Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть ис- пользовано при измерении и контроле диэлектрических характеристик материалов, в том числе и тонких пленок.

Известен ряд методов и способов измерения диэлектрических характеристик материалов, пригодных в широком диапазоне частот и толщин образцов. Например, способ по а.с. 1188675, который заключается в измерении диэлектрических характеристик образца, помещенного в электрическое поле вакуумированного конденсатора, по отклонению пучка электронов, пропускаемого над поверхностью образца и направленного на люминисцентный экран. Недостатками способа являются сложность

и трудоемкость процесса измерений, связанных с вакуумированием.

Другим аналогом является способ, приведенный в работе Какимото А. и др. (см. пат. поиск п.п. 3). Сущность способа заключается в определении измерения величины зазора между электродами измерительного конденсатора с образцом и без образца в нем, При этом измерения производятся в двух средах - воздухе и жидкости с известной диэлектрической проницаемостью, близкой по значению к измеряемой в образце. Точность этого метода определяется, в основном, равенством значений проницаемости. К недостаткам метода относятся: узкий диапазон измеряемых значений,

сл VI

00

о

температурная нестабильность проницаемости жидкостей и их токсичность.

Прототипом заявленного способа является способ измерения диэлектрических характеристик материалов, приведенный в 5 работе И.Г.Матиса (см. пат, поиск П,4). По способу-прототипу производится измерение изменения емкости компланарного измерительного конденсатора при размещении на поверхности его электродов 10 исследуемого образца путем включения этого конденсатора в резонансный контур, резонансные частоты которого измеряют в отсутствие и при наличии исследуемого образца на электродах конденсатора и по 15 результатам измерений производят вычисление величины диэлектрической проницаемости исследуемого образца. В методе прототипа электрическое поле измерительного конденсатора воздействует только на 20 одну сторону поверхности образца. Это обстоятельство приводит к следующим недостаткам способа: ограничен нижний предел измеряемых толщин образцов; ограничен верхний предел измеряемых значений диэ- 25 лектрической проницаемости; и частотный диапазон применения способа; большая погрешность измерений, увеличивающаяся с ростом частоты и уменьшением толщины образца.30

Целью изобретения являются повышение точности и расширение диапазона измерений Цель достигается тем, что в известном способе, размещая с противоположной сто- 35 роны исследуемого материала симметрично основному дополнительный компланарный измерительный конденсатор, включенный параллельно основному, осуществляют из- Омерение резонансной частоты при отсутст- 40 вии исследуемого образца и при совмещении попарных компланарных электродов основного и дополнительного измерительных конденсаторов.

По сравнению со способом-прбтотипом 45

заявленный способ обладает следующими новыми признаками: осуществляют измере- н,ие резонансной частоты при отсутствии исследуемого образца и при совмещении попарных компланарных электродов основ- 50 ного и дополнительного измерительных конденсаторов.

Благодаря наличию этих признаков в заявленном способе повышена точность измерения диэлектрических характеристик 55 материалов и расширены диапазон измеряемых значений диэлектрической проницаемости образцов и интервал измеряемых толщин. Кроме того, упрощена технология

процесса измерений, что улучшает производительность измерительных работ.

Новые признаки заявленного способа измерений согласно данным исследований не присущи другим известным техническим решениям той же задачи.

Результат, обусловленный новыми признаками способа измерения, заключается в повышении точности измерений диэлектрических характеристик материалов и в расширении диапазона измерений, что позволяет повысить точность измерений, так как исключаются составляющие погрешности по определению толщины образца и расстояния между электродами измерительного конденсатора, а также погрешности, возникающие при аттестации рабочей емкости конденсатора.

Сущность заявленного способа заключается в создании симметричного электрического поля, полностью замыкаемого в измеряемом образце, при любых толщинах образца. Возможность создания такого поля вытекает из симметричного и соосного расположения потенциальных и низкопотенциальных компланарных электродов основного и дополнительного конденсаторов являющихся как бы зеркальным отображением один другого. Но так как потенциальные и низкопотенциальные электроды конденсаторов имеют гальваническую связь между собой, то при полной симметрии расположения их электродов электрическое поле каждого конденсатора будет также симметрично относительно плоскости раздела двух полей, созданных двумя конденсаторами. Внесение образца материала не изменит положения плоскости раздела и конфигурации поля. Изменится только напряженность электрического поля каждого конденсатора и их рабочая емкость пропорционально диэлектрической проницаемости образца.

Реализация предложенного способа может быть осуществлена измерительным устройством, использующим явление резонанса в контуре, в который включены два конденсатора, с компланарными электродами, Тогда резонансная частота контура при помещенном образце в симметричное поле конденсаторов будет определяться равенством

1 / wi ЦСо е +Ск + Сп).(1)

где L - индуктивность контура; Со - рабочая емкость даух конденсаторов, в которую помещен исследуемый образец с искомой диэлектрической проницаемостью Ј ; Ск - возможные дополнительные емкости контура; Сп - паразитные емкости конденсатора СоПосле извлечения образца из конденсатора Со при неизменном положении электродов резонансная частота ом изменится до величины

+ Ск + Сп).(2)

Следующей операцией сводят электроды двух конденсаторов до их соприкосновения и измеряют резонансную частоту контура мз, которая определяется выражением (3)

1/Ой-ЦСк + Сп).(3)

Решая систему уравнений относительно е , получим его значение

Р

1/0)1 - 1 /а% Т/од - 1/одз

(4)

Предложенный способ реализуется устройством, функциональная схема которого изображена на фиг. 1, а конструкция конденсаторного измерительного преобразователя - на фиг. 2.

На фиг. 1 показано: 1 - измерительный преобразователь, два параллельно включенных конденсатора которого создают симметричное электрическое поле, воздействующее на обе стороны исследуемого образца. Преобразователь 1 подключен к контуру автогенератора 2 и для контура величина емкости преобразователя является основной, 3 - частотомер, вход которого соединен с выходом автогенератора 2. Частотомер 3 предназначен для измерения частоты автогенератора 2.

На фиг. 2 показано расположение одной пары v.s, n электродов конденсаторов измерительного преобразователя (. 1 фиг. 1), где: 4 и 5 - низкопотенциальные электроды, расположенные друг над другом и соответственно принадлежат верхнему и нижнему конденсаторам с компланарными электродами. Электроды А и 5 имеют гальваническую связь с корпусом измерительного преобразователя. 6 и 7 - высокопотенциальные электроды соответственно верхнего и нижнего конденсаторов, закрепленные неподвижно относительно электродов 4 и 5 изоляторами соответственно 8 и 9. Электроды 6 и 7 имеют гальваническую связь друг с другом. 10 - исследуемый образец, помещенный в пространство между электродами верхнего и нижнего конденсаторов.

Верхний конденсатор выполнен с возможностью перемещения вдоль оси вплоть до попарного совмещения компланарных электродов.

При измерении диэлектрической проницаемости образца материала 10 предложенным способом образец помещают между электродами 4, 6 и 5, 7 соответственно так, чтобы поверхности этих электродов лежали на поверхности образца. Емкость преобразователя изменится и изменится частота генерируемых колебаний автогенератора 2, которая будет зафиксирована частотометроэ 3.

При извлечении образца 10 из преобразователя 1 и сохранении взаимного расположения электродов емкость контура автогенератора уменьшится и увеличится

частота его генерируемых частот, что будет зафиксировано частотомером 3.

Последней операцией производят измерение частоты генерируемых автогенера- чором 2 при попарном совмещении

электродов 4, 6 и 5,7, что достигается сближением электродов верхнего конденсатора, т.е. электродов 4 и 6.

По измеренным значениям частот определяют значение диэлекрической проницаемости образца.

Как видно из равенств (1}-(3) и предельных значений погрешности, вносимых элементами схемы макета устройства (фиг. 1), доминирующей составляющей суммарной

погрешности является та, которая возникает за счет нестабильности Со при извлечении образца. Но, так как в заявленном способе нет необходимости определять абсолютное значение Со (как это требуется в

устройстве прототипа), то устраняется погрешность, связанная с ее измерением. Кроме того, электрическое поле рабочей емкости Со конденсаторов преобразователя не будет выходить за пределы образца

при любом значении его толщины, поэтому будет отсутствовать и этот источник погрешности, и не накладывает ограничений, имеющих место в способе прототипа.

0

5

Формула изобретения Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов, включающий измерение изменения емкости компланарного измерительного основного конденсатора при размещении на поверхности исследуемого образца путем включения основного конденсатора в резонансный контур, а измерения частот производят в отсутствие и при наличии исследуемого образца и по результатам измерений производят вычисление величины диэлектрической проницаемости исследуемого образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения диапазона измерений, размещают с противоположной стороны исследуемого материала симметрично основному дополнительный компланарный измерительный конденсатор,

ществляют измерения резонансной частоты и при отсутствии исследуемого образца и при совмещении попарных компланарных электродов основного и дополнительного из

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении и контроле диэлектрических характеристик материалов, в том числе и тонких пленок. Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов состоит в размещении на поверхности основного компланарного конденсатора исследуемого образца, с противоположной стороны которого располагают симметрично основному дополнительный компланарный измерительный конденсатор, подсоединенный параллельно основному, и включают их в резонансный контур с последующим измерением резонансной частоты при отсутствии исследуемого образца и при совмещении попарных компланарных электродов основного и дополнительного измерительных конденсаторов, а по результатам измерений производят вычисление величины диэлектрической проницаемости исследуемого образца. Обеспечение размещения и подключение дополнительного компланарного измерительного конденсатора позволило повысить точность и расширить диапазон измерений. 2 ил. сл с

включенный параллельно основному, осу- 5 мерительных конденсаторов.

5 -W/////////S

Фиг./

Фиг.2