Датчик товщини полімерної плівки

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний в якості датчика контуру автоматичного регулювання в технологічних лініях виробництва полімерних плівок. Регулювання товщини має важливе значення для досягнення високої якості полімерної плівки і виготовлюваних з неї виробів. Пристрої, що контролюють товщину, повинні мати точність на рівні 0,1мкм і швидкодію, яка забезпечувала б достатню повноту контролю при русі плівки зі швидкістю кілька метрів на секунду. За принципом вимірювання існуючі пристрої можна віднести до двох типів. До першого типу відносяться пристрої, де використовується інформація про фізичні властивості матеріалу плівки. Прикладами таких пристроїв є ємнісний і радіаційний датчики, а також інтерферометричні вимірювачі, в яких використовується зв'язок товщини з спектром відбиття випромінювання [1-4]. Для користування ними треба знати, відповідно, діелектричну проникність, коефіцієнт поглинання радіоактивного випромінювання або показник заломлення матеріалу плівки. Оскільки для фізичних характеристик полімерних матеріалів є характерним великий розкид значень, пристрої даного типу мають невисоку надійність. З метою збільшення надійності були розроблені пристрої, оснащені засобами для визначення відповідного фізичного параметра. Прикладом такого пристрою є інтерферометричний вимірювач товщини, оснащений засобами для визначення показника заломлення матеріалу [5, 6]. Цей пристрій забезпечує надійність лише для обмеженого класу плівок, що характеризуються високою аморфністю структури. До другого типу відносяться пристрої, які мають в своєму складі калібрований проміжок, крізь який вільно проходить плівка, і засоби для вимірювання відстаней від поверхонь, що утворюють цей проміжок до поверхонь плівки [7, 8]. В такий спосіб досягається незалежність результатів вимірювання товщини від змін фізичних характеристик полімерного матеріалу. Прикладом подібного пристрою є пневматичний датчик [7], що знайшов широке застосування в виробництві. Датчик містить дві аеростатичні опори, два вимірювача витрат повітря, що подається в опори, процесор. Опори являють собою оснащені датчиками надлишкового тиску пневмокамери, звернені перфорованими поверхнями одна до одної. Датчик має процесор, який розраховує величини зазорів між перфорованими поверхнями і поверхнями плівки по даним про витрати, надлишковий тиск і в'язкість повітря. Датчик забезпечує потрібну точність, однак, разом з тим, має високу чутливість до зовнішніх факторів (в першу чергу - складу і температури повітря), що знижує його надійність. Найбільш близьким за технічною суттю до винаходу є пристрій інтерферометричного типу [8], в якому калібрований проміжок утворюється поверхнею стола, на якому лежить плівка, і нижньою поверхнею прозорої плоскопаралельної пластини, яка розташована над столом. Пристрій має в своєму складі інтерферометричний засіб для вимірювання ширини зазору між поверхнями плівки і пластини, який містить лазерне джерело поліхроматичного випромінювання, засіб для розщеплення випромінювання на опорний і сигнальний пучки, засіб для спрямовування сигнального пучка на верхню поверхню контрольованої плівки і на нижню поверхню прозорої плоскопаралельної пластини, аналізатор спектру відбитого випромінювання, засіб для спрямовування випромінювання на аналізатор спектру і процесор. Аналізатор має в своєму складі засоби для розділення спектральних компонентів випромінювання і засоби для вимірювання інтенсивності опорного і відбитого випромінювання для кожної спектральної компоненти. Процесор має в своєму складі засоби визначення коефіцієнту відбиття для кожної спектральної компоненти і розрахунку ширини зазору між поверхнями плівки і прозорої плоскопаралельної пластини. Даний пристрій має високу точність, яка, однак, досягається за рахунок використання високостабільних лазерів і високоточних фотометричних засобів. Оскільки ці компоненти є досить чутливими до вібрацій, змін температури, коливань напруги в мережі електропостачання та інших негативних впливів, які мають місце в умовах виробничої лінії, надійність пристрою не є гарантованою. Метою даного винаходу є створення датчика товщини, який забезпечував би високу надійність в умовах виробничої лінії, а також достатню швидкодію і точність. Щоб вирішити цю задачу, датчик включає до свого складу циліндричний вал, що транспортує плівку, діафрагмуючий екран із засобом для регулювання і калібрування величини проміжку між краєм екрану і поверхнею вала, і засіб для вимірювання ширини зазору між поверхнею плівки і краєм екрану. Засіб для вимірювання ширини зазору містить джерело когерентного випромінювання, оптичну систему для спрямовування випромінювання на зазор, оптичну систему для перетворення просторового розподілу інтенсивності випромінювання, що дифрагувало, просторово-чутливий фотоприймач для реєстрації перетвореного просторового розподілу інтенсивності випромінювання і процесор. Процесор містить апаратний засіб для керування реєстрацією просторового розподілу інтенсивності і перетворення одержаного сигналу в форму, придатну для математичної обробки, а також математичний засіб для визначення положень екстремумів розподілу інтенсивності і розрахунку величини зазору. Надійність датчика забезпечується тим, що він використовує в якості інформативного сигналу просторовий розподіл інтенсивності. Це знімає необхідність застосування джерел випромінювання з високою стабільністю енергетичних і просторових характеристик, а також сприяє досягненню високої точності завдяки можливості використання методів підгонки для визначення положень екстремумів розподілу інтенсивності. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де показані: на Фіг.1 - схема датчика товщини плівки; на Фіг.2 - фрагменти розподілу інтенсивності, що містять дифракційні мінімуми з індексами +1 і -1; Датчик товщини плівки 1 (Фіг.1) включає циліндричний вал 2, що транспортує плівку 1, діафрагмуючий екран 3 з регулятором величини проміжку між краєм екрану 3 і поверхнею вала 2 у вигляді мікрометричного гвинта 4, лазер 5, оптичну систему 6 для спрямовування лазерного випромінювання на зазор між краєм екрану 3 і поверхнею вала 2, телескопічну систему 7 для масштабного перетворення просторового розподілу інтенсивності випромінювання, що дифрагувало, оптичну систему 8 для виділення двох фрагментів розподілу інтенсивності, просторово-чутливий фотоприймач 9 для реєстрації перетвореного просторового розподілу інтенсивності і персональний комп'ютер 10. Оптична система 6 для спрямовування лазерного випромінювання на зазор між поверхнею плівки 1 і краєм екрану 3 містить оптичне волокно 11, лінзу 12 для вводу випромінювання і мікрооб'єктив 13 для формування плоского фронту вихідного пучка. Просторово-чутливим фотоприймачем 9 є лінійна ПЗЗ-мікросхема. Персональний комп'ютер 10 оснащено інтерфейсною платою для керування реєстрацією виділених фрагментів просторового розподілу інтенсивності і математичним засобом для обробки сигналу. Проміжок між поверхнею вала 2 і краєм екрану 3 калібрується за допомогою мікрометричного гвинта 4 і калібру. Випромінювання лазера 5 вводиться лінзою 12 в оптичне волокно 11, вихідна апертура якого розташована навпроти проміжку, утвореного краєм екрану 3 і вкритою плівкою 1 поверхнею вала 2. Мікрооб'єктивом 13 випромінювання перетворюється в спрямований на проміжок плоский пучок. Просторовий розподіл випромінювання, що дифрагувало на зазорі, утвореному краєм екрану 3 і поверхнею плівки 1, звужується або розтягується телескопічною системою 7, а потім з перетвореного розподілу оптична система 8 виділяє два фрагменти (Фіг.2), що містять екстремуми. Масштаб перетворення підбирається таким чином, щоб обидва фрагменти заповнювали всю чутливу поверхню просторовочутливого фотоприймача 9. Просторовий розподіл електричного заряду, що відповідає розподілу інтенсивності випромінювання, перетворюється за командою персонального комп'ютера 9 в цифрову форму і обробляється математичним засобом. Математичний засіб визначає поточні положення екстремумів на виділених фрагментах розподілу методом підгонки, розраховує величину зазору і товщину плівки. Перед початком роботи проводиться градуювання пристрою. Для цього на валу 2 почергово встановлюються дві плівки, товщини яких Т1 і Т2 виміряні з високою точністю іншим пристроєм. Математичний засіб визначає для кожної плівки положення пари екстремумів х11 і х12 (і=1,2) на виділених фрагментах розподілу інтенсивності і розраховує величину W - T2 х0 = × Dx12 (1) T2 - T1 де W- величина каліброваного проміжку і Dx12=(x22-x12)-(x21-x11). В процесі роботи математичний засіб визначає поточні положення екстремумів xс1 і хс2 на виділених фрагментах розподілу інтенсивності, розраховує поточну величину зазору D згідно виразу x0 D = (W - T1) × x 0 + Dx c де Dxc=(xc2-x12)-(xc1-x11), і визначає поточну товщину плівки Τ згідно співвідношенню T+D=W. На Фіг.2 наведені дві зареєстровані пари виділених фрагментів розподілу інтенсивності 14 і 15 (суцільні лінії), що містять дифракційні мінімуми з індексами +1 і -1, разом із функціями підгонки (штрихові лінії) виду f (x ) = I0 [sin(p × (x - xik ))]2 + q [p + p × (x - xik )]2 де і,k=1,2, а І0, р, xі, q - параметри підгонки. Довжина хвилі випромінювання лазера 5 становить 632,8нм, сумарна ефективна дифракційна довжина телескопічної системи 7 і системи виділення фрагментів 8470мм. Величина каліброваного проміжку W між краєм екрану 3 і поверхнею вала 2 дорівнює 100мкм. Просторово-чутливим фотоприймачем 9 була лінійна ПЗЗ-мікросхема типу К1200ЦЛ2 (1024 чутливих елементи, довжина чутливої зони - 24мм). Пари фрагментів розподілу інтенсивності 14 і 15 були отримані для плівок товщиною, відповідно, Т1=79,2мкм і T2=72,2мкм. За результатами підгонки положення мінімумів становили x11=2,99мм, x12=15,17мм (для пари 14) і x21=7,01, x22=12,08мм (для пари 15). Похибка визначення цих положень e min становила близько 0,03мм. Підставляння в формулу (1) величин W, Τ1, Τ2 і Dх12=-7,11мм дає х0=21,14мм. Діапазон вимірювання можна оцінити, виходячи з того, що кожний дифракційний мінімум може змінювати своє положення лише в межах однієї другої розміру чутливої поверхні просторово-чутливого фотоприймача 10. Підрахунок показує, що для даної конфігурації діапазон становить 70...81мкм. Складова похибки виміру товщини, що пов'язана з неточністю визначення положень мінімумів, може бути оцінена, як добуток максимальної величини зазору на відношення e min/х0, і приблизно становить 0,04мкм. Швидкодія пристрою визначається часом, необхідним для перетворення електричного сигналу в цифрову форму і математичної обробки. Перетворення електричного сигналу триває близько однієї мілісекунди. Математична обробка даних на сучасному комп'ютері може зайняти кілька десятих секунди, що можна вважати приблизною оцінкою швидкодії пристрою на сьогоднішній день. Джерела інформації 1. И.Г. Лукаш и др. Устройство для измерения толщины экструзионных диэлектрических пленок. Патент России №2055307. 2. M.Dumberger et al.. Non-contact film thickness gauging sensor. Патент США №6318153. 3. М.Л. Белов и др. Дистанционный способ измерения толщины пленок. Патент России №2168151. 4. P.A. Flournoy. Interferometric optical phase discrimination apparatus. Патент США №3319515. 5. S.Venkatesh et al. Method and apparatus for independently measuring the thickness and index of refraction of films using low coherence reflectometry. Патент США №5646734. 6. S.Venkatesh et al. Method and apparatus for determining the thickness and index of refraction of a film using low coherence reflectometry and a reference surfaces. Патент США №5633712. 7. В.К. Битюков и др. Пневматическое устройство для измерения толщины полимерной пленки. Патент России №2087860. 8. H.E.Waidenmaier et al.. Optical thickness profiler using synthetic wavelengths. Патент США №5159408.