское свидетельство СССР

9 344260, кл. G 01 В 7/06, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР 398814, кл. G 01 В 7/Об, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР

Ф 892201, кл. С 01 В 7/06, 1981 (прототип). (54)(57) 1. ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК, содержащий измерительный и образцовый накладные первичные преобразователи, состоящие каждый. из высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложхе, два коммутатора, входы которых подключены к высокопотенциальным электродам измерительного и образцового преобразователей, мостовую схему, измерительные входы которой подключены к выходам, коммутаторов, генератор высокой частоты, последовательно, соединенные избирательный усилитель высокой частоты, входом подключенный к выходу мостовой схемы, амплитудный детектор, избирательный усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и регистра-. тор и делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора, а выход — к управляющим входам коммутаторов и синхронного детектора, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен управляемым делителем напряжения, включенным между генератором высокой частоты и мостовой схемой, дифференциальным усилителем, выход которого подключен к управляющему входу делителя напряжения, стабилизированным источником.напряжения, подключенным к первому входу дифференциального усилителя, запоми" нающей ячейкой, выход которой подключен ко второму входу дифференциального усилителя, дополнительным коммутатором, информационный вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а первый выход " ко 9 входу запоминающего элемента, и эквивалентной нагрузкой, подключенной ко второму выходу дополнительного коммутатора.

2. Измеритель толщины полимерных пленок по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что он снабжен дополнитель ! ными измерительным и образцовым. накладными первичными преобразователями, состоящими каждый из высоко потенциального и низкопотенциальиого электродов, закрепленных на той же диэлектрической подложке, высокопотенциальный электрод дополнительного измерительного преобравователя и низкопотенциалЬные электроды дополнительных измерительного и образцового преобразователей соединены с низкопотенциальными электродами ос- 3 новных измерительного и образцового преобразователей, а высокопотенциальный.электрод дополнительного образцового преобразователя соединен с измерительным входом мостовой схемы.! 124 П8

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольsoaaao для контроля толщины полимерных пленок в процессе их производства. 5

Известно устройство для измерения толщины диэлектрических материалов, содержащее два емкостных первичных преобразователя;. включенных в измерительную мостовую схему Il) .

Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная влиянием дрейфа геометрических размеров электродов первичных преобразователей и изменения диэлектрических свойств подложки при изменении температуры.

Известно устройство для измерения толщины дизлектрическик пленок, содержащее два накладных амкостных щ первичных преобразователя, закрепленных на одной диэлектрической подложке, включенных в мостовую схему P$

Недостатком известного устройства является невысокая точность 15 измерения, обусловленная влиянием изменения диэлектрических свойств подложки при изменении температуры, а также влиянием на результат измерения прочих дестабилизирующих факторов (дрейф параметров элементов, изменение напряжения питания и теде) °

Наиболее близким но технической сущности к предлагаемому является измеритель толщины полимерных пленок, содержащий измерительный и образцовый накладные первичные преобразователи, состоящие каждый из высокопотанциальиого и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к высоконотенциальным электродам измерительного и образцо4$ вого преобразователей, мостовую схему, измерительные входы которой подключены к выходам коммутаторов, генератор высокой частоты, последо.вательно соединенные избирательнйй Ж усилитель высокой частоты, входом подключенный к выходу мостовой схемы, амплитудный детектор, избира" тельный усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и регистратор и делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора, а выход - к управляющим входам,коммутаторов и синхронного детектора 3).

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная влиянием на результат измерения дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, напряжения питания и т.п.).

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель толщины полимерных пленок, содержащий измерительный и образцовый накладные первичные преоб" разователи, состоящие каждый из высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к высокопотенциальным электродам измерительного и образцового преобразователей, мостовую схему, измерительные входы которой подключены к выходам коммутаторов, генератор высокой частоты, последовательно соединенные избирательный усилитель высокой частоты, входом подключенный к выходу мостовой схемы, амплитудный детектор, избирательный усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и регистратор и делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора, а выход — к управляющим входам коммутаторов и синхронного детектора, снабжен управляемым делителем напряжения, включенным между генератором высокой частоты и мостовой схемой, дифференциаль" ным усилителем, выход которого подключен к управляющему входу делителя напряжения,стабилизированным источником напряжения, подключенным к первому входу дифференциального усилителя, запоминающий ячейкой, выход которой подключен ко второму входу дифференциального усилителя, дополнительным коммутатором, информационный вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а первый выход — ко входу запоминающего элемента, и эквивалентной нагрузкой, подключенной ко второму выходу дополнительного коммутатора.

Кроме того, измеритель снабжен дополнительными измерительным и образцовым накладными первичными преобразователями, состоящими каждый нз высокопотенциального и низкопо,тенциального электродов, закреплен1124!78 ных на той же диэлектрической подложке, высокопотенциальный электрод дополнительного измерительного преобразователя и низкопотенциальные электроды дополнительных измерительного и образцового преобразователей соединены с низкопотенциальными электродами основных измерительного и образцового преобразователей, а высокопотенциальный электрод допол- 10 нительного образцового преобразователя- соединен с измерительным входом мостовой схемы.

На чертеже приведена блок-схема измерителя толщины полимерных пленок..1

Измеритель содержит измерительный

1 и образцовый 2 накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый нэ низкопотенциальных 1.1 и

2,1 и высокопотенциальных 1.2 и 2,2 электродов, закрепленных соответе ствеино на одной диэлектрической подложке 3, накладываемые на контролируемую пленку 4 одной стороной, а с другой стороны размещается образ- цовая пленка 5, первый 6, второй ? коммутаторы, мостовую схему 8, измерительные входы которой подключены к выходам коммутаторов 6 и 7, управляемый делитель 9 напряжения, генератор IÎ высокой частоты, делитель

l! частоты, подключенный к выходу генератора 10, и последовательно соединенные избирательный усилитель

l2 высокой частоты, амплитудный детектор 13, избирательный усилитель

14 частоты коммутации, синхронный детектор 15 и регистратор lá, дополнительный коммутатор 17, запоминающую ячейку 18, дифференциальный усилитель 19, стабилизированный источник 20 напряжения, эквивалентную нагрузку 21, а также дополнительные измерительный 22 и образцовый 23 первичные емкостные преобразователи, состоящие каждый из низко- 15. потенциальных 22,1 и 23„1 и высокопотенциальиых 22.2 и 23.2 электродов.

Измеритель работает следующим образом.

Основные измерительный 1 и образцовый 2 емкостные преобразователи накладываются на контролируемую 4 и образцовую 5 пленки. Толщина образцовой пленки 5 выбирается рав- $5 ной,номинальной толщине контролируе" мой пленки 4. Емкостные преобразователи через первый 6 и второй 7 коммутаторы поочередно подключаются к мостовой измерительной схеме 8, которая через управляемый делитель

9 напряжения питается от высокочастотного генератора 10. Коммутаторы 6 и 7 переключаются низкочастотным прямс.угольным напряжением, формируемым делителем II частоты.

При переключении высокопотенци альных l 2, 2.2 н низкопотенциальных 1.! и 2,1 электродов электрическое поле поочередно пронизывает контролируемую 4 и образцовую 5 пленки,и непрерывно пронизывает одни и те же слои диэлектрической подложки 3. При отсутствии пленок начальные емкости преобразователей I и 2 одинаковы и их поочередное включение в мостовую схему 8 не вызывает ее разбаланса. Наложение преобразователей на соответствующие пленки вызывает разбаланс мостовой схемы.

При положении коммутаторов 6 и 7, указанном иа чертеже, высокопотенциальный 2,2 и ннзкопотенциальиый

2.! электродыобраэцового преобразователя 2 включены в мостовую схему

8, а высокопотенцйальный электрод

1.2 измерительного преобразователя

1 соединен с низкопотенциальными электродами 1,1 и 2.1. Напряжение мостовой схемы 8 при этом пропорционально емкости, вносимой образцовой пленкой

U,-s,c,x,u„ где Si — чувствительность мостовой схемы; о — емкость, функционально связанная с толщиной н диэлектрической проницаемостью образцовой пленки;

К - коэффициент передачи делителя 9 напряжения;

"о- напряжение генератора 10 высокой частоты.

Выходное напряжение моста усиливается избирательным усилителем .

l2 высокой частоты и детектируется амплитудным детектором 13. Выходное напряжение детектора описывается выражением

Ug 9,С К„!!о Ка э где К вЂ” коэффициент усиления избирательного усилителя 12; б — чувствительность амплитудного детектора )3.

Напряжение детектора 0 через . дополнительный коммутатор 17, пере-, 1124 1 78

Избирательным усилителем !4 частоты коммутации усиливается переменная составляющая выходного напряжения амплитудного детектора 13

"э

1(а 1Со!1ф й

5 ключаеиый выходным напряжением делителя 11 частоты, поступает на ячейку 18, например конденсатор с малой утечкой и истоковым повторителем, где и завоминаетая, Напряжение с выхода запоминающей ячейки 18 поступает на первый вход дифферен" циальиого усилителя 19, на второй вход которого приложено напряжение стабилизированного источника 20. щ

Усиленное раэностное напряжение воз- действует иа управляющий вход делителя 9 напряжения в направлении уменьшения разности напряжения, запомияаемого ячейкой 18,и напряжения источника 20, т.е. 11 =0

В результате воздействия управляющего напряжения на делитель 9 напряжений его коэффициент передачи становится равным где Кэ — коэффициент усиления избира" тельного усилителя 14.

Переменное напряжение Об выпрямляется синхронным детектором 15 и подается на регистратор 1б. Так как относительные изменения емкости ьС/Сопропорциональны относительным изменениям толщины контролируемой пленки от ее номинального значения, то шкала регистратора 16 с нулем посередине может быть отградуирована в процентах отклонения толщины пленки от заданного значения

Прн противоположном положении коммутаторов б и 7 высокопотенциальный электрод 2.2 образцового преобразователя 2 под1 лючается к низкопотенциальному электроду 2.1, а высокопотенциальный электрод 1.2 измерительного ареобразователя 1 и.его низкопотенциальный электрод 1,1 включает" ся в мостовую схему 8. Напряжение небаланса мостовой схемы при этом станови ся равным

0 = э (Со->Cl< "î>

+ где а С дополнительная вносимая емкость, функционально связан. ная с отклонением толщины контролируемой пленки от 40 номинального значения.

Напряжение на выходе амплитудного детектора 13 соответственно принимает значение т(Со" ьС) " !1o

Новое значение выходного напряжения Og детектора 13 не изменяет величину запомненного .напряжения в ячейке 18, так как коммутатор 17 подключен к эквивалентной нагрузке

21.

С учетом ранее установленного значения коэффициента передачи делителя 9 напряжения выходное напряжение детектора 13 принимает вид

6,(СОЙЕРС)О К 6аЦь С 1 ьС !ь = - 4б б0Ь ); ьв

Кэ .где =- U> — постоянный коэффициент

3 э пропорциональности;

В и 56 — соответственно толщина пленки и ее абсолютное отклонение.

Из полученного выражения видно, что непостоянства чувствительности мостовой схемы (6 ), напряжения пита" ния моста(О ), коэффициента усиления высокочастотного усилителя (), чувствительности амплитудного детек" тора (5z)не влияют на результат измерения.

Для исключения погрешностей от изменения геометрических размеров электродов в смежное плечо мостовой схемы 8 подключены дополнительные измерительный 22 и образцовый 23 емкостные преобразователи, выполненные идентично основным преобразователям 1 и 2.

При этом электроды измерительного преобразователя 22 контактируют с контролируемой пленкой 4, а электроды образцового преобразователя 23 не касаются образцовой пленки 5.

При указанном соединении электродов преобразователей 22 и 23 в смежное плечо мостовой схемы 8 постоянно включена начальная емкость образцового преобразователя 23. Благодаря непрерывному контакту диэлектрической подложки 3 с контролируемой пленкой

1124178

Составитель В.Николаев

Редактор И.Бандура Техред А.Бабинец Корректор Г.Решетник

Заказ 8268/32 Тираж 586 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

4 через электроды измерительных преобразователей 1 и 22 температура во всех точках основных и дополни тельных преобразователей всегда одинакова. Поэтому баланс мостовой схемы 5

8 по начальным емкостям не нарушается при изменении температуры.

Разбаланс..мостовой схемы при этом определяется только рабочими емкостями, вносимыми контролируемой или 1О образцовой пленками, и не зависит от температурных изменений геометрическнх размеров электродов и диэлектри t ! ческих свойств общей подложкинакладных емкостных преобразователей.

Изобретение позволяет повысить точность измерения за счет компенсации влияния на результат измерения изменений под действием дестабилизирующих факторов параметров элементов измерителя.