Измеритель 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 производства.

Известно устройство для измерения толщины полимерных пленок, содержащее накладные емкостные первичные преобразователи и схему обработки измерительного сигнала C IНедостатком этого устройства является невысокая точность измерения, обусловленная влиянием факторов окружакмдей среды на диэлектрические свойства подложки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является измеритель толщины полимерных плеиок, содержащий измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к высокопотенциальным электродам, мостовую схему; вход которой подключен к выходам коммутаторов, генератор высокой астоты, выход которого подключен к

входу питания мостовой схемы, последовательно соединенные избирательный усилитель высокой частоты, вход которого подключен к выходу мостовой схемы, амплитудный Детектор и избирательный усилитель частоты коммутации, синхронный детектор, информационный вход которого подключен к выходу избирательного усилителя часто10ты коммутации, делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора высокой частоты, а выход - к Управляющим входам коммутаторов и к управлянядему входу синхронного детектора и регистратор 2}.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения, обусловленная наличием температурного и временного дрейфа коэффициента пе20редачи разомкнутого измерительного тракта.

Цель изобретения гповышение точм ности измерения.

Поставленная цель достигается тем,

25 что измеритель толщины полимерных пленок, содержащий измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из высокопотенциальных и низ30 копотенциальньах электродов, закрепленных на одной диэлектрической под:ложке, два коммутатора, входы которых подключены к выcokoпoтeнциaльным электродам, мостовую схему, вход которой подключен к выходам коммутатор генератор высокой частоты,выход -которого подключен к входу питания мос товой схемы, последовательно соедине ные избирательный усилитель высокой частоты, вход которого подключен к выходу мостовой схемы, амплитудный детектор и избирательный усилитель частоты коммутации, синхронный детек тор, информационный вход которого подключен к выходу избирательного ус лителя частоты коммутации, делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора высокой частоты, а выход - к управляющим входам коммутаторов и к управляющему входу син хронного детектора и регистратор, снабжен основным управляемым конденс тором, включенным между.высокопотенциальным и низкопотенциальным электр дами образцового преобразователя, компенсационным управляемым конденса тором, включенным между высокопотенциальным и низкопотенциальным электродами измерительного преобразователя, двумя делителями напряжения, выходы которых подключены к управляющим входам управляемых конденсаторов источником эталонного напряжения, подключенным к входам делителей напряжения, фильтром Нижних частот, вход которого подключен к выходу син хронного детектора, усилителем постоянного тока, вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, а выход - к второму управляющему входу основного управляемого конденсатора и к регистратору. На чертеже приведена блок-схема измерителя толщины полимерных пленок Устройство содержит измерительный 1 и образцовый 2 накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из низкопотенциальных 1.1 и 2.1 и высокопотенциальных 1.2 и 2.2 электродов, закрепленных на диэлектрической подложке 3, регистратор 4, компенсационный 5 и основной 6 управ ляемые конденсаторы, включенные между .вцсокопотенциальным-и низкопотенциальным электродами соответственно измерительного 1 и образцового 2 преобразователей, делители 7 и 8 напряжения, источник 9 эталонного напряжения, подключенный к входам делителей 7 и 8, коммутаторы 10 и 11, подключенные к высокопотенг циальным электродам соответственно .образцового 2 и измерительного 1 Преобразователей, мостовую схему 12, подключенную к .выходам коммутаторов, генератор 13 высокой частоты, подключенный ко входу питания мостовой схемы 12, делитель 14 частоты, вклю ченный на вькоде генератора 13, последовательно соединенные избирательный усилитель 15.высокой частоты, амплитудный детектор 16 и избирательный усилитель 17 частоты коммутации, синхронней детектор 18, последовательно включенные фильтр 19 нижних частот и усилитель 20 постоянного тока, выход которого подключен к регистратору 4, Устройство работает следующим образом. Неодинаковость емкостей измерительного 1 и образцового 2 первичных преобразователей при отсутствии измеряемой пленки устраняется при помощи двух управляемых конденсаторовкомпенсационного 5 и основного 6. Применение управляемого компенсационного конденсатора 5 позволяет .более полно компенсировать температурную и временную нестабильность, управляемого основного конденсатора 6. В качестве управляемых конденсаторов 5 и 6 могут быть использованы, например, специально подобранные по идентичности параметров варикапы. При Ь1ЛОЩИ делителей 7 и 8 напряжения, которые подключены к источнику 9 эталонного напряжения, подают на управляемые конденсаторы 5 и 6 такие значения напряжения, при которых раз-г ность емкостей первичных преобразователей 1 и 2 близка к нулю. Измеряемые сигналы преобразователей 1 и 2 поступают через коммутаторы 10 и 11 на входы мостовой схемы 12, к входу питания которой подключен .генератор 13 высокой частоты. Напряжение с выхода генератора 13 подается также на управляющие входы коммутаторовЮ и 11 через делитель 14 частоты. При подключении измерительного преобразователя 1 к схеме 12 высокопотенциальный электрод.2.2 образцового преобразователя 2 подключается к низкопотенциальному электроду 2.If и наоборот, при подключении образцового преобразователя 2 к схеме 12 высокопотенциальный электрод 1.2 измерительного Преобразователя 1 йодключается к низкопотенциальнс 1у электроду 1,1. Такое переключение электродов позволяет перераспределить электрические поля преобразователей 1 и 2 в диэлектрической подложке 3 так, что при поочередном подключении этих преобразователей к мостовой схеме 12 их электрические поля будут пронизывать одни и те же слои диэлектрической подложки 3. При этом все изменения диэлектрических свойств подложки 3 при изменении температуры, давления и т.д; будут в равной мере влиять на емкость измерительного 1 и образцового 2 преобразователей.. .

При наложении контролируемой пленки на измерительный преобразователь 1, емкость -его возрастает по отношению к емкости образцового преобразователя 2. Так как амплитуда напряжения на выходе моста зависит от емкости подключаемого преобразователя, высокочастотное напряжение на выходе мостовой схемы 12 промодулировано с частотой коммутации. При этом глубина модуляции пропорциональна разности емкостей преобразователей 1 ч 2. Это напряжение усиливается избирательным усилителем 15 высокой частоты и выпрямляется амплитудным детектором 16. Напряжение на выходе амплитудного детектора 16 будет имет в своем составе постоянную составляющую и переменную составляющую с частотой коммутации. Эта переменная составляющая на выходе амплитудного детектора 16 выделяется и усиливается избирательным усилителем 17 частоты коммутации. Амплитуда знакопеременного напряжения на выходе избирательного усилителя 17 пропорционална разности емкостей преобразователей 1,2. Это напряжение подается на информационный вход синхронного детектора 18, на управляющий вход которого подано опорное напряжение с выхода генератора 13 высокой частоты через делитель 14 частоты. На выходе синхронного детектора 18 появляэтся выпрямленное напряжение, величина которого связана пропорциональной зависимостью с разностью емкостей преобразователей 1 и 2. Так как эта разность определяется емкостью, вносимой контролируемой пленкой, то напряжение на выходе синхронного детектора 13 функционально связано с толщиной пленки. Это напряжение подается через фильтр 19 нижних частот на усилитель 20 постоянного тока, с выхода которого усиленное напряжение подается на регистратор 4 и на второй управляквдий вход конденсатора 6..

Емкость управляемого конденсатора 6, под воздействием приложенного напряжения с выхода усилителя 20, изменяется на такую величину, которая почти равна емкости, привнесенной, измеряемой пленкой в измерительный преобразователь 1. При этом суммарная емкость измерительного преобразователя 1 с плёнкой и компенсационного конденсатора 5 будет всегда отличаться от суммарной емкости образцового преобразователя 2 и основного конденсатора 6 на небольшую величину ДС, которая обуславливает небольшую остаточную модуляцию высог кочастотного напряжения на выходе

мостовой схемы 12, что в конечном счете, посредством усилительно-преобразовательного тракта измерительной системы обеспечивает поддержание Напряжения на управляющем входе конденсатора 6 на необходимом уровне. Величина ДС будет тем меньше, чем больше коэффициент передачи (усиления) всего измерительного тракта. Таким образом, приращение емкости

0 в измерительном преобразователе 1, обусловленное изменением толщины пленки вызывает почти такое же по величине приращение емкости в управ-ляемом конденсаторе 6. Поэтому зависимость емкости от толщины пленки у конденсатора 6 будет почти такой же, как и у измерительного преобразователя 1. Так как емкость конденсатора 6 связана функционально с напряжением, подаваемым на его управляющий вход с усилителя 20, то это на- пряжение имеет также функциональную связь с толщиной пленки. Причем это напряжение будет зависеть лишь от толщины пленки и не будет практически

5 изменяться из-за дрейфа и нестабильности коэффициента передачи всегр измерительного тракта (если коэффициент передачи тракта достаточно велик )..

0

Для исключения влияния на результат измерения температурного и временного дрейфа емкости управляемого конденсатора б, к измерительному преобразователю 1 подключен компенсационг

5 ный управляешлй конденсатор 5. Эффект компенсации достигается тем, что компенсационный управляемыйконденсатор 5 имеет такие же параметр температурного и временного дрейфа,

0 как и рабочий конденсатор 6.

Использование предлагаемого измерителя позволяет .повысить точность измерения толщины полимерных пленок 45 при наличии дестабилизирующих факторов внешней среды.

Формула изобретения

50

Измеритель толщины полимерных пленок, содержащий измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразователи, состояцще каждай из высокопотенциального

55 и низкопот1енциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к высокопотенциальным электродам, мостовую схему,

«О вход которой подключен к выходам коммутаторов, генератор высокой частоты/, выход которого подключен к входу питания мостовой схемы, последовательно соединенные избирательный усилитель высокой частоты, вход

которого подключен к выходу мостовОТТ схемы, амплитудный детектор и избирательный усилитель частоты коммутаций/ синхронный детектор, информационный вход которого подключен к выходу избирательного усилителя частоты коммутации, делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора высокой частоты, а выход-, к управляющим входам коммутаторов и к управдяклцему входу синхронного детектора, и регистратор, отличающийся тем, что; с целью повышения точности измерений, он снабжен основным управляемым конден сатором, включенныгл мевду высокопотёнциальным и низкопотенциальным электродами образцового преобразователи, компенсационным управляемым конденсатором, включенным между высокопотенциальным и низкопотенциаль ным электродами измерительного преобразователя, двумя делителями напряжения, выходы которых подключены к управляющим входам управляемых коденсаторов, источником эталонного напряжений, подключенным к входам делителей напряжения, фильтром нижних частот, вход которого подключен к выходу синхронного детектора, усилителем постоянного тока, вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, а выход - к второму управляющему входу основного управляемого конденсатора и к регистратору.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 398814, кл. а 01 В 7/06, 1973.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке 2930531/18-23,

«л. G 01 В 7/06, 1980 (прототип-).