Введение к работе
Диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям емкостных бесконтактных кондуктометров и разработке методов их проектирования.
Актуальность проблемы
Измерители удельной электропроводности жидких сред применяются в качестве источника информации для оперативного контроля физико-химического состояния различных жидкостей в системе управления технологическими процессами в микроэлектронике, в частности при контроле удельной электропроводности деионизованной воды, используемой в производстве полупроводниковых пластин.
В настоящее время контроль удельной электропроводности жидких сред, используемых в производстве полупроводниковых пластин, производится с помощью контактных кондуктометров, опыт работы с которыми показывает наличие у них целого ряда недостатков, среди которых наиболее существенными являются следующие:
невысокая точность измерения, вызванная загрязнением электродов в процессе эксплуатации измерителя;
низкая надежность, обусловленная наличием гальванического контакта «жидкая среда - электрод»;
отсутствие возможности измерения удельной электропроводности агрессивных сред из-за химических реакций протекающих в этом случае на поверхности электродов;
необходимость регулярной отмывки электродов измерителя;
сложность отмывки измерителя из-за наличия труднодоступных участков.
Кардинально решить все вышеперечисленные проблемы возможно лишь с помощью применения бесконтактных кондуктометров, которые несмотря на меньшую чувствительность по сравнению с контактными измерителями, превосходят их в точности и эксплуатационной надежности.
Кроме того, бесконтактные кондуктометры обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными контактными датчиками, а именно:
возможностью бесконтактного контроля электропроводности агрессивных и токсичных жидких сред;
полным исключением загрязнения датчика контролируемой жидкостью;
исключением воздействия контролируемых сред на детали измерителя, и следовательно, изменения его характеристик;
возможностью работы измерителя в широком диапазоне электропроводности, температур и давлений жидкости.
Несмотря на очевидные преимущества бесконтактных кондуктометров, до настоящего времени их применение было ограничено, глубокие научные исследования в этой области не проводились, отсутствовали методики оптимального проектирования таких измерителей.
Все вышеперечисленные причины ставят проблему разработки методов проектирования емкостных бесконтактных кондуктометров в ряд актуальных и своевременных.
В связи с изложенным представляется возможным сформулировать цель представленной работы.
Цель работы
Теоретические и экспериментальные исследования базовых конструкций емкостных бесконтактных кондуктометров и ita их основе теоретическое построение функции преобразования бесконтактного кондуктометра, позволяющее создать методику его оптимального проектирования по критерию максимальной чувствительности.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов работы в целом обосновывается достаточным совпадением расчетных и экспериментальных данных, зафиксированных в протоколах испытаний бесконтактных кондуктометров ИУГТ-1 и ИУП-2т, проведенных в ОАО «Ангстрем».
На зашиту выносятся:
уравнение комплексной проводимости кондуктометрической ячейки, полученное на основе анализа эквивалентных электрических схем;
уравнение функции преобразования емкостных бесконтактных кондуктометров с двумя и тремя электродами;
оценка влияния конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра на функцию преобразования;
алгоритм построения функции преобразования бесконтактного кондуктометра;
методика оптимизации конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра по критерию максимальной чувствительности измерителя в данном диапазоне удельной электропроводности исследуемой жидкости.
Научная новизна В работе впервые:
проведено теоретическое построение функции преобразования емкостных бесконтактных кондуктометров с двумя и тремя электродами;
определено влияние основных конструктивно-технологических параметров бесконтактного кондуктометра на его функцию преобразования;
разработана методика оптимизации конструктивно-технологических параметров кондуктометра по критерию максимальной чувствительности измерителя в данном диапазоне удельной электропроводности исследуемой жидкости.
Практическая значимость
Инженерная методика оптимизации конструктивно-технологических
параметров кондуктометра, доведенная до расчетных алгоритмов и программ,
существенно сокращает объем экспериментальных и вычислительных работ.
Созданная методика позволяет обосновать требования и рекомендации, реализованные в конкретных технических решениях, использование которых обеспечивает повышение чувствительности бесконтактного кондуктометра в данном диапазоне удельной электропроводности исследуемой жидкости.
Разработанные в результате научных исследований расчетные методики и компьютерная программа построения функции преобразования и определения оптимальных конструктивно-технологических. параметров емкостных бесконтактных кондуктометров могут использоваться при проектировании и разработке измерителей удельной электропроводности жидких сред, используемых в производстве полупроводниковых пластин.
Выявлены основные конструктивные параметры для емкостных бесконтактных кондуктометров, определяющие свойства создаваемого прибора.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 96» (Москва, 1996) и «Микроэлектроника и информатика - 98» (Москва, 1998).
Публикации
Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 3 статьях и 2 тезисах научных докладов.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 98 страниц, текст иллюстрируется 34 рисунками и имеет 33 библиографические ссылки.