Расчет параметров основных блоков прибора для измерения толщины диэлектрических покрытий

скачать (3197.2 kb.)

1   2

2.3 Электрические измерители толщины покрытия



Для определения толщины покрытия электрическими методами, могут быть использованы: диэлектрическая прочность, емкость, сопротивление пленки.

Резистивный метод. Измерение сопротивления пленки - простая операция, может быть использована для определения толщины проводящих пленок на непроводящих подложках и для полупроводниковых эпитаксиальных слоев. Зависимость сопротивления тонкой проводящей пленки R от толщины d можно представить в виде




где l - длина, w - ширина, ? - удельное сопротивление пленки. При условии константности удельного сопротивления толщину пленки d можно непрерывно контролировать ее сопротивлением.

Емкостный метод. Может быть применен для определения толщин диэлектрических пленок, нанесенных на ведущие подложки. Измеряемая емкость обратно пропорциональна толщине пленки, прямо пропорциональна диэлектрической постоянной пленки и площади электрода (не считая краевые эффекты)
2.4 Радиационные измерители толщины покрытия
Радиационные методы основаны на измерении характеристик отраженного, пропущенного или эмитированного пленкой излучения.

Ионизационные. Источник излучения и ионизационный преобразователь могут быть расположенной как по разные стороны измеряемого покрытия, так и по одну сторону от него. В обоих случаях с изменением толщины изменяется интенсивность излучения, пропущенного / отраженного покрытием.

Рентгенографические. Бывают двух видов: метод поглощения, основанный на измерении ослабления в пленке пучка рентгеновских лучей; метод эмиссии основан на возбуждении материала пленки источником высокой энергии.

Оптические Для методов контроля толщины пленок можно использовать ряд оптических явлений: интерференцию, поглощения, пропускания, отражения света. Выбор конкретного явления для измерения определяется типом подложки и материалом пленки.



3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ ПРИБОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
При расчете параметров принципиальной схемы устройства первым шагом является разработка структурной схемы прибора.

Структурная схему состоит из источника питания, генератора, детектора, микроамперметра. Опишем работу устройства.

Принцип действия толщиномера состоит в регистрации напряжения с измерительной обмотки преобразователя, возникающая вследствие изменения магнитного сопротивления в цепи «преобразователь-поверхность ферромагнитной основы». Питание преобразователя осуществляется от генератора синусоидального напряжения частотой 1 кГц. Выходное напряжение с измерительной обмотки преобразователя и эквивалентной катушки поступает на канал, в котором усиливается и детектируется. Повторно усилившись сигнал подается на аналоговый микроамперметр.

Следующим шагом является разработка принципиальной схемы толщиномера, позволяющей получить представление об элементной базе прибора и произвести расчет требуемых параметров схемы.

Данный толщиномер работает в двух режимах измерения: а) прибор измеряет толщину диэлектрических покрытий до 0,2мм; б) прибор измеряет толщину диэлектрических покрытий до 1мм. Переключение между режимами осуществляет ключ SA1. Такое дополнение в схеме позволило повысить точность измерения толщины покрытия, меньшей 0,2мм.

Генератор на транзисторе VT1 через трансформатор Т1 питает переменным током частотой приблизительно 1000 Гц измерительный мост L1L2R3R7. Катушка L1 с разомкнутым магнитопроводом - датчик. Если торцы её магнитопровода плотно прижаты к гладкой поверхности пластины из мягкой стали, индуктивность датчика максимальна и равна индуктивности образцовой катушки L2 Точного баланса моста добиваются подстроечным резистором R3. Если между торцами магнитопровода датчика и пластиной поместить диэлектрическую плёнку, мост разбалансируется и на входе двухкаскадного усилителя на транзисторах VT2 и VT3 появится переменное напряжение амплитудой, пропорциональной толщине плёнки. Усиленный сигнал, выпрямленный диодами VD1 и VD2 (конденсатор С8 - сглаживающий), поступает на вход усилителя постоянного тока на транзисторе VT4, к коллектору которого через резистор R17 подключён микроамперметр РА1. Второй вывод микроамперметра соединён через кнопку SB1 с коллектором транзистора VT5 (непосредственно или через резистор R19 в зависимости от выбранного поддиапазона измерений).

При сбалансированном измерительном мосте стрелку микроамперметра РА1 устанавливают на ноль переменным резистором R18. Благодаря тому что каскады на транзисторах VT4 и VT5 идентичны, изменение температуры окружающей среды не вызывает заметного "ухода" стрелки и не вносит погрешности в результат измерения. При замкнутом выключателе S1 максимальная измеряемая толщина - 0,2 мм, при разомкнутом - 1 мм.

Прибор питают напряжением 9 В от любого стабилизированного источника. Можно применить и батарею гальванических элементов. Напряжения 5…6 В вполне достаточно. В этом случае в качестве SB1 нужно установить кнопку с двумя группами контактов. Вторая группа, включённая последовательно в цепь батареи, послужит выключателем питания, что предохранит батарею от разрядки в перерывах между измерениями.

Рассмотрим выходной дифференциальный каскад прибора (рисунок 3.1).




Рисунок 3.1 - Принципиальная схема выходного дифференциального каскада толщиномера
Продемонстрируем возможности дифференциального каскада с помощью рисунка 3.2

Рисунок 3.2 - Принципиальная схема дифференциального каскада
Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и усиливает разность напряжений, приложенных к ним. Если на оба входа подать одинаковое (синфазное) напряжение, то усиление будет чрезвычайно мало. Дифференциальный усилительный каскад не усиливает синфазный сигнал.

Дифференциальный каскад состоит из двух транзисторов, эмиттеры которых соединены и подключены к общему резистору Rэ.

Каскад абсолютно симметричен, т.е. сопротивление резисторов, входящих в каждое плечо, и параметры транзисторов одинаковы. В этом случае при равных входных сигналах токи транзисторов равны между собой.

Пусть входные напряжения получат одинаковые приращения разных полярностей Ѕ?UВХ. В результате ток одного транзистора увеличится на ?IК, а другого на столько же уменьшится. При этом результирующий ток через резистор RЭ останется без изменения. Постоянным будет и падение напряжения на нем.

Если входное напряжение изменить только на одном входе на ?UВХ, то это приведёт к изменению тока через соответствующий транзистор. Если бы транзистор VT2 отсутствовал, транзистор VT1 был бы включен по схеме с ОЭ и ток в его цепи изменился бы на 2?IK. При этом падение напряжение на RЭ увеличилось бы на ?U

Но увеличение падения напряжения на резисторе RЭ приведёт к уменьшению разности потенциалов между базой и эмиттером транзистора VT2 и ток его уменьшится, причём изменение тока транзистора VT2 будет таково, что приращения напряжений эмиттер - база обоих транзисторов будут одинаковы. Следовательно, при увеличении UВХ1 на ?UВХ потенциал эмиттера увеличится на ?UВХ/2 что эквивалентно увеличению тока через резистор RЭ на ?IK. При этом приращение напряжения база - эмиттер для транзистора VT1 равно ?UВХ/2 и - ?UВХ/2 для транзистора VT2. Ток каждого плеча изменится на ?IK. Очевидно, что независимо от того, как на вход каскада подаются напряжения, токи транзисторов в первом приближении меняются одинаково.

Так как каскад дифференциальный, то его можно рассмотреть как две повторяющиеся части. Каскад 2 будет зеркальным отображением каскада 1 поэтому достаточно рассчитать лишь один из каскадов

Выбираем тип транзистора VT4. Для нормального режима работы транзистора необходимо выполнение условий:

кэ макс > Еп;б = (1,5…2) Iвх.
Выполнение этого условия необходимо для того, чтобы при изменении входного тока транзистор не входил в режим запирания:к макс > Pк0.

Здесь Uкэ макс - максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером;б - ток базы в отсутствии сигнала;к макс - максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора;к0 - мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в рабочей точке.

Исходя из описания схемы исходные данные равны Еп=6 В, Iвх=20 мкА. Этим условиям соответствует транзистор КТ315Б со следующими параметрами:кэ макс = 20 В

В <20 Вк макс(Т< +25оС) =60 мВт

Входная и выходная статистические характеристики транзистора ГТ310А приведены на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Входная и выходная статистические характеристики транзистора
Определяем величину тока базы (с учётом того, чтобы при изменении входного сигнала транзистор не попадал в режим отсечки)
Iб = 2∙│Iвх│ = 40 мкА
Для определения положения рабочей точки на семействе выходных статистических характеристик нужно задать Uкэ01. Разумно брать Uкэ01 минимальным т.к. тогда затраты на работу усилителя минимальны. Т.к. брать Uкэ01 < 1 В бессмысленно, при таком напряжении транзистор находится в нестабильной области, а мы ещё и имеем изменение входного тока. Поэтому возьмём Uкэ01 равным 2 Вкэ01 = 2 В

Тогда:

к01 = 1,9 мА Iэ1 = Iк01 + Iб1 = 1,9 мА + 0,08 мА = 1,98 мА
Теперь следует выбрать Еп. Оно должно быть как можно меньше, чтобы не рассевалась лишняя мощность. Минимальное подходящее стандартное Еп=6В.

Возьмем сопротивление резистора R16 равным 100 Ом

Тогда:

э12 = Iэ1 + Iэ2 = 2ЧIэ1 = 3,96 мАR16 = Iэ12ЧR16 = 0,4 В
Тогда точка на прямой Uкэ (Рисунок 3.3) будет равна падению напряжения на VT4 и R15, а так как мы знаем UR16 то:

к1’ = Еп - U R16 = 6 В - 0,4 В =5,6 В
Из графика видно, что при любом заданном изменении входного тока транзистор не выходит за эксплуатационные пределы.

Падение напряжения на резисторе R15 равно:

R15 = Eп - U R16 - Uкэ01 = 6 В - 0,4 В - 2 В = 3,6 В
Соответственно

= UR15/IK01 = 3,6 В/(1,9∙10-3) А= 1805 Ом
Так же рекомендовано взять ток делителя равный пяти токам базы:б1 = 40 мкА

R14 = 6∙Iб1 = 0,24∙10-3 А IR13 = 5·Iб1 = 0,2·10-3 А
Напряжение на резисторе R13 равно:

R13 = UR16 + Uэб1 =0,4 В + 0,28 В =0,68 В
т.к. Uэб1 = 0,28 В (по графику рисунка 3.3)
Тогда R13 = UR13/IR13 = 0,68 В/0,2·10-3 А = 3,4 кОм=(Eп - UR13)/IR14= (6 В -0,68 В)/0,24·10-3 А = 22.2 кОм
Расчёт мощностей используемых элементов

мощность транзистора VT4 в рабочей точке:

к0 = Iк01∙Uк0 = 3,8 мВт
Условие Pк макс > Pк0 выполняется.

Мощности резисторов:

R14 = IR14∙UR14 = 1,28 мВтR13 = IR13∙UR13 = 0,14 мВтR15 = IR15∙UR15 = 6,84 мВтR16 = IR16∙UR16 = 1,56 мВт
Потребляемая мощность равна

П = IП∙EП = (IR14+ IR15+ IR20+ IR22)∙EП = 25,68мВт
Так как элементы R13 и R14, R15 и R16, VT4 и VT5 соответственно равны, то равны и все их параметры.
ВЫВОДЫ
В результате проекта был проведен обзор приборов, измеряющих толщину диэлектрических пленок и лакокрасочных покрытий. Проанализировав основные пути и методики определения толщины тела, было выбрано устройство преобразовывания магнитного сопротивления катушки с разомкнутым магнитопроводом (датчик). Причиной выбора данного принципа измерения послужила высокая точность, устойчивость к дестабилизирующим факторам, простота реализации и эксплуатации. Конструкция данного толщиномера была разработана на базе уже существующих схем. Особенностью данной принципиальной схемы является наличие двух режимов измерения, простота настройки, хорошая повторяемость.

В основной части роботы был произведен расчет выходного дифференциального каскада: определены наименования и номиналы всех элементов. Полученные результаты являются самыми оптимальными для корректной работы дифференциального каскада и всей схемы в целом.

диэлектрический лакокрасочный преобразователь толщина

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Абрамов К.Д., Абрамов С.К. Основы схемотехники. Учеб. пособие. Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2006. - 88 с.

Майселл Л.В., Глэнг Р.Л. Технология тонких пленок: справочник: Пер. с англ. М.: Советское радио, 1977. - 778 с.

Осадчук В.С., Осадчук О.В. Напівпровідникові перетворювачі інформаціїї. Вінниця: ВНТУ, 2004. - 208 с.

Бриндли К.В. Измерительные преобразователи: справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 144 с.

Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. 4-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1977. - 360с.

Резисторы: Справочник / Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. М.: Радио и связь, 1987. - 352с.

Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1989. - 400с.

Степаненко И. П. Теория транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1999 360с.
1   2

2.3 Электрические измерители толщины покрытия



Рефераты Практические задания Лекции
Учебный контент

© ref.rushkolnik.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации