устройство для измерения параметров материалов

Формула изобретения

Устройство для измерения диэлектрической проницаемости и проводимости материалов, содержащее СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим короткозамыкатель, измерительное устройство, отличающееся тем, что в него введен штырь, установленный в центральной части на одной из широких стенок волновода параллельно короткозамыкателю с зазором между ним и другой широкой стенкой, короткозамыкатель имеет на поверхности, обращенной внутрь волновода, полукруглую выемку по всей его ширине, параллельную штырю, и отверстие, расположенное в выемке, в котором коаксиально расположен зонд в виде иглы с помощью петли связи, гальванически соединенный с короткозамыкателем, выступающий за пределы волновода, при этом расстояние от штыря до короткозамыкателя и величина зазора выбраны из условия возникновения резонанса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано как самостоятельно для измерения электрофизических параметров материалов (совместно с генератором СВЧ и измерителем КСВН), так и в составе более сложных функциональных устройств: комплексных измерительных систем, комплексных систем по производству и контролю параметров материалов, автоматизированных измерительных, производственных и производственно-измерительных комплексов и т.д.

Известно близкое по принципу действия устройство на основе коаксиальной линии, представляющее собой резонансный, разомкнутый на конце, коаксиальный кабель с выступающим за пределы коаксиала внутренним проводником, подключенный через разделительный конденсатор и ответвитель к СВЧ-генератору. Измерения производятся при поднесении к разомкнутому концу коаксиального кабеля образца в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости (1-230). Сдвиг резонансной частоты при работе устройства составляет порядка 100 МГц. Чувствительность по сопротивлению R/R=0,0064 при сопротивлении R=100 Oм·cм на частоте 7,5 ГГц. (S.M.Anlage, D.E.Steinhauer, B.J.Feenstra, C.P.Vlahacos, V.C.Welstood. Near-Field Microwave Microscopy of Material properties // Microwave Superconductivity. - Amsterdam. - 2001. - P.239-269.)

Однако данное устройство не позволяет производить одновременное измерение нескольких параметров, так как требуется производить перестройку резонансной системы.

Известно устройство, близкое по принципу действия на основе коаксиальной линии, совмещенное с туннельным микроскопом. Оно представляет собой резонансный, разомкнутый на конце, коаксиальный кабель с выступающим за пределы коаксиала внутренним проводником, подключенный через разделительный конденсатор и ответвитель к СВЧ-генератору, совмещенный с туннельным микроскопом, позволяющим точно контролировать расстояние между зондом и исследуемым материалом, обеспечивающее разрешение по высоте 2,5 нм. Такое разрешение достигнуто при работе генератора на частоте из диапазона 7-11 ГГц. (A.Imtiaz, S.Anlage. A novel Microwave Frequeny Scanning Capacitance Microscope // Ultramicroscopy. - 2003. - V.94 - Issues 3-4. - P.209-216.)

Однако данное устройство сложно в эксплуатации и не позволяет производить многопараметровые измерения.

Наиболее близким по конструктивному исполнению к предлагаемому решению является устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов на СВЧ. Оно представляет собой прямоугольный волновод, короткозамкнутый на конце, с продольной щелью на его боковой стенке, которая в процессе измерения закрывается эталонным короткозамыкателем или измеряемым образцом, перед процессом измерения воздушный зазор между волноводом и измеряемым образцом или эталоном заливается припоем (см. патент на изобретение РФ № 2234103, МПК G01R 27/26).

Однако данное устройство предполагает дополнительную подготовку образца, а также для его использования необходимо применять припой, который изменяет свойства исследуемого материала и перестраивает резонансную систему.

Задача настоящего устройства заключается в обеспечении возможности измерять два параметра материала (диэлектрической проницаемости в диапазоне 1,5÷4000, проводимости в диапазоне 2·10^-2 Ом^-1·м^-1÷10 ⁷ Ом^-1·м^-1) без дополнительной перестройки резонансной системы.

Технический результат заключается в получении информации о диэлектрических характеристиках материала в диапазоне 1,5÷400 и о его проводимости в диапазоне 2·10^-2 Ом^-1·м^-1÷10 ⁷ Ом^-1·м^-1 без дополнительной перестройки резонансной системы.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для измерения параметров материалов, содержащее СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим короткозамыкатель, измерительное устройство, согласно решению введен штырь, установленный в центральной части на одной из широких стенок волновода параллельно короткозамыкателю с зазором между ним и другой широкой стенкой, короткозамыкатель имеет на поверхности, обращенной внутрь волновода, полукруглую выемку, по всей его ширине параллельную штырю, и отверстие, расположенное в выемке, в котором коаксиально расположен зонд в виде иглы, с помощью петли связи гальванически соединенный с короткозамыкателем, выступающий за пределы волновода, при этом расстояние от штыря до короткозамыкателя и величина зазора выбраны из условия возникновения резонанса.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом.

На чертеже приведено изображение предлагаемого устройства для измерения параметров материалов, где 1 - волновод; 2 - короткозамыкатель; 3 - штырь; 4 - выемка; 5 - отверстие в короткозамыкателе, 6 - игла; 7 - петля связи; а - размер широкой стенки волновода; b - размер узкой стенки волновода, h - высота штыря; d - диаметр штыря; k - расстояние между штырем и короткозамыкателем; s - ширина выемки; w - глубина выемки.

Разработанное для измерений параметров устройство представляет собой прямоугольный волновод 1 с подключенным к нему СВЧ-генератором (не показано), имеющий короткозамыкатель 2, измерительное устройство (не показано). Устройство содержит штырь 3, установленный в центральной части на одной из широких стенок волновода 1 параллельно короткозамыкателю 2. Высота штыря h меньше размера узкой стенки волновода b, так что между штырем и другой широкой стенкой имеется зазор. Короткозамыкатель 2 имеет на поверхности, обращенной внутрь волновода, полукруглую выемку 4, по всей его ширине параллельную штырю, и отверстие 5, в выемке коаксиально расположен зонд в виде иглы 6, с помощью петли связи 7 гальванически соединенный с короткозамыкателем 2, выступающий за пределы волновода 1. Расстояние от штыря 3 до короткозамыкателя 2 и величина зазора выбраны из условия возникновения резонанса с малым коэффициентом отражения.

Устройство работает следующим образом. СВЧ-сигнал от генератора поступает в волновод 1. Происходит взаимодействие в волноводе 1 СВЧ-сигнала со штырем 3 и короткозамыкателем 2, имеющим выемку 4. В результате возникает ближнее поле, приводящее к возникновению резонанса. Изменением расстояния между короткозамыкателем 2 и штырем 3 добиваются возникновения резонанса с малым коэффициентом отражения, после чего это расстояние фиксируется (данная операция выполняется однократно). Ближнее поле взаимодействует с иглой 6 через петлю связи 7, а через нее с исследуемым образцом, который располагается вблизи или касается иглы 6. В измерительное устройство поступает отраженный сигнал, и проводятся измерения частоты резонанса, добротности и коэффициента отражения. В данном измерительном устройстве благодаря взаимодействию ближнего поля на конце иглы 6 с измеряемым образцом при незначительном расстоянии между образцом и иглой 6 (несколько десятков мкм или контакт без усилия) возникает перестройка резонансной картины, выражающаяся в изменении частоты резонанса, его добротности и величины коэффициента отражения на частоте резонанса в зависимости от величины диэлектрической проницаемости, проводимости исследуемого слоя. Данные измерений сравниваются с калибровочными кривыми, в результате чего делается вывод обо всех вышеперечисленных величинах.

Пример практической реализации способа.

Разрабатывалось устройство в трехсантиметровом диапазоне длин волн со следующими параметрами:

Рабочий диапазон генератора, ГГц	8-12
Резонансная частота, ГГц	10,251
Коэффициент отражения при отсутствии образцов	0,032814
Добротность системы при отсутствии образцов	5126

В данной системе а=23 мм, b=10 мм, h=6,5 мм, 1 мм - высота зазора в штыре, d=0,9 мм; выемка цилиндрической формы: s=7 мм; w=2,15 мм, радиус иглы составляет 0,1 мм, расстояние k между штырем и короткозамыкателем не превышает /10. Результаты измерений приведены в таблице.

Таблица
Диэлектрическая проницаемость	Проводимость, Ом-1·м-1	Частота резонанса, ГГц	Коэффициент отражения	Добротность
	5,952·10 7	9,464	0,22697	1088
	2·10 6	10,132	0,19324	881
11,9	0,05	9,5385	0,55334	64
14		10,137	0,25417	579
16	0,02	9,4748	0,44211	115
16	0,025	9,3416	0,49594	82
30		9,3612	0,43049	184
100		10,119	0,31667	613
400		10,103	0,31232	459

Таким образом, использование системы штырь с емкостным зазором - короткозамыкатель с выемкой, отверстием, петлей связи и иглой позволяет измерять электропроводность в диапазоне 2·10^-2 Ом ^-1·м^-1÷10⁷ Ом^-1 ·м^-1, диэлектрическую проницаемость слоя исследуемого материала в диапазоне 1,5÷400.