СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПЕДАНСА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ТВЕРДЫХ И ТЕКУЧИХ ОБЪЕКТОВ
SYSTEMS AND METHODS OF IMPEDANCE MEASUREMENT FOR DETERMINING COMPONENTS OF SOLID AND FLUID OBJECTS

Притязание на приоритет
Приоритет настоящей заявки основан на предварительной патентной заявке US 61/244584 под названием "Impedance sensors and their use for analyzing object’s compositions", поданной 22 сентября 2009 г. Содержание упомянутой заявке в порядке ссылки целиком включено в настоящую заявку.
Финансируемые федеральным правительством исследования
Не применимо.
Ссылка на приложение с микрофишей описания изобретения
Не применимо.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к обладающим исключительно высокой чувствительностью электрическим датчикам нового типа, позволяющим измерять физические характеристики, определять и представлять в количественной форме компоненты твердых веществ, сыпучих материалов и текучих сред. Более точно, новая техника датчиков рассчитана на новые осуществляемые в реальном времени бесконтактные методы измерений, определение и представление в количественной форме компонентов упомянутых материалов независимо от их удельной проводимости, проницаемости и отражательной способности в большинстве условий окружающей среды с применением импедансной резонансной спектроскопии.
Краткое описание изобретения
В изобретении предложен электрический резонансный датчик, который может использоваться в составе матрицы сходных по конструкции датчиков, каждый из которых содержит две катушки, одной из которых является катушка возбуждения, а другой катушкой является измерительная катушка, и находится в электромагнитном взаимодействии с объектом исследования на заданной резонансной частоте, выбранной с целью обеспечения сильной корреляции показаний датчика с интересующим параметром в диапазоне радиочастот (РЧ); и способ использования датчиков для бесконтактного определения в реальном времени физических характеристик и(или) состава объекта исследования.
Предпосылки создания изобретения
Человечество находится в постоянном поиске недорогой универсальной технологии, позволяющей в реальном времени бесконтактно контролировать многочисленные технологические процессы, окружающую среду, производство пищевых продуктов, общественную безопасность и медицинские процедуры. Например, в полупроводниковой и фотоэлектрической промышленности необходимы усовершенствованные устройства для мониторинга производственных процессов на протяжении всего изготовления интегральных схем (ИС), дисплеев с плоским экраном и панелей солнечных батарей. От измерения свойств пластин и других подложек без покрытия, мониторинга толщины пленки во время различных процессов осаждения и шлифования и до окончательного испытания ИС необходим постоянный контроль технологического процесса и измерения. Сельское хозяйство, пищевая, химическая и фармацевтическая промышленности заинтересованы в технике датчиков для контроля различных физических характеристик органических и неорганических веществ, жидкостей и многокомпонентных составов в естественных границах. В настоящем изобретении предложена новая система обладающих исключительно высокой чувствительностью датчиков, которая является основой для нового способа измерений, применимого к широкому спектру проводящих, полупроводящих и диэлектрических материалов.
Краткое изложение сущности изобретения
Согласно одной из особенностей изобретения предложен импедансный датчик резонансного типа, который представляет собой многокатушечный индуктор с разомкнутым сердечником или без стального сердечника, при этом датчик содержит по меньшей мере две катушки, одной из которых является катушка возбуждения с возможностью соединения по меньшей мере с одним источником переменного тока с качанием частоты, а другой катушкой является измерительная катушка с возможностью соединения по меньшей мере с одной системой обработки данных, после установления электрического соединения с источником тока катушка возбуждения передает энергию измерительной катушке, которая генерирует зондирующее электромагнитное поле, а индуктивно-резистивно-емкостные (LCR) параметры измерительной катушки способны обеспечивать условия резонанса для измерения импеданса объекта исследования на заданной частоте. В изобретении предусмотрены различные варианты осуществления и разновидности.
Согласно другой особенности изобретения предложена система измерения импеданса для осуществления бесконтактных и неинвазивных измерений и анализа исследуемых химических и физических свойств газообразных, текучих и твердых объектов, содержащая: (А) по меньшей мере один описанный выше импедансный датчик резонансного типа, (Б) по меньшей мере один источник переменного тока с качанием частоты, подключенный с помощью электрического соединения к упомянутой по меньшей мере одной катушке возбуждения, (В) упомянутую по меньшей мере одну систему обработки данных, поддерживающую связь с упомянутой по меньшей мере одной измерительной катушкой, при этом параметры LCR измерительной катушки обеспечивают условия резонанса для измерения импеданса объекта исследования на заданной частоте, и (Г) систему управления, поддерживающую связь с упомянутым источником переменного тока и упомянутой системой обработки данных. Предусмотрены различные варианты осуществления и разновидности.
Согласно еще одной особенности изобретения предложен способ измерения химических и физических свойств объекта импедансным датчиком резонансного типа, включающий:
(A) измерение частоты и амплитуды авторезонанса датчика(-ов),
(Б) использование объекта исследования, содержащего по меньшей мере одно анализируемое вещество,
(B) измерение резонансной частоты и амплитуды датчика в присутствии упомянутого объекта,
(Г) вычисление изменений амплитуды и резонансной частоты, вызванных электромагнитным взаимодействием между датчиком и объектом, с целью определения импеданс объекта исследования, и
(Д) сопоставление импеданса с предварительно заданными данными калибровки с целью определения химических и физических свойств объекта исследования.
Предпочтительным импедансным датчиком является описанный выше датчик, согласно изобретению.
Часто необходимы неразрушающие бесконтактные измерения и(или) контроль в месте нахождения различных многокомпонентных текучих сред (например, воды, крови, суспензий, различных растворителей и т.д.) и мониторинг их загрязнения металлами, органическими и неорганическими веществами. Это является обычной задачей во многих технологических процессах во множестве отраслей промышленности, включая химическую, полупроводниковую, фармацевтическую промышленность, медицину, сельское хозяйство, технологию производства пищевых продуктов и т.д. Предлагаемые системы и способы позволяют обнаруживать очень небольшие изменения не только в однокомпонентных структурах и текучих средах, но также в большинстве многокомпонентных материалов, многослойных структур и жидкостей, содержащих растворенные и(или) гомогенизированные составляющие.
Настоящее изобретение относится к системе датчиков (устройству) из одного или матрицы (группы) датчика(-ов) импедансного типа, которая позволяет бесконтактным методом исследовать в основном гармоническими высокочастотными электромагнитными полями объект исследования и анализировать комплексную реакцию объекта на зондирующее поле датчика.
Изобретение в основном относится к широкому спектру систем и способов работы датчиков для измерения физических параметров и(или) химических составляющих и их распределения в составном твердом, жидком, газообразном объекте исследования или их сочетании. Изобретение может применяться практически во всех областях, включая электроэнергетику, сельское хозяйство, пищевую, текстильную, фармацевтическую, фотоэлектрическую и полупроводниковую промышленность, производство медицинского оборудования, химическую и нефтехимическую промышленность, металлургию, национальную безопасность.
В частности, в настоящем изобретении предложена структура новой РЧ системы измерения импеданса и датчиков для бесконтактного измерения (анализа) в реальном времени (на месте) состава различных материалов, включая тонкие и толстые пленки и слои в ходе множества производственных процессов (например, PVD, CVD, ECD, СМР и т.д.) при изготовлении полупроводников, дисплеев с плоским экраном, фотоэлектрического оборудования и дисководов, в материаловедении и т.д. Кроме того, в настоящем изобретении предложены новый способ и устройство (аппаратура) для исследования жидкостей, растворителей и анализа газов в химической промышленности, технологии производства пищевых продуктов, сельском хозяйстве и других отраслях, а также в испытательных лабораториях.
Система датчиков по существу сканирует объект исследования путем генерирования напряжений развертки вблизи предварительно выбранных частот. Для обеспечения максимальной чувствительности и разрешающей способности каждый импедансный датчик сконструирован таким образом, чтобы его резонансной частотой в присутствии объекта исследования являлась одна из упомянутых предварительно выбранных частот.
Импедансные датчики способны контролировать ряд заданных параметров (характеристик или свойств) объекта путем измерения реакции объекта на изменения электромагнитного поля датчиков, отображаемые изменением (величины) dV резонансной амплитуды, сдвигом dFr резонансной частоты и в некоторых случаях углами D ϕ сдвига фаз на множестве предварительно выбранных частот.
Блок обработки данных способен сравнивать и анализировать статистически отфильтрованную реакцию комплекса объект-датчик на выходные параметры импедансного датчика (V, dV, и Fr, dFr и ϕ, d ϕ). Блок обработки данных сохраняет в памяти контрольные данные и алгоритм их использования. Контрольные данные получают в процессе (обычно именуемом калибровкой) измерения сходных объектов с известными свойствами. Алгоритм служит для сопоставления выходных сигналов датчика с представленной в количественной форме характеристикой(-ами) исследуемого свойства и может предусматривать интерполяция, решение системы уравнений, поиск в справочных таблицах и т.д.
В соответствии с настоящим изобретением импедансные датчики прямого действия могут быть сконструированы в виде цилиндрических или плоских индукторов без стального сердечника в одном из вариантов осуществления и в виде ферритовых индукторов со стальным сердечником в другом варианте осуществления. Каждый из этих датчиков имеет по меньшей мере одну обмотку, именуемую катушкой возбуждения, и по меньшей мере одну обмотку, именуемую измерительной катушкой. Катушка возбуждения соединена (связана) с выходом генератора качания и обеспечивает электромагнитную накачку резонансного контура, представленного измерительной катушкой. Измерительная катушка генерирует зондирующее электромагнитное поле, воспринимает влияние на упомянутое поле со стороны объекта исследования и передает информацию об этом влиянии многоканальной системе измерений и обработки данных (анализа сигналов).
Импедансные датчики, генератор качающейся РЧ и система обработки данных рассчитаны на действие в качестве высокоскоростной самонастраивающейся системы с замкнутым контуром, непрерывно ведущей поиск резонансной частоты комплекса системный (единичный) датчик-объект, вычисляющей и представляющей заданные параметры и характеристики объекта в (онлайновом) режиме реального времени.
Предполагается, что преимущество настоящего изобретения заключается в высокочувствительном измерении импеданса с использованием электрического резонансного контура и выгод электрохимической импедансной спектроскопии и релаксационной спектроскопии диэлектрических потерь, которые обеспечивают способ определения оптимальных рабочих частот для измерений импеданса.
Высокочувствительное измерение импеданса достигается за счет использования усовершенствованного резонансного контура, состоящего только из катушки. Поскольку заданными параметрами измерения импеданса являются активная емкость и емкостное сопротивление объекта исследования, наибольшая чувствительность может быть достигнута путем сведения к минимуму по мере возможности собственного сопротивления и собственной емкости измерительной катушки. Другим усовершенствованием является использование катушки возбуждения для переноса энергии в измерительную катушку путем исключения влияния импеданса источника генератора на измерительный резонансный контур.
Из уровня техники известно использование множество частот для определения химических и(или) физических свойств путем измерения электрического импеданса объекта, но неясно, как выбираются частоты. В настоящем изобретении предложен новый усовершенствованный подход. Для определения рабочей частоты каждого импедансного датчика системы датчиков используется импедансный спектрометр.
Далее описана процедура создания системы датчиков, включающая:
А) получение серии образцов с известным составом заданных компонентов в пределах возможных разновидностей объекта исследования,
Б) определение спектра электрического импеданса для каждого из образцов путем просмотра широкого диапазона частот,
В) анализ упомянутых спектров с целью нахождения множества частот, на которых различие между спектрами соответствует изменению доли заданных компонентов, и упомянутые компоненты в различной степени влияют на импеданс, при этом число выбранных частот должно быть по меньшей мере равно числу исследуемых компонентов,
Г) конструирование множества датчиков с рабочими частотами, исходя из результатов стадии В,
Д) установку упомянутого множества датчиков вблизи объекта исследования,
Е) сбор и сохранение данных калибровки с использованием серии образцов, полученных на стадии А, и
Ж) разработку и применение алгоритма обработки данных.
Описанные усовершенствования позволили создать новый измерительный датчик с максимальной возможной чувствительностью на РЧ. На фиг.17 и 23 проиллюстрирована шкала чувствительности при использовании традиционных и предложенных способов. Предложенная система датчиков и способ измерений обеспечивают значительно более высокую чувствительность, чем все известные электрические способы. Повышение уровня чувствительности изменяется от случая к случаю в зависимости от применения. В некоторых случаях применения повышение чувствительности может измеряться не процентами, а порядками величин.
Краткое описание чертежей
Изобретение описано на примере конкретных вариантов его осуществления. Рассмотренные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны специалистам в данной области техники из следующего далее подробного описания предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
на фиг.1 показана упрощенная эквивалентная схема импедансного датчика согласно настоящему изобретению и реакция объекта исследования,
на фиг.2 проиллюстрирована реакция диэлектрического объекта исследования на вихревое электрическое поле, когда объект расположен снаружи датчика,
на фиг.3 проиллюстрирована реакция диэлектрического объекта исследования вихревое электрическое поле, когда объект расположен внутри датчика,
на фиг.4 проиллюстрирована реакция проводящего объекта исследования на вихревое электрическое поле, когда объект расположен снаружи датчика,
на фиг.5 проиллюстрирована реакция диэлектрического объекта исследования на линейное электрическое поле, когда объект расположен внутри датчика,
на фиг.6 показан вид в разрезе импедансного датчика (цилиндрического типа) согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.7 показан вид в разрезе импедансного датчик (бобинного типа) согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.8 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, предназначенный для исследования протекающей по трубе жидкости с использованием матрицы импедансных датчиков, имеющих три различные частоты,
на фиг.9 показан общий вид матрицы импедансных датчиков согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения с использованием двух обводных участков, при этом свойства исследуемой текучей среды могут контролироваться несколькими различными импедансными датчиками (обводной участок может периодически опорожняться для калибровки и внесения поправки на отложения на стенках),
на фиг.10 показан вид в разрезе импедансного датчика (ферритового горшкового типа) согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения для исследования твердого объекта,
на фиг.11 показан вид в разрезе импедансного датчика (ферритового горшкового типа) согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения для исследования жидкостей и сыпучих материалов,
на фиг.12 показан один из вариантов осуществления бесконтактного датчика согласно настоящему изобретению для исследования жидкостей и сыпучих материалов с использованием катушки возбуждения и измерительной катушки, охватывающих объект исследования,
на фиг.13 показан общий вид планарного датчика согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.14 показана блок-схема системы датчиков согласно настоящему изобретению,
на фиг.15 показан снимок экрана дефектоскопа, иллюстрирующий выходные сигналы предложенной в настоящем изобретении системы измерения импеданса в случае кремниевой пластины без покрытия и в случае такой же кремниевой пластины, покрытой алюминиевой фольгой толщиной 5000 ангстрем,
на фиг.16 показана диаграмма, иллюстрирующая результаты испытаний системы датчиков согласно настоящему изобретению на образцах дистиллированной воды и водопроводной воды,
на фиг.17, 18 и фиг.19 показаны диаграммы, иллюстрирующие результаты испытаний системы датчиков согласно настоящему изобретению в диапазоне частот 17-20 МГц на образцах дистиллированной воды с различной концентрацией хлорида натрия (NaCl),
на фиг.20 и 21 показана диаграмма, иллюстрирующая результаты исследований с помощью системы датчиков согласно настоящему изобретению кремниевых пластин с различной толщиной алюминиевой фольги,
на фиг.22 показана диаграмма, иллюстрирующая результаты испытаний системы датчиков настоящего изобретения на примере исследования загрязнение воды ртутью,
на фиг.23 показаны амплитудно-частотные характеристики в диапазоне частот 17-20 МГц датчика согласно настоящему изобретению с конденсатором емкостью 20 пФ на примере водных растворов с различной концентрацией NaCl,
на фиг.24 показаны максимумы амплитудно-частотных характеристик датчиков согласно вариантам осуществления настоящего изобретения с конденсатором емкостью 20 пФ и системы датчиков без дополнительного емкостного сопротивления в качестве функции концентрации NaCl в воде.
Подробное описание
Из ряда патентов известны устройства и способы определения компонентов текучих сред с использованием электрических резонансных контуров. В патенте US 7219024 описано определение плотности и содержания влаги путем электромагнитного зондирования. В патенте US 6511851 описан способ обнаружения изменений состава жидкости с использованием контура резонансных частот. В международной патентной заявке WO 2008076453 описан датчик, индуктор и конденсатор которого используется для контроля содержания этанола/спирта в топливе для автомобильных двигателей. В патентной заявке US 20080143345 описан индуктивный датчик для устройства контроля раствора мочевины в топливе для транспортных средств, установленном на баке с мочевиной транспортного средства с использованием избирательного каталитического восстановления.
В других патентах описаны устройства и способы определения физических и химических характеристик и их распределения с использованием электрохимической импедансной спектроскопии (EIS) и релаксационной спектроскопии диэлектрических потерь (DRS). В патентной заявке US 20090027070 описана контрольная аппаратура и способ электрохимической импедансной спектроскопии с использованием двойных датчиков для определения целостности покрытий различных подложек. В патенте US 4433286 описана идентификация материалов на основании их диэлектрической реакции. В патенте US 7514938 описано устройство для релаксационной спектроскопии диэлектрических потерь и способ его применения для неинвазивного определения присутствия или концентрации анализируемого вещества в образце.
Известно множество методов, которые предлагались для определения толщины, однородности, состава и загрязнения тонких и толстых слоев. В полупроводниковой промышленности приняты оптические способы, такие как эллипсометрия. Они чаще всего используются для исследования проницаемых слоев. Рентгеновская техника является дорогостоящей, связана с проблемами техники безопасности и имеет ограниченное применение на производственных линиях.
Другие способы, включающие использование точечных датчиков переменного и постоянного тока, емкостных датчиков (патент US 7332902), метода индуктивных вихревых токов (патентные заявки US 200501566042 и 20090079424) и т.п., зависят от разнообразных сложных для контроля факторов. В нескольких патентах описаны усовершенствованные способы анализа индуктивными методами и методами РЧ измерения импеданса (например, US 6593738 и US 6891380). Способы на основе электрических измерений, которые требуют электрических соединений с исследуемым тонким слоем, что часто отражается на исследуемом объекте, или являются бесконтактными, отличаются низкой скоростью и малой чувствительностью.
Предполагается, что применение оптических способов часто ненадежно при исследовании непрозрачных или непроницаемых слоев или пакетов проницаемых слоев. Исследования дополнительно усложняются из-за оптических свойств слоев (коэффициента преломления, коэффициента экстинкции и т.д.) и из-за неровности поверхности исследуемых и(или) нижележащих слоев.
Кроме того, известные из техники методы не позволяют с высокой точностью определять толщину исследуемого отдельного слоя(-ев) внутри композитных многослойных объектов. Большинству этих известных методов присущ один или несколько недостатков, таких как скорость измерений, оптические свойства и удельная проводимость материалов. Помимо этого, некоторые из них являются разрушающими и(или) требуют непосредственного контакта, что крайне нежелательно.
Существующие устройства для оптической, рентгеновской и импедансной спектроскопии являются громоздкими, чрезмерно дорогими и не приспособлены для измерений на месте.
Без связи с какой-либо конкретной теорией отметим, что традиционно измерительным резонансным контуром является электрическая схема, состоящая по меньшей мере из двух элементов: индуктора и конденсатора, соединенных друг с другом с помощью электрического соединения. Предполагалось, что для доведения до максимума чувствительности резонансного контура к электрическому импедансу объекта исследования необходимо свести к минимуму емкость и сопротивление резонансного контура. Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что традиционная электрическая схема, состоящая из индуктора и конденсатора, может быть заменена одним индуктором. Чтобы служить датчиком, такой индуктор (индукционная катушка) должен не иметь сердечника или иметь с сердечник разомкнутого типа. Основным элементом индуктора является измерительная катушка, параметры которой определяют рабочую частоту предложенного в изобретении датчика. Чувствительность датчика может быть дополнительно повышена за счет использования однослойной катушки со значительным шагом между витками или использования корзиночной намотки для уменьшения собственной емкости измерительной катушки.
Без связи с какой-либо конкретной теорией существенной особенностью, которая, как полагают авторы изобретения, способствовала высокой чувствительности предложенного в изобретении датчика, является то, что источник переменного тока электрически сепарирован от измерительной катушки, чтобы исключить или свести к минимуму влияние импеданса источника на чувствительность датчика. Это было достигнуто за счет использования катушки возбуждения для электромагнитного переноса энергии из источника переменного тока в измерительную катушку.
Другой важной особенностью конструкции предложенного датчика, которая не известна из уровня техники, является требование высокого импеданса на входе модуля обработки данных. Для достижения высокой чувствительности датчика входной импеданс должен быть исключительно высоким (например, предложенное в изобретении устройство сбора данных имеет входное сопротивление 10 Гигаом). Корректность такого требования можно доказать следующей формулой:
2
W=V/R в которой,
W означает рассеяние энергии на входное сопротивление устройства сбора данных,
V означает напряжение полезного сигнала (для устройства сбора данных (DAQ) согласно изобретению оно составляет 0,5-11 вольт),
R означает входное сопротивление контрольно-измерительной аппаратуры, соединенной с измерительной катушкой (например, аппаратуры сбора данных).
Из приведенной формулы ясно, что рассеяние уменьшается при использовании более высокого входного сопротивления. Например, при замене устройства сбора данных с сопротивлением 10 Гигаом стандартным осциллоскопом (даже оснащенного аттенюатором с сопротивлением 10 мегаом) наблюдалось резкое падение чувствительности датчика.
В ряде упомянутых патентов (US 4058766, US 4433286, US 6669557, US 7219024) для определения различных химических и физических свойств различных объектов путем измерения электрического импеданса используется множество частот, но ни в одном из них не описаны критерии определения используемых частот. С целью поиска оптимальных рабочих частот датчиков для системы определения состава в настоящем изобретении используется феномен изменения свойства импеданса при изменении частоты. Данные импеданса объекта на различных частотах, найденные путем импедансной спектроскопии, позволили создать систему импедансных датчиков для определения состава жидких растворов, газовых смесей, твердых составных объектов, многослойных объектов или для контроля изменений состава таких объектов.
На фиг.1 показана упрощенная эквивалентная схема импедансного датчика согласно настоящему изобретению и реакция объекта исследования. Импедансный датчик изображен сплошными линиями. Он состоит из источника 11 переменного тока с качанием частоты, катушки 12 возбуждения, измерительной катушки 13 и системы 14 обработки данных.
Функция катушки возбуждения заключается в накачке измерительной катушки электромагнитной энергией и сепарации измерительного резонансного контура от импеданса источника переменного тока.
Измерительный резонансный контур согласно настоящему изобретению состоит только из измерительной катушки и может быть описан параметрами этой катушки: индуктивностью, межвитковой емкостью и активным сопротивлением.
Импедансный датчик согласно особенностям настоящего изобретения обеспечивает малую емкость. Может быть желательным снизить емкость до минимальной практически достижимой величины.
7
15
Измерительная катушка связана с высокоимпедансным (предпочтительно в интервале от около 10 до около 10 Ом) входом системы обработки данных.
-6
-14
Анализ эквивалентной схемы импедансного датчика согласно настоящему изобретению показывает, что ток на выходе измерительной катушки обычно является очень слабым (в интервале 10-10 A).
Реакция объекта исследования показана пунктирными линиями. Реакции объекта можно представить тремя эквивалентными электрическими схемами 15, 16 и 17.
Переменное магнитное поле измерительной катушки генерирует вихревое электрическое поле Е, которое в свою очередь индуцирует вихревые токи различного типа.
Если измерительная катушка расположена в непосредственной близости от диэлектрического твердого объекта, эквивалентная схема 15 состоит из результирующих параметров L, R и С. Импеданс схемы 15 отражает сопротивление вихревым токам смещения, генерируемым вихревым электрическим полем Е, и рассеяние энергии вследствие чередующейся диэлектрической поляризации (фиг.2).
Такие же результирующие параметры отражают реакцию на вихревые токи смещения в трубке, заполненной диэлектрической текучей средой. В этом варианте осуществления показано, что объект окружен измерительной катушкой (фиг.3).
В случае как твердых, так и текучих проводящих объектов эквивалентная электрическая схема 16 может иметь только два результирующих параметра L и R. Эти параметры отражают сопротивление как вихревым, так и ионным токам, создаваемым вихревым электрическим полем Е, и рассеяние энергии вследствие вихревых токов (фиг.4).
Переменное линейное электрическое поле Е измерительной катушки также индуцирует линейные токи различных типов. Проводящие и диэлектрические объекты создают емкостную связь датчика и объекта, и эту зависимость отражает эквивалентная электрическая схема 17. Импеданс отражает сопротивление объекта линейным токам, токам смещения или ионным токам, генерируемым градиентом электрического потенциала измерительной катушки (фиг.5) или разностью потенциалов катушки и объекта исследования (не показан).
Описание вариантов осуществления
Обратимся к фиг.6, на которой показан вид в разрезе датчика согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, который может не иметь бобины или может иметь опорный элемент 63, в целом выполненный в виде короткой трубки из непроводящего материала, такого как фторполимеры, с минимальной диэлектрической постоянной (ε~2) на высокой РЧ. Для дополнительного сведения к минимуму емкости датчика, опорный элемент 63 должен иметь тонкие стенки.
На первый (верхний) участок опорного элемента 63 опирается катушка 61 возбуждения, которая может иметь всего один или несколько витков относительно толстой медной проволоки. Один вывод катушки возбуждения заземлен, а второй вывод соединен с низкоимпедансным выходом генератора качающейся РЧ (не показан).
На второй участок опорного элемента опирается измерительная катушка 62. Эта катушка содержит более тонкую медную проволоку, чем катушка возбуждения. Кроме того, расстояние между витками у этой катушки может быть переменным с возможностью механической настройки (изменения) емкости и индуктивности катушки. Тем самым может регулироваться рабочая частота импедансного датчика.
Показано, что первый вывод измерительной катушки 62 расположен вблизи катушки 61 возбуждения и также заземлен. Второй вывод измерительной катушки соединен с высокоимпедансным входом многоканальной системы измерения и обработки данных. Концевая часть измерительной катушки 62 расположена в непосредственной близости от объекта исследования 64, который может являться твердым или текучим. Катушка возбуждения и измерительная катушка имеют намотку в противоположных направлениях с целью получения однонаправленного магнитного поля у обеих катушек во время переноса энергии из катушки возбуждения в измерительную катушку и обеспечения их электрической сепарации.
В зависимости от диаметра катушки и числа витков измерительной катушки в вариантах осуществления может быть предусмотрен широкий интервал рабочих частот. Этот интервал может быть поделен на два диапазона: а) рабочие частоты <50 МГц, которые используются для исследований проводящих объектов, и б) рабочие частоты от 50 МГц до 1 ГГц, которые используются для исследований диэлектрических и полупроводящих объектов.
На фиг.7 проиллюстрирована альтернативная конструкция опорного элемента импедансного датчика. Опорный элемент 73 "бобинного типа" позволяет обеспечивать большее число витков у измерительной катушки 72 и использовать более тонкую проволоку для этой катушки. Катушка 71 возбуждения имеет всего один виток. Предусмотренное по центру бобины отверстие позволяет использовать этот датчик с оптическим датчиком 74 перемещений (присутствия) для контроля расстояния от катушки до пленки 76, нанесенной на подложку 75.
Настоящее изобретение может иметь множество применений, связанных с измерением толщины тонких изолирующих, проводящих и полупроводящих слоев пластин, дисплеев с плоским экраном, панелей солнечных батарей и т.д. Решающим фактором в этом случае является расстояние (или зазор) между импедансным датчиком и заданным слоем объекта исследования.
На фиг.8 показан общий вид другого варианта осуществления настоящего изобретения с использованием матрицы из трех импедансных датчиков 81-83, работающих на различных частотах. Матрица датчиков согласно этому варианту осуществления позволяет одновременно контролировать по меньшей мере три компонента интересующих жидкостей.
Импедансные датчики с катушками бобинного типа устанавливают на участках трубы 84, по которой транспортируется исследуемая жидкость (газ или сыпучий материал). Датчики могут размещаться на достаточно больших расстояниях друг от друга для предотвращения существенных взаимных или перекрестных помех. Кроме того, датчики могут действовать попеременно. В некоторых вариантах осуществления расстояние может быть по меньшей мере равно радиусу наибольшей соседней бобины или превышать его.
В этом варианте осуществления каждый из импедансных датчиков матрицы имеет собственную (индивидуальную) рабочую частоту, характерную для каждого заданного компонента. Матрица датчиков соединена с контроллером системы измерения импеданса (не показан).
На фиг.9 показан вид в разрезе другого варианта осуществления настоящего изобретения с использованием матрицы датчиков для контроля текучей среды (например, жидкости), которая содержит интересующие компоненты. Текучая среда перемещается по диэлектрической трубе большого диаметра (например, 3 дюйма или более) или проводящей трубе 97 любого диаметра. Импедансные датчики 93, 94, 95 и 96 установлены на двух меньших обводных трубах 91 и 92 (их число может быть различным), диаметр которых может быть выбран в зависимости от применения. Каждый из датчиков имеет собственную резонансную частоту, характерную для каждого интересующего компонента.
Преимуществом этого варианта осуществления заключается в использовании обводных труб, диаметры которых соответствуют оптимальному диаметру катушек импедансного датчика (индуктивности/рабочей частоты), необходимой для исследования заданного компонента. Кроме того, обводные трубы помогают обеспечивать соответствующее расстояние между датчиками, работающими в узком интервале резонансных частот. В этом варианте осуществления могут быть сведены к минимуму Перекрестные помехи и взаимодействие между несколькими импедансными датчиками.
Обводные трубы могут иметь открывающиеся и закрывающиеся клапаны, позволяющие осуществлять периодическое техническое обслуживание, включая калибровку и очистку стенок от отложений.
На фиг.10 показан вид в разрезе другого варианта осуществления настоящего изобретения, в котором как катушка 101 возбуждения, так и измерительная катушка 102 помещаются внутри ферритового горшка 103. В этом варианте осуществления импедансный датчик может находиться в непосредственной близости от объекта исследования 104 (например, такого как подложка с нанесенным металлическим слоем 105). В этом варианте осуществления ферритовый горшок открыт в направлении объекта и обеспечивает сильный магнитный поток в направлении объекта исследования.
В дополнительных вариантах осуществления в зависимости от требований применения могут использоваться ферритовые сердечники других форм, таких как однототавровая, С-образная или U-образная или Е-образная форма. В любом случае ферритовые сердечники способны повышать чувствительность импедансного датчика, в особенности, при исследовании проводящих и низкоомных объектов.
На фиг.11 показан вид в разрезе другого варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется такой же датчик, как и на фиг.10, но установленный на стенке резервуара 114 с исследуемым объектом 115 в виде жидкости или сыпучего материала. Датчик имеет катушку 111 возбуждения и измерительную катушку 112, которые помещаются внутри ферритового горшка 113.
На фиг.12 показан один из вариантов осуществления устанавливаемого на резервуарах бесконтактного датчика согласно настоящему изобретению (с катушкой возбуждения и измерительной катушкой, которые охватывают объект исследования) для исследования жидкостей, газов и сыпучих материалов. Этот датчик состоит из регулируемого генератора 121 качающейся РЧ, катушки 122 возбуждения, измерительной катушки 123, устройства 124 сбора данных и контроллера 125 с системой обработки данных.
На фиг.13 показан общий вид другого варианта осуществления настоящего изобретения, в котором импедансный датчик сконфигурирован в виде двух концентрических планарных индукторов. Внутренний индуктор представляет собой измерительную катушку с множеством витков, один вывод 131 которой заземлен, а второй вывод 132 может быть соединен с контроллером (не показан). Наружный индуктор может представлять собой катушку возбуждения, один вывод 131 которой заземлен, а другой вывод 133 соединен с источником переменного тока с качанием частоты.
Планарный импедансный датчик может быть изготовлен методом литографии путем нанесения обоих индукторов на твердую жесткую или гибкую изолирующую подложку. Датчик этой конструкции имеет ряд преимуществ, таких как малый размер, простота монтажа (крепления) на объектах, таких как трубы, и низкая стоимость.
На фиг.14 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором матрица из N импедансных датчиков соединена с системным контроллером. На фиг.14 показана упрощенная блок-схема системы датчиков с контроллером согласно настоящему изобретению.
Катушки возбуждения (не показаны) каждого импедансного датчика соединены с выходами необходимого числа генераторов качающейся РЧ (ГРЧ). Измерительные катушки каждого датчика соединены с высокоимпедансными входами многоканальной системы обработки данных (МСОД) в контроллере.
ГРЧ и МСОД соединены с системой управления, которая управляет обменом информацией, сканированием, представлением результатов контрольных измерений и другими функциями. Система управления может иметь несколько необязательных датчиков коррекций (например, используемых для контроля температуры, влажности и т.п. окружающего воздуха и(или) текучей среды). Контроллер также может иметь интерфейсный модуль для обмена сигналами (информацией) с приборным контроллером, станком или производственной системой более высокого уровня.
Результаты измерений в реальном времени могут отображаться контроллером и(или) использоваться в качестве сигналов обратной связи для автоматизированной системы управления приборами или станками с замкнутым контуром. Этим способом может автоматически регулироваться и поддерживаться в необходимых технологических пределах заданный параметр(-ы) объекта исследования.
Напряжение/ток на выходе ГРЧ может корректироваться в зависимости от электрических и физических свойств объекта исследования. Например, для измерения толщины проводящей металлической пленки используется катушка возбуждения с более сильным током/высоким напряжением, которая обеспечивает повышенную чувствительность и разрешающую способность системы датчиков.
Система обработки данных способна информацию, поступающую от ГРЧ, датчиков S1-SN и системы управления. Результаты задают характерную резонансную частоту Fro и амплитуду Uo напряжения для каждой системы "объект-датчик". На основании этой информации и алгоритмов калибровки МСОД (многоканальная система обработки данных) преобразует значения Fro и Uo в единицы изменения заданных физических или химических параметров, таких как толщина пленки, концентрация компонентов жидкостей, диэлектрическая постоянная слоев и т.п. Это преобразование для двух параметров может быть проиллюстрировано следующей системой уравнений:
,
в которой
Х означает первый заданный параметр (такой как толщина пленки),
Y означает второй параметр (такой как объемная удельная проводимость пластины),
k11 и k12 означают весовые коэффициенты частот,
k21 и k22 означают весовые коэффициенты выходного напряжения.
Коэффициенты k11, k21, k12 и k22, которые обычно определяют методом калибровки, затем могут быть извлечены из памяти МСОД, где они обычно хранятся. Процедура калибровки предусматривает исследования контрольных образцов с известными значениями заданного параметра(-ов) и вычисление статистически значимых весовых коэффициентов с использованием полученных данных.
Примеры
Приведенные далее примеры имеют целью проиллюстрировать различные применения настоящего изобретения, а не ограничить его объем. Специалисты в данной области техники могут использовать описание и идеи настоящего изобретения для создания альтернативных вариантов осуществления без чрезмерного экспериментирования. Каждый из этих вариантов осуществления считается входящим в настоящее изобретение.
Пример 1
Исследование кремниевой пластины без покрытия и такой же пластины, покрытой алюминиевой фольгой толщиной 5000 ангстрем
На фиг.15 показан снимок экрана дефектоскопа, иллюстрирующий выходной сигнал 151 импедансного датчика в интервале частот от 32 МГц до 43 МГц в присутствии кремниевой пластины без покрытия. Резонансной частотой является 33,8 МГц, резонансной амплитудой является 10067 мВ. Кривой 152 обозначена амплитудно-частотная характеристика того же импедансного датчика в присутствии такой же кремниевой пластины, покрытой алюминиевой фольгой толщиной 5000 ангстрем. В этом случае резонансной частотой является 41 МГц, а резонансной амплитудой является 1673 мВ. Сравнение кривых 151 и 152 показывает, что резонансные частоты и, в частности, амплитуды напряжения сильно различаются. Этот пример иллюстрирует высокую чувствительность новой системы измерения импеданса в соответствии с настоящим изобретением.
Пример 2
Исследование образцов дистиллированной и водопроводной воды
На фиг.12 показано испытательное приспособление для калибровки и измерения переменных концентраций различных компонентов жидкости (воды согласно примеру), у которого импедансный датчик охватывает небольшой пробоотборник, предпочтительно изготовленный из тефлона.
На фиг.16 показана диаграмма результатов испытаний в различных условиях: кривая 161, когда в пробоотборнике отсутствовала жидкость, кривая 162, когда пробоотборник был заполнен дистиллированной водой, и кривая 163, когда пробоотборник был заполнен водопроводной водой. Если сравнить результаты исследования пробоотборника с дистиллированной водой и пустого пробоотборника, наблюдалось относительно небольшое изменение выходной амплитуда датчика. Имело место более значительное смещение резонансной частоты от 12,5 МГц для пустого пробоотборника до 11 МГц для пробоотборника с дистиллированной водой. Тем не менее, в случае водопроводной воды произошло резкое изменение как амплитуды, так и резонансной частоты. Этот результат объясним, поскольку удельное сопротивление дистиллированной воды при 25°C составляет около 18,2-40 МОм-см, а водопроводной воды обычно менее 0,1 МОм-см.
Этот пример демонстрирует очень высокую чувствительность новой системы измерения импеданса и показывает, что могут быть обнаружено и представлено в количественной форме даже очень небольшое загрязнение жидкого объекта.
Пример 3
Определение различных концентраций NaCl в воде
С целью определения соответствующих рабочих частот для растворов хлорида натрия (NaCl) в воде были проведены предварительные исследования путем измерения гармонического электромагнитного в широком интервале рабочих частот: 20 МГц, 70 МГц, 370 МГц и 480 МГц. Наилучший результат был получен на частотах вблизи 20 МГц.
Для импедансного датчика были выбраны частоты в интервале 17-20 МГц. В описанном далее примере определили амплитудно-частотную характеристику для различных концентраций NaCl. На фиг.17 показана диаграмма результатов этих измерений. Как показано на диаграмме амплитудно-частотной характеристика, можно легко различить растворы, содержащие различные концентрации NaCl. При использовании дистиллированной воды (заштрихованные ромбы) была зарегистрирована наибольшая амплитуда на частоте около 19,6 МГц, при наименьшей концентрации NaCl была получена меньшая амплитуда, чем в случае дистиллированной воды, а с увеличением концентраций NaCl амплитуда снижалась, при этом частота при максимальной амплитуде снижалась, пока концентрация не достигла 0,1%. Кроме того, ясно видно, что при концентрации NaCl 1% амплитуда превышала амплитуду при более низких концентрациях. Эти результаты демонстрируют способность новой системы измерения импеданса с высокой разрешающей способностью определять концентрации компонентов жидкостей в широком интервале концентраций.
На фиг.18 показана зависимость резонансной амплитуды импедансного датчика от концентрации NaCl. На фиг.19 показана такая же зависимость с представлением концентрации NaCl в виде логарифмической шкалы.
Пример 4
Измерение толщины тонкой алюминиевой фольги на кремниевых пластинах
На фиг.20 представлены результаты измерений толщины алюминиевой фольги (в ангстремах). В системе датчиков использовали резонансный датчик с разомкнутым сердечником, аналогичный датчику, показанному на фиг.7. Диапазон частот был задан в интервале от 34 МГц до 43 МГц. Нулевая точка на диаграмме соответствует кремниевой пластине без покрытия из алюминиевой фольги.
На фиг.21 показаны такие же результаты с представлением толщины алюминиевой фольги в виде логарифмической шкалы.
Пример 5
Определение содержания ртути в воде
Одним из наиболее опасных загрязнителей питьевой воды является ртуть. Загрязнение ртутью исключительно опасно даже в самых малых концентрациях.
Соответственно, была проведена серия исследований с целью определения концентрации ртути (Hg) в воде.
В ходе одной группе исследований был определен диапазон частот, при которых концентрация ионов ртути (Hg+) в дистиллированной воде приводит к значительному изменению амплитудно-частотной характеристики. Эта частота задает контрольные значения L, С и R при конструировании катушки. Измерительная катушка может быть сконструирована согласно хорошо известным правилам с учетом конкретного размещения. Кроме того, для достижения максимальной чувствительности может быть желательным поддерживать собственную емкость С измерительного контура на минимальном уровне. Описанные далее исследования были проведены с использованием упомянутого датчика.
На фиг.22 показана диаграмма, иллюстрирующая амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) образцов с различными концентрациями Hg+ в дистиллированной воде. Результаты испытаний ясно демонстрирую способность системы измерения импеданса согласно настоящему изобретению определять концентрации Hg+ в дистиллированной воде при содержании ртути вплоть до 1 части/млрд.
Пример 6
Снижение чувствительности IRT-датчика при использовании конденсатора в резонансной схеме
Чтобы подтвердить сделанный выше вывод о влиянии емкости резонансного устройства для измерения импеданса на модуляцию амплитудно-частотных характеристик в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, была проведена серия исследований с использованием растворов NaCl, описанных в Примере 3, но при этом в резонансную схему устройства входил конденсатор.
На фиг.23 показан диаграмма, иллюстрирующая амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), полученные при использовании IRT-датчика, имевшего приблизительно в 4 раза меньше витков обмотки, чем датчик из Примера 3, а также дополнительно оснащенного конденсатором емкостью 20 пФ. При использовании этого модифицированного датчика с дополнительным конденсатором было довольно неожиданно обнаружено, что для каждого из растворов NaCl были получены почти идентичные амплитудно-частотные характеристик без заметных различий в амплитуде или частоте, на которой наблюдалась максимальная амплитуда.
На фиг.24 показаны максимумы амплитудно-частотных характеристик датчиков с использованием и без использования дополнительного конденсатора. Ясно видно, что в вариантах осуществления с дополнительным конденсатором (не заштрихованные окружности) значительно сужен интервал полезных сигналов (колебаний резонансной частоты и амплитуды) по сравнению с датчиками без конденсаторов. В отличие от этого, было теоретически обнаружено, что системы резонансных датчиков для измерения импеданса без емкостного сопротивления имеют очень широкий интервал полезных сигналов.
Этот пример демонстрирует, что системы и способы согласно настоящему изобретению имеют значительно более высокую чувствительность, чем известные системы датчиков. Соответственно, путем применения систем и способов согласно настоящему изобретению можно обеспечивать отсутствие нежелательного загрязнения различных продуктов и материалов.
Промышленная применимость
Предложенные в изобретении устройства и способы могут применяться во множестве отраслей, включая электроэнергетику, сельское хозяйство, пищевую, текстильную, фармацевтическую, фотоэлектрическую и полупроводниковую промышленность, медицинское оборудование, химическую и нефтехимическую промышленность, материаловедение и оборонную промышленность, в которых желателен контроль и(или) анализ различных свойств материалов.