close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 6683

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6683
(13) C1
(19)
7
(51) G 01R 27/26,
(12)
G 01N 22/00
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
ТОНКОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(21) Номер заявки: a 20001088
(22) 2000.12.08
(46) 2004.12.30
(71) Заявитель: Государственное учреждение высшего профессионального
образования "Белорусско-Российский
университет" (BY)
(72) Авторы: Борисов Александр Васильевич; Борисов Василий Иванович; Карпенко Александр Валерьевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
учреждение высшего профессионального образования "Белорусско-Российский университет" (BY)
BY 6683 C1
(57)
Способ измерения диэлектрической проницаемости тонкослойных материалов, включающий облучение СВЧ излучением образца тонкослойного материала, установленного в
одно из плеч двухлучевого интерферометра под углом α к падающему СВЧ излучению,
обеспечивающим прохождение излучения через образец, отличающийся тем, что используют СВЧ излучение, для которого толщина d образца тонкослойного материала не
превышает половину длины волны, перед установкой образца интерферометр настраивают на минимум, после установки образца интерферометр снова настраивают на минимум
путем увеличения длины его второго плеча и в этом положении производят измерение
расстояния ∆L, на которое увеличено второе плечо интерферометра, а диэлектрическую
проницаемость ε определяют по формуле:
⎛
⎛
⎞⎞
1
⎜ ε − cos ⎜ α − arcsin ⎛⎜ sin α ⎞⎟ ⎟ ⎟ = ∆L .
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝ ε ⎠ ⎠ ⎟⎠ d
sin 2 α ⎜⎝
⎝
1−
ε
Фиг. 1
BY 6683 C1
(56)
SU 1661674 A1, 1991.
SU 1272279 A1, 1986.
SU 1626136 A1, 1991.
SU 1167535 A, 1985.
FR 2696547 A1, 1994.
JP 11108976 A, 1999.
Изобретение относится к области радиоволнового неразрушающего контроля, в частности к определению электрических свойств диэлектрических материалов.
Известен способ измерения диэлектрической проницаемости, который основан на
размещении контролируемого образца в виде планарного СВЧ-волновода в резонатор и
определении постоянной распространения основной моды волновода на резонансной частоте, для чего производится изменение частоты генерируемого излучения и возбуждение
основных волноводных мод [1].
Недостатком реализованного в этой работе способа является сложность его реализации,
так как требуется подстройка частоты и необходимо возбуждение только одной моды.
Известен способ определения диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических
потерь, который заключается в том, что исследуемая подложка вводится внутрь цилиндрического металлического СВЧ-волновода. Частота генерируемого излучения изменяется
для достижения максимального коэффициента передачи СВЧ излучения через нагруженный волновод. Диэлектрическая проницаемость определяется по этой резонансной частоте по соответствующим формулам [2].
Однако способ является сложным, так как требуются подложки определенных размеров, которые вмещаются в волноводе.
В авторском свидетельстве СССР предлагается определение диэлектрической проницаемости изотропных диэлектриков за счет наведения в них искусственной анизотропии с
помощью внешнего электрического поля с последующим расчетом по проницаемости по
разработанной макроскопической модели диэлектрика [3].
Главным недостатком предложенного способа является трудности его реализации, так
как реальные диэлектрические материалы имеют анизотропные участки, связанные с механическими напряжениями, возникающими при изготовлении и обработке материалов,
поэтому неясны границы применимости макроскопической модели диэлектрика к реальным диэлектрическим материалам.
Из известных способов наиболее близким по технической сущности является описанный в [4]. Этот способ основан на том, что исследуемый образец облучается электромагнитными волнами двух ортогональных поляризаций на двух различных частотах, затем
одна из поляризованных волн каждой частоты проходит через исследуемый образец, а затем
волны ортогональных поляризаций снова сводятся вместе и определяется степень эллиптичности результирующей волны каждой частоты, что позволяет определить диэлектрическую проницаемость материала.
Главным недостатком описанного способа является трудность его реализации, так как
требуются устройства для разделения СВЧ излучения на ортогональные поляризации и
устройства для сведения ортогональных поляризаций для получения поляризованного по
эллипсу излучения. Также требуется устройства для определения степени эллиптичности
сведенных волн для каждой из частот и формулы для расчета диэлектрической проницаемости.
Задачей настоящего изобретения является упрощение способа измерения диэлектрической проницаемости тонкослойных диэлектрических материалов, толщина которых
меньше половины длины волны применяемого СВЧ излучения в материале.
2
BY 6683 C1
Эта задача достигается тем, что в способе измерения диэлектрической проницаемости
тонкослойных материалов, включающем облучение СВЧ излучением образца тонкослойного материала, который установлен в одно из плеч двухлучевого интерферометра под
углом α к падающему СВЧ излучению, обеспечивающим прохождение излучения через
образец, согласно изобретению, используют СВЧ излучение, для которого толщина d образца тонкослойного материала не превышает половину длины волны, а перед установкой
образца интерферометр настраивают на минимум и после установки образца интерферометр снова настраивают на минимум путем увеличения длины его второго плеча и в этом
положении производят измерение расстояния ∆L, на которое увеличено второе плечо интерферометра, а диэлектрическую проницаемость ε определяют по формуле:
⎧⎪
⎡
⎛ sin α ⎞⎤ ⎫⎪ ∆L
1
⎟⎟⎥ ⎬ =
.
(1)
⎨ ε − cos ⎢α − arcsin ⎜⎜
⎝ ε ⎠⎦ ⎪⎭ d
⎣
sin 2 α ⎪⎩
1−
ε
Простота выполнения предлагаемого способа заключается в возможности использования
двухлучевого интерферометра практически любой конструкции. Изначальная настройка
интерферометра на нуль является существенной операцией, так как она позволяет увеличить точность длины, на которую увеличилось опорное плечо интерферометра за счет повышения коэффициента усиления регистрируемого сигнала.
Установка образца под углом проводится для того, чтобы уменьшить интерференционные явления, обусловленные отражением части СВЧ излучения от поверхностей контролируемого образца.
Выполнение в совокупности этих признаков позволяет решить поставленную задачу.
Предложенный способ поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена схема реализации
способа. На фиг. 2 приведена схема, поясняющая расчет диэлектрической проницаемости.
СВЧ излучение от генератора 1 по металлическому волноводу 2 распространяется к
рупорной антенне 3, после которой оно попадает на делительное устройство 4, которое
делит падающее СВЧ излучение на два пучка. Делительное устройство 4 и два металлических зеркала 5 и 6, полностью отражающие падающее на них излучение обратно, образуют
двухлучевой СВЧ-интерферометр Майкельсона, имеющий два открытых плеча. Один пучок после делительного устройства распространяется в опорном канале (плече) интерферометра, а второй - в рабочем канале (плече). После обратного отражения на делительном
устройстве оба пучка складываются вместе, образуя в пространстве интерференционную
картину. В этой области пространства установлен СВЧ-диод 3, электрический сигнал с
которого регистрируется индикатором 8. Зеркало 5, установленное в опорном плече интерферометра, имеет возможность плавного перемещения вдоль пучка и имеет отсчетное
устройство, позволяющее измерять величину перемещения зеркала. В начальном положении зеркало 5 устанавливается в таком положении, чтобы интерферометр был настроен на
минимум. При такой настройке разность плеч интерферометра кратна нечетному числу
половины длины волны генерируемого излучения. Затем в рабочее плечо интерферометра
устанавливают контролируемый образец 9 таким образом, что излучение падает на контролируемый образец 9 под углом α.
Далее излучение проходит через контролируемый образец и отражается обратно металлическим зеркалом 6, после чего еще проходит через контролируемый образец 9 и направляется в СВЧ-диод 7. После установки образца оптическая длина (произведение
геометрической длины на показатель преломления материала) рабочего плеча интерферометра увеличивается и интерферометр отстраивается от минимума. Для определения величины увеличения оптической длины рабочего плеча зеркало 5 отодвигается от начального
положения до тех пор, пока интерферометр не станет снова настроен на минимум. Это положение зеркала изображено на фиг. 1 цифрой 10. Расстояние ∆L между начальным и конечным положениями зеркала 5 равно увеличению оптической длины рабочего плеча
интерферометра при постановке в него контролируемого образца.
3
BY 6683 C1
Чертеж, приведенный на фиг. 2, иллюстрирует физическую суть реализации предложенного способа и позволяет получить расчетные соотношения для определения относительной диэлектрической проницаемости материала контролируемого слоистого образца.
СВЧ излучение 1, прошедшее делительный элемент 2, падает на контролируемый образец 3 под углом α. Ha передней грани образца 4 наблюдается преломление СВЧ излучения под углом β. При этом в образце излучение проходит путь AB. Преломленное на
задней грани образца 5, прошедшее образец излучение распространяется параллельно падающему на образец в направлении зеркала 6. При отсутствии контролируемого образца в
рабочем плече интерферометра длина плеча L0 от делительного элемента 2 до зеркала 6
равна
L0 = OA + AE + ED.
(2)
При наличии контролируемого образца в рабочем плече интерферометра длина плеча
L1 от делительного элемента 2 до зеркала 6 равна
(3)
L1 = OA + AB ⋅ ε + BC .
Тогда увеличение оптической длины рабочего плеча интерферометра будет равно
⎧⎪
⎡
⎛ sin α ⎞⎤ ⎫⎪
d
⎟⎟⎥ ⎬ .
ε − cos ⎢α − arcsin ⎜⎜
∆L = L1 − L 0 = AB ⋅ ε − AE =
⎨
(4)
⎝ ε ⎠⎦ ⎪⎭
sin 2 α ⎪⎩
⎣
1−
ε
Отрезки AB и AE определяются из прямоугольного треугольника ABE (фиг. 2).
Из выражения (4) получается расчетная формула (1) для определения относительной
диэлектрической проницаемости материала контролируемого слоистого образца.
Расчетная формула (1) справедлива лишь для слоев, толщина которых не превышает
половину длины волны используемого излучения в материале контролируемого образца.
Это ограничение связано с тем, что при измерении не определяется абсолютная разность
длин плеч интерферометра, а лишь должно выполняться условие, что порядок интерференционного минимума при постановке контролируемого образца в рабочее плечо интерферометра не должен изменяться.
Пример конкретного выполнения.
Эксперименты по измерению диэлектрической проницаемости проводились на экспериментальной установке, где в качестве генератора СВЧ-волн использовался генератор
Г4-109, на выходе которого был собран двухлучевой интерферометр с двумя открытыми
плечами. Для этого на выходе отрезка металлического прямоугольного СВЧ-волновода,
присоединенного к выходу генератора, была установлена круглая рупорная антенна диаметром 15 см. В качестве делительного устройства использовалась проволочная сетка с
размерами 21×15 см с квадратными ячейками размером 1 см. В качестве зеркал интерферометра использовались металлические пластинки размерами 20×15 см, одна из которых
устанавливалась на однокоординатный столик с микрометрическим отсчетом. Это зеркало
образовывало опорное плечо интерферометра. Измерения проводились на длине волны
СВЧ излучения в вакууме 3 см.
Были проведены измерения относительной диэлектрической проницаемости стекла,
фторопласта, винипласта и органического стекла. Образцы устанавливались под углом
падения СВЧ излучения α = 12°.
Для расчета диэлектрической проницаемости по формуле (1) была разработана специальная компьютерная программа.
В результате были получены усредненные данные по 20-24 независимым проведенным измерениям. Они дали следующие результаты.
Для стеклянного образца толщиной 3,8 мм ε = 7,71 ± 0,61.
Для образца из фторопласта толщиной 10,1 мм ε = 1,92 ± 0,03.
Для винипластового образца толщиной 9 мм ε = 2,78 ± 0,12.
4
BY 6683 C1
Для образца из оргстекла толщиной 5,7 мм ε = 2,54 ± 0,15.
Применение предлагаемого способа позволяет:
1. Измерять диэлектрическую проницаемость тонкослойных диэлектриков, толщина
которых меньше половины длины волны применяемого для измерения СВЧ излучения в
материале контролируемого образца.
2. Использовать для измерения двухлучевой СВЧ-интерферометр любой конструкции.
3. Производить измерения диэлектрической проницаемости на разных длинах волн
СВЧ излучения.
Источники информации:
1. Карпенко В.А., Столяров Ю.Д. Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектриков в миллиметровом диапазоне волн // Приборы и техника эксперимента. 1981. - № 6. - С. 133-134.
2. Патент США 4891573, МПК C 01R 27/04, 1990.
3. А.с. СССР 1520429, МПК G 01N 27/22, 1987.
4. A.c. СССР 1167535, МПК G 01R 27/26, 1980.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
185 Кб
Теги
6683, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа