Устройство для измерения параметров объектов Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

VJ ел

Сл

со ю ел

Изобретение относится к акустоэлект- ронике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения диэлектрической проницаемости или толщины тонких диэлектрических слоев. Пластина 1 из пьезоэлектрического материала взаимодействует одной плоскостью с контролируемым обьектом 10. Встречно-направленные излучатели 2 и 3, выполненные в виде встречно-штыревых преобразователей, возбуждают с помощью генераторов 6 и 8 в пластине 1 различные моды акустических колебаний. Под воздействием встречных акустических пучков в приемнике 4, выполненном в виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми элект- родами 5, возникают встречные акустоэлектрическиетоки. Величина акусто- напряжения, снимаемого с эллктродов 5, определяется электрическими параметрами объекта 10 и по ней определяют его диэлектрическую проницаемость или толщину. 2 ил. (Л С

Щиг.1

/ 9

ю

Изобретение относится к акустоэлект- ронике и может быть использовано в акусто- электронных устройствах различного назначения

Известно устройство контроля параметра металлических покрытий, а именно, чувствительный элемент первичного преобразователя для неразрушающего контроля толщин металлических покрытий, представляющий собой диэлектрическую подложку с малым температурным коэффициентом расширения, на которую нанесены три секцио- нированных низкопотенциальных электрода, расположенных соосно с центральным высокопотенциальным электродом.Расположениесистемы секционированных электродов на рабочей поверхности чувствительного элемента первичного преобразователя требует установления необходимого секционирования на основании предварительного решения на ЭВМ задачи о распределении частичных электрических зарядов в электродной системе при двух заданных толщинах с оптими- зацией по максимуму указанного отношения, если граница раздела условно резкая; если поверхность шероховатая, то для исключения влияния воздушного зазора микронеровности зоны контроля заполняют смазкой, относительная диэлектрическая проницаемостькоторой незначительно отличается от относительной диэлектрической проницаемости покрытия; установленное секционирование электродной системы корректируется для объектов контроля, относящихся к одному классу.

Известно устройство для измерения параметров объектов, содержащее пластину, предназначенную для контактирования с объектом, расположенные на пластине излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор заданной частоты, соединенный с излучателем, и блок измерения параметров принятых колебаний, соединенный с приемником.

Работа известного устройства заключается в том, что в пластине возбуждают вол- ны Лэмба, осуществляют их взаимодействие с объектом, вызывающее изменение их параметров, и определяют по изменению параметров искомые физико- механические параметры объекта.

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет измерить диэлектрическую проницаемость или толщину тонких диэлектрических слоев.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей измерением диэлектрической проницаемости и толщины.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения параметров объектов, содержащем пластину, предназначенную для контактирования с объектом.

расположенные на пластине излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор заданной частоты, соединенный с излучателем, и блок измерения параметров принятых колебаний, соединенный с прием0 ником, согласно предлагаемому изобретению, оно снабжено дополнительным излучателем ультразвуковых колебаний, расположенным на пластине так, что его акустическая ось совпадает и противопо5 ложна по направлению акустической оси основного излучателя и дополнительным генератором с частотой, отличной от частоты основного генератора, соединенным с дополнительным излучателем, пластина вы0 полнена из пьезоэлектрического материала, излучатели выполнены из пьезоэлектрического материала, излучатели выполнены в виде встречно-штыревых преобразователей, а приемник выполнен в

5 виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми электродами.

Акустические волны в пьезоэлектрической пластине сопровождаются пьезоэлектрическими полями, проникающими за ее

0 пределы. Таким образом, вблизи обеих поверхностей пластины существуют электрические поля, связанные с акустической волной в пластине, а значит могут быть связаны между-собой. В связи с этим, измене5 ние граничных условий, например, посредством размещения диэлектрического слоя на одной (условно назовем ее рабочей) поверхности пьезоэлектрической пластины, для некоторых диапазонов частот

0 акустической волны, будет влиять на величину электрического поля на другой (нерабочей) поверхности пластины. Это поле можно регистрировать при помощи измерительных электродов, нанесенных на торцах

5 полупроводника, расположенного на нерабочей поверхности пьезоэлектрической пластины, используемой в качестве чувствительного элемента. Наличие встречных акустических пучков позволяет устанавливать

0 нулевой уровень измеряемого сигнала при отсутствии диэлектрического слоя на рабочей поверхности ,;тельного элемента (частоты двух встречных голновых пучков выбирают так, что для одкой волны эффект

5 влияния граничных условий на электрическое поле имеет место, . для другой волны этот эффект отсутствует. Кроме того, отсутствие электродов на рабочей поверхности чувствительного элемента обеспечивает их износоустойчивость и устойчивость к агрессивной среде, что существенно увеличивает срок службы устройства.

На фиг. 1 приведена схема устройства для неразрушающего контроля толщин тонких диэлектрических слоев: на фиг. 2 - график экспериментальной зависимости ЭДС от толщины.

Устройство содержит чувствительный элемент 1, в качестве которого используется пьезоэлектрическая пластина, основной излучатель 2 ультразвуковых колебаний, дополнительный излучатель 3 ультразвуковых колебаний, приемник 4 в виде пластины из полупроводникового материала, торцовые электроды 5, основной генератор 6, блок 7 измерения параметров принятых колебаний, дополнительный генератор 8, поглотитель 9, контролируемый объект 10.

Устройство работает следующим образом.

В пьезоэлектрической пластине 1 с по- мощ .:о переменных напряжений, подаваемых на излучатели 2 и 3, возбуждаются встречные акустические пучки. За счет влияния электрических граничных уловий на одной поверхности пьезоэлектрической пластины на величину пьезоэлектрического поля, на противоположной ее поверхности образуется рабочая характеристика устройства в области акустоэлектронного взаимодействия с контролируемой средой. Частота прикладываемого к электродам излучателя 2 переменного напряжения соответствует возбуждению резонансной моды, для которой эффект влияния граничных условий на величину пьезоэлектрического поля присутствует. Частота же напряжения, прикладываемого к электродам излучателя 3, соответствует возбуждению такой моды, для которой этот эффект отсутствует. Режим бегущих волн обеспечивается с помощью поглотителей 9. Под действием встречных акустических пучков возникают встречные акустоэлектрические токи о полупроводнике 4, формирующие акустонапряжение Uae, снимаемое с торцевых электродов 5. Сигнал Uae определяется электрическими параметрами граничащей с чувствительным элементом среды, т.е. физическими характеристиками контролируемого объекта 10.

Для случая kh«1 формула для Uae будет иметь следующий вид:

Uae А Ј h,

где k - волновое число упругих волн;

А - постоянная величина, зависящая от параметров пьезоэлектрической пластины

1 и полупроводника 4, а также от параметров упругих волн;

Е - диэлектрическая проницаемость контролируемой среды;

5h - толщина контролируемого объекта.

Таким образом, напряжение зависит от

величины диэлектрической проницаемости

и от толщины контролируемого объекта. То

есть если известна толщина объекта, уст0 ройстзо позволяет измерять диэлектрическую проницаемость, а если известна диэлектрическая проницаемость, то можно измерять толщину тонких диэлектрических слоев.

5 Пример. Устройство для измерения параметров объектов содержит пьезоэлектрическую пластину из тригонального LilMbOa Y-Z среза толщиной 750 мкм в качестве чувствительного элемента. На одной

0 поверхности наносились для возбуждения встречных акустических пучков две пары электродов: расстояние между парами электродов 40 мм; расстояние между электродами внутри пары 1,5 мм. Измерительные

5 электроды представляли собой омические контакты на торцах кремния р-типа ( (,5Х Ом 1 см 1), расположенном на поверхности пьезоэлектрической пластины (фиг. 1). Расстояние между измерительными элект0 родами составляло 10 мм. Частоты встречных акустических пучков равнялись 3,13 МГц и 8.27 МГц. На фиг.2 приведена экспериментальная зависимость продольной аху- сто-ЭДС Uae от значения искомой толщины

5 h. Контролируемый объект - слюда.

Из примера видно, что выходной сигнал с устройства линейно зависит от толщины измеряемого слоя, что дает возможность исключить расчеты на ЭВМ, а, следовательно,

0 упрощает процесс измерения. При этом измерительные электроды выведены из области, граничащей с контролируемым объектом, что позволяет повысить износоустойчивость к агрессивной среде предлага5 емого устройства.

Формула изобретения Устройство для измерения параметров объектов, содержащее пластину, предназначенную для контактирования с объектом,

0 расположенные на пластине излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор заданной частоты, соединенный с излучателем, и блок измерения параметров принятых колебаний, соединенный с прием5 ником, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерения диэлектрической проницаемости или толщины тонких диэлектрических слоев,

оно снабжено дополнительным излучателем ультразвуковых колебаний, расположенным на пластине так, что его акустическая ось совпадает и противоположна по направлению акустической оси основного излучателя, и дополнительным генератором с частотой, отличной от частоты оси

10

60120 Я,

Фиг Z

новного генератора, соединенным с дополнительным излучателем, пластина выполнена из пьезоэлектрического материала, излучатели выполнены в виде встречно- штыревых преобразователей, а приемник выполнен в виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми электродами.