Устройство для измерения параметров объектов

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИЕСПУБЛИК 515 6 01 М 29/ ЫКЯ 1 ОБРЕТЕН ПИСАНИ ДЕТЕЛ ЬСТВУ К АВТОРСКОМУ щины стина ла вз контр ГОСУДАРСТВЕ ННЫ Й КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1260667, кл, О 01 В 7/02, 1986,Авторское свидетельство СССРМ 397814, кл, О 01 М 29/02, 1973,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОБЬЕКТОВ(57) Изобретение относится к акустоэлектронике, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей засчет обеспечения возможности измерениядиэлектрической проницаемости или тол,Ж 1753395 А тонких диэлектрических слоев. Пла из пьезоэлектрического материааимодействует одной плоскостью с олируемым обьектом 10. Встречно-направленные излучатели 2 и 3, выполненные в виде встречно-штыревых преобразователей, возбуждают с помощью генераторов 6 и 8 в пластине 1 различные моды акустических колебаний. Под воздействием встречных акустических пучков в приемнике 4, выполненном в виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми электродами 5, возникают встречные акустоэлектрические токи, Величина акустонапряжения, снимаемого с эл:.ктродов 5, определяется электрическими параметрами обьекта 10 и по ней определяют его диэлек-Б трическую проницаемостьили толщину, 2 ил,Изобретение относится к акустоэлектронике и может быть использовано в акустоэлектронных устройствах различногоназначения,Известно устройство контроля параметра металлических покрытий, а именно,чувствительный элемент первичного преобразователя для неразрушающего контролятол щин металлических покрытий, представляющий собой диэлектрическую подложку с 10малым температурным коэффициентом расширения, на которую нанесены три секционированных низкопотенциальныхэлектрода, расположенных соосно с центральным высокопотенциальным электродом, Расположение системысекционированных электродов на рабочейповерхности чувствительного элементапервичного преобразователя требует установления необходимого секционирования 20на основании предварительного решенияна ЭВМ задачи о распределении частичныхэлектрических зарядов в электродной системе при двух заданных толщинах с оптимизацией по максимуму указанного 25отношения, если граница раздела условнорезкая; если поверхность шероховатая, тодля исключения влияния воздушного зазорамикронеровности зоны контроля заполняют смазкой, относительная диэлектрическая проницаемость которойнезначительно отличается от относительной диэлектрической проницаемости покрытия; установленное секционированиеэлектродной системы корректируется для 35объектов контроля, относящихся к одному. классу.Известно устройство для измерения параметров объектов, содержащее пластину,предназначенную для контактирования с 40объектом, расположенные на пластине излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор заданной частоты,соединенный с излучателем, и блок измерения параметров принятых колебаний, соединенный с приемником.Работа известного устройства заключается в том, что в пластине возбуждают волны Л эмба, осуществляют ихвзаимодействие с обьектом, вызывающее 50изменение их параметров, и определяют поизменению параметров искомые физикомеханические параметры объекта.Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет измерить 55диэлектрическую проницаемость или толщину тонких диэлектрических слоев,Цель изобретения - расширение функциональных возможностей измерением диэлектрической проницаемости и толщины. Указанная цель достигается тем что в устройстве дпя измерения параметров обьектов, содержащем пластину, предназначенную для контактирования с объектом, расположенные на пластине излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор заданной частоты. соединенный с излучателем, и блок измерения параметров принятых колебаний, соединенный с приемником, согласно предлагаемому изобретению, оно снабжено дополнительным излучателем ультразвуковых колебаний, расположенным на пластине так, что его акустическая ось совпадает и противоположна по направлению акустической оси основного излучателя и дополнительным генератором с частотой, отличной от частоты основного генератора, соединенным с дополнительным излучателем, пластина выполнена из пьезоэлектрического материала, излучатели выполнены из пьезоэлектрического материала, излучатели выполнены в виде встречно-штыревых преобразователей, а приемник выполнен в виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми электродами,Акустические волны в пьезоэлектрической пластине сопровождаются пьезоэлектрическими полями, проникающими за ее пределы, Таким образом, вблизи обеих поверхностей пластины существуют электрические поля, связанные с акустической волной в пластине, а значит могут быль связаны между собой, В связи с этим, изменение граничных условий, например, посредством размещения диэлектрического слоя на одной (условно назовем ее рабочей) поверхности пьезоэлектрической пластины, для некоторых диапазонов частот акустической волнь 1, будет влиять на величину электрического поля на другой (нерабочей) поверхности пластины, Это поле можно регистрировать при помощи измерительных электродов, нанесенных на торцах полупроводника, расположенного на нерабочей поверхности пьезоэлектрической пластины, используемой в качестве чувствительного элемента. Наличие встречных акустических пучков позволяет устанавливать нулевой уровень изм.ряемого сигнала при отсутствии диэлектрического слоя на рабочей поверхности чувс"втельного элемента (частоты двух встречных .,олновых пучков выбирают так, что для одной волны эффект влияния граничных условий на электрическое поле имеет место для другой волны этот эффект отсутствуе Кроме того, отсутствие электродов на рабочей поверхности чувствительного элемента обеспечивает их износоустойчивость и устойчивость к эгрессиеной среде, что существенно увеличивает срок службы устройства,На фиг. 1 приведена схема устройства для неразрушающего контроля толщин тонких диэлектрических слоев; на фиг. 2 - график экспериментальной зависимости ЭДС от толщины.Устройство содержит чувствительный элемент 1, в качестве которого используется пьезоэлектрическая пластина, основной излучатель 2 ультразвуковых колебаний, дополнительный излучатель 3 ультразвуковых колебаний, приемник 4 в виде пластины из полупроводникового материала, торцовые электроды 5, основной генератор 6, блок 7 измерения параметров принятых колебаний, дополнительный генератор 8, поглотитель 9, контролируемый обьект 10.Устройство работает следующим образомВ пьезоэлектрической пластине 1 с помощ,ю переменных напряжений, подаваемых на излучатели 2 и 3, возбуждаются встречные акустические пучки, За счет влияния электрических граничных уловий на одной поверхности пьезоэлектрической пластины на величину пьезоэлектрического поля, на противоположной ее поверхности образуется рабочая характеристика устройства в области акустоэлектронного взаимодействия с контролируемой средой, Частота прикладываемого к электродам излучателя 2 переменного напряжения соответствует возбуждению резонансной моды, для которой эффект влияния граничных условий на величину пьезоэлектрического поля присутствует. Частота же напряжения, прикладываемого к электродам излучателя 3, соответствует возбуждению такой. моды, для которой этот эффект отсутствует. Режим бегущих волн обеспечивается с помощью поглотителей 9. Под действием встречных акустических пучков возникают встречные акустоэлектрические токи в полупроводнике 4, формирующие акустонапряжение Оае, снимаемое с торцевых электродов 5, Сигнал Оае определяется электрическими параметрами граничащей с чувствительным элементом среды, т.е, физическими характеристиками контролируемого объекта 10,Для случая кй 1 формула для Оае будет иметь следующийвид:Оае=А ЕЬ,где Е - волновое число упругих волн; А - постоянная величина, зависящая от параметров пьезоэлектрической пластины1 и полупроводника 4, а также от параметров упругих волн;е - диэлектрическая проницаемостьконтролируемой среды;5 Ь - толщина контролируемого обьекта.Таким образом, напряжение зависит отвеличины диэлектрической проницаемостии от толщины контролируемого объекта, Тоесть если известна толщина обьекта, уст 10 ройство позволяет измерять диэлектрическую проницаемость, а если известнадиэлектрическая проницаемость, то можноизмерять толщину тонких диэлектрическихслоев,15П р и м е р, Устройство для измеренияпараметров обьектов содержит пьезоэлектрическую пластину из тригональногоОМЬОз У-Е среза толщиной 750 мкм в качестве чувствительного элемента. На одной20 поверхности наносились для возбуждениявстречных акустических пучков две парыэлектродов: расстояние между парами электродов 40 мм; расстояние между электродами внутри пары 1,5 мм, Измерительные25 электроды представляли собой омическиеконтакты на торцах кремния р-типа ( о =1,5 Х-4 .1 -1МО Ом см ), расположенном на поверхности пьезоэлектрической пластины (фиг.1),Расстояние между измерительными элект 30 родами составляло 10 мм. Частоты встречных акустических пучков равнялись 3,13МГц и 8,27 УГц. На фиг.2 приведена экспериментальная зависимость продольной акуСТО-ЭДС Оае ОТ ЗНаЧЕНИЯ ИСКОМОЙ ТОЛЩИНЫ35 Ь. Контролируемый объект - слюда.Из примера видно, что выходной сигналс устройства линейно зависит от толщиныизмеряемого слоя, что дает возможность исключить расчеты на ЭВМ, а, следовательно,40 упрощает процесс измерения. При этом изМЕрительные электроды выведены из Области, граничащей с контролируемымобьектом, что позволяет повысить износо-устойчивость к агрессивной среде предлага 45 емого устройства.Формула изобретенияУстройство для измерения параметровобъектов, содержащее пластину, предназначенную для контактированияс объектом,50 расположенные на пластине излучатель иприемник ультразвуковых колебаний, генератор заданной частоты, соединенный с излучателем, и блок измерения параметровпринятых колебаний, соедйненный с прием 55 ником, отличающееся тем,что,сцельюрасширения функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерения диэлектрической проницаемости илитолщины тонких диэлектрических слоев,.щей;адын , ъ. -аказ 2765 Тираж Подписно ВНИИПИ Государственногокомитета по изобретениям и откры 113035, Москва, Ж, Раушская наб.,4/5м при ГКНТ С Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор Гагарина, 10 оно снабжено дополнительным излучателем ультразвуковых колебаний, расположенным на пластине так, что его акустическая ось совпадает и противоположна по направлению акустической оси основного излучателя, и дополнительным генератором с частотой, отличной от частоты основного генератора, соединенным с дополнительным излучателем, пластина выполнена из пьезоэлектрического материала, излучатели выполнены в виде встречно штыревых преобразователей, а приемниквыполнен в виде пластины из полупроводникового материала с торцовыми электродами.