ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров материалов

Классы МПК:G01N22/00 Исследование или анализ материалов с использованием сверхвысоких частот
G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных 
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-10-25
публикация патента:

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано для измерения электрофизических параметров материалов. Технический результат заключается в повышении разрешающей способности до порядка 1 микрометра, а также повышении чувствительности до уровня, достаточного для определения параметров материалов с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 1.5÷400 и проводимостью в диапазоне 2·10-2-1·м -1÷107 Ом-1·м-1 .Заявленное устройство содержит СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство с волноводной резонансной системой в качестве оконечного устройства, причем оконечное устройство содержит емкостную металлическую диафрагму, согласно решению на емкостную металлическую диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика с площадью, равной площади фланца волновода, а на образец диэлектрика наложен зонд в виде металлической проволоки с длиной от 12 до 20 мм и диаметром от 0,1 до 0,5 мм с заостренным концом, изогнутым под прямым углом, отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости образца диэлектрика, при этом толщина плоскопараллельного образца диэлектрика t выбрана из условия резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 , где резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 в - длина волны основного типа в волноводе, резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 - диэлектрическая проницаемость пластины. 3 ил., 1 прим.

. резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417

Рисунки к патенту РФ 2529417

резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417

зобретение 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 устройство на основе коаксиального зонда, представляющее собой разомкнутый на конце, коаксиальный кабель с выступающим за пределы коаксиала внутренним проводником (Устройство для измерения диэлектрической проницаемости материалов / Д.А. Усанов, А.Ю. Вагарин, А.А. Безменов // А.С. 1114979, СССР. Заявлено 22.06.82. Опубл. 07.08.84. Бюл. № 35).

Однако данное устройство обладает недостаточно высокой чувствительностью для использования в микро- и наноэлектронике.

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) (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). Контролируемый прижим внутреннего проводника обеспечивал пространственное разрешение порядка 1 мкм.

Однако данное устройство в бесконтактном режиме обеспечивает пространственное разрешение не более 30 мкм, что также ограничивает сферу его применения.

Известно близкое по принципу действия к предлагаемому решению устройство 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 не позволяет осуществлять контроль в широком диапазоне значений проводимости образцов полупроводниковых материалов вследствие низкой добротности резонансной системы и требует контроля расстояния между зондом и исследуемым материалом с точностью до 2.5 нм.

Известно близкое по конструктивному исполнению к предлагаемому решению устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов на СВЧ. В ближнеполевом СВЧ-микроскопе, предложенном авторами (M. Golosovsky, D. Davidov. Novel millimeter-wave neareld resistivity microscope. - Appl. Phys. Lett.1996.- т.68, v.11 - p.p.1579-1581), роль резонатора выполняла резонансная диафрагма, устанавливаемая на конце прямоугольного волновода и перекрывающее его поперечное сечение. Отверстие в диафрагме представляло собой узкую щель шириной b и длиной а, вырезанную в тонкой проводящей пластине вдоль ее широкой стороны. Следует отметить, что нагруженная добротность такой резонансной диафрагмы может быть существенно меньше 100.

Однако данное устройство вследствие низкой локальности неспособно различать участки исследуемого образца с размерами менее 30 микрометров, что недостаточно для использования в микро- и наноэлектронике.

Известно близкое по принципу действия к предлагаемому решению устройство для измерения параметров материала, предложенное авторами (Устройство для измерения параметров материалов / Д.А. Усанов, С.С. Горбатов, А.Н. Сорокин, В.Ю. Кваско // Пат. РФ № 2373545, - № 2009122332/19; Заявлено 03.06.09. Опубл. 20.11.09. Бюл. № 32). Устройство представляет собой прямоугольный волновод с введенным штырем, установленным 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, выступающим за пределы волновода.

Однако данная система вследствие недостаточной добротности резонатора обладает невысокой чувствительностью измерений в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости и проводимости.

Наиболее близким по конструктивному исполнению к заявляемому решению является устройство для измерения электрофизических параметров материалов на СВЧ в ближнеполевом СВЧ-микроскопе, предложенном авторами (Резонансное ближнеполевое устройство для СВЧ-микроскопа/Д.А. Усанов, С.С. Горбатов//Пат.РФ № 2417379, № 2009142478/28; Заявлено 19.11.09. Опубл. 27.04.11. Бюл. № 12.). Резонансное ближнеполевое устройство СВЧ-микроскопа содержит СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство, отличающееся тем, что в него введена в качестве оконечного устройства волноводная резонансная система, содержащая входную индуктивную и выходную емкостную диафрагмы, и два прямоугольных выступа между диафрагмами, гальванически соединенных с выходной емкостной диафрагмой, установленных в центральной части на широких стенках волновода параллельно поперечному сечению волновода, при этом расстояние между диафрагмами выбрано из условия возникновения резонанса и составляет величину, много меньшую длины волны.

Однако данное устройство обладает недостаточно высокой чувствительностью, не позволяющей разрешать объекты с локальностью менее 10 мкм.

Задача настоящего изобретения заключается в получении информации о топологии структур с локальностью порядка 1 микрометра и менее, с одновременным измерением параметров материала (диэлектрической проницаемости в диапазоне 1.5÷400, проводимости в диапазоне 2·10-2-1·м-1÷10 7 Ом-1·м-1).

Технический результат заключается в повышении разрешающей способности до порядка 1 микрометра, а также повышении чувствительности до уровня, достаточного для определения параметров материалов с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 1.5÷400 и проводимостью в диапазоне 2·10-2-1·м -1÷107 Ом-1·м-1 .

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для ближнеполевого СВЧ-контроля параметров материалов содержит СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство с волноводной резонансной системой в качестве оконечного устройства, причем оконечное устройство содержит емкостную металлическую диафрагму, согласно решению на емкостную металлическую диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика с площадью, равной площади фланца волновода, а на образец диэлектрика наложен зонд в виде металлической проволоки с длиной от 12 до 20 мм и диаметром от 0,1 до 0,5 мм с заостренным концом, изогнутым под прямым углом, отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости образца диэлектрика, при этом толщина плоскопараллельного образца диэлектрика t выбрана из условия резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 , где резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 в - длина волны основного типа в волноводе, резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 - диэлектрическая проницаемость пластины.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 приведено изображение предлагаемого устройства для измерения параметров материалов, на фиг.3 приведена зависимость отраженного сигнала от исследуемой встречно-штыревой периодической структуры в предлагаемом решении. Позициями на чертежах обозначены:

1 - волновод;

2 - металлическая диафрагма;

3 - плоскопараллельный образец диэлектрика;

4 - зонд;

5 - щель;

а - размер широкой стенки волновода;

b - размер узкой стенки волновода;

m - толщина диафрагмы 2;

t - толщина диэлектрика 3;

f - длина щели,

g - ширина щели 5.

Заявляемое устройство представляет собой прямоугольный волновод 1 с подключенным к нему СВЧ-генератором (не показано), измерительное устройство (не показано). Устройство содержит металлическую диафрагму 2, установленную на конце прямоугольного волновода и перекрывающую его поперечное сечение. Отверстие в диафрагме представляет собой узкую щель шириной g и длиной f, вырезанную в проводящей пластине вдоль ее широкой стороны. С внешней стороны на диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика 3 с площадью, равной площади фланца волновода, и толщиной t, значительно меньшей длины волны. Толщина образца диэлектрика может изменяться в пределах от 10 мкм до 500 мкм. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика 2-9.8. Электрическая длина диэлектрика должна быть намного меньше длины волны основного типа резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 в, чтобы обеспечить эффективное возбуждение зонда полем излучения диафрагмы, что соответствует выполнению условия резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 . На поверхности диэлектрической пластины закреплен металлический зонд 4, расположенный напротив середины щели 5 в диафрагме, перпендикулярно ей. Зонд представляет собой отрезок проволоки диаметром от 0.1 до 1.5 мм, состоящий из двух участков разной длины, изогнутых под прямым углом друг к другу. Общая длина отрезка проволоки составляет от 12 мм до 20 мм. Длинная часть отрезка проволоки расположена в плоскости диэлектрика перпендикулярно щели в диафрагме. Короткая часть отрезка изогнутой проволоки перпендикулярна плоскости диафрагмы и имеет заостренный конец. Зонд не имеет гальванического контакта с диафрагмой. В такой системе можно ожидать более высокой степени локальности, чем в прототипе, поскольку она определяется заостренным концом проволоки. Размер острия составляет 100 нм и менее. Экспериментально установлено, что наилучшая локальность составляет резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 2 нм.

Резонансные свойства проявляются за счет взаимодействия емкостной щели и зонда, причем вследствие высокой концентрации СВЧ поля, создаваемой металлической диафрагмой, плоскопараллельным образцом диэлектрика и зондом, достигается высокая добротность такой системы, а следовательно, высокая чувствительность к изменению характеристик близко расположенного к зонду образца.

Устройство работает следующим образом. СВЧ сигнал от генератора поступает в волновод 1. Происходит взаимодействие в волноводе 1 СВЧ сигнала с металлической диафрагмой 2. В результате возникает ближнее поле, приводящее к возникновению резонанса. Ближнее поле через отверстие в металлической диафрагме и диэлектрик 3 взаимодействует с зондом 4. Ближнее поле, локализованное вблизи зонда, взаимодействует с образцом, который располагается вблизи зонда. В измерительное устройство поступает отраженный сигнал, и проводятся измерения частоты резонанса, добротности и коэффициента отражения. В данном измерительном устройстве, благодаря взаимодействию ближнего поля вблизи зонда с измеряемым образцом при незначительном расстоянии между образцом и зондом (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.

На фиг.3 приведены данные о топологии фрагмента встречно-штыревой структуры (фоновое изображение) с локальностью порядка менее 1 микрометра. В этом случае зонд устанавливался на расстоянии 2 мкм от исследуемой структуры. Установка зонда и контроль его положения при движении осуществлялось при помощи длиннофокусного оптического микрометрического объектива. На фиг.3 поверх фотоизображения тестовой структуры приведена экспериментальная зависимость частоты резонанса системы от смещения измерительного зонда вдоль оси х. Образец перемещался относительно зонда с помощью микрометрического винта. Видно, что при изменении местоположения зонда происходит изменение резонансной частоты, что позволяет судить о разрешении металлических элементов исследуемой структуры с шириной менее 1 мкм. Значения резонансной частоты при прохождении зонда над неметаллизированной частью встречно-штыревой структуры были различными в зависимости от наличия или отсутствия на ней следов не удаленного фоторезиста.

Пример практической реализации устройства.

Разрабатывалось устройство в трехсантиметровом диапазоне длин волн со следующими параметрами:

Рабочий диапазон генератора, ГГц 8-12
Резонансная частота, ГГц 8,488
Коэффициент отражения при отсутствии образцов0,012
Добротность системы при отсутствии образцов9500
Добротность системы при измерении образцов резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417
(нагруженная добротность) 9500

Таким образом, использование системы из плоскопараллельного образца диэлектрика и металлической диафрагмы позволяет получить разрешение менее 1 мкм и обеспечить измерение диэлектрической проницаемости в диапазоне 1.5÷400 и проводимости в диапазоне 2·10 -2-1·м-1÷107 Ом-1·м-1, что значительно превышает разрешение устройства-прототипа.

Чувствительность системы при изменении размеров длинной части зонда от 17 мм до 9 мм при постоянной короткой части, равной 3 мм, толщина диэлектрика 500 мкм, угол наклона зонда 90°.

Размер длинной части зонда, мм Диэлектрическая проницаемостьЧувствительность по частоте, кГц/(резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 +резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 )
17 4.8470
164.7620
154.6 810
14 4.51120
134.4 970
12 4.31030
114.21090

Чувствительность системы при изменении размеров короткой части зонда от 9 мм до 3 мм при постоянной длинной части, равной 14 мм, толщина диэлектрика 500 мкм, угол наклона зонда 90°.

Размер короткой части зонда, мм Диэлектрическая проницаемостьЧувствительность по частоте, кГц/(резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 +резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 )
9 4.8410
84.7530
74.6 340
6 4.51160
54.4370
44.3 290
3 4.21120

Чувствительность системы при изменении угла наклона зонда от 0 до 90, размер короткой части зонда 3 мм, длинной части - 14 мм, толщина диэлектрика 500 мкм.

Угол наклона зонда, градусы Диэлектрическая проницаемостьЧувствительность по частоте, кГц/(резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 +резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 )
0 4.8100
154.7220
304.6 150
45 4.51010
604.4 510
75 4.31370
904.21120

Чувствительность системы при изменении толщины диэлектрика, размер короткой части зонда 3 мм, длинной части - 14 мм, угол наклона зонда 90°.

Толщина диэлектрика, мкм Диэлектрическая проницаемостьЧувствительность по частоте, кГц/(резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 +резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 )
15 4.8150
304.7190
454.6 650
60 4.5780
754.4 1070
90 4.31100
1054.21060
5004.8 1120
1500 4.7140

Чувствительность системы при изменении диэлектрической проницаемости диэлектрика, размер короткой части зонда 3 мм, длинной части - 14 мм, угол наклона зонда 90°, толщина плоскопараллельного образца диэлектрика между зондом и металлической диафрагмой 90 мкм.

Диэлектрическая проницаемость Чувствительность по частоте, кГц
2.1150
9.8190
16650
60780
70700
90600
4001060

Чувствительность системы при изменении проводимости в диапазоне 2·10-2-1·м-1÷10 7 Ом-1·м-1, размер короткой части зонда 3 мм, длинной части - 14 мм, угол наклона зонда 90°, толщина плоскопараллельного образца диэлектрика между зондом и металлической диафрагмой 90 мкм.

Проводимость, Ом-1·м -1Чувствительность по частоте, кГц
2·102 150
10 4190
105650
107180

Приведенные таблицы позволяют оценить чувствительность системы при различных параметрах плоскопараллельного диэлектрического образца, металлической диафрагмы и зонда с длиной от 12 до 20 мм в виде металлической проволоки с диаметром от 0,1 до 0,5 мм с заостренным концом, изогнутой под прямым углом. Отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости широкой стенки волновода.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для ближнеполевого СВЧ-контроля параметров материалов, содержащее СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство с волноводной резонансной системой в качестве оконечного устройства, причем оконечное устройство содержит емкостную металлическую диафрагму, отличающееся тем, что на емкостную металлическую диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика с площадью, равной площади фланца волновода, а на образец диэлектрика наложен зонд в виде металлической проволоки с длиной от 12 до 20 мм и диаметром от 0,1 до 0,5 мм с заостренным концом, изогнутым под прямым углом, отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости образца диэлектрика, при этом толщина плоскопараллельного образца диэлектрика t выбрана из условия резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 , где резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 в - длина волны основного типа в волноводе, резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров   материалов, патент № 2529417 - диэлектрическая проницаемость пластины.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2529417

patent-2529417.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс G01N22/00 Исследование или анализ материалов с использованием сверхвысоких частот

Патенты РФ в классе G01N22/00:
устройство для измерения свойства диэлектрического материала -  патент 2528130 (10.09.2014)
контрольное устройство миллиметрового диапазона -  патент 2521781 (10.07.2014)
система и способ досмотра субъекта -  патент 2517779 (27.05.2014)
способ определения электропроводности и толщины полупроводниковых пластин или нанометровых полупроводниковых слоев в структурах "полупроводниковый слой - полупроводниковая подложка" -  патент 2517200 (27.05.2014)
способ определения электропроводности и энергии активации примесных центров полупроводниковых слоев -  патент 2516238 (20.05.2014)
антенна-аппликатор и устройство для определения температурных изменений внутренних тканей биологического объекта путем одновременного неинвазивного измерения яркостной температуры внутренних тканей на разных глубинах -  патент 2510236 (27.03.2014)
способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ -  патент 2509315 (10.03.2014)
свч способ обнаружения и оценки неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металле -  патент 2507506 (20.02.2014)
способ обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ и устройство для его осуществления -  патент 2507505 (20.02.2014)
способ и устройство для сортировки добытого ископаемого материала -  патент 2503509 (10.01.2014)

Класс G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных 

Патенты РФ в классе G01R27/26:
устройство для измерения свойства диэлектрического материала -  патент 2528130 (10.09.2014)
микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста уитстона методом широтно-импульсной модуляции -  патент 2515309 (10.05.2014)
способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ -  патент 2509315 (10.03.2014)
микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления в двоичный код с генератором, управляемым напряжением -  патент 2502076 (20.12.2013)
способ определения коэффициента потерь tg диэлектриков -  патент 2501028 (10.12.2013)
микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по эдс самоиндукции -  патент 2498327 (10.11.2013)
способ определения сопротивления и индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора напряжения -  патент 2491559 (27.08.2013)
сканирующий измеритель параметров cg-двухполюсников -  патент 2488130 (20.07.2013)
способ и устройство для емкостного обнаружения объектов -  патент 2486530 (27.06.2013)
способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности -  патент 2477493 (10.03.2013)


Наверх