Измеритель толщины диэлектрических и полупроводниковых материалов

(5)4 С 01 И 22/00 в с ЕНИЯ; . ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Бондаренко И,К. и др, Автоматизация измерений параметров СВЧ-трактов. М.: Советское радио, 1969, с. 159 -160, 243 - 244.Авторское свидетельство СССР Р 901890, кл. С 01 И 22/00, 1979.(54)(57) ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТ - РИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИЛЛОВ, содержащии последовательно соединенные СВЧ-генератор, делитель мощности, первый балансный смеситель, второй вход которого подключен к выходу регулируемого по частоте СВЧ-генератора, и первый фильтр нижних частот, а также передающую антенну, приемную антенну, двухпозиционный управляемый переключатель, фазовый детектор и линию задержки, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, между выходом приемной антенны и входом двухпозиционного управляемого переключателя последовательно включены второй балансный смеситель, второй вход которого соединен с выходом регулируемого по частоте СВЧ-генератора, и второй фильтр нижних частот, между выходом двухпозиционного управляемогопереключателя, второй вход которогосоединен с выходом первого фильтранижних частот и входом линии задержки, и первым входом фазового детектора включен первый амплитудный ограничитель, между выходом линии задержкии вторым входом фазового детекторавключен второй амплитудный ограничитель, а к выходу фазового детектораподключены последовательно компаратор и блок управления, а также введены последовательно соединенные генератор счетных импульсов, временнойселектор, счетчик импульсов и регистр, управляющий вход регулируемогопо частоте СВЧ-генератора подключенк выходу введенного генератора развертки, при этом первый, второй, третин, четвертый и пятый выходы блокауправления соединены соответственнос управляющими входами двухпозиционного управляемого переключателя, генератора развертки, временного селектора, счетчика импульсов и регистра,а его второй и третий входы соединены соответственно .с выходом генератора развертки и через введенный делитель частоты с выходом генераторасчетных импульсов, причем второй выход делителя мощности соединен свходом передающей антенны.3 11851Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины различных листовых и рулонных синтетических материалов, а также пластин полупроводнико вых материалов.Цель изобретения " повышение точности.На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема измерителя толщи-О ны диэлектрических и полупроводниковых материалов; на фиг. 2 - эпюры напряжений.Измеритель толщины диэлектрических и полупроводниковых материалов содержит стабилизованный по частоте СВЧ-генератор 1, передающую 2 и приемную 3 антенны, между которыми расположены контролируемый материал 4, первый и второй балансные смесители 5 и 6, делитель 7 мощности, регулируемый по частоте СВЧ-генератор 8, первый и вто" рой фильтры 9, 10 нижних частот, двух- позиционный управляемый переключатель 11, линию задержки 12, первый и 25 второй амплитудные ограничители 13 и 14, фазовый детектор 15, компаратор 16, блок 17 управления, генератор 18 счетных импульсов, делитель 19 частоты, временной селектор 20, счетчик 21 импульсов, регистр 22 и генератор 23 развертки.Измеритель толщины диэлектрических и полупроводниковых материалов работает следующим образом. 35Сигнал СВЧ-генератора 1 стабильной частоты Г поступает на передающую антенну 2, проходит контролируемый материал 4 и воспринимается приемной антенной 3. При прохождении 40 сигнала через контролируемый материал 4 происходит изменение фазы сигнала на значение где р - фаэовая постоянная;Й - толщина контролируемого материала 4;6 - относительная дизлектрическая проницаемость;С - скорость распространения СВЧколебаний в свободном пространстве.Принятый приемной антенной 3 сиг нал поступает на вход балансного смесителя 5, на второй вход которого по-, ступает сигнал частоты Е от регулируе1экоторые вьщеляются первым и вторым фильтрами 9, 10 нижних частот.При указанном состоянии двухпозиционного управляемого переключателя 11 сигнал разностной частоты 2 с выхода первого фильтра 9 через линию задержки 12 и первый амплитудный ограничитель 13 поступает на один вход фазового детектора 15 с фаэовым сдвигом(2) дУ= 27 Ео где й - время задержки линии задержки 12;Г - текущее значение разностнойчастоты. Ра другой вход фазового детектора 15 сигнал раэностной частоты поступает непосредственно с выхода первого фильтра 9 через двухпозиционный управляемый переключатель 11 и второй амплитудный ограничитель 14.Выходной сигнал фазового детектора 15 с линейной амплитудно-фазовой характеристикой определяется выраже- нием ц, = 8(1+ г) .дт,+ ди 1, (3) где 8 - чувствительность фазового. детектора 15;у ф -- относительная погрешность 1 8чувстрительности на частоте3ЬО 1 - абсолютная погрешность нуляфазового детектора 15 начастоте Г 3С изменением разностной частоты Г по линейному закону (фиг. 2 а) меняется соответственно и выходной сигнал фазового детектора 15 (фиг. 2 б), который поступает на компаратор 16. В момент времени, когда выходной сигнал фазового детектора 15 П стано 1 вится равным опорному сигналу компаратора 16 Б, на выходе последне 99 2мого по частоте СВЧгенератора. Одновременно сигнал СВЧ-генератора 1 через делитель 7 мощности поступает на второй балансный смеситель 6, второй вход которого также подключен к регулируемому по частоте СВЧ-генерато-, ру 8.В результате смешивания колебаний частоты Г 1 и изменяющейся во времени частоты Йобразуются колебания раэностной частоты11851го появляется импульсный сигнал П(фиг. 2 в), поступающий в блок 17 управления, который формирует иэ тактовых импульсов 0 (фиг. 2 д), образованных делением частоты генератора 18 счетных импульсов (фиг, 2 г),сигнал переключения двухпозиционно го управляемого переключателя 11(фиг. 2 е).В другом положении двухпозицион Оного управляемого переключателя 11на выходе фазового детектора 15 образуется сигнал, пропорциональныйразности фазовых сдвигов, вносимыхлинией задержки 12 и контролируемым 15материалом 4йБ( + Уд) (и М дУ )+ а 2 ( )где у и д У - погрешности фазового2 2детектора 15 при новом значении текущейчастоты ГОдновременно с переключением иуменьшением выходного напряжения фазового детектора 15 блок 17 с некоторой задержкой формирует сигнал, открывающий временной селектор 20. Врезультате этого счетные импульсы свыхода временного селектора 20 Уо(фиг. 2 ж) начинают поступать в счетчик 21 импульсов, где накапливаются.При дальнейшем увеличении разностной частоты Г (фиг. 2 а) наступаетмомент, когда выходной сигнал фазового детектора 15 вновь становится рав-ным опорному сигналу компаратора 16(фиг. 2 б).Это состояние соответствует равенству У 1 = П т.е.Б(1+у )2 и Г+,ьЦ = Б(1+) (27 У2йс 1) + Ю 2,С(5) Выбирая фазовый сдвиг, вносимыйконтролируемым материалом 4 на часто 99 4те Е , значительно меньшим фазового сдвига, образованного линией эадержки 12 на разностной частоте (дд ), можно обеспечить малоеготличие разностной частоты Г от первоначального значения Г . Это позвояет счиравенство (5) йривести к виду= Г . с - Г - й, откудаиЮ3 о 3 о 1 Са = - - г И" - Е ) - КИ",- 1),(6 где К = , -- коэффициент пропорС, е,з йциональности.Возникшии в момент равенства (5) импульс с выхода компаратора 16 посту пает на блок 17 управления, который закрывает временной селектор 20 с той же временной задержкой, что и при открытии (фиг2 ж).Записанное в счетчике 2 количество импульсов пропорционально разности частот Е - Г и, следовательно,исогласно 161 - толщине контролируемого материала 4.С приходом очередного тактового импульса (фиг. 2 д) блок 17 вырабатывает сигнал на перезапись кода в регистр 22 (фиг. 2 э), где он хранится до следующего измерения. Изменение разностой частоты полинейному закону обеспечивает генератор 23 раэертки, управляющий частотой регулируемого в небольших пределах по частоте СВЧ-генератора 8. Поистечении времени развертки в блок 17поступает сигнал "стоп" (фиг. 2 и),под действием которого формируетсясигнал "Сброс" (фиг. 2 к), возвращающий измеритель в исходное состояние,По окончании сигнала "Сброс" цикл из -мерения повторяется в той же последо.вательности,