Способ определения замыканий в многослойной структуре из чередующихся между собой проводящих и изолирующих слоев

 

Сущность: способ состоит в подаче переменного напряжения высокой частоты, обеспечивающей емкостный характер комплексного сопротивления моделей, на две модели многослойной структуры без дефектов с крайними значениями технологического разброса соотношения толщин проводящих и изолирующих слоев с подключением к каждой модели активного сопротивления, измеряют максимальное и минимальное значения суммарного тока через модели и активное сопротивление, причем величину активного сопротивления выбирают такой, чтобы амплитуда тока, протекающего через это сопротивление, имело тот же порядок, что и амплитуда тока через модели, подключая к активному сопротивлению вместо модели контролируемую структуру, измеряют суммарный ток через активное сопротивление и контролируемую структуру, причем считают, что в структуре нет замыканий, если значение измеренного суммарного тока находится в границах максимального и минимального суммарных токов модели. Способ позволяет повысить точность. 2 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при изготовлении сердечников и экранов магнитных головок, а также магнитопроводов трансформаторов, с целью определения замыканий между пластинами, из которых собраны перечисленные выше изделия. Необходимость такого контроля вызвана получением изделий, в которых малы потери на вихревые токи.

Известен ультразвуковой способ контроля качества соединений в многослойных клеенных конструкциях, заключающийся в том, что ультразвуковые колебания вводят в контролируемую конструкцию, принимают многократно отраженные эхо-сигналы и по амплитуде принятых сигналов судят о качестве соединений, зная, что затухание сигнала тем больше, чем больше воздушных прослоек между слоями (1).

Недостатком данного способа является то, что информация полученная при использовании способа не дает возможности эффективно определить наличие замыканий между пластинами, так как затухание сигнала зависит от величины и количества воздушных прослоек между слоями, а наличие воздушных прослоек в слое клея необязательно приводит к замыканиям между пластинами. Кроме этого сердечники и экраны имеют малую площадь, что не позволяет установить на них преобразователь и приемники колебаний.

Известен также ультразвуковой способ контроля качества многослойных изделий, заключающийся в том, что в изделии возбуждают поверхностные волны различных частот, принимают прошедшие через изделия колебания и измеряют коэффициент нелинейных искажений, по которому судят о качестве изделия (2).

Недостатком данного метода является то, что способ позволяет судить только об отсутствии или наличии воздушных, или каких-либо других прослоек между слоями изделия, так как при хорошем контакте между слоями, в том числе и при наличии замыканий, коэффициент нелинейных искажений будет мал, что снижает эффективность контроля изделия.

Известен способ определения обмоток с витковым замыканием в собранном силовом трансформаторе (3), заключающийся в том, что возбуждают трансформатор переменным напряжением, а поврежденную обмотку определяют по характеру изменения показаний индикатора, присоединенного к обмотке искателя.

Главным недостатком этого способа является то, что при контроле структуры, состоящей из чередующихся между собой проводящих и изолирующих слоев, картина на регистраторе будет соответствовать ярко выраженной неоднородности, обусловленной двумя видами слоев, поэтому определение интересующих нас дефектов, а именно замыканий между проводящими слоями (пластинами) будет неэффективным.

Целью изобретения является повышение точности определения замыканий в многослойной структуре.

Поставленная цель достигается тем, что изготавливают две модели контролируемой структуры без замыканий, причем, у первой проводящие слои имеют максимальные размеры, а изолирующие - минимальные, а у второй проводящие слои имеют минимальные размеры, а изолирующие максимальные, при этом, величины размеров слоев определяются технологическим разбросом размеров соответствующих слоев контролируемой структуры, подают поочередно на модели переменное напряжение, частота которого такая, что комплексное сопротивление моделей имеет емкостной характер, затем подключают параллельно в каждой модели активное сопротивление, величина которого выбрана такой, что амплитуда тока через это сопротивление имеет тот же порядок, что и амплитуда тока через модели, и фиксируют границы измерения суммарного тока через модели и сопротивление, после этого параллельно подключают к активному сопротивлению контролируемую структуру и, если суммарный ток не превышает установленные границы, считают, что в структуре нет замыканий.

Объект контроля представлен структурой, состоящей из чередующихcя между собой проводящих и изолирующих слоев (пластин и клеевых прослоек).

На фиг.1 показана структура, состоящая из четырех проводящих (обозначенных цифрой 1) и трех изолирующих (обозначенных цифрой 2) слоев, а также соответствующая ей эквивалентная электрическая схема, состоящая из последовательно соединенных сопротивлений R1, R2, R3, R4 и емкостей С1, С2, С3; на фиг.2 - та же структура, с подключением к ней сопротивления R.

В приведенной эквивалентной схеме резисторы соответствуют активным сопротивлениям проводящих слоев, а емкости соответствуют емкостям, которые образованы двумя соседними проводящими слоями и находящимся между ними слоем изоляции. Реальные пластины и толщина клеевой прослойки имеют разброс размеров, величина которого определяется технологией, способом изготовления и т. д. В зависимости от технологического разброса величины резисторов и емкостей изменяются от R_min, С_min до R_max, C_max, соответственно. Значения величин R1-R4, С1-С3 можно определить по известным формулам, изменяя длину, ширину и толщину проводящих и изолирующих слоев в зависимости от реального разброса.

Если на структуру в точках А, Б подать переменное напряжение U = U_o˙sinwt, то по ней потечет ток I, зависящий от амплитуды и комплексного сопротивления. Величина Z для структуры данного типа может быть определена выражением L = где R₁ = R1+R2+R3+R4, Х_е - емкостное сопротивление структуры, равное сумме емкостных сопротивлений, которые оказывают емкости С1-С3 переменному току I.

Вследствие технологического разброса Z изменяется от Z_min до Z_max. Величина Z_max будет тогда, когда все проводящие слои имеют минимальную площадь и максимальную толщину при максимальной толщине изолирующих слоев. Величина Z_min будет тогда, когда все проводящие слои имеют максимальную площадь и минимальную толщину при минимальной толщине изолирующих слоев.

Изменение ΔZ сопротивления Z равно Δ Z = Z_max - Z_min При контроле партии структур, считая U_o = const изменение тока ΔI, обусловленное наличием ΔZ, будет равно Δ I = I_max - I_min При отсутствии в структуре хотя бы одного изолирующего слоя (например, короткое замыкание С2, показанное на фиг.1) величина Z этой структуры уменьшится на ΔZ_i, а ток через структуру возрастет на ΔI_i. Следовательно, величина тока I может служить информационным параметром. Для того, чтобы было возможно контролировать партию структур по величине тока I, необходимо, чтобы выполнялись неравенства ΔZ_i > Δ Z ΔI_i > Δ I Эти неравенства равнозначны и их выполнение определяют границы применения способа для контроля указанных структур.

На практике может иметь место случай, когда изолирующий слой существует, но при этом проводящие слои контактируют в точке, т.е. происходит "точечное" замыкание. В этом случае переходное сопротивление в месте контакта может быть больше, чем при контакте по всей площади. В этой случае емкость С2 (фиг.1) в эквивалентной схеме нужно заменить активным сопротивлением r, причем r ≅ X_c2. При этом условии величина тока через структуру не изменится и определить этот вид замыкания по величине тока невозможно. При замыкании такого типа изменяется только фаза тока I, которая может служить информационным параметром. Поэтому, чтобы гарантировать определение замыкания обоих видов, нужно измерять как амплитуду тока I, так и его фазу, что неудобно. Для того, чтобы устранить это неудобство, необходимо параллельно структуре подключить активное сопротивление R (фиг.2). При приложении к структуре и активному сопротивлению напряжения по ним потекут токи I₁ и I₂, сумма которых равна току I₃. Величина тока I₃зависит не только от амплитуд токов I₁ и I₂, но также и от их фаз α₁ и α₂
I₃² = I₁² + I₂² + 2I₁I₂cos (α₁ - α₂)
Необходимо отметить, что α₂= 0, а также то, что при появлении замыканий в структуре α₁ стремится к нулю.

Если в структуре нет замыканий, то величина тока I₃ будет изменяться в пределах от I_3max до I_3min
I_3max² = I_1max² + I₂² + 2I_1max.˙I₂ ˙cos ( α₁-0)
I_3min² = I_1min² + I₂² + 2I_1min ˙I₂ ˙cos ( α₁-0) при этом фаза α₁ тока I₁ изменяется в пределах
arctg < α₁< arctg
Величины I_3max и I_3min определяют границы изменения тока I₃ в зависимости от технологического разброса для структуры без замыканий. Превышение током I₃ величины I_3max будет указывать на наличие замыканий.

При наличии в структуре короткого замыкания (С2 = 0), ток I₃ будет увеличиваться как за счет уменьшения сопротивления Z структуры, так и за счет уменьшения разности α₁ - α₂ и, если при этом будут выполнены вышеуказанные неравенства, то он превысит величину I_3max. При появлении в структуре "точечного" замыкания (Х_С2 = r) изменяется только фаза α₁. Это изменение должно быть таким, чтобы даже в случае, когда ток I₁ через структуру минимален, ток I₃ превысит величину I_3max.

Определение "точечного" замыкания будет возможно, если будет выполнено неравенство
I_1max² + I₂² < I_1min² + I₂ +
+ 2I_1min ˙I₂ ˙ cos ( α₁¹-0), где α₁' - фаза тока I_1min при "точечном" замыкании.

Это неравенство эквивалентно неравенству
> arccos ·
Указанное неравенство определяет граничную величину α₁, при которой еще возможен контроль, т. е. оно имеет тот же смысл, что и неравенства, указанные для ΔZ и ΔI.

Величина активного сопротивления R может быть найдена по значениям U_o и I₂.

Ток I₂ определится из выражения
I₂ > при условии, что выражение под знаком arccos не может быть больше 1.

Сердечники и экраны магнитных головок изготавливают из пластин, число которых может быть различно. Толщина клеевых прослоек может колебаться от 1˙10^-6 М до 15 ˙10^-6 М.

Практически выполнить способ контроля можно следующим образом:
изготавливают две модели структуры с учетом разброса геометрии слоев, а именно: все проводящие слои имеют минимальные размеры, а изолирующие - максимальные, затем, все проводящие слои имеют максимальные размеры, а изолирующие - минимальные. В обоих случаях структура не имеет замыканий. Таким образом происходит моделирование структур, имеющих величину Z равной Z_max и Z_min. Поочередно подают на модели и параллельно подключенное к ним сопротивление R, переменное напряжение необходимой частоты и амплитуды. Фиксируют разность между суммарными токами при подключении этих двух моделей. Затем закорачивают накоротко один изолирующий слой в модели, имеющей минимальные размеры изолирующих слоев, т.е. имеющей Z равный Z_min. Фиксируют изменение суммарного тока и, если это изменение больше, чем разность суммарных токов, определенная в первом случае, то структуру можно контролировать предложенным способом.

Величина сопротивления выбирается такой, что ток через это сопротивление имеет тот же порядок, что и ток через модели.

Применение данного изобретения позволит получить следующие преимущества:
возможность проводить контроль на отсутствие замыканий пластин в сердечниках и экранах после склейки;
отбирать сердечники, имеющие малые потери на вихревые токи;
исключить дефектные сердечники из дальнейшего технологического процесса, что позволит повысить частотный диапазон работы магнитной головки, уменьшить разброс каналов магнитной головки по индуктивности, уменьшить разброс каналов по магнитной головке по отдаче, уменьшить разброс экранов магнитной головки по эффективной магнитной проницаемости.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАМЫКАНИЙ В МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЕ ИЗ ЧЕРЕДУЮЩИХСЯ МЕЖДУ СОБОЙ ПРОВОДЯЩИХ И ИЗОЛИРУЮЩИХ СЛОЕВ, состоящий в том, что подают переменное напряжение на структуру, а о наличии дефекта судят по значению тока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, осуществляют подачу напряжения высокой частоты, обеспечивающего емкостный характер комплексного сопротивления моделей, на две модели многослойной структуры без дефектов с крайними значениями технологического разброса соотношения толщин проводящих и изолирующих слоев с подключением к каждой модели активного сопротивления, измеряют максимальное и минимальное значения суммарного тока через модели и активное сопротивление, причем величину активного сопротивления выбирают такой, чтобы амплитуда тока, протекающего через это сопротивление, имела тот же порядок, что и амплитуда тока через модели, подключая к активному сопротивлению вместо модели контролируемую структуру, измеряют суммарный ток через активное сопротивление и контролируемую структуру, причем считают, что в контролируемой структуре нет замыканий, если значение измеренного суммарного тока находится в границах максимального и минимального суммарных токов модели.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2