Измеритель толщины диэлектрических и полупроводниковых материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N22/00 

1 1185

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины различных листовых и рулонных синтетических материалов, а также пластин полупроводнико- j вых материалов.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема измерителя толщи-fо ны диэлектрических и полупроводниковых материалов; на фиг, 2 - эпюры напряжений..

Измеритель толщины диэлектрических и полупроводниковых материалов содер-|5 жит стабилизованный по частоте СВЧ-генератор 1, передающую 2 и приемную 3 антенны, между которыми расположены контролируемый материал 4, первый и второй балансные смесители 5 и 6, . делитель 7 мощности, регулируемый по частоте СВЧ-генератор 8, первый и вто-рой фильтры 9, 10 нижних частот, двухпозиционный управляемый переключатель 11, линию задержки 12, первый и 25 второй амплитудные ограничители 13 и 14, фазовый детектор 15, компаратор 16, блок 17 управления, генератор 18 счетных импульсов, делитель 19 частоты, временной селектор 20, счетчик 21 импульсов, регистр 22 и генератор 23 развертки.

Измеритель толщины диэлектрических и полупроводниковьпс материалов работает следующим образом.35

Сигнал СВЧ-генератора 1 стабильной частоты f поступает на передающую антенну 2, проходит контролируемый материал А и воспринимается приемной антенной 3. При прохождении 40 сигнала через контролируемый материал 4 происходит изменение фазы сигнала на значение

(1) «

Д1/, /i-d 2)Г f

d.

где ib - фазовая постоянная;

d - толщина контролируемого материала 4; - относительная диэлектричес- 50

кая проницаемость; С - скорость распространения СВЧколебаний в свободном пространстве.

Принятый приемной антенной 3 сиг- 55 нал поступает на вход балансного смесителя 5, на второй вход которого пот стулает сигнал частоты fj от регулируе992

мого по частоте СВЧ-8 генератора. O tновременно сигнал СВЧ-генератора 1 через делитель 7 мощности поступает на второй балансный смеситель 6, второй вход которого также подключен к регулируемому по частоте СВЧ-генератру а.

В результате смешивания колебаний частоты f и изменяющейся во времени частоты f(t)oбpaзyютcя колебания разностной частоты

f (t) f, - 3 (t), которые выделяются первым и вторым фильтрами 9, 10 нижних частот.

При указанном состоянии двухпозицнонного управляемого переключателя 11 сигнал разностной частоты fj с выхода первого фильтра 9 через линию задержки 12 и первый амплитудный ограничитель 13 поступает на один вход фазового детектора 15 с фазовым сдвигом

АЧ 2J fj. t , (2)

где tj- время задержки линии задержки 12

fJ - текущее значение разностной частоты.

На другой вход фазовпго детектора 15 сигнал разностной частоты поступает непосредственно с выхода пер вого фильтра 9 через двухпозиционный управляемый переключатель 11 и второй амплитудный ограничитель 14.

Выходной сигнал фазового детектора 15 с линейной амплитудно-фазовой характеристикой определяется выражением

it - Г,) (3) где S - чувствительность фазового

g детектора 15; - относительная погрешность

чувствительности на частоте

3 ;

ли - абсолютная погрешность нуля фазового детектора 15 на частоте f, .

С изменением разностной частоты f, по линейному закону (фиг. 2а) меняется соответственно и выходной сигнал фазового детектора 15 (фиг. 26), который поступает на компаратор 16. В момент времени, когда выходной сигнал фазового детектора 15 U становится равным опорному сигналу компаратора 16 U(,n на выходе ггоследнего появляется импульсный сигнал U (фиг. 2в), поступающий в блок 17 уп равления, который формирует из тактовых импульсов и (фиг. 2д), образованных делением частоты генератора 18 счетных импульсов (фиг. 2г), сигнал переключения двухпозиционного управляемого переключателя 11 (фиг. iZe). В другом положении двухпозиционного управляемого переключателя 11 на выходе фазового детектора 15 образуется сигнал, пропорциональный разности фазовых сдвигов, вносимых линией задержки 12 и контролируемым материалом 4 S(1 + где у и uVy - погрешности фазового детектора 15 при новом значении текущей частоты fj . Одновременно с переключением и уменьшением выходного напряжения фазового детектора 13 блок 17 с некото рой задержкой формирует сигнал, открывающий временной селектор 20. В результате этого счетные импульсы с выхода временного селектора 20 U2o (фиг. 2ж) начинают поступать в счетчик 21 импульсов, где накапливаются При дальнейшем увеличении разност ной частоты f, (фиг. 2а) наступает момент, когда выходной сигнал фазово го детектора 15 вновь становится рав ным опорному сигналу компаратора 16 (фиг. 26). Это состояние соответствует равен ству и;, т.е. S(1+)2jr -fj tj + ДЦ S(l + y)(2l f Ж tj,- 2Tf, - -d) + лиг. Выбирая фазовый сдвиг, вносимый контролируемым материалом 4 на часто те f , значительно меньшим фазового сдвига, образованного линией :Jaдepжки 12 на разностной частоте fj , (dV д S,, ) можно обеспечить малое отличие разностной частоты fj от первоначального значения f . Это позволяет считать jf Уэ 1 - AUj , а равенство (5) привести к виду р t где К Tl Tr коэффициент пропорциональности. Возникший в момент равенства (5) импульс с выхода компаратора 16 посту пает на блок 17 управления, который закрывает временной селектор 20 с той же временной задержкой, что и при открытии (фиг. 2ж). Записанное в счетчике 21 количество импульсов пропорционально разности частот fl - fj и, следовательно, согласно (6) - толщине контролируемого материала 4. С приходом очередного тактового импульса (фиг. 2д) блок 17 вьфабатывает сигнал на перезапись кода в регистр 22 (фиг. 2з), где он хранится до следующего измерения. Изменение разностой частоты по линейному закону обеспечивает генератор 23 разертки, управляющий частотой регулируемого в небольших пределах по частоте СВЧ-генератора 8. По истечении времени развертки в блок 17 поступает сигнал стоп (фиг. 2и), под действием которого формируется сигнал Сброс (фиг. 2к), возвращаюш 1й измеритель в исходное состояние. По окончании сигнала Сброс цикл измерения повторяется в той же последов вательности.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащий последовательно соединенные СВЧ-генератор, делитель мощности, первый балансный смеситель, второй вход которого подключен к выходу регулируемого по частоте СВЧ-генератора, и первый фильтр нижних частот, а также передающую антенну, приемную антенну, двухпозидионный управляемый переключатель, фазовый детектор и линию задержки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, между выходом приемной антенны и входом двухпозиционного управляемого переключателя последовательно включены второй балансный смеситель, второй вход которого соединен с выходом регулируемого по частоте СВЧ-генератора, и второй фильтр нижних частот, между выходом двухпозидионного управляемого переключателя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот и входом линии задержки, и первым входом фазового детектора включен первый амплитудный ограничитель, между выходом линии задержки и вторым входом фазового детектора включен второй амплитудный ограничитель, а к выходу фазового детектора подключены последовательно компаратор и блок управления, а также введены последовательно соединенные ге§ нератор счетных импульсов, временной селектор, счетчик импульсов и реги(Л стр, управляющий вход регулируемого по частоте СВЧ-генератора подключен к выходу введенного генератора раз-вертки, при этом первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы блока управления соединены соответственно 00 с управляющими входами двухпозиционного управляемого переключателя, геел нератора развертки, временного селектора, счетчика импульсов и регистра, ;О а его второй и третий входы соедине;о ны соответственно с выходом генератора развертки и через введенный делитель частоты с выходом генератора счетных импульсов, причем второй выход делителя мощности соединен с входом передающей антенны.