УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2009 года по МПК G01R27/26 

Описание патента на изобретение RU2373545C1

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.

Похожие патенты RU2373545C1

название год авторы номер документа
РЕЗОНАНСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЛИЖНЕПОЛЕВОГО СВЧ-КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ 2013
  • Усанов Дмитрий Александрович
  • Горбатов Сергей Сергеевич
  • Кваско Владимир Юрьевич
  • Фадеев Алексей Владимирович
RU2529417C1
РЕЗОНАНСНОЕ БЛИЖНЕПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ МИКРОСКОПА 2009
  • Усанов Дмитрий Александрович
  • Горбатов Сергей Сергеевич
RU2417379C1
Способ измерения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей поглощающих материалов 2020
  • Галдецкий Анатолий Васильевич
  • Богомолова Евгения Александровна
  • Алексеенков Владимир Иванович
  • Васильев Владимир Иванович
  • Коломин Виталий Михайлович
  • Немогай Ирина Куртовна
RU2744158C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2014
  • Никулин Сергей Михайлович
  • Хилов Владимир Павлович
  • Малышев Илья Николаевич
RU2548064C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР 2013
  • Усанов Дмитрий Александрович
  • Никитов Сергей Аполлонович
  • Скрипаль Александр Владимирович
  • Орлов Вадим Ермингельдович
  • Фролов Александр Павлович
RU2534728C1
ЛАБОРАТОРНАЯ КАМЕРА МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА 2007
  • Комаров Вячеслав Вячеславович
RU2329618C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НИЗКОИМПЕДАНСНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВЧ 2004
  • Дмитриенко Г.В.
  • Трефилов Н.А.
RU2247400C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НИЗКОИМПЕДАНСНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВЧ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2004
  • Дмитриенко Г.В.
  • Трефилов Н.А.
RU2253123C1
РЕФЛЕКТОМЕТР 2010
  • Лобанов Борис Семенович
  • Сухоруков Александр Григорьевич
  • Субботин Игорь Юрьевич
  • Пикуль Анатолий Иванович
  • Покусин Дмитрий Николаевич
  • Мартынов Александр Петрович
  • Войтович Максим Иванович
RU2436107C1
СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТОНКИХ ПЛОСКИХ ПЛЕНОК ИЗ НЕМАГНИТНОГО ИМПЕДАНСНОГО ИЛИ ПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2005
  • Яковенко Николай Андреевич
  • Левченко Антон Сергеевич
RU2284533C1

Реферат патента 2009 года УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ

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 2·10-2-1·м-1÷107-1·м-1. 1 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 373 545 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2373545C1

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НИЗКОИМПЕДАНСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВЧ 2003
  • Дмитриенко Г.В.
RU2234103C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ЗНАЧЕНИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НИЗКОИМПЕДАНСНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВЧ 2004
  • Дмитриенко Г.В.
  • Трефилов Н.А.
RU2247399C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ЗНАЧЕНИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НИЗКОИМПЕДАНСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВЧ 2006
  • Дмитриенко Герман Вячеславович
  • Трефилов Николай Александрович
RU2321010C1
JP 2006029842 A, 02.02.2006
JP 2003130903 A, 08.05.2003.

RU 2 373 545 C1

Авторы

Усанов Дмитрий Александрович

Горбатов Сергей Сергеевич

Сорокин Алексей Николаевич

Кваско Владимир Юрьевич

Даты

2009-11-20Публикация

2008-06-03Подача