Измеритель толщины покрытия двухслойных диэлектрических материалов Советский патент 1982 года по МПК G01B7/06 

,(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ . ДВУХСЛОЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

1

Изобретение относится к измepитeль ной технике и может быть использовано для контроля технологических параметров двухслойных диэлектрических материалов.

Известно устройство для контроля технологических параметров двухслойных диэлектрических материалов, содержащее два автогенератора, емкостный датчик, смеситель, полосовой фильтр и частотный детектор 1 .,д

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения.

Наиболее близким по технической сушности к изобретению является измеритель толщины покрытия двухслойных диэлектри- 5 ческих материалов, содержащий измерительный и опорный генераторы, измерительный емкостной датчик, генератор синхросигналов, частотный модулятор, вход которого соединен с выходом генератора 20 синхросигналов, а выход - с управляющим входом опорного генератора, смеситель, входы которого соединены с выходами измерительного и опорного генераторов. МАТЕРИАЛОВ

последовательно соединенные с выходом импульсов полосовой фильтр, формирователь импульсов, частотный детектор, избирательный усилитель, синхронный детектор, опорный вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов, а выход - с управляющим входом измерительного генератора С2 .

Недостатком этого измерителя являет ся невысокая точность измерения вследствие наличия погрешности, вызванной дестабилизирующими факторами, изменякущими параметры первичного преобразователя и канала обработки измерительной информации.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Эта цель достигается тем, что измеритель толщины покрытия двухслойных диэлектрических материалов, содержащий измерительный и опорный генератор), измерительный емкостной датчик, генератор синхросигналов, частотный модулятор, вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов, а выход - с управляющим входом опорного генератора смеситель, входы которого соединены с выходами измерительного и опорного генераторов, последовательно соединенные с выходом смесителя., полосовой фильтр, формирователь импульсов, частотный детектор, избирательный усилитель, синхрон ный детектор, опорный вход которого соединен с выходом генератора сияц.роскг-, налов, а выход - с управляющим входом измерительного генератора, снабжен образцовым емкостным датчиком, первым коммутатором, ,входы которого соединены с выходами соответственно измерительного и образцового емкостных датчиков, а выход - с входом измерительного генератора, реверсивным счетчиком, счетный вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, фазоинвергором, выход которого подключей к управляющему входу счетчика, вторым коммутатором, . вход -которого соединен с выходом генера тора синхросигналов, а выходы соответст венно с входом фазоинвертора и с управляющим входом счетчика, делителем част ты, вход котрого подключен к выходу генератора синхросигналов, а выход - к управляющим входам коммутаторов, форми рователем строб-импульсов, вход которог подключен к выходу делителя частоты, блоком задержки, вход которого подключен к выходу формирователя строб-импульсов, а выход - к установочному входу счётчика, элементом И, входы кототюг подключены соответственно к выходу счет чика и к выходу формирователя строб-импульсов, дешифратором, вход которого под ключен к выходу элемента И и регистратором, вход которого соединен с выходом дещифратора. . На чертеже приведена блок-схема измерителя толщины ПОК{Н 1ТИЯ. Измеритель содержит измерительный 1 и опорный 2 генераторы, первый комму татор 3, частотный модулятор 4, измерительный 5 и образцовый 6 емкостные датчики, смеситель 7, входы которого подключены к выходам генераторов 1 и 2, генератор 8 синхросигналов, полосовой фильтр 9, включенный на выходе сме сителя 7, делитель 10 частоты, формирователь 11 импульсов, включенный на выходе полосового фильтра 9, второй коммутатор 12, фазоинвертор 13, форми1 рователь 14 строб-импульсов, вход которого подключен к выходу делителя 1О частоты, частотный детектор 15, реверсивный счетчик 16, блок 17 задержки, вход которого подключен к выходу формирователя 14, элемент И 18, избирательный усилитель 19, синхронный детектор 20, подключенный к выходу усилителя: 19, дешифратор 21, включенный на выходе элемента И 18, и регистратор 22, включенный на выходе дещифратора 21. Измеритель работает следующим образом. Выходные сигналы с измерительного и опорного генераторов 1 и 2 поступают на смеситель 7. Выходной сигнал опорного генератора 2 модулируется напряжением прямоугольной формы с частотного модулятора 4. Частота модулирующего напряжения равна частоте Si. , задаваемой сигналом с выхода генератора 8 синхросигналов. При этом в первый полупериод частоты выходной сигнал опорного генератора 2 имеет частотуш, а во второй полуперйод JT/Q (Jn. Частота сигнала измерительного генератора 1 определяется параметрами емкостных датчиков с измеряемым объектом и контрольным образцом, периодически подключаемых к частотозадающей цепи измерительного генератора 1. Первый коммутатор 3 управляется сигналом прямоугольной формы, с делителя 10, частота которого также задается генератором 8 синхросигналов и равна 6Z/n, где г - целое число. В первый полупериод частоты С2/П , когда подключен образцовый емкостной датчик 6 (режим коррекции), частота измерительного генератора 1 равна м, а при подключении измерительного емкостного датчика 5 (режим измерения) частота измерительного генератора 1 равна ю, . Параметры датчиков и частоты опорного генератора 2 подбираются так, чтобы в отсутствие измеряемого объекта и контрольного образца и при введении их в зоны чувствительности соответствующих датчиков сохранялось условие ш (u) , u):|)U)2. (Я После смешивания выходных напряжений генераторов 1 и 2 в смесителе 7 и выделения полосовым фильтром 9 сигнала разностной частоты на вход формирователя 11 импульсов с выхода полосового фильтра 9 поступает частотно-модулированное напряяение с частотой модуляции и несущими частотами uj, оо, , и uJ , соответствующими полупериоду модулирующего сигнала 31/Я. и сигнала (с полупериодом Jn/ ), управляюо1его первым коммутатором 3 и задающего режимы ра597боты измерителя. Следовательно в первый полупериоа37п(режим коррекции) полосовым фильтром выделяется частотно-модулирова шый сигнал с несущими частотами, равными в первый полупериод шгШ - ujg а во второй полупериод JT/ U): u)2- U). Соответственно в режиме измерения (вто рой полупериод Jn / ) несушие частоты выделяемого частотно- лодулированного сигнала равны в первый полупериод Л/ U))-U, а во второй полупериод /Q /V W ш 2 - u . I На .выходе формирователя 11 импульсов являющегося одновременно амплитудным ограничителем, устраняющим паразитную амплитудную модуляцию сигнала, появятся периодические последовательности пакетов импульсов. Частота импульсов в пакете (длительность пакета J/Q ), рав ная частоте поступающего в данный полупериод y/yi входного разностного сигнала периодически изменяется (с частотой модуляции Q ), принимая в пределах одной последовательности (одного полупериода Лп/S ) поочередно два значения - либо шиш, либо ц) и u). После преобразования импульсов частотно-модулированного напряжения в частотном детекторе 15 на выходе последнего выделится амплитуд но-модулированное напряжение с несущей частотой О. и огибающей частоты CZ /п . Амплитуда сигнала несущей частоты будет пропорциональна девиации разностной частоты I d} - в режиме коррекции (первый полупериод In/и ) и - в режиме измерения, причем luj- u. )( ( гае с - суммарная расстройка часгогы 1Ш°} измерительного генератора 1 с образповъ1м емкостным датчиком 6 в частотозадающей цепи, въгзванная параметрами контрольного образца и аддитив ной составляющей погрещности первичного преобразователя и прямого канала преобразования сигнала: 5 - дополнительная расстройка часлтоты LO , вызванная подключением к частотозадающей цепи измерительного eh cocTHoro датчика 5 с измеряемым объектом и зависящая от различия технологических параметров измеряемого объекта и контрольного д u)u), образца; 4 n - частота измерительного генератора 1, соответствующая на частотной оси точке, симметрич- ной относительно частот uin и Ю9 опорного генератора 2. При этом предлагается, что в отсуттвие измеряемого объекта и контрольного образца параметры измерительного и образцового емкбстных датчиков 5 и 6 вдентичны (датчики выполнены на одной подложке по единой технологии и соединены по дифференциальной схеме), и что под воздействием внешних факгоров( климатические условия и пр.) изменения их параметров эквивалентны. Усиленный избирательным усилителем 19, настроенным на частоту и преобразующим напряжение прямоугольной формы в синусоидальное, сигнал поступает в синхронный детектор 2О, на опортый вход которого подается напряжение с генератора 8 синхросигналов частоты . Так как выход синхронного детектора 2О соединен с управляющим входом измерительного генератора 1, то изменений амплитуды выходного сигнала детектора -(имеющего форму пакетов выпрямленных полу- ; волн длительностью Jin /С), пропорциональные измеряемой величине А X , воздействуют на частоту измерительного генератора 1, изменяя ее таким образом, чтобы в оба полу периода Jin/Я. (в оба такта работы измерителя) выполнялись условия баланса частотгенераторов 1 и 2: LU - U}A tOo- UJ U)- UJ,j- UJ с точностью до ощибки некомпенсации замкнутой системы, состоящей из звеньев 7, 9, 11, 15, 19, 20, 1. Причем величина некомпенсации пропорциональна величинам |сЛ| и ( в соответствующий полупериод Jn/52. Измеряемый технологический параметр, пропорциональнъй. величине Aj( , определится,- исходя из соотнощений (2) и (3), как , |. ||ш-ш|-1и. (Ь).

Реверсивный счетчик 16, на счетный вход которого поступает импульсный час тотно-модулированный сигнал с выхода формирователя II импульсов, выполняет операции вычисления величины по за- 5 данному соотношением (6) алгоритму, при этом на его счетный вход периодически поступают пакеты импульсов (частота следования пажтов;), частота которых в первый полупериод Jn/S равна ю 1ши w,а во второй полупериод. или и). Одновременно на управляющий вход реверсивного счетчика 16 поступают синхросигналы с генератора 8 череа второй коммутатор 12, управляемый делителем 10 частоты, причем суммирование импульсов, поступающих на счетный вход, происходит при BbicoKOM уровне напряжения синхросигнала, а вычитание - при низком.

В первый полупериодjfil/Я (режим кор-

рекции) в результате чередования операций сложения и вычитания импульсов числовое, значение кода реверсивного счетчика будет равно

. V (--).

а во второй полупериод лп/И (режим измерения) к выходу генератора 8 синхросигналов подключается фазоинвертор 13 и происходит инверсия управляющего напряжения, т.е. очередность операций суммирования и вычитания изменится на противоположную, в результате чего показания реверсивного счетчика изменятся на величину35

N.,,).

При этом результирующий выходной 7СОД реверсивного счетчика за период 2J/n/Si работы измерителя станет равным 0

)-()V), (7)

гя

и не будет зависеть от величины суммарной расстройки с/, которая определяется 45 как параметрами контрольного образца, так и аддитивной погрещностью, связанной с дрейфом первичного преобразователя и прямого тракта усиления и выделения измерительной информации.50

Как следует из описания режимов работы реверсивного счетчика и соотнощений (6) и (7), однозначное соответствие выходно- го кода счетчика Nj( измеряемому технологическому параметру д j{ будет соблю- 55 даться лишь при условли

w(w, ио) uj

u) (ы,и.)ч ujj , ( 8)

о

т.е. когда изменение частоты о) измерительного генератора 1 под воздействием параметров измерительного и образцового емкостных датчиков 5 и 6 с измеряемым объектом и контрольным образцом будут одного знака. Это условие выполняется при соответствующем подборе параметров конт рольного образца, относительно которого ведутся измерения.

По окончании управляющего импульса с делителя Ю частоты формирователь 14 строб-импульсов выдает сигнал, разрешающий прохождение информационного сигнала с выхода реверсивного счетчика 16 через элемент И 18 на дешифратор 21 и, далее, на регистратор 22. Время индикации результата измерения определяется периодом 2 Л n/S, а время перезаписи результата с выхода реверсивного счетчика 16 в дешифратор 21 определяется временем задержки блока 17, по истечении которого выходной сигнал с формирователя 14 строб-импульсов, пройдя блок 17 задержки, поступит на . установочный вход рвве{ сйвного счетчика 16 и переведет все его разряды в состояние . О. Разрядность счетчика определяется максимальным числом импульсов, поступающих на его счетный вход за пшупериод Jn/ , и величиной коэффициента деления п делителя 1О, т.е., исходя из соотношения (7-), разрядность реверсивного счетчшса должна быть не меньше, чем величина

- X max ц;, to, to, ы Дси-ш)-,

K-u;)f

Для простоты отсчета результата измерений коэффициент деления п выбирается кратным двадцати, что приводит при считывании результата к переносу запятой. Кроме того, необходимо соблюдение условия, согласно которому частота синхросигналов должна быть меньше частоты переключаемых сигналов

f-«5 «min{u3 oj,uj,u).

Для .устранения погрешности измерения

связанной с неидентичностью параметров

емкостных датчиков, производится кредварительная установка нуля. Измеряемый объект и контрольный образец выводятся из зон чувствительности соответ ртвующих емкостных датчиков и с помощью подстроечных элементов частотозадаюших цепей измерительного 1 и опорного 2 генераторов добиваются выполнения условий баланса частот генераторов (4) и (5). В этом случае частоты измерительн го генератора 1 станут равными между собой u); и установится равенство частот разностных сигналов 1г.,|( Ы-и UJn U) U) где uJ - среднее значение частоты разностного сигнала, выделяемого полосовым фильтром 9. Тогда, согласно выраж нию (7), показания регистратора 22 установятся в О. Таким образом, использование в изме рттеле замкнутой структуры аналогового тракта позволяет уменьшить влияние иестабильностей прямого канала усиления и вьщепения измерительной информации, а введение двухтактного режима работы с ко{фека0ей измеряемого технсшогическо го параметра по образцу в цифровой части, реализующей операцию вычитания аддитивной составлякшей погрешности из суммарного сигнала, дает возможность повысить точность измерения. Кроме того, благодаря чередованию операций суммирования и вычитания, а также инверсии очередности этих операцйй между тактами коррекции и измерени уменьшается разрядность реверсивного счетчика, при этом заданная точность может быть обеспечена за счет увеличения коэффициента деления п делителя час тоты. Формула изобретения Измеритель толщкны покрытиядвукслой ных- диэлектрических материалов, содержащий измерительный и опорный генерат рЬ1, измерительный емкостный датчик, ге нератор синхросигналов, частотный модулятор, вход которого соединен с выходо генератора синхросигналов, а выход - суправляющим входом опорного генератора, смеситель, входы которого соединены с выходами измерительного и опорного ге- , нераторов, последовательно соединенные с выходом смесителя, полосовой фильтр, формирователь импульсов, частотный детектор, избирательный усилитель, синхронный детектор, опорный вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов, а выход - с управляющим входом измерительного генератора, отличающийся тем, что, с целью погышения точности измерения, он снабжен образцовым емкостным датчиком, первым коммутатором, входы которого соединены с выходами соответственно измерительного и образцового емкостного датчиков, а выход - с входом измерительного генерато ра, реверсивным счетчиком, счетный вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, фазоинвергором, выход которого подключен к управляющему входу счетчика, вторым коммутатором, вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов, а выходы соо:гветственно с входом фазоинвентора и с управляющим входом счетчика, делителем частоты, вход которого подключен к выходу генератора синхросигналов, а выход - к управляющим входам коммутаторов, формирователем строб-импульсов, вход которого подключен к выходу делителя частоты, блоком задержки, вход которого подключен к выходу формирователя строб-импульсов, а выход - к установочному входу счетчика, элементом И, входы которого подключены соответственно к выходу счетчика и к выходу формирователя строб-импульсов, дешифратором, вход которого под- ключен к выходу элемента И и регистратором, вход которого соединен с выходом дешифратора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 4О48844, кл. G, О1 N 27/22, 1977. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2868124/18-21 (ОО3151) кл. G01N 27/22 (прототип).