Накладной емкостный датчик Советский патент 1986 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к измерительной технике.и может быть использовано для контроля толщины пол имер- ных пленок в процессе их производства.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем ослабления влияния, температурных изменений диэлектрических свойств пленки.

На фиг, 1 изображен накладной ем- костньм датчик, разрез; на фиг. 2 - то же, вид со стороны рабочей поверхности.

Накладной емкостньй датчик содержит измерительный конденсатор 1 и эталонньш конденсатор 2, расположенные на противоположных выпуклых сторонах диэлектрической подпожки 3, выполненной из материала с высокими диэлектрическими свойствами и больши коэффициентом теплопроводности. Низко- и высокопотенциал1зные кольцевые электроды 4 и 5 соответственно измерительного конденсатора 1, а также низко- и высокопотенциальные кольцевые электроды 6 и 7 эталонного конденсатора 2 размещены в чередующейся последовательности на выпуклых поверхностях подпожки 3 и покрыты вместе с разделяющими их участками подложки стойким к истиранию слоем 8 ди электршга.

Выполнение рабочих поверхностей конденсаторов выпуклыми обеспечивает прилегание полимерной пленки по всей контролируемой поверхности без зазора, что обусловливает высокую точность измерения ее толщины, а нанесение на рабочую поверхность стойкого истиранию диэлектрического слоя, на

пример слоя плавленого кварца, обес

печивает отсутствие микрочастиц материала контролируемой пленки и пыли в межзлектродном пространстве, препятствует прохождению сквозного тока . троводимости между электродами, исключает возможность замыкания элект- родоз датчика, а также предотвращает их коррозию, что также повьшает точность измерения толщины пленки.

Низкопотенциальные электроды 4 и 6 обоих конденсаторов вьшолнены в виде пар компланарных колец, в промежутках между которыми в теле подложки 3 выполнены герметично закрытые со стороны поверхности кольцевые канавки 9. Эти канавки сообщаются через каналы 10 с камерой 1.1, выполненной в теле подложки и заполненной электропровод

5

п

5

0

5

0

5

5

ной жидкостью 12, например ртутью, температурный коэффициент расширения которой превышает температурный коэффициент расширения подложки. В торце камеры 11 может быть размещен с возможностью перемещения вдоль нее поршень 13, связанный с микрометрическим узлом 14 его перемещения.

Датчик работает следующим образом.

Полимерная пленка, толщина кото- ,рой контролируется в процессе изго- :товления, накладывается на рабочую поверхность измерительного конденсатора 1, Низко- и высокопотенциальные электроды 4-7 измерительного и эталон- ного конденсаторов 1 и 2 подключаются к измерительной схеме (не показана) При перемещении контролируемой пленки изменяется суммарная емкость измерительного конденсатора 1, пропорциональная усредненной ло площади касания толщине пленки. Так как емкость эталонного конденсатора 2, идентичного измерительному конденсатору 1, при этом не изменяется, то сравнение емкостей конденсаторов 1 и 2 позволяет исключить влияние на результаты измерения дестабилизирующих факторов таких, как температура и влажность окружающей среды, существенно влияющих на геометрические размеры электродов 4 и 7 и диэлектрические свойства sasifiTHoro слоя 8.

Изменение температуры материала контролируемой пленки приводит к изменению его диэлектрической проницаемости, что обусловливает неин-. формативное приращение емкости измерительного конденсатора 1, а следовательно, появление существенной погрешности измерения. Для исключения указанной погрешности необходимо изменить емкость измерительного конденсатора 1 на величину, равную приращению емкости, вызванному температурным изменением диэлектрической проницаемости материала пленки.

Поскольку привносимая контролируемой пленкой емкость в накладной из- мерительньй конденсатор зависит от площади низко- и высокопотенциальных электродов, их числа и расстояния между ними, диэлектрической проницаемости материала пленки и ее толщины, следовательно, скомпенсировать прирадение емкости в датчике, вызванное температурным изменением диэлектрической проницаемости матери- .ала пленки, можно, например, путем

3

изменения площади низко- и высокопотенциальных электродов датчика или изменением расстояния между ними,В данном случае такая компенсация осуществлена путем изменения площади низкопотенциальных электродов 4 и 6 конденсаторов 1 и 2. Компенсация указанной погрешности происходит следу- ющим образом.

Вследствие того, что полимерная пленка плотно прилегает к измерительному конденсатору 1, а диэлектрическая подложка 3 выполнена иа материала с большим коэффициентом теплопроводности, температура в каждой точке подложки 3 всегда равна температуре контролируемой плен- ки. При изменении, например увеличении, температуры контролируемой пленки в технологическом процессе температура датчика также увеличивается и достигает температуры пленки. Так как тёмпературньш. коэффициент расширения материала подложки 3 меньше, чем у электропроводной жидкости 12, то при увеличении их температуры, эта жидкость, расширяясь, перетекает из камеры 11 через каналы 10 в кольцевые канавки 9. В результате рабочая площадь низкопотенциальных электродов 4 и 6 увеличивается.

Так как электропроводная жидкость 12, заполняя канавки 9, соприкасается с обеих сторон по всей ширине с кольцами низкопотенциальных электродов, улучшается электрический контакт между ними, а следс вательно, и стабильность датчика.

Таким образом, увеличение температуры приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости пленки и, как следствие, к уменьшению привносимой пленкой емкости в измерительный конденсатор 1. В то же время это увеличение температуры приводит к увеличению рабочей площади низкопотенциальных электродов конденсаторов, что обеспечивает увеличение привносимой пленкой емкости в измерительный конденсатор 1. Благодаря этому происходит компенсация температурного неинформативного воздействия на выходной сигнал датчика. Для более полной компенсации температурного неинформативного воздействия необходимо глубину канавок 9 по длине низкопотенциальных. электродов выбирать такой, чтобы более полно обеспечить компенсацию температурного изменения диэлектричес26025

кой проницаемости материала пленки в широком диапазоне температур.

Начальная компенсация температурного неинформативного изменения ди- 5 электрических свойств пленки, выполненной из другого материала или при другой температуре, может быть осуществлена с помощью средств регулирования, вьшолненных, например, в виде

to поршня 13 и микрометрического узла 14 его перемещения. При .перемещениях поршня 13 от периферии камеры 11 к центру датчика происходит дополнительное вытеснение электропроводной жид-

15 кости 12 в кольцевые канавки 9, благодаря чему за счет изменения площади низкопотенциальных электродов обеспечивается подстройка начального значения емкости датчика.

20 Повышение точности измерения толпщ- ны полимерных пленок за счет ослабления влияния температурных изменений диэлектрической проницаемости материала пленки позволяет повысить

25 качество (уменьшить разнотолщинность) пленки в процессе ее производства.

Формула изобретения

1. Накладной емкостный датчик для контроля толщины полимерных пленок, содержащий разделенные диэлектрической подложкой измерительный и эталонный конденсаторы, высоко- и низкопотенциальные электроды которых нанесены на противоположные выпуклые поверхности подложки и покрыты вместе с разделякщими их участками подложки стойким к истиранию слоем диэлектрика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения

путем ослабления влияния температурных изменений диэлектрических свойств пленки, низкопотенциальные электроды обоих конденсаторов выполнены в виде

пар компланар1ных колец, между которыми в теле подложки выполнены гер- мет1гчно закрытые со стороны поверхности кольцевые канавки, сообщающиеся с камерой, выполненной в .теле подложки и заполненной электропроводной жидкостью, температурный коэффициент расширения которой превьш1ает температурный коэффициент расширения подложки.

2. Датчик поп.1,отличаю- щ и и с я тем, что, он снабжен средствами регулирования начального значения емкости, выполненными в виде

поршня, установленного в торце камеры с возможностью перемещения вдоль

нее, и связанного с ним микрометрического узла перемещения поршня.

9. /0.

S. 5,

Изобретение .относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины полимерных пленок в процессе их производства. Оно позволяет повысить точность измерения толщины с помощью емкостного накладного датчика путем ослабления влияния температурных изменений диэлектрических свойств контролируемых пленок. Емкостный накладной датчик содержит измерительный и эталонный конденсаторы, расположенные на противоположных выпуклых сторонах диэлектрической подложки. Низкопотенциальные электроды обоих конденсаторов выполнены в виде пар компланарных колец, в промежутках между которыми в теле подложки выполнены герметично закрытые со стороны поверхности кольцевью канавки, сообщакнцие- ся с камерой,.заполненной электропроводной жидкостью, температурный коэффициент расширения которой превышает темпаратурньй коэффициент расширения подложки. При работе датчика в условиях изменяклцейся температуры окружающей среды электропроводная жидкость, например ртуть, расширяясь, заполняет полностью или частично кольцевые канавки, соответствующим образом изменяя рабочую площадь низкопотенциальных электродов датчика. Дпя регулировки начального значения емкости датчика служат средства регулировки, выполненные в виде поршня, установленного в торце камеры, и связанного с ним микрометрического узла. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. (Л IND ю О5 О tc ел

10.

9

Редактор О.Юрковецкая

Составитель С. Скрыпник.

Техред В.Кадар Корректор С. Шекмар

Заказ 2109/27Тираж 670Подписное

ВНИИПИ .Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ф1Аг.2