Измеритель толщины диэлектрических материалов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН Ю (1 01 ОПИСАН ТЕН идов% рское бюзводством ний ельство.СССР 1973,ство СССР . в/06, епленными н подложке между циальиыми и из тродамн и по ход ксцгорого оммута торов, лнительными кр о.л ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СОПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТН ИЕ ИЗОБРЕй АВТОРСКОМЬ СЯИДЕТЕЛЬСТВ(71). Специальное конструкторо с экспериментальным проиИнститута ядЕрных иСследозаАН украинской ССР(54) (57) ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТКРИАЛОВ, содержащий извй рнтельный и образцовый накладные.: емкостные первичные преобразователи, состоящие. каждыйиз основных высокопотенциального и низкопотенциального электФдов закрепленных на одной диэлектрической подложке. два коммутатора, входы которых подклювысокопотенциальнымок преобразования еми первичныМ преобразояжение, вход которогоодам коммутаторов,усилитель, вход которок блоку преобразования,ектор, соединенныйу входу с избирательнымефнератор низкой часторого подключен к управсинхронного детекторав; и регистратор. соеодом детектора, о т лия. тем,что,с целью,пьсти измерений, он:снаоными высокопотенцивль.-.а чены к основнымэлектродам. блкостной функцивателей в напрподключен к выхизбирательныйго подключенсинхронный детпо сигнальномусилителем гты, выход котоляющим входами коммутатородиненный с выхч а ю щ и и с. вышения точножен дополнитель ными электродами, за общей диэлзктрическо основньачи высокопоте копотенциальными эле рителем напряжения, подключен к выходам выход соединен с доп электродами.И зобретение относится к измерительной технике и может быть исполь-.зовано для контроля толщины изделийиэ диэлектрических материалов в химической и атомной промыаленностк.Иэвестьо уСтройство для измерения толщины диэлектрических материалов прк одностроннем доступе;содержащее накладные емкостные первккныепреобразователи измерительный к образцовый 1, каждый из которых состоит 10из высокопотенциального и ниэкопотен.циального электродов, закрепленныхна одной диэлектрической подложке.Этк преобразователи включены в изме. рительную дифференциальную схему 1;"15Недостатком этого устройства явряются существенные погрешности измерения, обусловленные неплотностьюприлегания рабочей поверхности датчика к фонтролкруемой пленке, Крометого; дополнительная погрешность измерения вносится при температурномизменении диэлектрических свойствподложки.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является изме;ритель толщины диэлектрических материалов, содержащий измерительный кобразцовый накладные емкостные первичные преобразователи, состоящиекаждый из основных высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора,входы которых подключены к основнымвысокоПотенциальным электродам, блок 35,преобразования емкости Функции первичных преобразователей в напряжение, вход которого подключен к выходам коммутаторов, избирательный усилитель, вход которого подключен к . 4 рблоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальномувходу с избирательным усилителем,генератор низкой частоты, выход которого подключен к управляющим входам синхронного де.ектора и коммутаторов, и регистратор, соединенный с выходом детектора 2.Недостатком указанного кзмерителя является существенная погрешностьизмерения, обусловленная неплотностью прилегания рабочей поверхностидатчика к контролируемой пленке.Цель изобретения - повышение точности измерения,поставленная цель достигается тем,55что измеритель толщины диэлектричес-.ких материалов, .содержащий измери, тельный и образцовый накладные емкостные первичные, преобразователи, состоящие каждый из основных высокопо- бОтенциального и нкзкопотенцкальногоэлектродов, закрепленных иа однойдиэлектрическбй подложке, два ком-.мутатора, входы которых подключенык основным зысокопотенциальным элект-б 5,родам, блок преобразования емкостной функции первичных преобразователей в напряжение, вход которого подключен к выхбдам коммутаторов, избирательный усилитель, вход которого подключен к, блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальному вхОду с избирательным усилителем, генератор низкой частотЫ, выход которого подключен к управляющим входам синхронного детектора и коммутаторов,и регистратор, соединенный с выходом детектора, снабжен дополнительными высокопотенциаль ными электродами, закрепленными на общей диэлектрической подложке между основными высокопотенциальными и низкопотенциальными электродами и повторителем напряжения, вход которого подключен к выходам коммутаторов, выход соединен с дополнительными электрОдами, На чертеже показана структурная схема измерителя.ИзмЕритель содержит измерительный 1 и образцовый 2 накладные емкост. ные первичные преобразователи, сос-, тоящие каждый из основных низкопотен-. циальных Э и 4, основного высокопотенциального 5 и 6 и дополнительных высокопотенциальных 7 и 8 электродов закрепленных на диэлектрической подложке 9, коммутаторы 10 и 11, подключенные к основным высокопотенциаль-. ным электродам 5 и б соответственно измерительного 1 и образцового 2 преобразователей, блок 12 преобразования емкостной функции в напряжение посто янного тока, вход которого подключенк выходам коммутаторов 10 и. 11, повто;ритель 13 напряжения, вход которого подключен параллельно входу блока 12, а выкод к дополнительным высокопотен циальным электродам 7 и 8, избирательный усилитель 14, вход которого соединен а выходом блока 12, синхронный детектор:15 сигнальный вход которого подклечей к выходу усилителя 14, генератор 16 низкой частоты, выход которого соединен с управляющими вхо.дами коммутаторов 10, 11 н синхронного детектора 15. и регистратор 17 подключенный к выйоду детектора 15.Устройство работает следующим образом.К основным высокопотенциалъным электродам 5 и б через автоматичес-, кие коммутаторы 10, 11 прикладывается переменное электрическое напряжение, существующее на входных зажимах блока 12. Одновременно зто напряженке подается также на вход повторители 13. на.выходе которого появляется напряжение по амплитуде и по фазе идентичное приложенному к его входу напряжению, Это напряжение с выхода повторителя 13,. имеющего низкое выходйое сопротивление. подается на дополнительные высокопотенциальные электроды 7:и 8 которые расположены соответственно между основными высокопотенциальными 5 6 и низко- потенциальными 3;4 электродами.При подключенйи измерительного преобразователя 1 к блоку 12.основной 5 высокопотенциальный электрод б образ-цового преобразователя 2 подключается к ннзкопотенциальному электроду 4 и наоборот, при подключении образцового преобразователя 2 к блоку 12 основ- О ной высокопотенциальный. электрод 5 измерительного преобразователя 1 подключается к низкойотенциальному электроду 3Такое переключение электродов позволяет перераспределить электри ческие поля преобразователей 1 и 2 в диэлектрической подложке 9. так, что рри поочередйом подключении этих пре-. образователей к блоку 12 их электрические поля пронизывают одни и те же слои диэлектрической подложки 9.При этом все изменения диэлектрияеских свойств подложки 9 при изменении температуры давлейия и т.д. в равной мере влияют иа емкость измерительного 1 и образцового 2 преобразователей,Так как переменное напряжение надополнительных высокопотенциальныхэлектродах 7 и 8 по амплитуде и по З 0.Фазе всегда повторяет напряжение наосновных высокопотенциальных электродах 5 и б, то распределение силовыхлиний электрических полей между элект. родами не изменяет при изменении напряжения на основных электродах 5и 6, На чертеже пуйктиром показаныраспределения силовых линий электрических полей. основного высокопотенциального электрода 5, а точками по;казаны распределения.силовых линий 40электрических полей дополнительныхвысокопотенциальных электродов 7 и 8,При йереключенйи коммутаторов 10, 11картина распределения электрическихполей изменится на обратную. Из .этих 45распределений видно, что силовыелинии электрических полей основногоэлектрода 5 как бы приподняты надрабочей поверхностью измерительногопреобразователя 1 силовыми .линиямиэлектрических, полей дополнительногоэлектрода 7. Электрическое поле между основным 5 и дополиительньэа 7электродами. отсутствует, так как приложенные к ним напряжения идентичныпо амплитуде и Фазе, т.е. в любоймомент времени эти электроды являются ЭквипотенциальныМи.:Поэтому частицы диэлектрика, попавшие в этомежэлектродное пространство, неполяризуют,. а следовательно, не изменяют емкость измерительного преобразователя 1, Частицы диэлектрика, попавшие в межэлектродное прострайство, образованное дополнительнымэлектродом 7 и низкопотенциальным 65 электродом 3, подвергаются поляризации электрическим полем, существующим между этими электродами. Однакоэта поляризация не вызывает изменения напряжения на дополнительном электроде 7 как по амплитуде, так и по фазе) ввиду того, что это. напряжение подается от источника с низким выход-ным сопротивлением, каковым является повторитель 13 напряжения.При наложении контролируемого материала на измерительный преобразователь 1 емкость его возрастает по отношению к емкости образцового преобра. зователя 2. Это приращение емкости не изменяется при удалении материала от рабочей поверхности измеритель-. ного преобразователя 1 до тех пор, пока все силовые линии электрических полей основного. электрода 5 дважды пересекут контролируемый материалТаким образом, удалениеконтролируемого материала на некоторое расстояние от рабочей поверхности измерительного преобразователя 1. не влияет на результат измерения.Это позволяет осуществи.ь бесконтакт. ный односторонний принцип измерения толщины диэлектрического материала путем установления некоторого воздушного зазора между рабочей поверхностью преобразователя 1 и контролируемым материалом, При этом исключается дополнительная погрешность измерения, обусловленная возможным технологическим изменением этого зазора. В этой связи появляется возможность измерять толщину при одностороннем доступе даже жестких диэлект- рических материалов (например, стекляйных ), поверхность которых имеет волнистую форму (см. чертеж)Введение контролируемого матерна" ла в электрическое поде дополнительного высокопотенциального электрода 7 не вызывает изменения напряжения на нем ( как по амплитуде, так и пь фазе ), так как это напряжение подается от источника (,повторителя 13 )с низким выходным сопротивлением.При отсутствии контролируемого ма" териала емкости преобразователей 1,2 одинаковы. Вследствие этого при по-. очередном их подключении с помощью коммутаторов 10, 11 к блоку 12 преобразования емкости в напряжение постоянного тока с частотой коммутацюи в выходном напряжении блока 12 отсутствует переменная составляющая часто- ты коммутации. При.наложении контролируемого материала на измерительный преобразователь 1 емкость его воз" растет по отношению к емкости образцового преобразователя 2. Так как величина напряжения на выходе блока 12 зависит от емкости подключаемого преобразователя, то выходное иаЗаказ 3519/37 Тираж 602 ПоднисноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушдкая наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 пряжение блока 12 содержит составляющую с частотой коммутации. Амплитудаее пропорциональна разности емкостейпреобразователей 1 и 2. Эта переменная составляющая с частотой коммутации на выходе блока 12 выделяетсяи усиливается избирательным усилителем 14, Амплитуда знакопеременногонапряжения на выходе усилителя 14 пропорциональна разности емкостей преобразователей 1,2, Это напряжение подается на информационный вход синхронного детектора 15, на управляющийвход которого подано опорное напряжение с выхода генератора 16 низкойчастоты. С выхода генератора 16 напряжение подается также на управляющие входы коммутаторов 10, 11.На выходе синхронного детектора 15пОявляется выпрямленное напряжение,величина которого связана пропорцио-, Ональной зависимостью с разностью емкостей преобразователей 1 и 2. Таккак эта разность определяется емкос-.тью, вносимой контролируемым диэлект.рическим материалом, то напряжениена, выходе синхронного детектора 15 также связано пропорциональной зависимостью с толщиной диэлектрического материала. Это напряжение подается на регистратор 17. Таким образом, в данном устройст-,ве существенно (в 3-4. раза)повышена точность измерения за счет исключения погрешности измерения, обусловленной неплотным прилеганием измерительного емкостного преобразователя к контролируемому материалу. Исключение этой погрешности измерения позволит применить данное устройство не только для одностроннего контролй толщины наибо" лее тонких диэлектрических пленок(например, полиэтиленовых пленок толщиной до 20 мкм, получаемых методом экструзии с раздувом, при котором недопустимо чрезмерно плотное прилегание пленки к емкоСтнрму преобразова- . телю из-эа опасности ее прорыва ), но также и для одностороннего контроля толщины листовых диэлектрических материалов, при измерении толщины которых трудно обеспечить плотное прилегание к ним емкостного преобразователя.