Мостовой преобразователь сопротивления пленок
Владельцы патента RU 2478214:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) (СКГМИ (ГТУ) (RU)
Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для эффективного контроля напыления тонких металлических пленок. Техническим результатом заявляемого решения является повышение точности преобразования и расширение функциональных возможностей устройства. Технический результат реализуется за счет того, что мостовой преобразователь содержит: верхнюю и нижнюю ветви, генератор напряжения. При этом верхняя ветвь включает объект контроля, подключаемый двумя соединительными линиями, и образцовый элемент, а нижняя - образцовые элементы. Также в него дополнительно введены два сумматора с двумя входами с коэффициентами суммирования единица, четыре дифференциальных усилителя с двумя входами, четыре повторителя напряжения, масштабный усилитель, блок сопряжения, микроЭВМ, блок управления, две дополнительные линии связи. 1 ил.
Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для эффективного контроля напыления тонких металлических пленок.
Известен мост переменного тока, содержащий источник питания, два источника электрических сигналов, две электрические ветви, соединенные с регистратором, а другими концами подключенные к выходу соответствующего источника электрических сигналов, входы которых подсоединены к источнику питания моста (см. патент RU №2254581, МПК: G01R 17/10, 27/02, опубликовано 20.06.2005 г.).
Недостатками устройства являются использование двухзондового способа соединения измеряемого сопротивления, а также отсутствие в устройстве функций сбора, обработки, хранения и отображения результатов измерения. Эти недостатки, главным образом, определяют низкую точность преобразования (измерения) электрического сопротивления и узкий спектр функциональных возможностей.
Известно устройство для определения электрических сопротивлений тонких пленок, включающее использование четырехзондового способа соединения пленки с измерительным преобразователем и использование персонального компьютера [см. Афанасьев А.В., Москвичев А.Н., Москвичев А.А., Односевцев В.А., Орлов И.Я. Низкочастотный комплекс импедансных измерений характеристик проводящих сред // Радиофизика. Вестник Нижнегородского университета им. Н.И.Лобачевского. 2008 г., №3, с.60-64].
Недостатками устройства являются определение одного диапазона измерения, необходимость использования в устройстве для питания измерительной цепи источников тока и отсутствие в устройстве функций обработки, хранения и регистрации результатов измерения. Эти недостатки предопределяют низкую точность преобразования в широком диапазоне измеряемых сопротивлений, большие аппаратурные затраты, сложность реализации устройства, а также ограниченные функциональные возможности устройства.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является четырехплечий мостовой измерительный преобразователь, содержащий верхнюю и нижнюю ветви и генератор напряжения, при этом верхняя ветвь включает объект контроля, подключаемый двумя соединительными линиями, и образцовый элемент, а нижняя - образцовые элементы (см. авт. свидетельство СССР №563639, МПК9 G01R 27/10, опубликовано 30.06.1977 г.).
Недостатками устройства являются влияние сопротивлений зондов (соединительных линий) и контактов на точность измерения сопротивления, которое существеннее всего сказывается при малых величинах измеряемых сопротивлений, и отсутствие в устройстве функций сбора, регистрации, обработки, хранения и отображения результатов измерения (измерений).
Технической задачей является создание мостового преобразователя для точного преобразования малых сопротивлений металлических пленок, обладающих малыми электрическими сопротивлениями, и выполнения функций сбора, регистрации, обработки, хранения и отображения результатов измерения.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение точности преобразования и расширение функциональных возможностей устройства.
Технический результат достигается тем, что в мостовой преобразователь сопротивления пленок, содержащий верхнюю и нижнюю ветви и генератор напряжения, при этом верхняя ветвь включает объект контроля, подключаемый двумя соединительными линиями, и образцовый элемент, а нижняя - образцовые элементы, согласно изобретению дополнительно введены два сумматора с двумя входами с коэффициентами суммирования единица, четыре дифференциальных усилителя с двумя входами, четыре повторителя напряжения, масштабный усилитель, блок сопряжения, микроЭВМ, блок управления, две дополнительные линии связи, подключающие объект контроля к первому и второму входам первого дифференциального усилителя, выход которого соединен с одним из входов второго сумматора и с одним из входов четвертого дифференциального усилителя, другой вход второго сумматора соединен с выходом генератора напряжения, а выходы этого сумматора соединены с крайними точками нижней ветви, первый сумматор первым входом соединен с выходом третьего дифференциального усилителя, а вторым входом соединен с выходом генератора напряжения, а его выходы соединены с крайними точками верхней ветви, входы третьего дифференциального усилителя соединены с выходами третьего и четвертого повторителей напряжения, входы которых соответственно подсоединены к первому плечу, а четвертое плечо преобразователя соединено с входами первого и второго повторителей напряжения, выходы которых соединены с входами второго дифференциального усилителя, выход которого соединен со вторым входом четвертого дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, выход которого соединен с входом блока сопряжения, выход которого соединен со входом микроЭВМ, выход которого соединен со входом блока управления, выход которого соединен с образцовым элементом четвертого плеча.
Данное устройство позволит повысить точность преобразования и расширить его функциональные возможности.
Сущность устройства поясняется чертежом, где на фигуре приведена функциональная схема мостового преобразователя сопротивления пленок.
Мостовой преобразователь сопротивления пленок включает в себя верхнюю ветвь ab, состоящую из объекта контроля 1, имеющего четыре вывода для связи с преобразователем: токовые выводы 2 и 3 и потенциальные - 4 и 5, а также нижнюю ветвь a'b', состоящую из двух плеч с образцовыми сопротивлениями 6 и 7. Объект контроля 1 посредством токовых выводов 2 и 3 подключен к первому плечу верхней ветви моста ас.
Устройство также состоит из образцового элемента 8, включаемого во второе плечо верхней ветви cb, дифференциального 9 усилителя, генератора 10 напряжения, сумматоров 11 и 12, повторителей 13, 14, 15, 16 напряжения, дифференциальных 17, 18 и 19 усилителей, масштабного 20 усилителя, блока 21 сопряжения, микроЭВМ 22, блока управления 23.
Мостовой преобразователь сопротивления пленок работает следующим образом.
Пленки, являющиеся объектами контроля, подключаются к преобразователю с помощью токовых выводов связи к клеммам x1 и x2, а также с помощью потенциальных выводов связи соответственно к клеммам x3 и x4. Последние используются для повышения точности измерения сопротивления объекта контроля. Дополнительно для этого ветви мостового преобразователя гальванически разделены на верхнюю ab и нижнюю a'b'. Такое разделение необходимо для питания их разными напряжениями и исключения влияния на функцию преобразования устройства неинформативных параметров (сопротивлений токовых 2 и 3 выводов). Определим выражения для этих напряжений. Верхняя ветвь ab питается суммой напряжений от генератора 10 напряжения и от первого плеча преобразователя, включающего в себя сопротивление 1 объекта контроля и сопротивления токовых выводов и контактов 2 и 3. Последнее напряжение формируется на выходе дифференциального 17 усилителя с использованием повторителей 13 и 14 напряжения. Таким образом, верхняя ветвь преобразователя питается напряжением, определяемым из выражения:
,
где Uэ - синусоидальное напряжение на выходе генератора 10 напряжения; Rx - сопротивление объекта контроля (измеряемое сопротивление пленки - 1, определяющее ее электропроводимость); Rл1 и Rл2 - сопротивления токовых выводов (зондов) и контактов 2 и 3 или соединительных линий пленки с измерительным преобразователем; R2 - сопротивление образцового 6 элемента.
Из приведенного выражения выводится следующая формула для напряжения питания верхней ветви:
Тогда напряжение U1 на выходе дифференциального 9 усилителя будет определяться выражением:
Нетрудно предположить, что при питании нижней ветви тем же напряжением, которым питается верхняя ветвь, достичь инвариантности выходного напряжения преобразователя к сопротивлениям соединительных линий 3 и 4 невозможно. Поэтому нижняя ветвь питается напряжением, равным сумме напряжения от генератора 10 напряжения и напряжения на выходе дифференциального 9 усилителя. Таким образом, нижняя ветвь преобразователя питается напряжением, которое определяется выражением: 
.
Тогда напряжение U2 на выходе дифференциального 18 усилителя, равное падению напряжения на четвертом плече преобразователя и формируемое с использованием повторителей 15 и 16 напряжения, будет определяться выражением:
,
где R3 и R4 - соответственно сопротивления образцовых 6 и 7 элементов, составляющих нижнюю ветвь мостового измерительного преобразователя.
Напряжения с выходов дифференциальных 9 и 18 усилителей подаются на входы дифференциального 19 усилителя, на выходе которого формируется напряжение, равное:
где G2=1/R2, G3=1/R3.
Выведенное выражение показывает, что оно соответствует выражению преобразователя с линеаризованной относительно сопротивления пленки характеристикой и проводимости второго плеча моста. Одновременно оно показывает полную инвариантность выходного сигнала мостового преобразователя сопротивлений к неинформативным параметрам, существенно снижающим точность преобразования (измерения) электропроводимости объектов контроля с малыми электрическими сопротивлениями. К числу таких объектов, в первую очередь, и относятся металлические пленки. Выражение также показывает, что в мостовом преобразователе сохранены свойства четырехплечей мостовой измерительной цепи, в частности образцовые элементы второй ветви можно использовать для задания разных диапазонов измерения. Последнее важно для создания устройств с широким диапазоном преобразования (измерения). Образцовые элементы можно использовать и для уравновешивания мостового преобразователя, при котором достигается максимальная точность измерения и т.д. Для отмеченных целей наиболее целесообразно использование элемента 7, что и показано на фиг. Там же показано, что управление величиной элемента 7 возможно выходными сигналами блока 23 управления. Кроме этого блока расширение функциональных возможностей мостового преобразователя обеспечивают блоки 20, 21, 22. Так, использование в преобразователе масштабного 20 усилителя обеспечивает расширение диапазона измеряемых сопротивлений, использование блока 21 сопряжения необходимо для организации оптимального взаимодействия преобразователя с микроЭВМ. Это устройство в преобразователе, помимо формирования команд управления, подаваемых на блок 23, обеспечивает выполнение функций сбора, обработки, регистрации и хранения результатов измерения и т.д.
Областью применения предлагаемого изобретения может быть широкий спектр измерительных средств, необходимых для исследования импедансных свойств или определения электрических характеристик объектов, находящихся в жидкой или твердой фазе, и т.д.
Использование предлагаемого мостового преобразователя позволит по сравнению с прототипом повысить точность преобразования и расширить его функциональные возможности.
Мостовой преобразователь сопротивления пленок, содержащий верхнюю и нижнюю ветви и генератор напряжения, при этом верхняя ветвь включает объект контроля, подключаемый двумя соединительными линиями, и образцовый элемент, а нижняя - образцовые элементы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два сумматора с двумя входами с коэффициентами суммирования единица, четыре дифференциальных усилителя с двумя входами, четыре повторителя напряжения, масштабный усилитель, блок сопряжения, микро-ЭВМ, блок управления, две дополнительные линии связи, подключающие объект контроля к первому и второму входам первого дифференциального усилителя, выход которого соединен с одним из входов второго сумматора и с одним из входов четвертого дифференциального усилителя, другой вход второго сумматора соединен с выходом генератора напряжения, а выходы этого сумматора соединены с крайними точками нижней ветви, первый сумматор первым входом соединен с выходом третьего дифференциального усилителя, а вторым входом соединен с выходом генератора напряжения, а его выходы соединены с крайними точками верхней ветви, входы третьего дифференциального усилителя соединены с выходами третьего и четвертого повторителей напряжения, входы которых соответственно подсоединены к первому плечу, а четвертое плечо преобразователя соединено с входами первого и второго повторителей напряжения, выходы которых соединены с входами второго дифференциального усилителя, выход которого соединен со вторым входом четвертого дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, выход которого соединен со входом блока сопряжения, выход которого соединен со входом микро-ЭВМ, выход которого соединен со входом блока управления, выход которого соединен с образцовым элементом четвертого плеча.
