Устройство для измерения параметров материалов
Владельцы патента RU 2373545:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано как самостоятельно для измерения электрофизических параметров материалов, так и в качестве 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. Устройство согласно изобретению представляет собой прямоугольный волновод с подключенный к нему СВЧ-генератором, имеющий короткозамыкатель 2, измерительное устройство. Устройство содержит штырь 3, установленный в центральной части на одной из широких стенок волновода 1 параллельно короткозамыкателю 2. Высота штыря h меньше размера 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. Изобретение обеспечивает одновременное измерение электрофизических параметров материала: диэлектрической проницаемости в диапазоне 1,5÷400, проводимости в диапазоне 2·10-2 Oм-1·м-1÷107 Oм-1·м-1. 1 ил., 1 табл.
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 ΔR/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÷107 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÷107 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 λ/10. Результаты измерений приведены в таблице.
| Таблица | ||||
| Диэлектрическая проницаемость | Проводимость, Ом-1·м-1 | Частота резонанса, ГГц | Коэффициент отражения | Добротность |
| 5,952·107 | 9,464 | 0,22697 | 1088 | |
| 2·106 | 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.
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.
