Устройство для измерения параметров объектов

 

Изобретение относится к акустоэлектронике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения диэлектрической проницаемости или толщины тонких диэлектрических слоев. Пластина 1 из пьезоэлектрического материала взаимодействует одной плоскостью с контролируемым обьектом 10. Встречно-направленные излучатели 2 и 3, выполненные в виде встречно-штыревых преобразователей , возбуждают с помощью генераторов 6 и 8 в пластине 1 различные моды акустических колебаний. Под воздействием встречных акустических пучков в приемнике 4, выполненном в виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми электродами 5, возникают встречные акустоэлектрическиетоки. Величина акустонапряжения, снимаемого с эллктродов 5, определяется электрическими параметрами объекта 10 и по ней определяют его диэлектрическую проницаемость или толщину. 2 ил. (Л С

, Ы „„ 1753395 А1 сОюз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 29/00

АМАР 2у

10 Са@@д

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ " „ ",;„, "" "

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕ ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ (57) Изобретение относится к акустоэлектронике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения диэлектрической проницаемости или толВ (21) 4624231/28 (22) 22.12,88 (36) 07.08,92. Бюл. N. 29 (71) Киевский государственный университет им. Т, Г. Ш евчен ко (72) П.B.E óðëèé, Л.Н,Капулло, И.Я.Кучеров и

А,А.Левченко (56) Авторское свидетельство СССР

N 1260667, кл, 6 01 В 7/02, 1986, Авторское свидетельство СССР

¹ 339977881144, кл. G 01 N 29/02, 1973, 2 щины тонких диэлектрических слоев. Пластина 1 из пьезоэлектрического материала взаимодействует одной плоскостью с контролируемым обьектом 10. Встречно-направленные излучатели 2 и 3, выполненные в виде встречно-штыревых преобразователей, возбуждают с помощью генераторов 6 и 8 в пластине 1 различные моды акустических колебаний. Под воздействием встречных акустических пучков в приемнике 4, выполненном в виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми электродами 5, возникают встречные акустоэлектрические токи, Величина акустонапряжения, снимаемого" с эл:.ктродов 5, определяется электрическими параметрами обьекта 10 и по ней определяют его диэлектрическую проницаемость или толщину, 2 ил.

1753395

Изобретение относится к акустоэлектронике и может быть использовано в акустоэлектронных устройствах различного назначения, Известно устройство контроля пара- 5 метра металлических покрытий, а именно, чувствительный элемент первичного преобразователя для неразрушающего контроля тол щин металлических покрытий, представляющий собой диэлектрическую подложку с 10 малым температурным коэффициентом расширения, на которую нанесены три секционированных низкопотенциальных электрода, расположенных соосно с центральным высокопотенциальным электро- 15 дом, Расположение системы секционированных электродов на рабочей поверхности чувствительного элемента первичного преобразователя требует установления необходимого секционирования 20 на основании предварительного решения на 3ВМ задачи о распределении частичных электрических зарядов в электродной системе при двух заданных тол щинах с оптимизацией по максимуму указанного 25 отношения, если граница раздела условно резкая; если поверхность шероховатая, то для исключения влияния воздушного зазора микронеровности зоны контроля заполняют смазкой, относительная диэлектриче- 30 ская проницаемость которой незначительно отличается от относительной диэлектрической проницаемости покрытия; установленное секционирование электродной системы корректируется для 35 объектов контроля, относящихся к одному . классу.

Известно устройство для измерения параметров объектов, содержащее пластину, предназначенную для контактирования с 40 объектом, расположенные на пластине излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор заданной частоты, соединенный с излучателем, и блок измерения параметров принятых колебаний, сое- 45 диненный с приемником.

Работа известного устройства заключается в том, что в пластине возбуждают волны Л эмба, осуществляют их взаимодействие с обьектом, вызывающее 50 изменение их параметров, и определяют по изменению параметров искомые физикомеханические параметры объекта.

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет измерить 55 диэлектрическую проницаемость или толщину тонких диэлектрических слоев, Цель изобретения — расширение функциональных возможностей измерением диэлектрической проницаемости и толщины.

Указанная цель достигается тем„ что в устройстве дпя измерения параметров обьектов, содержащем пластину, предназначенную для контактирования с объектом, расположенные на пластине излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор заданной частоты. соединенный с излучателем, и блок измерения параметров принятых колебаний, соединенный с приемником, согласно предлагаемому изобретению, оно снабжено дополнительным излучателем ультразвуковых колебаний, расположенным на пластине так, что его акустическая ось совпадает и противоположна по направлению акустической оси основного излучателя и дополнительным генератором с частотой, отличной от частоты основного генератора, соединенным с дополнительным излучателем, пластина выполнена из пьезоэлектрического материала, излучатели выполнены из пьезоэлектрического материала, излучатели выполнены в виде встречно-штыревых преобразователей, а приемник выполнен в виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми электродами.

Акустические волны в пьезоэлектрической пластине сопровождаются пьезоэлектрическими полями, проникающими за ее пределы. Таким образом, вблизи обеих поверхностей пластины существуют электрические поля, связанные с акустической волной в пластине, а значит могут быть связаны между собой. В связи с этим, изменение граничных условий, например, посредством размещения диэлектрического слоя на одной (условно назовем ее рабочей) поверхности пьезоэлектрической пластины, для некоторых диапазонов частот акустической волны, будет влиять на величину электрического поля на другой (нерабочей) поверхности пластины. Это поле можно регистрировать при помощи измерительных электродов, нанесенных на торцах полупроводника, расположенного на нерабочей поверхности пьезоэлектрической пластины, используемой в качестве чувствительного элемента. Наличие встречных акустических пучков позволяет устанавливать нулевой уровень изм -.ряемого сигнала при отсутствии диэлектричсхого слоя на рабочей поверхности чувс"в::тельного элемента (частоты двух встречных олновых пучков выбирают так, что для одной волны эффект влияния граничных условий на электрическое поле имеет место,,- для другой волны этот эффект отсутствуе.,, Кроме того, отсутствие электродов на рабочей поверхности чувствительного элемента обеспечивает их износоустойчивость и устойчивость к агрес1753395 сивной среде, что существенно увеличивает срок службы устройства, На фиг. 1 приведена схема устройства для неразрушающего контроля толщин тонких диэлектрических слоев; на фиг. 2 - график экспериментальной зависимости ЭДС от толщины.

Устройство содержит чувствительный элемент 1, в качестве которого используется пьезоэлектрическая пластина, основной излучатель 2 ультразвуковых колебаний, дополнительный излучатель 3 ультразвуковых колебаний, приемник 4 в виде пластины из полупроводникового материала, торцовые электроды 5, основной генератор 6, блок 7 измерения параметров принятых колебаний, дополнительный генератор 8, поглотитель 9, контролируемый обьект 10.

Устройство работает следующим образом

В пьезоэлектрической пластине 1 с помощ,ю переменных напряжений, подаваемых на излучатели 2 и 3, возбуждаются встречные акустические пучки. За счет влияния электрических граничных уловий на одной поверхности пьезоэлектрической пластины на величину пьезоэлектрического поля, на противоположной ее поверхности образуется рабочая характеристика устройства в области акустоэлектронного взаимодействия с контролируемой средой, Частота прикладываемого к электродам излучателя

2 переменного напряжения соответствует возбуждению резонансной моды, для которой эффект влияния граничных условий на величину пьезоэлектрического поля присутствует. Частота же напряжения, прикладываемого к электродам излучателя 3, . соответствует возбуждению такой. моды, для которой этот эффект отсутствует. Режим бегущих волн обеспечивается с помощью поглотителей 9. Под действием встречных акустических пучков возникают встречные акустоэлектрические токи в полупроводнике 4, формирующие акустонапряжение Uae, снимаемое с торцевых электродов 5, Сигнал

Uae определяется электрическими параметрами граничащей с чувствительным элементом среды, т.е. физическими характеристиками контролируемого объекта 10, Для случая kh«1 формула для Uae будет иметь следующий вид:

Uae A Kh, где k — волновое число упругих волн;

А — постоянная величина, зависящая от параметров пьезоэлектрической пластины

1 и полупроводника 4, а также от параметров упругих волн; — диэлектрическая проницаемость контролируемой среды;

5 и — толщина контролируемого обьекта.

Таким образом, напряжение зависит от

° величины диэлектрической проницаемости и от толщины контролируемого объекта, То есть если известна толщина обьекта, уст10 ройство позволяет измерять диэлектрическую проницаемость, а если известна диэлектрическая проницаемость, то можно измерять толщину тонких диэлектрических слоев, 15 Пример, Устройство для измерения параметров объектов содержит пьезоэлектрическую пластину из тригонального

LiNbOg Y-Z среза толщиной 750 мкм в качесгее чувствительного элемента. На одной

20 поверхности наносились для возбуждения встречных акустических пучков две пары электродов: расстояние между парами электродов 40 мм; расстояние между электродами внутри пары 1,5 мм. Измерительные

25 электроды представляли собой омические контакты на торцах кремния р-типа (о =1,5Х

-4 -1 -1

Х10 Ом см ), расположенном на поверхности пьезоэлектрической пластины (фиг.1), Расстояние между измерительными элект30 родами составляло 10 мм. Частоты встречных акустических пучков равнялись 3,13

МГц и 8,27 МГц. На фиг.2 приведена экспериментальная зависимость продольной акуСТО-ЭДС Uae ОТ ЗНаЧЕНИЯ ИСКОМОЙ ТОЛЩИНЫ

35 h. Контролируемый объект — слюда.

Из примера видно, что выходной сигнал с устройства линейно зависит от толщины измеряемого слоя, что дает возможность исключить расчеты на ЭВМ, а, следовательно, 40 упрощает процесс измерения. При этом изМЕрительные электроды выведены из Области, граничащей с контролируемым обьектом, что позволяет повысить износо- устойчивость к агрессивной среде предлага45 емого устройства.

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров объектов, содержащее пластину, предназначенную для контактирования с объектом, 50 расположенные на пластине излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор заданной частоты, соединенный с излучателем, и блок измерения параметров принятых колебаний, соедйненный с прием55 ником, отличающееся тем,что,сцелью расширения функциональных возможностей путем Обеспечения возможности измерения диэлектрической проницаемости или толщины тонких диэлектрических слоев, 1753395

1Ю h,юла

Составитель П.Бурлий

Техред М.Моргентал Корректор И,Муска

Редактор H.Õèì÷óê

Заказ 2765 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 оно снабжено дополнительным излучателем ультразвуковых колебаний, расположенным на пластине так, что его акустическая ось совпадает и противоположна по направлению акустической оси основного излучателя, и дополнительным генератором с частотой, отличной от частоты основного генератора, соединенным с дополнительным излучателем, пластина выполнена из пьезоэлектрического материала, излучатели выполнены в виде встречно5 штыревых преобразователей, а приемник выполнен в виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми электродами.