Система и способ определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре



Система и способ определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре
Система и способ определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре
Система и способ определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре
Система и способ определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре
Система и способ определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре

 


Владельцы патента RU 2589526:

Дженерал Электрик Компани (US)

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: система содержит первый электрод, имеющий первую поверхность контакта с образцом, выполненную с возможностью размещения в контакте с первой поверхностью многослойной структуры, второй электрод, имеющий вторую поверхность контакта с образцом, выполненную с возможностью размещения в контакте со второй поверхностью многослойной структуры. Вторая поверхность находится с противоположной стороны от первой поверхности. Система содержит также устройство управления давлением, выполненное с возможностью прижатия первого электрода к многослойной структуре с заранее заданным испытательным давлением, являющимся давлением, при котором электрический импеданс образца достигает эталонного импеданса, соответствующего образцу. Устройство содержит также измерительное устройство, электрически соединенное первым электродом и вторым электродом и выполненное с возможностью измерения электрического импеданса между первым электродом и вторым электродом. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к измерению структуры и, в частности, к системам и способам определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре.

[0002] Известны по меньшей мере несколько измерительных систем, в которых определяется импеданс между двумя поверхностями структуры с помощью электродов. Электроды электрически связаны со структурой с помощью проводящей контактной среды, такой как серебряная паста. Следует отметить, что применение среды, подобной серебряной пасте, может вносить значительную задержку, прежде чем может быть достигнуто стабильное измерение импеданса. Кроме того, после того как измерение выполнено и электроды убраны, структуру необходимо очистить от остатков серебряной пасты. Таким образом, использование подобных измерительных систем связано со значительными затратами времени и труда.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В соответствии с одним из аспектов изобретения предлагается система для определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре. Система содержит элемент для контакта с образцом. Элемент для контакта с образцом содержит первый электрод, имеющий первую поверхность контакта с образцом, выполненную с возможностью размещения в контакте с первой поверхностью многослойной структуры. Система также содержит второй электрод, имеющий вторую поверхность контакта с образцом, выполненную с возможностью размещения в контакте со второй поверхностью многослойной структуры. Вторая поверхность находится с противоположной стороны от первой поверхности. Система также содержит устройство управления давлением, выполненное с возможностью прижатия первого электрода к многослойной структуре по существу с заранее заданным испытательным давлением. Испытательное давление - это давление, при котором электрический импеданс образца достигает эталонного импеданса, соответствующего данному образцу. Система также содержит измерительное устройство, которое электрически связано с первым электродом и вторым электродом. Измерительное устройство выполнено с возможностью измерения электрического импеданса между первым электродом и вторым электродом.

[0004] В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается устройство для определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре. Устройство содержит элемент для контакта с образцом и устройство приложения силы, соединенное с элементом для контакта с образцом. Элемент для контакта с образцом содержит электрод, имеющий поверхность контакта с образцом и поверхность приложения силы, которая находится с противоположной стороны от поверхности контакта с образцом. Поверхность контакта с образцом выполнена с возможностью размещения в контакте с поверхностью многослойной структуры. Элемент для контакта с образцом также содержит элемент для регулирования температуры, выполненный с возможностью регулирования температуры многослойной структуры. Устройство приложения силы выполнено с возможностью приложения силы к поверхности приложения силы электрода.

[0005] В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается способ определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре. Способ включает размещение первого электрода в контакте с первой поверхностью многослойной структуры. Второй электрод размещают в контакте со второй поверхностью многослойной структуры. Вторая поверхность находится по существу с противоположной стороны от первой поверхности. Первый электрод прижимают к многослойной структуре с заранее заданным испытательным давлением, а температура многослойной структуры регулируется до заранее заданной испытательной температуры. Электрический импеданс измеряется между первым электродом и вторым электродом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0006] Варианты осуществления изобретения, описанные в настоящей заявке, станут более понятными при рассмотрении последующего описания со ссылкой на сопровождающие чертежи.

[0007] На фиг.1 приведена схема примера осуществления системы для определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре.

[0008] На фиг.2 представлено увеличенное изображение образца и элементов для контакта с образцом, показанных на фиг.1.

[0009] На фиг.3 приведена блок-схема примера способа определения толщины исследуемого слоя.

[0010] На фиг.4 представлена схема примера устройства для определения толщины исследуемого слоя в цилиндрической структуре.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Варианты осуществления изобретения, описанные в настоящей заявке, облегчают определение толщины исследуемого слоя в многослойной структуре без применения клейкой проводящей среды, такой как серебряная паста. В примерах осуществления изобретения первый электрод размещают непосредственно в контакте с поверхностью многослойной структуры и прижимают к поверхности с заранее заданным испытательным давлением. Температура структуры также может быть отрегулирована до заранее заданной испытательной температуры. Второй электрод размещают в контакте с другой поверхностью структуры и производят измерение электрической характеристики, такой как импеданс между двумя электродами.

[0012] Исследуемый слой может быть внутренним слоем многослойной структуры. Например, компонент, предназначенный для работы в условиях высокой температуры, может содержать металлическую структуру с поверхностью, имеющей покрытие, создающее тепловой барьер (thermal barrier coating, ТВС) и защищающее металлическую структуру от повреждения, вызванного высокой температурой. Покрытие ТВС может быть связано с металлической основой с помощью связывающего покрытия. Поскольку структура подвергается воздействию высоких температур, связывающее покрытие может окисляться, ослабляя способность связывающего покрытия связывать покрытие ТВС с металлической основой. Окисленная часть связывающего покрытия называется термически выращенным оксидом (thermally grown oxide, TGO). Точное определение толщины TGO может позволить производить своевременное восстановление и/или замену структуры.

[0013] Технический результат примеров способов, систем и оборудования, описанных в данной заявке, включает одно из следующего: (a) прижатие первого электрода к многослойной структуре с заранее заданным испытательным давлением; (b) регулирование температуры многослойной структуры до заранее заданной испытательной температуры; (c) измерение электрической характеристики между первым электродом и вторым электродом и (d) определение толщины исследуемого слоя на основе, по меньшей мере частично, измеренной электрической характеристики.

[0014] На фиг.1 представлена структурная схема примера системы 100 для определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре. Толщина исследуемого слоя может быть определена на основе одного или более образцов 102, которые содержат по меньшей мере часть многослойной структуры. Например, многослойной структурой может являться балка, а образец 102 может представлять собой часть длины балки. Образец 102 имеет первую поверхность 104 и вторую поверхность 106, расположенную по существу с противоположной стороны от первой поверхности 104. Система 100 содержит первый элемент 108 для контакта с образцом и второй элемент 110 для контакта с образцом.

[0015] На фиг.2 представлено увеличенное изображение образца 102, первого элемента 108 для контакта с образцом и второго элемента 110 для контакта с образцом. В примере осуществления изобретения первая поверхность 104 образца 102 определяется поверхностным слоем 112, который связан со структурным слоем или основой 114 посредством слоя 116 связывающего покрытия. Например, поверхностный слой 112 может содержать покрытие, создающее тепловой барьер (ТВС), такое как керамический материал, для защиты структурного слоя 114 от повреждения, вызванного высокой температурой.

[0016] В процессе работы слой 116 связывающего покрытия может превращаться в слой 118 термически выращенного оксида (TGO), поскольку структура подвергается тепловому воздействию. Соответственно, толщина слоя 118 покрытия TGO может изменяться с течением времени. Слой 116 связывающего покрытия и слой 118 TGO могут иметь различные уровни импеданса или другой электрической характеристики, что позволяет определять толщину слоя 118 TGO и/или слоя 116 связывающего покрытия, как описано ниже со ссылкой на фиг.3. Когда толщина слоя 118 TGO превысит заранее заданный порог или, альтернативно, когда толщина слоя 116 связывающего покрытия упадет ниже заранее заданного порога, структура, представленная образцом 102, может быть восстановлена и/или заменена. Хотя образец 102 описан выше как имеющий конкретное строение, система 100 позволяет определять толщину исследуемого слоя в структуре, имеющей любое количество слоев, которые демонстрируют изменение электрической характеристики.

[0017] В примерах осуществления изобретения первый элемент 108 для контакта с образцом содержит первый электрод 122, а второй элемент 110 для контакта с образцом содержит второй электрод 124. Первый электрод 122 содержит первую поверхность 126 контакта с образцом, которая сконфигурирована для размещения в контакте с первой поверхностью 104 образца 102. Второй электрод 124 содержит вторую поверхность 128 контакта с образцом, которая сконфигурирована для размещения в контакте со второй поверхностью 106 образца 102.

[0018] В некоторых вариантах осуществления изобретения первая поверхность 126 контакта с образцом имеет форму, соответствующую форме первой поверхности 104 образца 102. Вторая поверхность 128 контакта с образцом может иметь форму, соответствующую форме второй поверхности 106 образца 102. Как показано на фиг.2, первая поверхность 104 и вторая поверхность 106 являются плоскими. Соответственно, первая поверхность 126 контакта с образцом и вторая поверхность 128 контакта с образцом также являются плоскими. Форма первой поверхности 126 контакта с образцом и/или второй поверхности 128 контакта с образцом может быть плоской, дугообразной (например, как описано ниже со ссылкой на фиг.4), криволинейной, заостренной, вогнутой, выпуклой и/или любой другой формы, соответствующей (например, дополнительной к) первой поверхности 104 и/или второй поверхности 106. Придание поверхностям 126, 128 контакта с образцом формы, соответствующей поверхностям 104, 106 образца, способствует увеличению площади контакта и/или электропроводности между электродами 122, 124 и образцом 102.

[0019] Первый электрод 122 также имеет поверхность 130 приложения силы, расположенную с противоположной стороны от поверхности 126 контакта с образцом. В одном варианте осуществления изобретения первый электрод 122 прижимают к образцу 102 путем приложения силы к поверхности 130 приложения силы через первый элемент 108 для контакта с образцом, как описано ниже со ссылкой на фиг.1 и 2.

[0020] Некоторые варианты осуществления изобретения обеспечивают регулирование температуры по меньшей мере части образца 102. В таких вариантах осуществления изобретения первый элемент 108 для контакта с образцом содержит один или более элементов 132 для регулирования температуры и может содержать теплопроводный слой 134 между элементами 132 для регулирования температуры и первым электродом 122. Теплопроводный слой 134 может быть не электропроводным, что позволяет электрически изолировать первый электрод 122 от первого элемента 108 для контакта с образцом.

[0021] Элементы 132 для регулирования температуры выполнены с возможностью увеличения и/или уменьшения температуры образца 102 путем подвода тепловой энергии к первой поверхности 104 и/или отвода тепловой энергии от этой поверхности, соответственно. Элементы 132 для регулирования температуры могут содержать, например, проводник тепла, электронагревательный элемент, канал, выполненный с возможностью содержания и/или перемещения в нем жидкости, и/или любую конструкцию, пригодную для нагревания и/или охлаждения образца 102. В некоторых вариантах осуществления изобретения второй элемент 110 для контакта с образцом также содержит элементы 136 для регулирования температуры, выполненные с возможностью регулирования температуры образца 102 путем подвода тепловой энергии ко второй поверхности 106 и/или отвода тепловой энергии от этой поверхности. Второй элемент 110 для контакта с образцом может также содержать теплопроводный слой 138, расположенный между элементами 136 для регулирования температуры и вторым электродом 124. Дополнительно или альтернативно, над вторым электродом 124 расположена изоляция, как описано ниже со ссылкой на фиг.4.

[0022] Как видно из фиг.1 и 2, система 100 содержит устройство 140 приложения силы, соединенное с первым элементом 108 для контакта с образцом и/или вторым элементом 110 для контакта с образцом. Устройство 140 приложения силы выполнено с возможностью приложения силы к поверхности 130 приложения силы первого электрода 122 через первый элемент 108 для контакта с образцом. В одном из вариантов осуществления изобретения устройство 140 приложения силы содержит винтовой механизм с приводом, гидравлический поршень и/или другое устройство, пригодное для прижатия первого электрода 122 к образцу 102.

[0023] Один или более датчиков 142 нагрузки выполнены с возможностью измерения силы, приложенной к образцу 102 с помощью устройства 140 приложения силы. Например, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, устройство 140 приложения силы выполнено с возможностью приложения силы к первому элементу 108 для контакта с образцом в направлении второго элемента 110 для контакта с образцом. Соответственно, датчики 142 нагрузки могут быть размещены между первым элементом 108 для контакта с образцом и вторым элементом 110 для контакта с образцом.

[0024] Устройство 144 управления давлением связано с устройством 140 приложения силы и датчиками 142 нагрузки. Например, устройство 144 управления давлением связано с устройством 140 приложения силы кабелем 146 связи и с датчиками 142 нагрузки кабелями 148 связи. Альтернативно, устройство 142 управления давлением может быть связано с устройством 140 приложения силы и/или датчиками 142 нагрузки беспроводным каналом связи (не показан).

[0025] Устройство 144 управления давлением выполнено с возможностью прижатия первого электрода 122 к образцу 102 с заранее заданным испытательным давлением. В примере осуществления изобретения устройство 144 управления давлением определяет приложенное давление на основе, по меньшей мере частично, измеренной силы от датчиков 142 нагрузки и площади контакта между первым электродом 122 и образцом 102. Например, площадь контакта может быть определена на основе площади первой поверхности 126 контакта с образцом и площади первой поверхности 104. Если первая поверхность 126 контакта с образцом имеет форму, соответствующую форме первой поверхности 104, площадь контакта может быть определена как меньшая из площадей первой поверхности 126 контакта с образцом и первой поверхности 104. В примере осуществления изобретения устройство 144 управления давлением управляет силой, приложенной устройством 140 приложения силы, регулируя эту силу, пока приложенное давление не станет по существу равным (например, в пределах отклонения 0,5%, 1% или 5%) заранее заданному испытательному давлению.

[0026] Устройство 150 управления температурой связано с элементами 132, 136 для регулирования температуры линиями 152 для регулирования температуры. Устройство 150 управления температурой выполнено с возможностью регулирования температуры по меньшей мере части образца 102 до заранее заданной испытательной температуры через линии 152 для регулирования температуры и элементы 132, 136 для регулирования температуры. В некоторых вариантах осуществления изобретения элементы 132, 136 для регулирования температуры являются электронагревательными элементами и/или охладителями. В таких вариантах осуществления изобретения линии 152 для регулирования температуры могут быть кабелями связи, с помощью которых устройство 150 управления температурой управляет работой элементов 132, 136 для регулирования температуры. Дополнительно или альтернативно, линии 152 для регулирования температуры могут быть проводниками, по которым осуществляется подача электрического тока. В других вариантах элементы 132, 136 для регулирования температуры являются каналами для содержания и/или перемещения в них жидкости. В таких вариантах осуществления изобретения линии 152 для регулирования температуры могут быть сосудами для жидкости (например, каналами и/или трубами), а устройство 150 управления температурой может содержать жидкостный нагреватель и/или жидкостный охладитель и, опционально, насос для циркуляции жидкости через сосуды для жидкости.

[0027] Измерительное устройство 160 электрически связано с первым электродом 122 и вторым электродом 124. Например, в одном из вариантов осуществления изобретения измерительное устройство 160 связано с первым электродом 122 с помощью первого проводника 162 и со вторым электродом 124 с помощью второго проводника 164. Измерительное устройство 160 выполнено с возможностью измерения электрической характеристики (например, импеданса, сопротивления, индуктивности и/или емкости) между первым электродом 122 и вторым электродом 124. Например, в одном из вариантов осуществления изобретения измерительное устройство 160 включает источник питания (например, стабилизатор напряжения) и частотный анализатор (frequency response analyzer, FRA) для выполнения электрохимической импедансной спектроскопии (electrochemical impedance spectroscopy, EIS). Кроме того, измерительное устройство 160 также выполнено с возможностью определения толщины исследуемого слоя на основе, по меньшей мере частично, измеренного электрического импеданса, как описано ниже со ссылкой на фиг.3.

[0028] На фиг.3 приведена блок-схема примера осуществления способа 300 определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре. Части способа 300 могут выполняться с использованием вычислительной машины и/или вычислительного устройства, такого как устройство 144 управления давлением, устройство 150 управления температурой и измерительное устройство 160 (все показаны на фиг.1). Функции устройства 144 управления давлением, устройства 150 управления температурой и измерительного устройства 160 могут быть объединены в любом числе вычислительных устройств. Например, измерительное устройство 160 может выполнять все операции, описанные применительно к устройству 144 управления давлением и устройству 150 управления температурой.

[0029] В примере осуществления изобретения на шаге 305 определяют испытательное давление и/или испытательную температуру. Испытательное давление является давлением, с которым электрод должен быть прижат к поверхности образца многослойной структуры. Испытательная температура является температурой, к которой должна быть отрегулирована температура многослойной структуры.

[0030] В одном из вариантов осуществления изобретения для структуры экспериментально определяют на шаге 305 испытательное давление. Например, выбирают образец упомянутой структуры или аналогичной структуры и электрически связывают электроды с двумя поверхностями образца с использованием вязкой проводящей жидкости, такой как серебряная паста. Измеряют импеданс между двумя электродами, который считают эталонным импедансом. Электроды размещают на поверхностях того же образца без вязкой проводящей жидкости и производят измерение импеданса, когда по меньшей мере один электрод прижат к поверхности образца при изменении уровня давления. Самое низкое испытательное давление, обеспечивающее измеренное значение импеданса, которое достигает эталонного импеданса или является по существу равным ему (например, в пределах отклонения 0,5%, 1% или 5%), на шаге 305 определяют как испытательное давление. В некоторых вариантах осуществления изобретения вышеуказанный процесс повторяют с аналогичными структурами, в которых толщина исследуемого слоя известна, и на шаге 305 определяют в качестве испытательного давления самое низкое испытательное давление, обеспечивающее измеренное значение импеданса, которое достигает эталонного импеданса среди аналогичных структур. Хотя выше приведено конкретное описание импеданса, испытательное давление может быть определено на шаге 305 как давление, при котором любая электрическая характеристика достигает соответствующей эталонной электрической характеристики.

[0031] Испытательную температуру определяют на шаге 305 как температуру, при которой исследуемая электрическая характеристика (например, импеданс) между поверхностями многослойной структуры изменяется в зависимости от толщины исследуемого слоя. В одном из вариантов осуществления изобретения на шаге 305 экспериментально определяют испытательную температуру структуры. Например, выбирают аналогичные структуры, в которых известна толщина исследуемого слоя. Импеданс среди таких аналогичных структур измеряют при изменяющихся температурах, и температуру, при которой импеданс имеет самую высокую корреляцию с толщиной исследуемого слоя, определяют на шаге 305 как испытательную температуру.

[0032] Обратимся к фиг.2. В одном из вариантов осуществления изобретения структурный слой 114 и слой 116 связывающего покрытия являются металлическими и имеют относительно малый импеданс в широком диапазоне температур. Поверхностный слой 112 является ионным проводником (например, керамическим материалом), который имеет относительно малый импеданс при температуре примерно 400 градусов Цельсия (400°C) и выше. Напротив, слой 118 TGO имеет относительно высокий импеданс в широком диапазоне температур. Соответственно, при температурах выше 400°C импеданс между первой поверхностью 104 и второй поверхностью 106 определяется прежде всего толщиной слоя 118 TGO, и на шаге 305 температуру 400°C определяют в качестве испытательной температуры.

[0033] Обратимся к фиг.1 и 3. В некоторых вариантах осуществления изобретения испытательное давление и/или испытательную температуру определяют 305 для многослойной структуры в управляемой установке (например, в лаборатории) и затем применяют к множеству воспроизведенных многослойных структур. Например, испытательное давление и испытательная температура для определенного компонента ассоциированы с номером изделия, соответствующим данному компоненту, и в дальнейшем используются для определения толщины исследуемого слоя в любом компоненте, соответствующем такому же номеру изделия.

[0034] Соотношение между толщиной исследуемого слоя и электрической характеристикой (например, импедансом, индуктивностью и/или емкостью) определяют на шаге 310 в некоторых вариантах осуществления изобретения с использованием тех же данных, которые использовались для определения 305 испытательного давления и/или испытательной температуры. Например, в одном из вариантов осуществления изобретения значения измеренного импеданса и толщины слоя, соответствующего испытательной температуре, представляют в виде графика и вычисляют функцию, определяющую наилучшую эмпирическую кривую для выражения соотношения между толщиной слоя и импедансом. Соответственно, в примерах осуществления изобретения соотношение между толщиной слоя и электрической характеристикой, которое соответствует структуре, оцениваемой с помощью способа 300, определяют на шаге 310 на основе структуры, которая аналогична оцениваемой структуре или представляет ее.

[0035] Как видно из фиг.1 и 3, первый электрод 122 размещают на шаге 315 в контакте с первой поверхностью 104 образца 102 многослойной структуры. Второй электрод 124 размещают на шаге 320 в контакте со второй поверхностью 105 образца 102. В примере осуществления изобретения образец 102 размещают между первым элементом 108 для контакта с образцом, который содержит первый электрод 122, и вторым элементом 110 для контакта с образцом, который содержит второй электрод 124.

[0036] Устройство 144 управления давлением прижимает 325 первый электрод 122 к образцу 102 (например, к первой поверхности 104) с испытательным давлением посредством устройства 140 приложения силы. В примерах осуществления изобретения устройство 144 управления давлением контролирует величину силы, приложенной устройством 144 управления давлением, используя датчики 142 давления. Для расчета приложенного давления нужно разделить приложенную силу на площадь контакта между первым электродом 122 и первой поверхностью 104. Устройство 144 управления давлением регулирует силу, приложенную устройством 140 приложения силы таким образом, что приложенное давление по существу равно (например, в пределах отклонения 0,5%, 1% или 5%) испытательному давлению.

[0037] Устройство 150 управления температурой регулирует 330 температуру по меньшей мере части образца 102 (например, нагревает или охлаждает) по существу до испытательной температуры (например, в пределах отклонения 0,5%, 1% или 5%). В примере осуществления изобретения устройство 150 управления температурой управляет элементами 132 для регулирования температуры образца 102 на первой поверхности 104. Регулирование 330 температуры образца 102 посредством прямого контакта обеспечивает достижение испытательной температуры с повышенной точностью и за меньшее время по сравнению с другими способами регулирования температуры, такими как конвекция. В некоторых вариантах осуществления изобретения устройство 150 управления температурой также управляет элементами 136 для регулирования температуры образца 102 на второй поверхности 106. Дополнительно или альтернативно, на шаге 322 изолируют вторую поверхность 106.

[0038] Измерительное устройство 160 измеряет на шаге 355 электрическую характеристику между первым электродом 122 и вторым электродом 124. В некоторых вариантах осуществления изобретения измерительное устройство 160 измеряет 355 электрический импеданс, например, путем использования электрохимической импедансной спектроскопии (EIS). В примере осуществления изобретения измерительное устройство 160 подает входной сигнал переменного тока или напряжения между первым электродом 122 через первый проводник 162 и вторым электродом 124 через второй проводник 164 в заранее заданном частотном диапазоне (например, от 100 Гц до 1 МГц). Сигнал вырабатывается источником, который может включать, не ограничиваясь этим, стабилизатор напряжения. Другие измеряемые электрические характеристики могут включать индуктивность, емкость и/или любые другие характеристики, пригодные для использования в способах, описанных в настоящей заявке.

[0039] Толщину исследуемого слоя (например, слоя 116 связывающего покрытия или слоя 118 TGO, показанных на фиг.2) определяют на шаге 340, по меньшей мере частично, на основе измеренной электрической характеристики. В примерах осуществления изобретения толщину определяют на шаге 340 на основе измеренного электрического импеданса и соотношения между толщиной и импедансом, который был ранее определен на шаге 310.

[0040] В некоторых вариантах осуществления изобретения множество образцов 102 определенной структуры оценивают с использованием способа 300. В одном из вариантов осуществления изобретения расположенные с равными интервалами части структуры рассматривают как образцы 102. Для каждого образца 102 размещают на шагах 315, 320 электроды 122, 124, первый электрод 122 прижимают на шаге 325 к образцу 102, регулируют на шаге 330 температуру образца 102, измеряют на шаге 335 электрический импеданс и определяют на шаге 340 толщину исследуемого слоя. В некоторых вариантах осуществления изобретения, если толщина исследуемого слоя, соответствующая любому образцу 102, выходит за границы допустимого диапазона значений (например, указанных в нанометрах, микрометрах или миллиметрах), структуру восстанавливают и/или заменяют.

[0041] На фиг.4 представлена схема примера устройства 400 для определения толщины исследуемого слоя в цилиндрической структуре 405. Устройство 400 содержит элемент 410 для контакта с образцом и первый электрод 415. Элемент 410 для контакта с образцом и первый электрод 415 размещаются на внутренней поверхности 420 цилиндрической структуры 405. Второй электрод 425 размещается на внешней поверхности 430 цилиндрической структуры 405. Первый электрод 415 и второй электрод 425 имеют дугообразные формы, соответствующие форме внутренней поверхности 420 и внешней поверхности 430 соответственно. В процессе работы первый электрод 415 и второй электрод 425 соединены с измерительным устройством 160 (показано на фиг.1).

[0042] Устройство 400 содержит устройство 435 приложения силы, работа которого аналогична работе устройства 140 приложения силы (показано на фиг.1). Более конкретно, устройство 435 приложения силы прижимает первый электрод 415 к внутренней поверхности 420. Сила, приложенная устройством 435 приложения силы, измеряется датчиком 440 нагрузки, работа которого аналогична работе датчиков 142 нагрузки (показаны на фиг.1).

[0043] В примере осуществления изобретения устройство 435 приложения силы связано с элементом 410 для контакта с образцом посредством стержня 445. Стержень 445 также связан с элементом 450 для контакта со структурой, расположенным с противоположной стороны от элемента 410 для контакта с образцом. Подобно первому электроду 415 элемент 410 для контакта с образцом и элемент 450 для контакта со структурой имеют форму, соответствующую форме внутренней поверхности 420. По мере того как элемент 435 для приложения силы прилагает силу расширения вдоль стержня 445, элемент 410 для контакта с образцом и элемент 450 для контакта со структурой прижимаются к внутренней поверхности 420. В примерах осуществления изобретения устройство 435 приложения силы и датчик 440 давления связаны с устройством 140 приложения силы (показано на фиг.1).

[0044] Элемент 410 для контакта с образцом также содержит множество элементов 455 для регулирования температуры, работа которых аналогична работе элементов 132, 136 для регулирования температуры (показаны на фиг.1 и 2). Элементы 455 для регулирования температуры регулируют температуру внутренней поверхности 420 вблизи первого электрода 415. В примерах осуществления изобретения элементы 455 для регулирования температуры соединены с устройством 150 управления температурой (показано на фиг.1).

[0045] В некоторых вариантах на внешней поверхности 430 вблизи второго электрода 425 размещена изоляция 460. Изоляция 460 облегчает обеспечение требуемой температуры между первым электродом 415 и вторым электродом 425, когда производится управление элементами 455 для регулирования температуры.

[0046] Часть цилиндрической структуры 405 между первым электродом 415 и вторым электродом 425 может быть названа образцом 465. В одном из вариантов осуществления изобретения толщина исследуемого слоя в цилиндрической структуре 405 определяется для множества образцов 465 путем поворота устройства 400 по отношению к цилиндрической структуре 405. В одном из примеров десять образцов 465, отделенных друг от друга поворотом примерно на тридцать шесть градусов, оцениваются в соответствии со способом 300 (показан на фиг.3).

[0047] Варианты осуществления изобретения позволяют определить толщину исследуемого слоя, такого как слой термически выращенного оксида (TGO), в многослойной структуре. Кроме того, примеры осуществления изобретения обеспечивают точное определение толщины за короткий промежуток времени и не требуют удаления связывающей контактной или проводящей среды.

[0048] Способы и системы, описанные здесь, не ограничены описанными конкретными вариантами осуществления изобретения. Например, компоненты каждой системы и/или шаги каждого способа могут быть использованы и/или осуществлены на практике независимо и отдельно от других компонентов и/или шагов, описанных выше. Кроме того, каждый компонент и/или шаг может также быть использован и/или осуществлен на практике с другим устройством и с другими способами.

[0049] Некоторые варианты осуществления изобретения включают использование одного или более электронных или вычислительных устройств. К таким устройствам обычно относятся процессор или контроллер, такой как центральный процессор (central processing unit, CPU) общего назначения, графический процессор (graphics processing unit, GPU), микроконтроллер, процессор с сокращенным набором команд (reduced instruction set computer, RISC), специализированная интегральная микросхема (ASIC, application specific integrated circuit), программируемая логическая схема (PLC, programmable logic circuit) и/или любые другие схемы или процессор, способные выполнять описанные в настоящей заявке функции. Способы, описанные в настоящей заявке, могут быть закодированы в виде исполняемых команд, записанных на машиночитаемом носителе, включая, но не ограничиваясь этим, устройство хранения и/или устройство памяти. Такие команды при их выполнении процессором заставляют его выполнять по меньшей мере часть способов, описанных в настоящей заявке. Приведенные выше примеры не ограничивают определение и/или значение термина «процессор».

[0050] В настоящем описании использованы примеры для раскрытия изобретения, включая предпочтительный вариант его осуществления, что позволяет специалистам применить изобретение на практике, включая изготовление и использование любых устройств и систем и выполнение любых описанных способов. Объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые очевидны специалистам. Такие другие примеры находятся в рамках формулы изобретения, если они содержат структурные элементы, которые не отличаются от формулировки пунктов формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от формулировок пунктов формулы изобретения.

Список обозначений
100 пример системы
102 образец
104 первая поверхность
106 вторая поверхность
108 первый элемент для контакта с образцом
110 второй элемент для контакта с образцом
112 поверхностный слой
114 основа
116 слой связывающего покрытия
118 слой термически выращенного оксида (TGO)
122 первый электрод
124 второй электрод
126 первая поверхность контакта с образцом
128 вторая поверхность контакта с образцом
130 поверхность приложения силы
132 элементы для регулирования температуры
134 теплопроводный слой
136 элементы для регулирования температуры
138 теплопроводный слой
140 устройство приложения силы
142 датчики нагрузки
144 устройство управления давлением
146 кабель связи
148 кабели связи
150 устройство управления температурой
152 линии для регулирования температуры
160 измерительное устройство
162 первый проводник
164 второй проводник
300 способ
305 определить испытательное давление и/или испытательную температуру
310 определить соотношение между толщиной слоя и электрической характеристикой (например, импедансом)
315 разместить первый электрод в контакте с первой поверхностью
320 разместить второй электрод в контакте со второй поверхностью
322 изолировать поверхность (поверхности)
325 прижать первый электрод к образцу с испытательным давлением
330 нагреть/охладить структуру до испытательной температуры
335 измерить электрическую характеристику
340 определить толщину слоя
400 устройство
405 цилиндрическая структура
410 элемент для контакта с образцом
415 первый электрод
420 внутренняя поверхность
425 второй электрод
430 внешняя поверхность
435 устройство приложения силы
440 датчик нагрузки
445 стержень
450 элемент для контакта со структурой
455 элементы для регулирования температуры
460 изоляция
465 множество образцов

1. Система для определения толщины исследуемого слоя в многослойной структуре, содержащая:
элемент для контакта с образцом, содержащий первый электрод, имеющий первую поверхность контакта с образцом, выполненную с возможностью размещения в контакте с первой поверхностью многослойной структуры;
второй электрод, имеющий вторую поверхность контакта с образцом, выполненную с возможностью размещения в контакте со второй поверхностью многослойной структуры, при этом вторая поверхность находится с противоположной стороны от первой поверхности;
устройство управления давлением, выполненное с возможностью прижатия указанного первого электрода к многослойной структуре по существу с заранее заданным испытательным давлением, при этом испытательное давление является давлением, при котором электрический импеданс образца достигает эталонного импеданса, соответствующего образцу, и
измерительное устройство, электрически соединенное с указанным первым электродом и указанным вторым электродом и выполненное с возможностью измерения электрического импеданса между указанным первым электродом и указанным вторым электродом.

2. Система по п. 1, в которой указанное измерительное устройство также выполнено с возможностью определения толщины исследуемого слоя на основе, по меньшей мере частично, измеренного электрического импеданса.

3. Система по п. 2, в которой указанное измерительное устройство также выполнено с возможностью определения толщины исследуемого слоя на основе заранее заданного соотношения между электрическим импедансом и толщиной исследуемого слоя, которое соответствует многослойной структуре.

4. Система по п. 1, также содержащая:
устройство приложения силы, соединенное с указанным элементом для контакта с образцом и связанное с указанным устройством управления давлением, и
датчик давления, связанный с указанным устройством управления давлением и выполненный с возможностью измерения силы, приложенной к многослойной структуре посредством указанного устройства приложения силы, при этом указанное устройство управления давлением выполнено с возможностью прижатия указанного первого электрода к многослойной структуре с заранее заданным испытательным давлением на основе, по меньшей мере частично, измеренной силы и площади контакта между указанной первой поверхностью контакта с образцом и многослойной структурой.

5. Система по п. 1, в которой указанный элемент для контакта с образцом также содержит один или более элементов для регулирования температуры, выполненных с возможностью регулирования температуры многослойной структуры.

6. Система по п. 5, также содержащая устройство управления температурой, соединенное с указанными элементами для регулирования температуры и выполненное с возможностью регулирования температуры многослойной структуры до заранее заданной испытательной температуры посредством указанных элементов для регулирования температуры.

7. Система по п. 5, в которой указанный элемент для контакта с образцом является первым элементом для контакта с образцом, включающим множество первых элементов для регулирования температуры, причем указанная система также содержит второй элемент для контакта с образцом, включающий:
указанный второй электрод и
множество вторых элементов для регулирования температуры.

8. Система по п. 1, в которой указанное измерительное устройство выполнено с возможностью измерения электрического импеданса между указанным первым электродом и указанным вторым электродом в заранее заданном частотном диапазоне.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к области измерительной техники и может быть использована для оценки надежности и качества многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов на основе контроля толщины слоев.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах контроля технологических процессов. Устройство для измерения малых величин толщины льда содержит микроволновый генератор и полую цилиндрическую герметичную эластичную оболочку.

Изобретение относится к способам и устройствам для бесконтактного диагностического контроля качества медной катанки в процессе ее производства и может быть использовано в других отраслях промышленности.

Использование: для определения толщины покрытия в ходе процесса плазменно-электролитического оксидирования. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют измерение амплитуды анодного импульсного поляризационного напряжения UП, при этом определяют длительность τ спада напряжения до порогового значения U1=(0,2…0,8)·UП, а толщину покрытия рассчитывают по формуле: h=k1+k2·τ, где k1 и k2 - эмпирические коэффициенты, зависящие от природы обрабатываемого материала и состава электролита, определяемые по тарировочным кривым; τ - длительность спада поляризационного напряжения UП до порогового значения U1.

Изобретение относится к области in situ контроля производства в условиях сверхвысокого вакуума наноразмерных магнитных структур и может быть использовано в магнитной наноэлектронике для характеризации гетерогенных магнитных элементов в устройствах памяти, в сенсорных устройствах и т.п.

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение при измерениях толщины тонкопленочных структур. Целью изобретения является упрощение процессов калибровки кулонометрического нанотолщиномера и получения результата измерения толщины покрытия.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: устройство обнаружения дальнего поля вихревых токов вводится в цилиндрические трубы и перемещается по ним.

Изобретение относится к электронной технике. Сущность изобретения: устройство для контроля толщины проводящей пленки изделий электронной техники непосредственно в технологическом процессе ее формирования в вакууме путем измерения электрического сопротивления содержит подложку из диэлектрического или полупроводникового материала, металлические контактные площадки, выполненные на противоположных концах упомянутой подложки с лицевой ее стороны, для обеспечения соединения с измерительным прибором, заданную проводящую пленку.

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике и льдотехнике. Техническим результатом является расширение функциональной возможности устройства.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано на трубопроводах нефти и газа на химических и нефтехимических предприятиях, тепловых и атомных энергоустановках.
Наверх