книги / Неразрушающий контроль параметров тонких проводящих пленок электромагнитными методами
..pdf132 |
5. Приборы вихретокового неразрушающего контроля |
Рис. 5.1. Унифицированная блок-схема приборов серии ВИМП
ная нестабильность (влияние изменений температуры в месте рас положения преобразователя на результаты контроля), во-вторых, упрощается конструкция приборов, появляется возможность их унификации. Упрощенная блок-схема нового поколения приборов серии ВИМП с дифференциальными преобразователями представ лена на рис. 5.1. ВЧ-сигнал от питающего генератора 1 (частота генератора зависит от диапазона измеряемых покрытий) посту пает на излучающую катушку дифференциального преобразова теля 2. Принимающие катушки преобразователя включены встречно через амплитудно-фазовую схему компенсационной под стройки 3. Сигнал от них через схему подстройки поступает на ВЧ-узкополосиый усилитель 4, затем через амплитудный детек тор с усилителем постоянного тока 5 — на индикатор 6. Питание от стабилизатора ±15 В 8, может быть также подключен анало говый выход 7. Изменяя частоту питающего генератора и коли чество витков катушки преобразователя, можно охватить диапа зон измерения толщин металлических покрытий от тысячных до лей до десятков микрометров.
Первым из серии ВИМП с дифференциальным преобразовате лем является настольно-переносной прибор ВИМП-5. Настройка дифференциального преобразователя на нулевое значение выход ного сигнала в отсутствие образца осуществлялась путем исполь зования перемещающегося ферритового сердечника преобразова теля и настройкой частоты генератора. Такая настройка обладает рядом недостатков: низкая термостабильность преобразователя из-за нестабильности характеристик ферритового сердечника и не стабильность, связанная с изменением частоты генератора в про цессе контроля.
При работе с прибором требовалась его подстройка нуля че рез каждые полчаса, к тому же данную схему с сердечником не возможно реализовать в приборах для непрерывного контроля па раметров покрытий в процессе их производства.
5.2. Приборы ВИМП-1 и ВИМП-4 |
133 |
Была разработана универсальная схема амплитудно-фазовой компенсационной настройки выходного сигнала на нулевое значе ние без образца, которая включает в себя дифференциальный ре зистивно-емкостный делитель. Последующее поколение приборов серии ВИМП: ВИМП-12 (/=200 кГц), ВИМП-13 (/=400 кГц), ВИМП-31 (/=12 кГц), ВИМП-51 (/=200 кГц) — конструирова лось по этой схеме. Дальнейшее усовершенствование приборов за ключалось в разработке стабильных унифицированных для всей се рии электронных узлов (генераторы, усилители, амплитудный де тектор, аналого-цифровые преобразователи) приборов на основе новейших достижений электронной техники с использованием квар цевых резонаторов и цифровой микроэлектроники. Все приборы данного поколения имеют отстройку от влияния зазора на резуль таты измерений, линейную шкалу, просты в обращении и настройке.
Последние приборы из |
данной серии имеют автонастройку нуля |
в промежутке между |
измерениями (ВИМП-31М, ВИМП-51, |
ВИМП-51 М, ВИМП-52) |
и автонастройку на оптимальный режим |
в процессе измерений (ВИМП-13М, ВИМП-51М, ВИМП-52). Таким образом, на основе разработанной импедансной мето
дики был создан ряд приборов серии ВИМП для измерения пара метров металлических вакуумных покрытий на диэлектриках. Усо вершенствование приборов проводилось в направлении упрощения их конструкции на основе использования оригинальных вихрето ковых преобразователей и совершенствования и развития импедан сной методики контроля. Использование новых электронных узлов позволило разработать систему унификации приборов с примене нием стандартных печатных плат ВЧ-генераторов с фиксирован ной частотой, ВЧ-усилителей и амплитудных детекторов с усиле нием постоянного тока.
Дальнейшая модернизация приборов серии ВИМП проводи лась в направлении повышения их надежности, стабильности и точ ности за счет применения новейших достижений микроэлектроники, упрощения их настройки посредством унификации блоков прибо ров, использования систем автоподстройки нуля и режима изме рений.
В результате создан комплекс унифицированных высокоточных стабильных приборов, не требующих специальной квалификации при их использовании в промышленных условиях.
5.2. ПРИБОРЫ ВИМП-1 И ВИМП-4 С ПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ НАКЛАДНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
Первый экспериментальный образец прибора из серии ВИМП (ВИМП-1) был разработан и выпущен по заказу СКВ ва куумных покрытий Госплана ЛатвССР в 1978 г. для контроля
134 |
5. Приборы вихретокового неразрушающего контроля |
|
3
Рис. 5.2. Схема металли зации вакуумной уста новки
проводимости квадрата поверхности тонких алюминиевых покрытий на полимерных пленках большой площади в процессе вакуумной металлизации на установке УВ-26М [29, 52, 68, 69, 71, 75, 89]. Краткие технические характеристики прибора ВИМП-1: диапазон измерения проводимости квадрата поверхности 0,1—5,0 Ом/П; диапазон измерения толщины 0,01—0,5 мкм; погрешность ±5% ;
локальность одного канала 9X12 см2; потребляемая |
мощность не |
более 50 Вт; область рабочих температур от +10 |
до + 3 0 °С; |
размеры 10X430X220 мм; масса не более 10 кг.
На рис. 5.2 на схеме металлизации установки УВ-26М пока зано место расположения вихретоковых преобразователей 1. Ди электрическая пленка 2 по роликам 3 перематывается над испа-
Пр 2 с
Рис. 5.3. Блок-схема одного канала приборов ВИМП-1
5.2. Приборы ВИМП-1 и ВИМП-4
135
Рис. 5.4. Градуировочная мая прибора ВИМП-1
рителями металла 4. Прибор имеет три измерительных канала с тремя параметрическими преобразователями 1, которые встраи ваются в вакуумную камеру. Блок-схема одного канала прибора (рис. 5.3) включает в себя ВЧ-генератор 1 (/«500 кГц), измери тельную мостовую схему с преобразователем 2, амплитудный де тектор с усилителем 3, индикатор 4, аналоговый выход 5 (0—5 мА) и стабилизатор 6. На рис. 5.4 приведена градуировочная прямая прибора, снятая для образцов алюминиевого покрытия. Как и сле довало ожидать (см. п. 2.3.3), зависимость линейна. На рис. 5.5 приведена зависимость показаний прибора от изменения зазора между измерительным преобразователем и покрытием. На рис. 5.6 представлен внешний вид прибора ВИМП-1.
Рис. 5.5. Зависимость выходного сигнала вт зазора прибора ВИМП-1 для четырех образцов
5.3. Приборы ВИМП-2 и ВИМП-3 |
137 |
женного на пульте управления вакуумной установки; ВЧ-блока, расположенного вблизи вакуумной камеры и связанного кабелем длиной до 20 м с блоком питания и выхода; блока датчиков, рас
положенного |
в вакуумной камере и связанного через ВЧ-кабель |
с ВЧ-блоком |
[70, 75]. |
При изменении зазора между преобразователем и измеряемым покрытием в пределах ±0,5 мм выходной сигнал прибора изме няется не более чем на 2%. Прибор ВИМП-4 предусматривает включение непосредственно в систему управления процессом ме таллизации. При отклонении значения сопротивления квадрата поверхности от номинала (2 Ом/О) на выходе прибора появля ются сигналы различной полярности, которые затем использу ются в системе управления процессом металлизации.
ВИМП-1, ВИМП-4 являлись первыми стационарными прибо рами серии ВИМП, которые несмотря на их недостатки доказали применимость разработанных методов к реальным приборам и эф фективность использования приборов вихретокового контроля тонких металлических покрытий в процессе вакуумной металли зации, позволили впервые наладить непрерывный оперативный контроль технологии металлизации диэлектрических пленок. Вы пущены две партии приборов, которые внедрены на ряде пред приятий.
5.3. ПРИБОРЫ ВИМП-2 И ВИМП-3 ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ СТАЛЬНЫХ ЛЕНТ
и п о л у п р о в о д н и к о в ы х д и с к о в
Приборы ВИМП-2 и ВИМП-3 предназначены для непре рывного контроля толщины металлических покрытий на стальных лентах и кремниевых дисках в процессе вакуумной металлизации [28, 48, 52, 54, 60, 76, 86, 88].
В связи со все более широким использованием непрерывной вакуумной металлизации движущихся изделий для получения ка чественных металлических покрытий появляется потребность в оперативном бесконтактном контроле их параметров в процессе производства с последующим подключением к автоматизирован ной системе управления.
Существующие приборы неразрушающего контроля на основе вихретокового накладного преобразователя для измерения тол щины серебряных, медных, алюминиевых покрытий на стальных, диэлектрических и полупроводниковых подложках [163] не пред назначены для контроля параметров покрытий в процессе произ водства непосредственно в вакуумной камере. Необходима или существенная модернизация их, или разработка новых приборов
138 |
5. Приборы вихретокового неразрушаЛщего контроля |
Рис. 5.7. Блок-схема приборов ВИМП-2 и ВИМП-3
с учетом технологических требований и специфики производства для каждой конкретной вакуумной установки (температуры в мес?е расположения датчиков, отстройки от влияния зазора, кон структивных особенностей и т. д.), что особенно важно при непре рывном контроле движущихся изделий.' - ■
Изменение зазора' при контроле параметров1движущихся лент
ввакуумной камере может составить 1—2 мм. Приборы ВИМП-2
иВИМП-3 обеспечивают надежный непрерывный контроль тол щины напыленного металлического покрытия на движущейся сталь ной ленте (ВИМП-2)- и кремниевых дисках (ВИМП-3) непосред ственно в процессе .металлизации ,с отстройкой от изменений за зора в пределах 0,5 мм [48, 54, 58, 75, 88].
Принцип работы приборов основан на использовании прибли жения плоской волны импёданснои’ методики взаимодействия электромагнитного поля вихретокового накладного преобразова
теля с хорошо проводящей металлической структурой (см. пп. 2.3.1, 3.1.2). Выходной сигнал приборов зависит от вносимых параметров вихретокового преобразователя и черезних — от входного импеданса структур.
Приборы ВИМП-2 и ВИМП-3 идентичны по внешнему виду, конструкции и принципиальной электрической схеме (рис. -5.7). Различие заключается в их настройке, калибровке и области ис пользования. ВИМП-2 работает на частоте 1,5 МГц ВИМП-3 — на частоте 0,9 МГц. В приборах реализована отстройка от влия ния зазора на основе специального преобразования сигнала с помощью мостовой неуравновешенной схемы '[.60]. Генератор ка чающейся частоты 1 питает частично расстроенный неуравновешен ный измерительный мост 2 с преобразователем и компенсацион ной катушкой, сигнал с которого подается на ВЧ-усилитель с амплитудным детектором высокой частоты 3 и усилитель-вычита- тель с амплитудным детектором низкой частоты 4, к которому подключены индикатор 5 и аналоговый выход 0—5 мА 6. Пита-
140
а) I, мкА
5. Приборы вихретокового неразрушающего контроля
1
АО |
*/ |
У |
|
||
|
|
|
30 |
/• |
|
t |
|
|
|
|
|
20 |
1 |
|
1 |
|
|
|
i |
|
10 |
1 |
|
|
i |
|
0 |
5 |
10 15 с1,мкм |
Рис. 5.9. Градуировочные кривые для измерения |
толщины |
мед |
||
ных |
покрытий прибором ВИМП-2 (а) |
и алюминиевых покры |
||
тий |
прибором ВИМП-3 (б) для зазоров |
(мм): 0 |
(О); 0,5 |
(+ ) ; |
1,5 |
( • ) |
|
|
|
Для предварительной градуировки прибора используются комп лекты эталонных образцов, с помощью которых не реже одного раза в год проверяется правильность работы прибора. Прибор ВИМП-2 позволяет контролировать толщину алюминиевого, мед ного и серебряного покрытий на стальных лентах в диапазоне 0—15 мкм, прибор ВИМП-3 — алюминиевых покрытий на крем ниевых дисках в диапазоне 3—30 мкм. Площадь контроля не ме нее 4X4 мм2.
На рис. 5.9, а представлена градуировочная кривая прибора ВИМП-2, построенная по эталонным образцам медного покрытия на стальной ленте 08КП, а на рис. 5.9, б — градуировочная кривая
прибора ВИМП-3 для алюминиевых |
покрытий |
на |
кремниевых |
||||
дисках. |
|
|
|
|
|
|
|
Основная погрешность приборов в постоянных температурных |
|||||||
условиях |
(±2°) при изменении зазора |
в пределах |
1,5 |
мм |
менее |
||
4% ±0,05 |
мкм в течение 24 ч непрерывной работы без |
предвари- |
|||||
рительной |
подстройки. Погрешность прибора определяется пу |
||||||
тем испытаний и складывается из |
статистической |
(уСт ~ 1,7%), |
|||||
временной |
(у<«1%), температурной (уг~1,6% ) погрешностей и |
||||||
погрешности, вызванной изменением |
зазора (у3«2,2% ). |
Темпе |
|||||
ратурные |
изменения в пределах от 10 до 30 °С |
в течение эксплу |
|||||
атации прибора без подстройки вносят дополнительную погреш ность не более 5%.
На рис. 5.10, а представлены кривые, полученные при проверке стабильности непрерывной работы прибора без дополнительной подстройки в течение 24 ч.
5.4. Приборы ВИМП-5, ВИМП-11, ВИМП-12, ВИМП-13 и ВИМП-13М |
141 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о) Ч |
г + - |
|
|
|
f ---- - — |
|
|
|
|
|
|
мк/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
<■ У—К |
|
АО |
|
<--- —с |
х—;< — —----->с— |
|
АО ytr* - * М У X X |
|
|
||||
• г-у- |
^------- |
|
|
|
+-*■►—4 • • |
|
|||||
30 |
|
|
|
»_ _ |
|
|
30 |
|
|
|
|
;г -* ~ |
- ——- |
' — н |
|
|
|
|
|
|
|||
|
- - V-1- |
|
|
|
|
|
|
||||
20 |
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
10 ____ |
|
|
1 |
|
|
10 |
|
|
|
|
|
H " f |
|
1 ■ 1 |
1 |
] |
H-S-ff-fW-f |
|
|
||||
И |
- ? |
- ? - * - ? |
21,0 |
21,5 t,4 |
273 |
283 |
293 |
303Т, К |
|
||
0 |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
|
|||||||
Рис. 5./0. Временная (а) и температурная (б) стабильность приборов без до полнительной подстройки для зазоров (мм): 0 (О); 0,5 (+ ); 1,5 (# ) . X — «калибровка»
Рис. 5.10,6 иллюстрирует зависимость показаний прибора от температуры без дополнительной подстройки в течение испытаний для трех зазоров.
Недостатками приборов являются сложность электрических схем и настройки, нелинейность шкалы по толщине покрытия. Ис пользование линеаризаторов снижает точность и стабильность ра боты приборов. Несмотря на эти недостатки приборы ВИМП-2 и ВИМП-3 обладают хорошей стабильностью, имеют отстройку от влияния зазора, что позволяет успешно использовать их в ряде вакуумных установок и для оперативного контроля толщины ме таллических покрытий в процессе производства.
Выпущена опытная партия приборов, которые внедрены на ряде предприятий страны [52, 76, 86, 88].
5.4. ПРИБОРЫ ВИМП-5, ВИМП-11, ВИМП-12, ВИМП-13 И ВИМП-13М ДЛЯ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ
Последующие типы приборов серии ВИМП были выпол нены на основе использования некоторых видов дифференциаль ных накладных преобразователей [25, 32]. В приборах реализо ваны изложенные в параграфе 3.2 методы контроля с отстройкой от влияния зазора с помощью несимметричных преобразователей (см. выражения (3.30), (3.31)) [32].