167641. lajstromszámú szabadalom • Rezgőkvarcos analóg rendszerű rétegvastagságmérő berendezés
167641 biztosítják a közvetlen, gyors mérési és értékelési lehetőséget. A működési leírás feltételezi,, hogy a lecsapódott réteg tömegével arányos különbségi frekvencia a mérés kezdetekor (Am=0)Af=0. Az első és a további mérések során a mérőkristályra lecsapódó rétegek felhalmozódnak és ennek hatására a frekvenciaeltolódások összegeződnek. Ezért minden mérés előtt a korábbi mérésekből származó frekvenciaeltolódás kiegyenlítése szükséges. Az eddig ismeretes analóg berendezések a korábbi mérésekből származó frekvenciaeltolódást mechanikus úton hangolható, változtatható frekvenciájú referencia oszcillátorral egyenlítik ki. Ezeknél a berendezéseknél a referencia oszcillátor hangoló eleme induktivitás vagy kapacitás és az oszcillátor (1. ábra 3 egység) frekvenciája a mérőkristály frekvenciájával, vagy abból származott különbségi frekvenciával egyezik meg. Az eddig ismeretes, kézzel, mechanikus úton kiegyenlíthető analóg rezgőkvarcos rétegvastagságmérő berendezésekkel a teljes automatizálás nem valósítható meg, mert az automatikus párologtatási ciklus a nullázáskor megszakad. Az eddig ismeretes analóg rezgőkvarcos rétegvastagságmérők további hátránya, hogy a növekvő frekvenciaelhangolással az érzékenység csökken. Ezt az érzékenység csökkentést a frekvenciaeltolódás (I) képletében lévő f2 megváltozása okozza. Az így keletkező relatív hiba (I) összefüggésből (f—Afp helyettesítésével számítható: Am -2 f.Af+Af2 2Af h = (II) Ezt a hibát csak a frekvenciaeltolódás pillanatnyi értékének meghatározásával, az ennek ismeretében kiszámított korrekció alapján küszöbölik ki, az eddig ismeretes berendezéseknél. Ez a jelenség a vastagságmérés pontosságát korlátozza, lehetetlenné téve a mérőkristály rezgési tulajdonságai által megengedett teljes elhangolási tartomány kihasználását. Az eddig ismeretes analóg rendszerű berendezések ezen hátrányait küszöböljük ki a találmány szerinti berendezéssel. A találmány szerinti berendezés a sűrűségtől függően közvetlenül a rétegvastagsággal arányos jelet állít elő, a pillanatnyi frekvenciaeltolódás értékének figyelembevételével a mért értéket korrigálja és a mérés megkezdése előtt a mérőrendszert villamos vezérlőjel hatására automatikusan kiegyenlíti. Ezzel lehetővé válik a mérési eredmény közvetlen, gyors értékelése, a berendezés teljesen automatizált rendszerbe való illesztése a mérőkristály teljes frekvenciaeltoló dási tartománya kihasználása mellett. A találmány szerinti berendezés a lecsapódott réteg tömegével arányos elektormos jelet egy műveleti egységre kapcsolja és a műveleti egység bemenetén sorbakapcsolt, a lecsapódott réteg sűrűségével egyenesen arányos beállító elemmel a műveleti egység érzékenységét úgy állítja be, hogy a mérőrendszer kimeneti jele közvetlenül rétegvastagság egységben jelenik meg. A lecsapódott réteg tömege és vastagsága között a következő összefüggés áll fenn: AV = F.9 (III) ahol:AV = a mérőkristályra lecsapódott réteg vastag-5 sága Am = a mérőkristályra lecsapódott réteg tömege; S = a mérőkristályra lecsapódott réteg sűrűsége F = a mérőkristály felülete A (III) összefüggésből Am-t kifejezve az (I) össze-10 ~p~ függésbe behelyettesítve, átrendezés után a következő összefüggés adódik: N*?q Af Af 15 AV = - —-2 9-K -^- < IV > A (IV) összefüggésből látható, hogy a mérőkristály jellemzőitől függő K állandón kívül a rétegvastagság egyenesen arányos az általa létrehozott frekvenciael-0 tolódással és fordítva arányos a réteg sűrűségével. A találmány szerinti berendezés műveleti egysége a fenti összefüggést valósítja meg egy alkalmasan visszacsatolt műveleti erősítővel, mely a 2. ábrán látható. A műveleti erősítő Av erősítését a visszacsatoló 25 ágban lévő Zv és a soros ágban lévő Z s impedanciák hányadosa __ —határozza meg. Ha az impedanciákat Zs = C . Z\ 30 Zs és Zv = K Zi értékűre választjuk, akkor az Av erősítés a következő lesz: 35 Av s KZi ^Zi K (V) Az erősítő a bemenetére vezetett Af frekvenciával arányos U^e jelből a AV vastagsággal arányos Ukj 40 jelet állítja elő. A sűrűség figyelembevételét a soros ágban elhelyezett, a sűrűséggel egyenesen arányosan beállított Zs impedancia végzi. így a sűrűség értéke a gyakorlatban előforduló minden anyagra korlátozás nélkül beállítható. A sűrűség figyelembevételére egy-45 szerű, lineárisan változtatható elem alkalmazható, mely ennek eredményeként lineárisan skálázható. A találmány szerinti berendezés a villamos vezérlő jelre történő automatikus kiegyenlítést elektronikus úton végzi. A vezérlőjel hatására a kiegyenlítést végző 50 rendszer az adott pillanatban fennálló frekvenciából mintát vesz és azt digitálisan tárolja és újabb vezérlőjel érkezéséig folyamatosan előállítja. A rezgőkvarcos vastagságmérő felépítésétől függően, a mintavétel 55 alapjául szolgáló frekvencia a mérőkristály frekvenciája, vagy az abból származtatott bármilyen különbségi frekvencia lehet. A kiegyenlítés vezérlése akár kézi, akár meghatározott program szerint előállított indítójellel történhet. gQ A találmány szerinti berendezés az elhangolástól függő érzékenység korrekciót úgy oldja meg, hogy a mérőkristályra lecsapódott réteg tömege okozta frekvenciaeltolódás kiegyenlítésekor, a kiegyenlítést végző rendszerrel kényszerkapcsolatban lévő korrekciós tag gg a kristály elhangolódása következtében fellépő érzékenységváltozást kiegyenlíti. A frekvenciaeltolódást kiegyenlítő rendszer és a korrekciós tag kényszerkap-2
