ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ И МАССЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛОСКИХ ИЗДЕЛИЙ
INFORMATION-MEASURING SYSTEM FOR MONITORING THICKNESS AND MASS OF DIELECTRIC FLAT PRODUCTS

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины и массы плоских изделий из диэлектрических материалов полупроводниковых пластин в качестве заготовок для электронных приборов и лекарственных средств в форме таблеток и капсул при автоматизации технологических процессов их изготовления и контроля.
Известно устройство для измерения толщины плоского изделия и способ его реализации (патент №2107257, кл. G01B 7/06, H01L 21/66, опубл. 20.03.1998 г.). Согласно известному способу первоначально измеряют информационный сигнал, характеризующий емкость конденсатора, образованного двумя измерительными электродами. Затем в зазор этого конденсатора параллельно плоскостям электродов вводят контролируемое изделие таким образом, чтобы ее поверхность не соприкасалась с поверхностями измерительных электродов датчика. После введения в зазор между электродами измерительного датчика контролируемого объекта измеряют информационный сигнал, характеризующий изменение емкости датчика. Величина изменения информационного сигнала будет определяться толщиной контролируемого объекта и его диэлектрическими характеристиками. Предварительно по образцам эталонной толщины для каждого вида исследуемого материала строят калибровочные зависимости, с использованием которых непосредственно без последующих вычислений находят однозначно соответствие между величиной измерительного информационного параметра и толщиной контролируемого объекта. Устройство, используемое для реализации способа, содержит держатель контролируемого образца, выполненный в виде разомкнутой и замкнутой рамки с возможностью введения образца в зазор между электродами не касаясь их поверхности. Электроды подключены к блоку регистрации в состав которого входят измерительная схема, усилитель высокой частоты и фазовый детектор, а также генератор высокой частоты, соединенный с измерительной схемой и посредством фазового вращателя с фазовым детектором. В качестве измерительной схемы предпочтительна мостовая схема.
Недостатком известного технического решения следует признать сложность технической реализации держателя контролируемого образца и его ограниченность при измерении потока контролируемых образцов. Низкое быстродействие измерительного устройства и его восприимчивость к внешним электромагнитным воздействиям, что повышает технические требования к помехозащищенности измерительной системы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является информационно-измерительная система контроля толщины диэлектрических пленок и плоских изделий (патент РФ №149868 U1, кл. G01B 7/06, опубл. 20.01.2015 г., Бюл. №2). Это устройство принято за прототип предлагаемого изобретения. В информационно-измерительной системе контроля толщины диэлектрических пленок и плоских изделий, содержащей обкладки конденсатора, в зазоре между которыми размещена подвижная диэлектрическая пленка или плоское изделие, и блок регистрации информации выполнен в виде последовательно оптически соединенных лазерного диода, поляризатора, электрооптической ячейки Поккельса, анализатора, фотодиода, выход которого подключен ко входу управляемого клавиатурой микроконтроллера, содержащего микропроцессор, усилитель и аналого-цифровой преобразователь (не показаны), выход микроконтроллера соединен с жидкокристаллическим индикатором, а ячейка Поккельса содержит электрооптический кристалл с двумя электродами снаружи его, которые последовательно соединены электрически с обкладками конденсатора.
Однако прототип имеет ряд недостатков. Конструкция измерительного конденсатора предполагает измерение толщины диэлектрических пленок и протяженных плоских изделий, не решает задачу измерения толщины и массы плоских диэлектрических изделий малых по размеру (таблетированных форм). В измерительной системе применяется классическая ячейка Поккельса с однократным прохождением световой волны через оптический кристалл, что ограничивает точность измерений.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая система, является расширение возможностей измерения параметров плоских диэлектрических изделий малых размеров (таблетированных форм), их толщины и массы, увеличение точности измерений, надежности и защиты от влияния внешних электромагнитных полей.
Поставленная задача решается тем, что в информационно-измерительной системе контроля толщины и массы диэлектрических плоских изделий, содержащей диэлектрическую вставку с обкладками конденсатора, в зазоре между которыми размещено подвижное диэлектрическое плоское изделие, и блок регистрации информации выполненный в виде последовательно оптически соединенных лазерного диода, поляризатора, электрооптической ячейки Поккельса, анализатора, фотодиода, выход которого подключен ко входу управляемого клавиатурой микроконтроллера, содержащего микропроцессор, усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выход микроконтроллера соединен с жидкокристаллическим индикатором, а ячейка Поккельса содержит электрооптический кристалл с двумя электродами снаружи его, которые последовательно соединены с обкладками конденсатора, при этом с одной стороны от электрооптического кристалла ячейки Поккельса размещено плоское зеркало, а с другой стороны корректирующая пластина, поляризатор-анализатор света, соединенный через оптические разъемы с контроллером, соединенным с жидкокристаллическим индикатором и системой визуализации.
3
3
В качестве поляризуемого напряжением кристалла могут быть использованы кристаллы танталата лития LiTaO, ниобата лития LiNbO, бета барата бария ВВО и кристаллы серии КТР.
На чертеже изображена функциональная схема измерителя.
3
Измеритель содержит измерительную вставку 1 из диэлектрического материала, встроенную в систему транспортирования 18 плоских диэлектрических изделий 19, на которой расположены цилиндрические обкладки измерительного конденсатора 2, соединенные последовательно с обкладками регистрирующего конденсатора 3 с диэлектрической вставкой из поляризуемого напряжением кристалла танталата лития (LiTaO).
С одной стороны от регистрирующего конденсатора 3 размещено плоское зеркало 8, а с другой стороны корректирующая пластина 4, поляризатор-анализатор света 5, соединенный оптической линией 9 через градиентную цилиндрическую линзу 6, оптические разъемы 7 и 10 через устройство ввода излучения в оптическое волокно 11 с лазерным излучателем 12 и фотоприемником (кремниевый фотодиод) 13, соединенным через преобразователь тока в напряжение и усилитель 14 с микроконтроллером 15, соединенным с жидкокристаллическим индикатором 16 и системой визуализации 17.
Информационно-измерительная система работает следующим образом.
3
Плоское диэлектрическое изделие 19 при прохождении между цилиндрическими обкладками измерительного конденсатора 2 вызывает изменение его емкости, что приводит к изменению напряженности электрического поля в последовательно включенном регистрирующем конденсаторе 3. Это вызывает амплитудную модуляцию светового потока, проходящего через диэлектрическую вставку из поляризуемого напряжением кристалла танталата лития (Li Та O). Световой поток генерируется лазерным излучателем 12, передается через устройство ввода излучения в оптическое волокно 11 и разъем с разветвителем 10 по световоду волоконно-оптического кабеля 9 через оптический разъем 7 и градиентную цилиндрическую линзу 6 в призму Глана 5, которая на входе светового потока используется в качестве поляризатора. После прохождения поляризатора световой поток приобретает линейную поляризацию, проходит в прямом и, отразившись от плоского зеркала 8, обратном направлениях через регистрирующий конденсатор 3 (амплитудный оптический модулятор света, основанный на поперечном эффекте Поккельса) и корректирующую пластину 4, которая осуществляет оптическое смещение первого рода, преобразуя входящие в нее световые волны с круговой поляризацией в световые волны с линейной поляризацией. Дважды амплитудно-модулированный световой поток проходит через призму Глана 5, которая на выходе светового потока используется в качестве анализатора и по световоду волоконно-оптического кабеля 9 через оптический рзъем с разветвителем 10 поступает на регистрацию в фотоприемник 13, с выхода которого электрический сигнал через преобразователь тока в напряжение и усилитель 14 передается на обработку согласно алгоритму в микроконтроллер 15, с выхода которого информация поступает на индикатор 16 и систему визуализации 17, информационно связанную с АСУ ТП (автоматизированной системой управления технологическими процессами). Микроконтроллер создает образ представления результатов измерения толщины и массы плоских диэлектрических изделий в виде цифр, графиков, гистограмм на индикаторе 16. Повышение точности измерения в информационно-измерительной системе достигается путем удвоения длины оптического пути светового потока в электрооптическом элементе за счет отражения в плоском зеркале.
Примененная в устройстве оптическая схема позволяет использовать только одну призму Глана одновременно в качестве поляризатора и анализатора, что технически упрощает устройство. Применение волоконно-оптических световодов значительно повышает помехозащищенность измерителя от внешних электромагнитных полей.
В информационно-измерительной системе контроля толщины и массы диэлектрических плоских изделий измерительная вставка 1 размещается вертикально между транспортирующими плоское изделие 19 верхней (подающей) и нижней (принимающей) лентами 18, что обеспечивает механическую развязку движения изделия между электродами измерительного конденсатора 2.
Для измерения толщины контролируемого изделия через измерительную систему предварительно пропускают плоские диэлектрические образцы эталонной толщины для каждого вида исследуемого материала. Строят калибровочные зависимости амплитуды информационного сигнала от толщины эталонных образцов. Толщина контролируемого изделия определяется по измеренному сигналу с использованием полученных калибровочных зависимостей без последующих вычислений.
cm
Масса диэлектрического плоского изделия m определяется по формуле m=K×S, где K - калибровочный массовый коэффициент, определяемый экспериментально при пропускании через измерительную вставку стандартной калибровочной массы данного измеряемого изделия m, S - площадь, ограниченная кривой графической зависимости интенсивности сигнала датчика от времени за период измерения.
cm
Калибровочный коэффициент определяется согласно зависимости:  где S - площадь, ограниченная кривой графической зависимости интенсивности сигнала датчика за контрольный период измерений.
В качестве регистрирующего конденсатора 3 использована электрооптическая ячейка Поккельса, представляющая кристалл танталата лития размером 6×6×30 мм с напыленными электродами из G+Au на X-поверхности, производства ООО «Элан» (г. Санкт-Петербург). (Возможно также применение кристаллов ниобата лития, бета барата бария и КТР). В качестве поляризатора-анализатора света 5 использована призма Глана и пластина λ/8 4 производства ООО «Элан» (г. Санкт-Петербург). В качестве лазерного излучателя 12 использован лазерный модуль KLM - Д650-5-5 с блоком питания производства «ФТИ-Оптроник» (г. Санкт-Петербург). В качестве приемника оптического излучения 13 использован лавинный фотодиод серии SAE 650 НМ производства компании Laser Components (Германия). Преобразователь тока в напряжение и усилитель 14 собран на интегральной схеме МАХ 323 2 CUE+ производства Maxim integrated (США). В качестве микроконтроллера 15 использован микроконтроллер cFP - 2020 производства фирмы Nationale Instruments (Венгрия). В качестве индикатора 16 использован монитор «Acer», LSD Monitor V 193А (Китай). В качестве системы визуализации 17 может быть использован любой компьютер не ниже Pentium 4, 1.5 ГГц. Для оптической связи применен многомодовый оптический кабель 9 с торцевыми линзами 6, 11 и оптическими разъемами 7, 10 для ввода-вывода светового потока производства завода «Еврокабель-1» (Россия), возможно применение оптического кабеля BELDEN GIPS2E2 (США) и других производителей.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерения за счет увеличения разрешающей способности измерительной системы в результате удвоения длины оптического пути модулируемого светового потока в электрическом элементе.
Кроме того, повышает защиту измерителя от влияния внешних электромагнитных полей за счет использования многомодового волоконно-оптического кабеля для передачи измерительной информации из ячейки Покельса, конструктивно расположенной на измерительной вставке, в систему обработки и отображения информации, которая может быть установлена в пункте управления на значительном расстоянии.
Упрощение технической реализации устройства достигается за счет применения комплектных изделий, серийно выпускаемых промышленностью.