Измеритель толщины полимерных пленок Советский патент 1984 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к нэмернтельной технике и может быть исполь зовано для контроля толщины полимер ных пленок в процессе их производст ва. Известно устройство для измерени толщины диэлектрических материалов, содержащее два емкостных первичных преобразователя включенных в измер тельную мостовую схему fij . Недостатком известного устройств является невысокая точность Измерени, обусловленная влиянием дрейфа геометрических размер ов электродов первичных преобразователей и изменения диэлектрических свойств подложки при изменении температуры. Известно устройство для измерени толщины диэлектрических пленок, QOдержащее два накладных емкостных первичных преобразователя, закрепле ных на одной диэлектрической подлож ке , включенных в мостовую схему (2j Недостатком Известного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная влиянием изменения диэлектрических свойств подложки при изменен и температуры, а также влиянием на результат измерения прочих дестабилизирующих факторов (дрейф параметров элементов, изменение напряжения питания и т.д.) . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является измеритель толщины Полимерных пленок, содержащий измерительный и образцовый накладные первичные преобразователи, состояац|е каждый из высокопотвнциальиого и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлек-грической подложке, два коммутатора входы которых подключены к высокопотенциальным электродам измерительного и образцо вого преобразователей, мостовую схему, измерительные входы которой подключены к выходам коммутаторов, генератор высокой частоты, последр.Ъательно соединенные избирательный усилитель высокой частоты, входом подключенный к выходу мостовой схемы, амплитудный детектор, избира тельный усилитель частоты коммутаци синхронный детектор и регистратор и делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора, а выход - к управляющим входам ,/коммутаторов и Синхронного детектора з . Недостатком данного устройства является невысокая точность -измерения, обусловленная влиянием на результат измерения дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, напряжения питания и T.n.J. Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем,что измеритель толщины полимерных пленок,содержащий измерительный и образцовый накладные первичные преобразователи, состоящие каждый из высокопотенциального и низкопотенциального электродов,закрепленных на одной диэлектрической подложкр, два коммутатора, входы которых, подключены к Высокопотенциальным электродам измерительного и образцового преобразователей, мостовую схему, измерительные входы которой подключены к выходам коммутаторов, генератор высокой частоты, последовательно соединенные избирательный усилитель высокой частоты, входом подключенный к выходу мостовой схемы, амплитудный детектор, избирательный усилитель Частоты коммутации, синхронный детектор и регистратор и делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора, а выход - к управляющим входам коммутаторов и синхронного детектора, снабжен управляемым делителем напряжения, включенным между генератором высокой частоты и мостовой схемой, дифференциальным усилителем, выход которого подключен к управляющему входу делителя напряжения,стабилизированным источником напряжения, подключенным к первому входу дифференциального усилителя, запоминакмций ячейкой, выход которой подключен ко второму входу дифференциального усилителя, дополнительным коммутатором, информационный вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а первый выход - ко входу запоминающего элемента, и эквивалентной нагрузкой, подключенной ко второму выходу дополнительного коммутатора. Кроме того, измеритель снабжен дополнительными измерительным и образцовым накладными первичными преобразователями, состоящими каждый из высокопотенциального и низкопо,тенциального электродов, закрепленHbix на той же диэлектрической прдлояже, высокопотенциальный электрод дойолнительного измерительного преобразователя и низкопотенциальны электроды дополнительных измеритель ного и образцового преобразователей соед1шены с ниэкопотенциальными электродами основных измерительного и образцового преобразователей, а высокопотенциальный электрод дополнительного образцового преобразователя соединен с измерительным входом мостовой схемы. На чертеже приведена блок-скема измерителя толщины полимерных плено Измеритель содержит измерительны i и образцовый 2 накладные емкостны первичные преобразователи, состоящи из низкопотенциальных 1.J и 2fl и высокопотенциальных 1.2 и 2,2 электродов, закрепленных соответг. ственно на одной диэлектрической подложке 3, накладьшаемые на контро лируемую пленку 4 одной стороной, а с другой стороны размещается обра цовая пленка 5, первый 6, второй 7 коммутаторы, мостовую схему 8, изме рительные входы которой подключены к выходам коммутаторов 6 и 7, ляемьй делитель 9 напряжения, генератор 10 высокой частоты, делитель М частоты, подключенный к выходу генератора 10, и последовательно соединенною избирательный усилитель 12 высокой частоты, амплитудный детектор 13, избирательный усилител 14 частоты коммутации, синхронный детектор 15 и регистратор 16, допоя иительиый коммутатор I7, запоминающую ячейку 18, дифференциальный усилитель 19, стабилизированный источник 20 напряжения, эквивалентную нагрузку 21, а также дополнительные измерительный 22 и образцо. вый 23 первичные емкостные преобразователи, состоящие каждый из низко потенциальных 22,1 и 23,1 и высокопотенциальных 22.2 и 23,2 электродо Измеритель работает следующим образом. Основные измерительный 1 и образцовый 2 емкостные преобразователи накладываются на контролируемую 4 и образцовую 5 пленки. Толщина образцовой пленки 5 выбирается равной, номинальной толщине контролируемой пленки 4. Емкостные преобразователи через первый 6 и второй 7 коммутаторы поочередно подключаются к мостовой измерительной схеме 8, которая через управляемый делитель 9 напряжения питается от высокочастотного генератора 10. Коммутаторы 6 и 7 перекачаются низкочастотным прямгугольным напряжением, формируемым делителем 11 частоты. При переключении высокопотенциальных 1,2, 2.2 и низкопотенциальных 1.1 и 2,I электродов электрическое поле поочередно пронизывает контролируемую 4 и образцовую 5 пленки и непрерьшно пронизывает одни и те же слои диэлектрической подложки 3. При отсутствии пленок начальные емкости преобразователей 1 и 2 одинаковы и их поочередное включение в мостовую схему 8 не вызывает ее разбаланса. Наложение преобразователей на соответствующие пленки вызывает разбаланс мостовой схемы. При положении коммутаторов 6 и 7, указанном на чертеже, высокопотенциальный 2,2 и ннзкопотенцийльный .,1электроды образцового преобразователя 2 включены в мостовую схему 8, а высокопотеяцйальный электрод 1.2измерительного преобразователя 1 соединен с низкопотенциальными электродами 1,1 и 2,1, Напряжение мостовой схемы 8 при этом пропорционально емкости, вносимой образцовой пленкой ,СоК,ио; где S| - чувствительность мостовой схемы; емкость, функционально связанная с толщиной и диэлектрической проницаемостью образцовой пленки; 1 - коэффициент передачи делителя 9 напряжения; напряжение генератора 10 высокой частоты. Выходное напряжение моста усилиается избирательным усилителем 2 высокой частоты и детектируется мплитудным детектором 13. Выходное апряжение детектора описывается ыражением / U2-5,CoK,UoKi-52, де Kj - коэффициент усиления избирательного усилителя I2; 62 - чувствительность амплитудного детектора 13. Напряжение детектора lij через ополнительный коммутатор 17, перет ключаеыый выходшлм напряжением делителя 11 частоты, поступает на ячейку 18, например конденсатор с малой утечкой и истоковым повторит лем, где и запоминается. Напряжени С выхода запоминающей ячейки 18 поступает на первый вход дифференциального усилителя 19, на второй вход которого приложено напряжение стабилизированного источника 20. Усиленное разностное напряжение во действует на управляющий вход делителя 9 напряжения в направлени уменьшения разности напряжения, запоминаемого ячейкой 18, и напряже ния источника 20, т.е. } (i В результате воздействия управл щего напряжения на делитель 9 напряжения его коэффициент передачи становится равным 5,CoUoKje2 При противоположном положении ко мутаторов 6 и 7 высокопотенциальньй электрод 2.2 образцового преобразователя 2 подключается к низкопотенциальиому электроду 2.1, а высокопотекциальный электрод 1.2 измеритель ного преобразователя 1 и его низкопотейциальный электрод 1.1 включает ся в мостовую схему 8. Напряжение небаланса мостовой схемы при этом становится равным U4v5ACo -bC}K,U гделС- дополнительная вносимая, емкость,функционально связан - ная с отклонением толщины контролируемой пленки от номинального значения. Напряжение на выходе амплитудног детектора 13 соответственно принима значение - , ygrS CoiNqK UoKiez. Новое значение выходного напряже ния tig детектора 13 не изменяет величину запомненного напряжения в ячейке 18, так как коммутатор 17 подключен к эквивалентной нагрузке 21. С учетом ранее установленного значения коэффициента передачи делителя 9 напряжения выходное напр жение детектора 13 принимает вид oXCoUaUotg SgU 5,CoUoKi54 Избирательным усилителем 14 частоты коммутации усиливается переменная составляющая вьсходного напряжения амплитудного детектора 13 . 3{Cot.CV ,ЗЬС.. u6° 3-2--2 -cr -Ч -Tc; где К - коэффициент усиления избирательного усилителя 14. Переменное напряжение lig, выпрямляется синхронным детектором 15 и подается на регистратор 16. Так как относительные изменения емкости ьС/Сд пропорциональны относительным изменениям толщины контролируемой пленки от ее номинального значения, то шкала регистратора 16 с нулем посередине может быть отградуирована в процентах отклонения толщины пленки от заданного значения a,Vtk4- iOOt%, постоянный коэффициент , пропорциональности; В и ь6 -соответственно толщина пленки и ее абсолютное отклонение. Из полученного выражения видно, что непостоянства чувствительности мостовой схемы (SO , напряжения питания моста (i/o), коэффициента усиления высокочастотного усилителя ( 2)( чувствительности амплитудного детектора (S) не влияют на результат измерения. Для исключения погрешностей от изменения геометрических размеров электродов в смежное плечо мостовой схе-мы 8 подключены дополнительные измерительный 22 и образцовый 23 емкостные преобразователи, выполненные идентично основным преобразователям 1 и 2. При этом электроды измерительного преобразователя 22 контактируют с контролируемой пленкой 4, а электроды образцового преобразователя 23 не касаются образцовой пленки 5. При указанном соединении электродов преобразователей 22 и 23 в смежное плечо мостовой схемы 8 постоянно включена начальная емкость образцового преобразователя 23. Благодаря непрерывному контакту диэлектрической подпожки 3 с контролируемой пленкой 4 через электроды измерительных преобразоватьлей I и 22 температура во всех точках основных и дополнигтельных преобразователей всегда одинакова. Поэтому баланс мостовой схем 8 по начальным емкостям не нарушается при изменении температуры. Разбаланс. 1МОСТОБОЙ схемы при этом определяется только рабочими емкостями, вносимыми контролируемой или образцовой пленками, и не зависит о 88 температурных Изменений геометрических размеров электродов и дизлектрич ческих свойств общей подложки накладных емкостных преобразователей, Изобретение позволяет повысить точность измерения за счет компенсаций влияния на результат измерения изменений под действием дестабилизирующих факторов параметров элементов измерителя.

I. ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК,содержащий измерительный и образцовый накладные первичные преобразователи, состоящие каждый. из высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к высокопотенциальным электр.одам измерительного и образцового преобразователей, мостовую схему, измерительные входы которой подключены к выходам коммутаторов, генератор высокой частоты, последовательно .соединенные избирательный усилитель высокой частоты, входом подключенный к выходу мостовой схемы, амплитудный детектор, избирательный усилитель частоты коммутации, синхронныйдетектор и регистра:-, тор и делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора, а выход - к управляющим входам коммутаторов и синхронного детектора, о тличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерения, он снабжен управляемым делителем напряжения, включенным между генератором высокой частоты и мостовой схемой, дифференциальным усилителем, выход которого подключен к управляющему входу делителя напряжения, стабилизированным источником.напряжения, подключенным к первому входу дифференциального усилителя, запоминающей ячейкой, выход которой подключен ко второму входу дифференциального усилителя, дополнительным коммутатором, информационный вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, а первый выход - ко входу запоминающего элемента, и 0) эквивалентной нагрузкой, подключенной ко второму выходу дополнительс ного коммутатора. 2. Измеритель толщины полимерных пленок по п. 1, отличающийс я тем, что он снабжен дополнительт ными измерительным и образцовым. накладными первичными преобразователями, состоящими каждый из высоко -, потенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на той же диэлектрической подложке, высокопотенциальный электрод дополнительного sl измерительного преобразователя и 00 низкопотенциалЬные электроды дополнительных измерительного и образцового преобразователей соединены с низкопотенциальными электродами основных измерительного и образцового преобразователей, а высокопотенциальный электрод дополнительного образцового преобразователя соединен с измерительным входом мостовой схемы.