SU977935A1 - Измеритель толщины покрыти двухслойных диэлектрических материалов - Google Patents

Description

,(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ . ДВУХСЛОЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

1

Изобретение относитс  к измepитeль ной технике и может быть использовано дл  контрол  технологических параметров двухслойных диэлектрических материалов.

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

Недостатком этого устройства  вл етс  невысока  точность измерени .

Наиболее близким по технической сушности к изобретению  вл етс  измеритель толщины покрыти  двухслойных диэлектри- 5 ческих материалов, содержащий измерительный и опорный генераторы, измерительный емкостной датчик, генератор синхросигналов , частотный модул тор, вход которого соединен с выходом генератора 20 синхросигналов, а выход - с управл ющим 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 управл ющим входом измерительного генератора С2 .

Недостатком этого измерител   вл ет с  невысока  точность измерени  вследствие наличи  погрешности, вызванной дестабилизирующими факторами, измен кущими параметры первичного преобразовател  и канала обработки измерительной информации.

Цель изобретени  - повышение точности измерени .

Эта цель достигаетс  тем, что измеритель толщины покрыти  двухслойных диэлектрических материалов, содержащий измерительный и опорный генератор), измерительный емкостной датчик, генератор синхросигналов, частотный модул тор , вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов, а выход - с управл ющим входом опорного генератора смеситель, входы которого соединены с выходами измерительного и опорного генераторов , последовательно соединенные с выходом смесител ., полосовой фильтр, формирователь импульсов, частотный детектор , избирательный усилитель, синхрон ный детектор, опорный вход которого соединен с выходом генератора си ц.роскг-, налов, а выход - с управл ющим 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 формировател  импульсов, фазоинвергором, выход которого подключей к управл ющему входу счетчика, вторым коммутатором, . вход -которого соединен с выходом генера тора синхросигналов, а выходы соответст венно с входом фазоинвертора и с управл ющим входом счетчика, делителем част ты, вход котрого подключен к выходу генератора синхросигналов, а выход - к управл ющим входам коммутаторов, форми рователем строб-импульсов, вход которог подключен к выходу делител  частоты, блоком задержки, вход которого подключен к выходу формировател  строб-импульсов , а выход - к установочному входу счётчика, элементом И, входы кототюг подключены соответственно к выходу счет чика и к выходу формировател  строб-импульсов , дешифратором, вход которого под ключен к выходу элемента И и регистратором , вход которого соединен с выходом дещифратора. . На чертеже приведена блок-схема измерител  толщины ПОК{Н 1ТИЯ. Измеритель содержит измерительный 1 и опорный 2 генераторы, первый комму татор 3, частотный модул тор 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 сител  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 делител  1О частоты, частотный детектор 15, реверсивный счетчик 16, блок 17 задержки, вход которого подключен к выходу формировател  14, элемент И 18, избирательный усилитель 19, синхронный детектор 20, подключенный к выходу усилител : 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 модулируетс  напр жением пр моугольной формы с частотного модул тора 4. Частота модулирующего напр жени  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 определ етс  параметрами емкостных датчиков с измер емым объектом и контрольным образцом , периодически подключаемых к частотозадающей цепи измерительного генератора 1. Первый коммутатор 3 управл етс  сигналом пр моугольной формы, с делител  10, частота которого также задаетс  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 измерени ) частота измерительного генератора 1 равна ю, . Параметры датчиков и частоты опорного генератора 2 подбираютс  так, чтобы в отсутствие измер емого объекта и контрольного образца и при введении их в зоны чувствительности соответствующих датчиков сохран лось условие ш (u) , u):|)U)2. (Я После смешивани  выходных напр жений генераторов 1 и 2 в смесителе 7 и выделени  полосовым фильтром 9 сигнала разностной частоты на вход формировател  11 импульсов с выхода полосового фильтра 9 поступает частотно-модулированное напр  ение с частотой модул ции и несущими частотами uj, оо, , и uJ , соответствующими полупериоду модулирующего сигнала 31/Я. и сигнала (с полупериодом Jn/ ), управл юо1его первым коммутатором 3 и задающего режимы ра597 боты измерител . Следовательно в первый полупериоа37п(режим коррекции) полосовым фильтром выдел етс  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 измерени  (вто рой полупериод Jn / ) несушие частоты выдел емого частотно- лодулированного сигнала равны в первый полупериод Л/ U))-U, а во второй полупериод /Q /V W ш 2 - u . I На .выходе формировател  11 импульсов  вл ющегос  одновременно амплитудным ограничителем, устран ющим паразитную амплитудную модул цию сигнала, по в тс  периодические последовательности пакетов импульсов. Частота импульсов в пакете (длительность пакета J/Q ), рав на  частоте поступающего в данный полупериод y/yi входного разностного сигнала периодически измен етс  (с частотой модул ции Q ), принима  в пределах одной последовательности (одного полупериода Лп/S ) поочередно два значени  - либо шиш, либо ц) и u). После преобразовани  импульсов частотно-модулированного напр жени  в частотном детекторе 15 на выходе последнего выделитс  амплитуд но-модулированное напр жение 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 измерени , причем luj- u. )( ( гае с - суммарна  расстройка часгогы 1Ш°} измерительного генератора 1 с образповъ1м емкостным датчиком 6 в частотозадающей цепи, въгзванна  параметрами контрольного образца и аддитив ной составл ющей погрещности первичного преобразовател  и пр мого канала преобразовани  сигнала: 5 - дополнительна  расстройка часл тоты LO , вызванна  подключением к частотозадающей цепи измерительного eh cocTHoro датчика 5 с измер емым объектом и завис ща  от различи  технологических параметров измер емого объекта и контрольного д u)u), образца; 4 n - частота измерительного генератора 1, соответствующа  на частотной оси точке, симметрич- ной относительно частот uin и Ю9 опорного генератора 2. При этом предлагаетс , что в отсуттвие измер емого 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 услови  и пр.) изменени  их параметров эквивалентны. Усиленный избирательным усилителем 19, настроенным на частоту и преобразующим напр жение пр моугольной формы в синусоидальное, сигнал поступает в синхронный детектор 2О, на опортый вход которого подаетс  напр жение с генератора 8 синхросигналов частоты . Так как выход синхронного детектора 2О соединен с управл ющим входом измерительного генератора 1, то изменений амплитуды выходного сигнала детектора -(имеющего форму пакетов выпр мленных полу- ; волн длительностью Jin /С), пропорциональные измер емой величине А X , воздействуют на частоту измерительного генератора 1, измен   ее таким образом, чтобы в оба полу периода Jin/Я. (в оба такта работы измерител ) выполн лись услови  баланса частотгенераторов 1 и 2: LU - U}A tOo- UJ U)- UJ,j- UJ с точностью до ощибки некомпенсации замкнутой системы, состо щей из звеньев 7, 9, 11, 15, 19, 20, 1. Причем величина некомпенсации пропорциональна величинам |сЛ| и ( в соответствующий полупериод Jn/52. Измер емый технологический параметр, пропорциональнъй. величине Aj( , определитс ,- исход  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 формировател  II импульсов, выполн ет операции вычислени  величины по за- 5 данному соотношением (6) алгоритму, при этом на его счетный вход периодически поступают пакеты импульсов (частота следовани  пажтов;), частота которых в первый полупериод Jn/S равна ю 1ши w,а во второй полупериод. или и). Одновременно на управл ющий вход реверсивного счетчика 16 поступают синхросигналы с генератора 8 череа второй коммутатор 12, управл емый делителем 10 частоты, причем суммирование импульсов , поступающих на счетный вход, происходит при BbicoKOM уровне напр жени  синхросигнала, а вычитание - при низком.

В первый полупериодjfil/Я (режим кор-

рекции) в результате чередовани  операций сложени  и вычитани  импульсов числовое, значение кода реверсивного счетчика будет равно

. V (--).

а во второй полупериод лп/И (режим измерени ) к выходу генератора 8 синхросигналов подключаетс  фазоинвертор 13 и происходит инверси  управл ющего напр жени , т.е. очередность операций суммировани  и вычитани  изменитс  на противоположную , в результате чего показани  реверсивного счетчика измен тс  на величину35

N.,,).

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

)-()V), (7)

г 

и не будет зависеть от величины суммарной расстройки с/, котора  определ етс  45 как параметрами контрольного образца, так и аддитивной погрещностью, св занной с дрейфом первичного преобразовател  и пр мого тракта усилени  и выделени  измерительной информации.50

Как следует из описани  режимов работы реверсивного счетчика и соотнощений (6) и (7), однозначное соответствие выходно- го кода счетчика Nj( измер емому технологическому параметру д j{ будет соблю- 55 датьс  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 измер емым объектом и контрольным образцом будут одного знака. Это условие выполн етс  при соответствующем подборе параметров конт рольного образца, относительно которого ведутс  измерени .

По окончании управл ющего импульса с делител  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. Врем  индикации результата измерени  определ етс  периодом 2 Л n/S, а врем  перезаписи результата с выхода реверсивного счетчика 16 в дешифратор 21 определ етс  временем задержки блока 17, по истечении которого выходной сигнал с формировател  14 строб-импульсов, пройд  блок 17 задержки , поступит на . установочный вход рвве{ сйвного счетчика 16 и переведет все его разр ды в состо ние . О. Разр дность счетчика определ етс  максимальным числом импульсов, поступающих на его счетный вход за пшупериод Jn/ , и величиной коэффициента делени  п делител  1О, т.е., исход  из соотношени  (7-), разр дность реверсивного счетчшса должна быть не меньше, чем величина

- X max ц;, to, to, ы Дси-ш)-,

K-u;)f

Дл  простоты отсчета результата измерений коэффициент делени  п выбираетс  кратным двадцати, что приводит при считывании результата к переносу зап той . Кроме того, необходимо соблюдение услови , согласно которому частота синхросигналов должна быть меньше частоты переключаемых сигналов

f-«5 «min{u3 oj,uj,u).

Дл  .устранени  погрешности измерени 

св занной с неидентичностью параметров

Claims (2)

1. емкостных датчиков, производитс  кредварительна  установка нул . Измер емый объект и контрольный образец вывод тс  из зон чувствительности соответ ртвующих емкостных датчиков и с помощью подстроечных элементов частотозадаюших цепей измерительного 1 и опорного 2 генераторов добиваютс  выполнени  условий баланса частот генераторов (4) и (5). В этом случае частоты измерительн го генератора 1 станут равными между собой u); и установитс  равенство частот разностных сигналов 1г.,|( Ы-и UJn U) U) где uJ - среднее значение частоты разностного сигнала, выдел емого полосовым фильтром 9. Тогда, согласно выраж нию (7), показани  регистратора 22 установ тс  в О. Таким образом, использование в изме рттеле замкнутой структуры аналогового тракта позвол ет уменьшить вли ние иестабильностей пр мого канала усилени  и вьщепени  измерительной информации, а введение двухтактного режима работы с ко{фека0ей измер емого технсшогическо го параметра по образцу в цифровой части , реализующей операцию вычитани  аддитивной составл кшей погрешности из суммарного сигнала, дает возможность повысить точность измерени . Кроме того, благодар  чередованию операций суммировани  и вычитани , а также инверсии очередности этих операцйй между тактами коррекции и измерени уменьшаетс  разр дность реверсивного счетчика, при этом заданна  точность может быть обеспечена за счет увеличени  коэффициента делени  п делител  час тоты. Формула изобретени  Измеритель толщкны покрыти двукслой ных- диэлектрических материалов, содержащий измерительный и опорный генерат рЬ1, измерительный емкостный датчик, ге нератор синхросигналов, частотный модул тор , вход которого соединен с выходо генератора синхросигналов, а выход - суправл ющим входом опорного генератора, смеситель, входы которого соединены с выходами измерительного и опорного ге- , нераторов, последовательно соединенные с выходом смесител , полосовой фильтр, формирователь импульсов, частотный детектор , избирательный усилитель, синхронный детектор, опорный вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов , а выход - с управл ющим входом измерительного генератора, отличающийс  тем, что, с целью погышени  точности измерени , 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 формировател  импульсов, фазоинвергором, выход которого подключен к управл ющему входу счетчика, вторым коммутатором, вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов, а выходы соо:гветственно с входом фазоинвентора и с управл ющим входом счетчика, делителем частоты, вход которого подключен к выходу генератора синхросигналов, а выход - к управл ющим входам коммутаторов, формирователем строб-импульсов, вход которого подключен к выходу делител  частоты, блоком задержки, вход которого подключен к выходу формировател  строб-импульсов, а выход - к установочному входу счетчика , элементом И, входы которого подключены соответственно к выходу счетчика и к выходу формировател  строб-импульсов , дешифратором, вход которого под- ключен к выходу элемента И и регистратором , вход которого соединен с выходом дешифратора. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 4О48844, кл. G, О1 N 27/22, 1977.
2. 2.Авторское свидетельство СССР по за вке № 2868124/18-21 (ОО3151) кл. G01N 27/22 (прототип).