Накладной емкостный датчик для контроля толщины полимерных пленок Советский патент 1982 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины полимерных пленок в процессе их производств Известен накладной измерительный конденсатор, состоящий из диэлекпрической подложки с закрепленными в одной плоскости электродами. Низко потенциальный электрод этого конденсатора выполнен в виде замкнутого контура, окружающего высокопотенциальный электрод 1. Недостатком этого датчика являются существенные погрешности измерения, обусловленные температурными изменениями геометрических размеров и диэлектрических свойств подложки. Наиболее близким техническим решением к изобретению является накг падной емкостной датчик для контроля толщины полимерных пленок, содержащий измерительный и эталонный конденсаторы и диэлектрическую прокладку, на противоположных рабочих повер хностях которой нанесены электроды этих конденсаторов. Рабочие поверхности прокладки и электродов датчи- , ка выполнены плоскими. Большая степень пространственной и конструктивной идентичности измерительного и эталонного конденсаторов датчика позволяет существенно уменьшить погрешности измерения, связанные с дрейфом геометрических размеров электродов и диэлектрических свойств подложки при изменении температурыС21. Недостатками известного датчика являются зависимость погрешности измерения от степени прижатия контролируемой пленки к рабочей поверхности датчика и погрешность измерения, обусловленная внешним воздействием на рабочую поверхность датчика (засорение межэлектродной поверхности, коррозия электродов, возможность короткого замыкания электродов и т.д.). 39 Цель изобретения - повышение точ ности .измерения. Поставленная цель достигается тем, что р, накладном емкостном датчике, содержащем измерительный и эталонный конденсаторы и диэлектрическую прокладку, на противоположных рабочих поверхностях которой нанесены электроды этих конденсаторов, рабочие поверхности диэлектрической прокладки и электродов покрыты стойким к истиранию диэлектрическим слоем и выполнены выпуклыми с радиусом кривизны, выбранным из соотношения --sQ , d где R - радиус кривизны рабочих поверхностей;d - диаметр окружности конденсатора;а const; а 3-5 для полимерных нок, жесткость рых находится в предел 5-10 -1,2«103 им; а 5-7 для полимернь1х пленок, жесткость которых боль 1,2-103 нм; Кроме Toho, диэлектрический слой может быть выполнен из плавленного кварца. На фиг, 1 изображен накладной емкостной датчик для контроля толщи ны полимерных пленок, фронтальный разрез; на фиг. 2 - датчик со сторо рабочей поверхности. Накладной емкостной датчик состоит из измерительного конденсатора 1 и эталонного конденсатора 2, имею щих низкопотенциальные электроды 3 и 4 и высокопотенциальные электроды 5 и 6. Конденсаторы размещены с раз ных сторон диэлектрической прокладки 7 выполненной из материала с большим коэффициентом теплопровоД.ности. Поверхность датчика защищена диэлектрическим слоем 8, стойким к истиранию. Рабочие поверхности диэлектричес кой прокладки, следовательно и элек тродов конденсаторов 1 и 2, нанесенных, например напылением на противоположных рабочих поверхностя прокладки, выполнены выпуклыми (сфе рическими или цилиндрическими) с од наковым. радиусом кривизны. Низко- и высокопотенциальные электроды конденсаторов 1 и 2 с целью исключения влияни я на результат измерения анизотропных свойств контролируемой пленки могут быть выполнены в виде концентрических компланарных колец (фиг. 2). Количество электродов, геометрические размеры и расстояние между ними определяются предполагаемой толщиной контролируемой пленки. Радиус кривизны рабочей поверхности емкостного датчика выбирается в соответствии с прочностными характеристиками контролируемого материала, а также с учетом геометрических размеров конденсаторов. С достаточной степенью достоверности он может быть определен из соотноRгде R - радиус криГ «визны рабочих поверхностей; d - диаметр-окружности конденсатора;, а const; а 3-5 для полимерных пленок, жесткость которых находится в пределах 5-103-1 ,2-103 нм; а 5-7 для полимерных пленок, жесткость которых больше 1 ,240- нм. Выполнение рабочих поверхностей датчика выпуклыми исключает появление воздушного зазора между ним и контролируемой полимерной пленкой при изменении силы прижатия между ними. Благодаря покрытию электродов 3-6 и межэлектродных промежутков стойким к истиранию диэлектрическим слоем 8 (например кварцем) предотвращается засорение датчика и коррозия электродов, а также исключается возможность короткого замыкания электродов датчика. Толщина защитного диэлектрического слоя 8 может быть различной (от 1 мкм до 1000 мкм) и определяется твёрдостью, электропроводностью и толщиной контролируемой пленки, а также степенью выпучивания электрического поля (краевого эффекта) между электродами датчика. Накладной емкостной датчик работает следующим образом. Полимерная пленка, толщина которой контролируется в процессе изготовления, накладывается на рабочую поверхность измерительного конденсатора 1. При ее перемещении изменяется суммарная емкость конденсатора 5 1, пропорциональная усредненному по площади касания значению толщины пленки. Так как емкость эталонного конденсатора 2, идентичного измерительному конденсатору 1, при этом остается неизменной, то сравнение значений емкостей конденсаторов 1 и 2позволяет исключить влияние на результаты измерения дестабилизирую щих факторов, таких, как температуpa и влажность окружающей среды, существенно влияющих на геометричес кие размеры электродов и диэлек трические свойства подложки Выполнение рабочих поверхностей конденсаторов выпуклыми обеспечивает прилегание полимерной пленки по всей контролируемой поверхности без зазора, что обуславливает высокую точность измерения ее толщины, а на несение на рабочую поверхность стой кого к истиранию диэлектрического слоя , например слоя плавленного ква ца, обеспечивает отсутствие микрочастиц материала контролируемой пленки и пыли в межэлектродном пространстве, препятствует прохождению сквозного тока проводимости между электродами, исключает возмож ность замыкания электродов датчика, а также предотвращает их коррозию, что также повышает точность измерения. Формула изобретения Накладной емкостной датчик для контроля толщины полимерных .пленок, содержащий измерительный и эталонныи конденсаторы и диэлектрическую прокладку, на противоположных рабочих поверхностях которой нанесены электроды этих конденсаторов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, рабочие поверхности диэлектрической прокладки и электродов покрыты стойким к истиранию диэлектрическим слоем и выполнены выпуклыми с радиусом кри- г - R вйзны, выбранным из соотношения--sd, - id . где R - радиус кривизны рабочих пСР верхностей; d - диаметр окружности конденсатора;а const; для полимерных пленок, жесткость которых находится в пределах (,240 нм; а для полимерных пленок, жесткость которых больше 1,2 10 нм. 2. Датчик по п. 1,отличающий с я тем, что диэлектрический слой выполнен из плавленного кварца. Источники информации, принятые во внимание при эксперт;изе 1.Авторское свидетельство СССР № , кл. G 01 В 7/06, 1968. 2.Скрипник Ю.А. Свиридов Н.М. р Бурмистенков-.t.A.n. и Свиридов A.M. Измерение толщины диэлектрических материалов. Известия.вузов, Технология легкой промышленности, 1980 № 5, с. 106-109 (прототип).