3.2. Радиоволновая толщинометрия
Радиоволновыми методами можно измерять и контролировать толщину:
диэлектрического слоя;
одного диэлектрического слоя на другом;
диэлектрического слоя на металле;
металлического листа.
Измерения можно проводить в технологическом процессе изготовления измеряемого слоя (лист стекла, асботекстолита, термозащитного покрытия и Т.п.), последовательно контролируя толщину по всей поверхности или в отдельных точках и выдавая соответствующие сигналы на исполнительные механизмы.
В зависимости от начальных условий контроля существует два способа измерения: с контактом (в виде опорных роликов) датчика СВЧ с контролируемой поверхностью и без контакта, когда отсутствует физический контакт датчика с объектом контроля.
Средства измерения толщины с помощью радиоволн обеспечивают быстродействие, зависящее только от средств индикации, высокую точность измерения (до долей процентов), высокую плотность отсчетов, возможность дистанционного контроля, проведение измерений при одностороннем и двустороннем доступах к контролируемым поверхностям.
Информация о толщине может быть заложена в амплитуде, фазе, смещении резонансной кривой, времени распространения импульса, положении максимума отраженной волны и Т.п.
Рис. 3.16. Зависимость коэффициента отражения от толщины плоского слоя для двух диэлектриков: 1 - гипсобетон ( = 3,83; tg = 0,01); 2 - оргстекло ( = 2,7; tg = 0,01; = 8,6 мм)
В наиболее распространенных методах толщинометрии сигнал, являющийся основой для градуировки индикаторного прибора в значениях геометрической толщины, является функцией двух переменных: геометрической толщины и диэлектрической проницаемости материала контролируемого изделия. Поэтому точность измерения толщины определяется степенью однородности материала: чем более однороден материал, тем выше точность измерения толщины.
При проведении измерений на сверхвысоких частотах необходимо иметь в виду, что для плоского однородного слоя, обладающего потерями, выражения для коэффициентов отражения и прохождения радиоволны при нормальном падении волны представляют собой осциллирующие функции с амплитудой, убывающей по мере возрастания толщины h или отношения hI. Период этой функции определяется длиной волны и показателем преломления измеряемого слоя, а степень убывания - коэффициентом затухания волны. На рис. 3.16 приведены зависимости коэффициента отражения при малом значении tg от толщины двух материалов. Как видно, период обратно пропорционален диэлектрической проницаемости измеряемого слоя. Зависимость коэффициента прохождения от толщины для материалов с различным поглощением приведена на рис. 3.17. Таким образом, при взаимодействии плоской электромагнитной волны с плоским диэлектрическим слоем характер результирующего сигнала зависит от вида поляризации, значений и tg и определяется явлением интерференции падающей и отраженных от границ раздела волн.
Амплитудный метод применим в случае измерения однородных изотропных сред с постоянными рассеивающими свойствами поверхности и основан на измерении ослабления прошедшей сквозь материал электромагнитной волны.
При таком способе измерения получают наиболее точные результаты для материалов с большими потерями (tg > 0,5). Когда tg = 0,01... 0,5, приходится принимать меры для устранения неоднозначности измерений, связанных с наличием осциллирующего характера кривой. С этой целью измерения проводят как минимум в двух относительно образца положениях приемной части, сдвинутых друг относительно друга на /2. Для материалов с малым поглощением этот метод практически неприменим.
Рис. 3.17. Зависимость коэффициента прохождения от толщины плоского слоя для значений tg : 1 – tg >l; 2 - tg > 0,01; 3 - tg < 0,5
Геометрический метод. В геометрическом методе информация о толщине содержится в геометрическом параметре 1. Если, используя контактные призмы из того же материала, вводить пучок в слой без преломления, а угол 9 выбрать равным arctg 0,5, то получится h = 1. Геометрический метод является абсолютным методом, позволяя контролировать толщину плоских слоев практически от нуля до значений, ограниченных заложенным в аппаратуре динамическим энергетическим диапазоном. При реализации геометрического метода важен выбор типа антенн, которые должны удовлетворять следующим основным требованиям:
поперечное сечение излучаемого пучка и его расходимость должны быть минимальными;
амплитудное распределение в поперечном сечении пучка должно иметь ярко выраженный максимум, совпадающий с направлением распространения;
площадь раскрыва и линейные размеры в плоскости падения электромагнитного пучка также должны быть минимальными.
Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют диэлектрические стержневые антенны. Для повышения точности контроля необходимо применение согласования сред (для устранения более мощного отраженного от передней границы слоя пучка).
Метод полного внутреннего отражения может эффективно применяться для контроля дефектов типа расслоений в относительно толстых изделиях и для измерения диэлектрических характеристик тонких листовых материалов. Основным элементом схем, реализующих метод, является симметрическая диэлектрическая призма, основание которой контактирует с исследуемым объектом. На двух боковых гранях устанавливаются идентичные рупоровые антенны, заполненные диэлектрическим материалом, аналогичным материалу призмы, для согласования ввода и вывода электромагнитной энергии от генератора к детектору. Чувствительность метода в значительной степени зависит от конкретных параметров и типа приемоизлучающих антенн, их взаимного расположения на боковых гранях призмы, а также от параметров призмы и объекта. При наличии связи между диэлектрической проницаемостью и плотностью метод может быть реализован в приборе по непосредственному измерению плотности материала.
Рис. 3.18. Структурная схема радиоволнового плотномера листовых диэлектрических материалов
На рис. 3.18 приведена структурная схема измерителя плотности. Принцип действия такой схемы заключается в следующем. Энергия от СВЧ-генератора 1 через электрически управляемый аттенюатор 2 поступает в излучающую антенну 3 и через диэлектрическую призму 4 направляется на границу раздела призмы 4 и контролируемого материала 5 под углом о = 45°. Угол выбирается исходя из диэлектрической проницаемости материала призмы и диапазона изменения плотности контролируемого материала таким образом, чтобы он был равен или близок к критическому для максимального значения плотности контролируемого материала.
Отраженный сигнал принимается приемной антенной 6, расположенной неподвижно на боковой грани призмы в положении, соответствующем максимуму отраженного пучка при отсутствии контролируемого объекта. Сигнал детектируется детектором 8 и поступает на вход программного блока управления 9. Одновременно на второй вход блока управления поступает сигнал от датчика калибровки сигнала 7. Блок управления содержит микропроцессорную схему, в нем принимаемые сигналы обрабатываются по заданной программе, из него выдаются управляющие и информационные сигналы, поступающие на вход индикатора 10 в режиме измерения и на вход запоминающего блока 11 и блока 12 сравнения в режиме калибровки. Индикатор 10 проградуирован в значениях плотности г/см3. Перед началом измерения при отсутствии образца прибор калибруется. При этом устанавливается амплитуда принимаемого сигнала, которая записывается в запоминающий блок. В процессе измерений при каждом снятии преобразователя с контролируемого объекта на выходе датчика калибровки появляется сигнал, под воздействием которого блок управления подает на один из входов блока сравнения текущее значение сигнала, а на другой вход - сигнал с выхода запоминающего блока. При отклонении амплитуды текущего сигнала от записанного в режиме калибровки уровня на выходе блока сравнения появляется сигнал управления, поступающий на вход электрически управляемого аттенюатора до восстановления заданного уровня сигнала.
В режиме измерения при увеличении плотности материала амплитуда сигнала уменьшается и тем больше, чем выше плотность объекта. Значение плотности определяется по цифровому индикатору. Для уменьшения отражения передающая и приемная антенны преобразователя заполнены тем же материалом, что и материал призмы.
Амплитудно-фазовый метод использует функциональную связь между величиной коэффициента отражения от диэлектрического слоя и его толщиной. Изменение величины коэффициента отражения, как правило, контролируется с помощью введения дополнительного опорного сигнала той же длины волны. Поэтому, применяя высокочувствительные мостовые СВЧ-схемы, осуществляют одновременный контроль модуля и фазы коэффициента отражения, несущих информацию об изменении толщины слоя.
Измерение толщины может достоверно, с высокой чувствительностью производиться в пределах линейного участка осциллириующей кривой, а также при условии априорного знания области измеряемых толщин.
На рис. 3.19 приведены интерференционные кривые, снятые для материала, находящегося на металлической подложке. Из анализа этих кривых следует, что, подбирая определенную величину зазора, можно перекрыть весь диапазон изменения толщин от 2 до 16 мм. Для обеспечения высокой точности антенна должна иметь как можно больший коэффициент направленности, малые боковые лепестки, лучшее согласование.
Для устранения неоднозначности контроля применяют следующие способы:
непрерывное измерение коэффициента отражения и определение числа максимумов (минимумов) результирующей интерференционной кривой;
использование двух волн различной длины, на одной из которых толщина определяется грубо, на другой - более точно;
применение фазовой модуляции полезного сигнала с целью определения крутизны линейного участка интерференционной кривой.
Точность измерения амплитудно-фазовым методом может быть весьма высокой, но не выше предела, обусловленного относительной величиной разброса диэлектрических свойств материала слоя. Относительная погрешность измерения толщины для достаточно однородных диэлектриков составляет 1-3 %.
Рис. 3.19. Зависимость отраженного сигнала от толщины диэлектрического слоя, находящегося на металле, для различных расстояний (мм) между излучающей антенной и металлом
Входной импеданс структур измеряется, как правило, по фазе и минимуму амплитуды стоячей волны с помощью измерительной линии. Контроль полупроводниковых структур производится однопараметровым и двухпараметровым способами, при этом погрешность контроля на длине волны 7,5 мм не превышает ±15 %.
Амплитудно-фазовый метод широко применяют для бесконтактного автоматизированного контроля толщины металлических лент, полос, проката при двустороннем расположении антенн датчика относительно объекта контроля (рис. 3.20). Излучение СВЧ-генератора проходит одинаковый путь при номинальной толщине листа до схемы сравнения с опорным сигналом той же длины волны. В таком устройстве проявляются все преимущества СВЧ-метода: точность измерений не зависит от толщины листов; за счет бесконтактности процесса контроля могут подвергаться испытаниям листы, нагретые до высокой температуры; применение широких пучков устраняет влияние неровностей поверхности листа.
Применение рупорно-линзовых антенн позволяет получить значения КСВ около 120 и обеспечить точность до 1 % в диапазоне длин волн 3,2 - 10 см при поперечных перемещениях листа.
Частотно-фазовый метод основан на периодическом изменении частоты СВЧ-генератора. Устройство одержит перестраиваемый по частоте СВЧ-генератор, узел разделения падающего и отраженного сигнала (симметричный направленный ответвитель), узел обработки отраженного сигнала, приемно-передающую антенну и индикатор.
Рис. 3.20. Схема контроля толщины металлического листа: 1 - генератор; 2 - вентиль; 3 - аттенюатор; 4 - двойной тройник; 5 - направленный ответвитель; 6 - приемно-передающая антенна; 7 - нагрузка; 8 - фазовращатель; 9 - детекторная секция; 10 - усилитель; II — индикатор; 12 - прокатываемый металлический лист
Метод переменной частоты может быть реализован и по двухантенной схеме (рис. 3.21а). Если изменить частоту СВЧ генератора и регистрировать разность частот, соответствующую ближайшим экстремальным значениям отраженного от диэлектрического слоя сигнала, то можно определить толщину материала.
Рис. 3.21. Частотно-фазовый метод в двухантенном (а) и одноантенном (б) вариантах: 1 - перестраиваемый СВЧ-генератор; 2 - модулятор; 3 - симметричный направленный ответвитель; 4- волномер; 5 - прием но-передающая антенна; 6 - передающая антенна; 7 - приемная антенна; 8 - объект контроля; 9 - нагрузка; 10 - аттенюатор; 11 - двойной тройник; 12 - детекторная секция; 13 - усилитель; 14 - индикатор
Чтобы исключить из выражения диэлектрическую проницаемость, необходимо провести измерения при новом значении толщины, дающем новую разность частот.
Частотно-фазовый метод позволяет производить абсолютные измерения толщины диэлектрических сред в широком интервале изменений толщины с погрешностью 3..6%. Следует отметить, что ошибка измерения в значительной степени определяется точностью измерения частоты.
Толщину диэлектрического слоя, нанесенного на проводящую основу, можно контролировать резонансным радиоволновым методом по изменению резонансной частоты измерительного резонатора.
Толщину тонких пленок целесообразно контролировать эллипсометрическим радиоволновым методом, при этом толщина тонких металлических пленок на диэлектрических подложках определяется по величине азимута, а толщина диэлектрических покрытий на металле - по величине эллиптичности отраженной СВЧ-волны. При отражении от указанных систем измеряется только один поляризационный параметр, а другой остается постоянным в пределах точности измерений.
|
