Измеритель толщины диэлектрических материалов Советский патент 1983 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к измерителььой технике и может быть испопь зовано для контроля толщины изделий иэ диэлектрических материгшов в хим ческой и атомной промыаленностй. Иэвестьо устройство для измерения толщины диэлектрических материалов при одностроннем доступе;содер жащее накладные емкостные первичные преобразователи Измерительный и об разцовый ), каждый из которых состои из высокопотенциешьного и низконоте циального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, ти преобразователи включены в иэиверительную,дифференциальную cxeMyfll Недостатком этого устройства яв(Пяются существенные погрешности изм рения, обусловленшле неплотностью прилегания рабочей поверхности датчика к контролируемой пленке. Кроме того; дополнительная погрешность измерения вносится при температурном изменении диэлектрических свойств подлржки. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является изме ритель толщины диэлектрических материалов, содержащий измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из основных высокопотенциального -и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлект рической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к основным высокойотенциальным электродам, блок Пт еобразования емкости функции neo-i вичных преобразователей в напряжение, вход которого подключен к выходам коммутаторов, избирательный усилитель , вход которого подключен к блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальному входу с избирательным усилителем, генератор низкой частоты, выход которого подключен к управляющим входам синхронного дед.ектора и кокмутатЬров, и регистратор, соединенный с выходом детектора 2. Недостатком указанного измерителя является существенная погрешность измерения, обусловленная неплотностью прилегания рабочей поверхности к контролируемой пленке. Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем что измеритель толщины диэлектричест ких материалов, содержащий измерительный и образцовый накладные емкос ные первичные, преобразователи, состоящие Кс1ждь1й из основных высокопотенциальиого к нйэкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлекфрическбй подложке, два комт мутатора, входы которых подключенык .основным высокопотенцйальным элект родам, блок преобразования емкостной функции первичных преобразователей в напряжение, вход которого подключен к выхЬдам коммутаторов, избирательный усилитель, вход которого подключен к блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальному входу с избирательным усилителем, генератор низкой частоты, выход которого подключен к управля бщнм входам синхронного детектора и коммутаторов,и {регистратор, соединенный с выходом детектора, снабжен дополнительными высокопотенциальвыми электродами, закрепленными на общей диэлектрической подложке между основными высокопотенциальными и низкопотенциальными электродами и повторителем напряжения, вход которого подключен к выходам коммутаторов, выход соединен с дополнительными .; ; электродами. На чертеже показана структурная схема измерителя. Измеритель содержит измерительный 1 и образцовый 2 накладные емкостHbie первичные преобразователи, сое- . тоящие каждый из основных низкопотенциальных 3 и 4, основного высокбпотенциального 5 и 6 и дополнйтельных высокопотенциальных 7 и 8 электродов ft закрепленных на диэлектрической подложке 9, кок 4утато5яа 10 и 11, подключенные к основнью4 высокопотенциальным электродам 5 и б соответственно измерительного 1 и образцового 2, преобразователей, блок 12 преобразования ешостной функции в напряжение постоянного тока, вход которого подключен к выходам коммутаторов 10 и 11, повторитель 13 напряжения, вход которого подключен параллельно входу блока 12, а выход к дополнительным высокопоте.нциальньм электродам 7 и 8, избирательный усилитель 14, вход которого соединен с ВЫХОДФ1 блока 12, синхронный детектор 15| сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя 14, генератор 16 низкой частоты, выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов 10, 11 и синхронного детектора 15. и регистратор 17 подключенный к выводу детектора 15. I ; , . . ; Устройство работает следующим образом. К основным Высокопотенциальным электродам 5 и б через автоматичест Кие коммутаторы 10, 11 прикладывается П1еременное электрическое напряжение , сущест вующее на входных зажимах блока 12 Одновременно это напряжение подается также на вход повторителя 13. на выходе которого появлятся напряжение по амплитуде и по фазе идентичное приложенному к его входу напряжению. Это напряжение с вьЁкода повторителя 13. имеющего низкое выходное сопротивление. подается на дополнительные высокопотенциаяьные электроды 7 и 8, которые расположены соответственно между основными высо копотёнцйальными 5,6 и низко потенциальными 3 ,-4 электродами При подключении измерительного преобразователя 1 к блоку 12 основно высокопотенциаль ный электрод 6 обра:з цового преобразователя 2 подключаетс к низкрпотенциальному электроду 4 и наоборот, при подключений образцовог преобразователя 2 к блоку 12 основной высокопотенциал ньШ: электрод 5 измерительного преобразователя 1 под ключается к низкопотенциальному элек роду 3. Такое переключение электродо позволяет перераспределить электрические поля преобразователей 1 и 2 в диэлектрической йодложке 9 так, чт рри поочередном подключении этих пре рбразователей к блоку 12 их электрические поля пронизывают одни и те ж слои даэЛектрической подложки 9. При этом все измеие1иия диэлектрияеских свойств подложки 9 при измене нии температуры« давления и т.д. в равной мере влияют на емкость изме рительного 1 и образцового 2 преобразователей. Так ка:к переменное напряжение на дополнительных высокопотенциальHijK электродах 7 и 8 по амплитуде и по .фазе всегда повторяет напряжение на основных высокопотенциальных электродах 5 и 6, то распределение силовы линий электрических полей между элек родами не из меняет при изменении напряжения на ocHoiBHtJX электродах 5 И 6.. На чертеже пуйктиром показаны распределения силовых линий электрических полей основного высокопотен цигшьного электрсйа 5, 31 точками показанн распределения силовых линий электрических полей дополнительных высокопотенциальных электродов 7 и 8 При переключении коммутаторов 10, 11 картина распределения электрических полей изменится на обратную. Из этих распределений видно, что силовые линии электрических полей основного элехтррда 5 как бы приподняты над ,рабочей поверхностью измерительного преобраз ователя; силовыми линиями электрических полей дополнительного электрода 7. Электрическое поле меж1 ду OCHOBHW4 S и дополнительным 7 электродами отсутствует, так как при ложенные к ним напряжения идентичны по амплитуде и фазе, т.е. в любой момент времени эти элект|роды являются эквипотенциальными. Поэтому частицы диэлектрика, попавшие в это межэлектродное пространство, не поляризуют, а следовательно, не изменяют емкость измерительного преобразователя 1. Частицы диэлектрика , попавшие в межэлектродное пространство, образованное дополнитель-ным электродом 7 и низкопотенциальным электродом 3, подвергаются поляризации электрическим полем, суадёствуюадим между этими электродами. Однако эта поляризация не вызывает изменение напряжения на дополнительном электроде 7 (как по амплитуде, так и по фазе) ввиду того/ что это напряжение подается от источника с низким выходным сопротивлением, какрВЕдМ является повторитель 13 напряжения. При наложении контролируемого материала на измерительный преобразователь 1 емкость его возрастает по отношению к емкости образцрвого. преобра зрвателя 2. Это приращение емкости не изменяется при удалении материала от рабочей поверхности измеритель-, ного преобразователя 1 до тех пор, пока все силовые линии электрических полей основного электрода S дважды пересекут ксэнтролируемый материал..Таким образом, удаление Контролируемого материала на некоторое, расстояние от рабочей поверхнрс- ти измерительного преобразователя 1 не влияет на результат измерения. Это позволяет осуществить бесконтактный односторонний принцип измерения толщины диэлектрического материала путем установления некоторого воздушного зазора между рабочей поверхностью преобразователя 1 и контролируемым материалом. При этом исключается дополнительная погрешность иэмерения, обусловленная возможным тех-i- . нолргическим изменением этого зазора. В этой связи появляется возможriocTb измерять толщину при однострроннем доступе даже жестких диэлектрических материалов (например, стеклянных , поверхность которьох имеет волнистую форму (см. чepтeжV Введение контролируемого материала в электрическое поле дополнительного высокопотенцисшьнрго электрода 7 не вызывает изменения напряжения на нем (как по амплитуде, и по фазе ), так как это напряжение подается от источника (повтррителя 13 )с низким выходным сопротивлением. . При отсутствии контролируемргр материала емкости преобразователей 1,2 одинаковы. Вследствие этого при поочерёдном их подключении с помощью коммутаторов 10, 11 к блоку 12 преобразования емкости в напряжение постоянного тока с частотой кс лмутаод и в выходном напряжении блока 12 отсутствует переменная составляющая частоты коммутации. При налржении контррлируемого материала на измерительный преобразователь 1 емкость его возрастет по отношению к емкости образцового прербразователя 2. Так как величина напряжения на выходе блока 12 зависит от емкости подключаемрго преобразователя, то вьшодное напряжение блока 12 содержит составляющую с частотой коммутации. Амплитула ее пропорциональна разности емкостей преобразователей 1 и 2, Эта переменная составляющая с частотой коммутации на выходе блока. 12 вьвделяется и усиливается избирательным усилителем 14, Амплитуда знакопеременного напряжения на выходе усилителя 14 пропорциональна разности емкостей преобразователей 1,2, Это напряжение подается на информационный вход синхронного детектора 15, на управляющий вход которого подано опорное напряжение с выхода генератора 16 низкой частоты. С выхода генератора 16 напряжение подается также на управляющие входы коммутаторов 10, 11, На выходе синхронного детектора 15 появляется выпрямленное напряжение, величина которого связана пропорцио-: нальной зависимостью с разностью ем/костей преобразователей 1 и 2, Так kaik эта разность определяется емкое- тью, вносимой контролируемым диэлектрическим материалом, то напряжение на. выход:,е синхронного детектора 15

Также связано пропорциональной зависимостью с толщиной диэлектрического материала. Это напряжение подается на регистратор 17,

Таким образом, в данном устройст- ;ве существенно (в 3-4 раза повышена точность измерения за счет исключения погрешносли измерения г обусловленной неплотным прилеганием измерительного емкостного преобразователя к контролируемому материалу. Исключение этой погрешности измерения позволит.применить данное устройство не только для одностроннего контроля толщины наиболее тонких диэлектрических пленок(например, полиэтиленовых пленок толщиной до 20 мкм, получаемых методом экструзии с раздувом, при котором недопустимо чрезмерно плотное прилегание пленки к емкостному преобразователю иэ-за опабности ее прорыва , но также и для одностороннего контроля толщийы листовых диэлектрических материалов, при измерений толщины которых трудно обеспечить плотное прилегание к ним емкостного преобразователя.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, содержащий измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразовате.ли, состоящие каждый из основных высокопотенциального и низкопот-енциального электрЮдов,. закрепленных на ОДНОЙ диэлектрической подложке, два коммутатора, входы; которых подклю- . чёны к основным высокопотенциальным элек- родам, блок преобразрвания емкостной функции первичны преобразователей в напряжение, вход которого подключен к выходам ксм лутаторов, избирательный усилитель :вход которо го подключен к блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальному входу с избирательниц усилителем, генератор йизкой 4iacTOты г выход которого подключен к управляющим входам синхронного детектора и коммутаторов и регистратор, соединенный с выходом детектора,-о т лич а ю щ и и с я тем,что,с целью, повыше НИЛ точ ности измерения, он сяаожен дополнительнь1ми высокопотенаи л1 ными электродами, закрепленными на л общей диэлектрической подложке основньши высокопотенциальиыми и Mira с копотенциальнш4й электродгши и повто ритед:1ем напряжения, вход которого § подключен к выходам комм таторов, а выход соединен с дополнительными электродами. ч СО ч1