Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур



Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур
Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур
Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур
Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур

 


Владельцы патента RU 2534728:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения диэлектрической проницаемости и толщин нанометровых проводящих пленок, нанесенных на подложку из диэлектрического материала. Технический результат заключается в повышении чувствительности и расширении функциональных возможностей. Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур, содержащее волноведущую систему, соединенную с цилиндрическим резонатором, в отверстии корпуса которого размещен элемент связи, отличающееся тем, что элемент связи является измерительным и изготовлен в виде регулируемой четвертьволновой рамки, один конец которой соединен с корпусом цилиндрического резонатора, а другой - выполнен в виде острия, помещенного в диэлектрическую вставку, размещенную в отверстии корпуса цилиндрического резонатора, и выступающего за внешние границы резонатора на величину, много меньшую длины стоячей электромагнитной волны основного типа цилиндрического резонатора; устройство содержит дополнительный элемент связи, предназначенный для ввода/вывода электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, выполненный в виде двух соединенных между собой одним концом металлических четвертьволновых рамок, помещенных в диэлектрическую вставку, расположенную в отверстии между волноведущей системой и корпусом цилиндрического резонатора, причем первая рамка выполнена с возможностью поворота ее плоскости и находится во внутренней полости цилиндрического резонатора, а вторая - в волноведущей системе, другие концы рамок соединены с корпусом цилиндрического резонатора и волноведущей системой соответственно; в волноведущей системе размещен одномерный волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой периодически чередующиеся слои двух типов, слои первого типа имеют постоянное значение величины относительной диэлектрической проницаемости намного большее единицы, слои второго типа - близкое к единице, общее число слоев и число слоев второго типа - нечетное, крайними в структуре фотонного кристалла являются слои первого типа, толщина слоев первого типа намного меньше толщины слоев второго типа, при этом сумма электрических длин слоев первого и второго типа равна половине длины электромагнитной волны, соответствующей середине используемого частотного диапазона, толщина центрального слоя фотонного кристалла составляет одну четвертую толщины слоя второго типа. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и служит для измерения диэлектрической проницаемости и толщин нанометровых проводящих пленок, нанесенных на подложку из диэлектрического материала.

Известно устройство, реализующее способ измерения электрофизических параметров структуры «нанометровая металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» (см. патент РФ №2349904, МПК G01N 22/00), заключающийся в облучении структуры излучением СВЧ-диапазона с помощью волноведущей системы, измерении частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от измеряемой структуры. Перед структурой размещают одномерный фотонный кристалл, изменяют толщину или диэлектрическую проницаемость одного из слоев для нарушения периодичности структуры. Электропроводность или толщину металлической пленки определяют по частотной зависимости коэффициента отражения структуры «фотонный кристалл - металлическая пленка - подложка» при известных параметрах подложки.

Однако недостатками устройства являются отсутствие возможности проведения локальных измерений вследствие усреднения результатов измерений по поперечному сечению волноведущей системы, а также отсутствие регулирующего элемента, обеспечивающего повышение чувствительности к измеряемым параметрам исследуемых структур.

Известно 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.1579-1581), в качестве зонда использовался отрезок волновода с установленной на его конце резонансной диафрагмой, перекрывающей его поперечное сечение. Отверстие в диафрагме, выполненной из тонкой металлической пластины, представляло собой узкую щель шириной 0.1 мм и длиной 1.5 мм.

Однако данное устройство не позволяет проводить измерения параметров диэлектрических и проводящих образцов с высокой степенью локальности, усредняя результаты измерений по всей площади отверстия диафрагмы, а также отсутствует регулирующий элемент, обеспечивающий повышение чувствительности к измеряемым параметрам исследуемых структур.

Наиболее близким по конструктивному исполнению к предлагаемому решению является датчик для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов (см. авторское свидетельство СССР №1821712, G01N 27/02, H01L 21/66), содержащий цилиндрический резонатор с первым и вторым элементами связи для ввода и вывода энергии из резонатора и измерительное отверстие. Датчик дополнительно содержит регулируемый рамочный элемент связи, вывод которого расположен в измерительном отверстии в боковой стенке резонатора, являющейся площадкой, на которую помещается исследуемый образец.

Однако недостатками прототипа являются наличие контакта между площадкой с измерительным отверстием и исследуемым образцом, усреднение результатов измерений по всей площади измерительного отверстия, невозможность проведения измерений параметров диэлектрических образцов.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности определения диэлектрической проницаемости исследуемых образцов и толщин проводящих нанометровых пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку с высокой чувствительностью к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов, обеспечение бесконтактности измерений и повышение локальности измерений.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, связанных с решением задачи определения диэлектрической проницаемости образцов и толщин проводящих нанометровых пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку, обеспечение высокой чувствительности устройства к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов, обеспечение бесконтактности и повышение локальности измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения параметров металлодиэлектрических структур, содержащем волноведущую систему, соединенную с цилиндрическим резонатором, в отверстии корпуса которого размещен элемент связи, согласно решению элемент связи является измерительным и изготовлен в виде регулируемой четвертьволновой рамки, один конец которой соединен с корпусом цилиндрического резонатора, а другой - выполнен в виде острия, помещенного в диэлектрическую вставку, размещенную в отверстии корпуса цилиндрического резонатора, и выступающего за внешние границы резонатора на величину, много меньшую длины стоячей электромагнитной волны основного типа цилиндрического резонатора; устройство содержит дополнительный элемент связи, предназначенный для ввода/вывода электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, выполненный в виде двух соединенных между собой одним концом металлических четвертьволновых рамок, помещенных в диэлектрическую вставку, расположенную в отверстии между волноведущей системой и корпусом цилиндрического резонатора, причем первая рамка выполнена с возможностью поворота ее плоскости и находится во внутренней полости цилиндрического резонатора, а вторая - в волноведущей системе, другие концы рамок соединены с корпусом цилиндрического резонатора и волноведущей системой соответственно; в волноведущей системе размещен одномерный волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой периодически чередующиеся слои двух типов, слои первого типа имеют постоянное значение величины относительной диэлектрической проницаемости намного большее единицы, слои второго типа - близкое к единице, общее число слоев и число слоев второго типа - нечетное, крайними в структуре фотонного кристалла являются слои первого типа, толщина слоев первого типа намного меньше толщины слоев второго типа, при этом сумма электрических длин слоев первого и второго типа равна половине длины электромагнитной волны, соответствующей середине используемого частотного диапазона, толщина центрального слоя фотонного кристалла составляет одну четвертую толщины слоя второго типа.

1. Высокая чувствительность устройства к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов обеспечивается использованием перестраиваемого резонатора в виде одномерного волноводного фотонного кристалла, размещенного в волноводной секции. Параметры волноводного фотонного кристалла и угол поворота «регулируемого» элемента связи α подбираются таким образом, чтобы резонанс частотной зависимости коэффициента отражения СВЧ-излучения от поверхности исследуемого образца для отдельно взятой волноводной системы, содержащей одномерный волноводный фотонный кристалл с нарушенным центральным слоем, и резонанс частотной зависимости коэффициента отражения СВЧ-излучения от поверхности исследуемого образца для устройства без волноводного фотонного кристалла находились на одной частоте (совпадали по частотам).

2. Исследуемые образцы располагаются на фиксированном расстоянии от острия зонда.

3. Отсутствие контакта между острием зонда и поверхностью исследуемого образца позволяет изготовить острие зонда с радиусом закругления менее 0,5 мкм, и, следовательно, повысить локальность измерений.

Оригинальность данного изобретения заключается в следующем

1. В волноведущую систему помещают одномерный волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой периодически чередующиеся слои двух типов, слои первого типа имеют постоянное значение величины относительной диэлектрической проницаемости намного большее единицы, слои второго типа - близкое к единице, общее число слоев и число слоев второго типа - нечетное, крайними в структуре фотонного кристалла являются слои первого типа, толщина слоев первого типа намного меньше толщины слоев второго типа, при этом сумма электрических длин слоев первого и второго типа должна быть равна половине длины электромагнитной волны, соответствующей середине используемого частотного диапазона, толщина центрального слоя фотонного кристалла уменьшена до одной четвертой части толщины слоя второго типа.

2. Использование дополнительного перестраиваемого резонатора в виде волноводной секции с одномерным фотонным кристаллом с нарушенным центральным слоем и регулируемого элемента связи позволяет добиться «совмещения» «резонансных особенностей», что приводит к увеличению чувствительности системы к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов.

3. Наличие фиксированного расстояния (зазора) между острием зонда и исследуемым образцом.

Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 представлен зонд ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе цилиндрического СВЧ-резонатора с рамочным элементом связи и одномерным фотонным кристаллом; вставка А - рамочный элемент связи; вставка В - цилиндрический СВЧ-резонатор с рамочным элементом связи и измеряемым образцом 10. На фиг.2 приведены частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцами с различной диэлектрической проницаемостью. На фиг.3 приведены частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной толщиной нанометрового металлического слоя Cr. На фиг.4 представлены частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной толщиной нанометрового металлического слоя Cr. Позициями на чертежах обозначены:

1 - корпус цилиндрического резонатора

2 - отрезок волновода сечением 23×10 мм

3 - мембрана толщиной 0,5 мм

4 - рамочный элемент, выполненный из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм и предназначенный для связи цилиндрического резонатора и волновода

5 - пластина пенопласта

6 - второй рамочный элемент, который проходит сквозь отверстие в резонаторе, и его конечная часть выступает в роли иглы зонда, и расположенный под углом 120° к первому рамочному элементу 4

7 - цилиндрическая фторопластовая втулка

8 - крышки

9 - отрезок волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности

10 - измеряемый образец

11 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности

12 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с рамочным элементом связи без фотонного кристалла

13 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты от отдельно взятого волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности

14 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом «воздух», т.е. соответствует отсутствию измеряемого образца (ε=1)

15 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом фторопласта (ε=2,0)

16 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом гетинакса (ε=2,5)

17 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом текстолита (ε=3,4)

18 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом поликора (ε=9,6)

19 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом кремния (ε=11,7)

20 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,2411 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда

21 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,2398 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда

22 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,2384 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда

23 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (диэлектрическая пластина без металлизации)

24 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=3 нм)

25 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=7 нм)

26 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=9 нм)

27 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=13 нм)

28 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=30 нм)

29 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=180 нм)

30 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,77908 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда

31 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,77895 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда

32 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,77850 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда

Пример технической реализации устройства для определения параметров металлодиэлектрических структур

В устройстве использовался цилиндрический резонатор 1, в котором в качестве элемента, возбуждающего электромагнитные колебания, использовался рамочный элемент связи 2 (см. фиг.1).

Общий вид зонда ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе цилиндрического СВЧ-резонатора с рамочным элементом связи и одномерным фотонным кристаллом представлен на фиг.1. В корпус цилиндрического резонатора 1 впаян отрезок волновода 2 сечением 23×10 мм таким образом, чтобы между полостью волновода и внутренней стенкой корпуса резонатора оставалась мембрана 3 толщиной 0,5 мм. В мембране 3 изготовлено отверстие диаметром 6 мм, через которое проходит рамочный элемент 4, выполненный из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм и предназначенный для связи цилиндрического резонатора и волновода. Со стороны волновода рамка закреплена в пластине пенопласта 5. Размеры рамки выбраны для оптимальной передачи электромагнитных волн в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц. Под углом 120° к первому рамочному элементу 4 относительно центра окружности цилиндрического резонатора расположен второй рамочный элемент 6, который проходит сквозь отверстие в резонаторе, и его конечная часть выступает в роли иглы зонда. Конец зонда выполнялся заостренным с постепенно уменьшающимся диаметром до величины 1,0 мкм. Второй рамочный элемент 6 также изготовлен из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм. Закрепляется он в цилиндрической фторопластовой втулке 7, которая позволяет изменять положение рамочного элемента путем изменения угла α, плоскости рамки вокруг оси иглы зонда. Корпус цилиндрического резонатора (диаметр цилиндра 65,1 мм, высота - 18.3 мм) с двух сторон закрывается крышками 8.

Зонд на основе цилиндрического резонатора с рамочным элементом связи был соединен с отрезком волноводного фотонного кристалла 9 с нарушением периодичности (см. фиг.1). Использовался одномерный волноводный фотонный кристалл, состоящий из одиннадцати слоев. Нечетные слои были выполнены из поликора (Al2O3, ε=9,6), четные - из фторопласта (ε=2,1). Длина нечетных отрезков - 1 мм, - четных отрезков варьировалась в диапазоне от 7 мм до 14 мм. Нарушение периодичности создавалось посредством изменения длины шестого, центрального, слоя, длина нарушенного шестого слоя (фторопласт) варьировалась в диапазоне от 3 мм до 4 мм.

Высокочастотные характеристики исследуемого зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности, исследовались с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L Network Analyzer N523OA, который подключался через отрезок волновода.

На фиг.2 представлены результаты измерений частотной зависимости коэффициента отражения (S11) СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности (кривая 11). На этом же чертеже представлены частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи без фотонного кристалла (кривая 12) и частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны фотонного кристалла вблизи его окна прозрачности (кривая 13).

При приближении к острию зонда исследуемого образца происходит резкое изменение входного импеданса зонда, и изменяется коэффициент отражения СВЧ-волны от измерительного зонда. Величина его изменения зависит от параметров исследуемого образца, таких как электропроводность, диэлектрическая проницаемость, толщина.

Вращением рамочного элемента связи измерительного зонда, изменяющим эффективную площадь сечения рамки, пронизываемую магнитными силовыми линиями поля электромагнитных колебаний в резонаторе, и приводящим к изменению входного импеданса зонда, можно добиться максимальной чувствительности коэффициента отражения СВЧ-волны к изменению электрофизических характеристик исследуемого образца.

На фиг.3 представлены результаты измерений частотных зависимостей коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной диэлектрической проницаемостью при угле поворота рамки измерительного зонда α=178°.

Как следует из представленных результатов, увеличение относительной диэлектрической проницаемости образцов от 1 до 11,7 приводит к частотному сдвигу резонансной кривой на -3,0 МГц, при этом величина коэффициента отражения в минимуме резонансной кривой изменяется от -60,8 дБ до -31,1 дБ.

На вставке фиг.3 представлены зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренные на различных фиксированных частотах в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.

Как следует из представленных результатов, выбором частоты зондирующего излучения могут быть получены как монотонно возрастающая (кривая 20 на вставке фиг.3) или монотонно убывающая (кривая 22) зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны от величины диэлектрической проницаемости исследуемых образцов, так и немонотонная зависимость (кривая 21).

При выборе частоты измерений, соответствующей минимуму коэффициента отражения в отсутствии измеряемого образца, диапазон изменений коэффициента отражения при изменении величины диэлектрической проницаемости максимален и составляет ~39,6 дБ. Измеренная чувствительность ∂S11/∂ε монотонно убывает с ростом величины ε в диапазоне значений от 1 до 11,7. В диапазоне значений ε=1÷2 величина ∂S11/∂ε составляет '29,7дБ/ε, а разрешающая способность Δε/ε достигает значения ~10-4.

Установленные закономерности позволяют реализовать возможность определения диэлектрической проницаемости образца с высоким пространственным разрешением с использованием ближнеполевого зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности, по измеренной величине отраженного сигнала при размещении исследуемого диэлектрического образца на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.

Исследуемая резонансная система также может быть использована для измерения образцов в виде диэлектрических (поликоровых) пластин с нанесенными нанометровыми металлическими слоями различной толщины.

Как было отмечено выше, изменение коэффициента отражения СВЧ-волны от измерительного зонда при приближении к острию зонда исследуемого образца происходит вследствие изменения входного импеданса зонда, величина которого определяется электрофизическими характеристиками исследуемых образцов, существенно разнящимися для диэлектриков с различными значениями диэлектрической проницаемости и структур с тонкими металлическими слоями. Однако возможна ситуация, при которой для выбранных параметров резонансной системы увеличение одного контролируемого параметра, например диэлектрической проницаемости образцов без проводящих включений, приводит к монотонному изменению в выбранном диапазоне частот коэффициента отражения СВЧ-волны от измерительного зонда, а изменение толщины проводящего слоя в структурах металл-диэлектрик приводит к немонотонному изменению коэффициента отражения СВЧ-волны от измерительного зонда.

Для обеспечения монотонного изменения и повышения чувствительности коэффициента отражения СВЧ-волны к изменению толщины нанометрового металлического слоя в структуре металл-диэлектрик была проведена настройка резонансной системы выбором угла поворота α рамки измерительного зонда и соответствующим изменением параметров фотонного кристалла.

В качестве угла поворота рамки измерительного зонда был выбран угол α=104°, при котором для фиксированного зазора, равного 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом в виде поликоровой пластины без металлического слоя достигалась минимальная величина коэффициента отражения, равная -46,6 дБ. При этом резонансная частота, соответствующая минимуму коэффициента отражения, составляла 10,779 ГГц.

На фиг.4 представлены результаты измерений частотных зависимостей коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной толщиной нанометрового металлического слоя (Cr) в структуре металл-диэлектрик при угле поворота рамки измерительного зонда α=104°.

Толщины нанесенных нанометровых металлических слоев были измерены на атомно-силовом микроскопе AFM5600 Agilent Technologies.

Как следует из представленных результатов, увеличение толщины нанометрового металлического слоя (Cr) от 1 нм до 180 нм приводит к изменению величины коэффициента отражения в минимуме резонансной кривой от -46,6 дБ до -39,1 дБ.

На вставке фиг.4 представлены зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренные на различных фиксированных частотах в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.

Как следует из представленных результатов, выбором частоты зондирующего излучения могут быть получены как монотонно возрастающая (кривая 30 на вставке фиг.4) или монотонно убывающая (кривая 32) зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны от толщины нанометрового металлического слоя, нанесенного на поликоровую пластинку, так и немонотонная зависимость (кривая 31).

При выборе частоты измерений, соответствующей минимуму коэффициента отражения для фиксированного зазора, равного 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом в виде поликоровой пластины без металлического слоя, диапазон изменений коэффициента отражения максимален и составляет ~16,5 дБ. Измеренная чувствительность ∂S11/∂d монотонно убывает с ростом толщины металлического слоя (Cr) d в диапазоне значений от 1 нм до 180 нм. При этом в диапазоне значений d от 1 нм до 3 нм величина ∂S11/∂d составляет '4,0 дБ/нм, а разрешающая способность Δd/d достигает значения ~10-3. При измерении пленок TaAlN, нанесенных на поликоровую подложку, чувствительность ∂S11/∂d составляет 1,35 дБ/нм в диапазоне значений d от 1 нм до 20 нм.

Установленные закономерности позволяют реализовать возможность контроля толщин нанометровых металлических слоев, нанесенных на диэлектрические пластины, с высоким пространственным разрешением с использованием ближнеполевого зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности, по измеренной величине отраженного сигнала при размещении исследуемой структуры металл-диэлектрик на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.

Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур, содержащее волноведущую систему, соединенную с цилиндрическим резонатором, в отверстии корпуса которого размещен элемент связи, отличающееся тем, что элемент связи является измерительным и изготовлен в виде регулируемой четвертьволновой рамки, один конец которой соединен с корпусом цилиндрического резонатора, а другой - выполнен в виде острия, помещенного в диэлектрическую вставку, размещенную в отверстии корпуса цилиндрического резонатора, и выступающего за внешние границы резонатора на величину, много меньшую длины стоячей электромагнитной волны основного типа цилиндрического резонатора; устройство содержит дополнительный элемент связи, предназначенный для ввода/вывода электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, выполненный в виде двух соединенных между собой одним концом металлических четвертьволновых рамок, помещенных в диэлектрическую вставку, расположенную в отверстии между волноведущей системой и корпусом цилиндрического резонатора, причем первая рамка выполнена с возможностью поворота ее плоскости и находится во внутренней полости цилиндрического резонатора, а вторая - в волноведущей системе, другие концы рамок соединены с корпусом цилиндрического резонатора и волноведущей системой соответственно; в волноведущей системе размещен одномерный волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой периодически чередующиеся слои двух типов, слои первого типа имеют постоянное значение величины относительной диэлектрической проницаемости, намного большее единицы, слои второго типа - близкое к единице, общее число слоев и число слоев второго типа - нечетное, крайними в структуре фотонного кристалла являются слои первого типа, толщина слоев первого типа намного меньше толщины слоев второго типа, при этом сумма электрических длин слоев первого и второго типа равна половине длины электромагнитной волны, соответствующей середине используемого частотного диапазона, толщина центрального слоя фотонного кристалла составляет одну четвертую толщины слоя второго типа.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к измерительной технике. Способ включает силовое воздействие на поверхность объекта контроля, регистрацию массива электрических сигналов входной информации установленными на объекте контроля информационными датчиками, при этом сигналы информационных датчиков обусловлены изменениями силового воздействия на поверхность объекта контроля.

Система локализованного контроля утечек горючего газа по первичным параметрам измерительных устройств включает стационарные датчики-газоанализаторы горючих газов, систему автоматического управления, содержащую блок звуковой и световой сигнализаций, блок управления датчиками-газоанализаторами.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и веществ, измерения статистических характеристик случайных процессов. Устройство контроля материалов и веществ содержит последовательно включенные источник физического поля, элемент с объектом контроля, преобразователь физического поля, а также первую и второю цепь преобразования, каждая из которых содержит последовательно соединенные накапливающий усредняющий сумматор и отсчетный блок, при этом выход первой цепи подключен к первому входу вычислительного устройства, а выход второй цепи присоединен к второму входу вычислительного устройства, первый выход которого соединен с входами стробирования накапливающих усредняющих сумматоров, объединенных в шину «Время измерения», перемножитель первый, аналого-цифровой преобразователь первый и, кроме того, аналого-цифровой преобразователь второй, второй перемножитель, первый управляемый умножитель частоты, последовательно соединенные второй управляемый умножитель частоты и управляемый фазовращатель, выход которого присоединен к второму входу второго перемножителя, выход которого подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя, а первый вход перемножителя объединен с первым входом первого перемножителя и подключен к выходу первого управляемого умножителя частоты, вход которого присоединен к выходу преобразователя физического поля, а выход источника физического поля присоединен к входу второго управляемого умножителя частоты, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя, выход которого присоединен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, у которого выход присоединен к входу первой цепи преобразования, а вход второй цепи преобразования соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, причем управляющие входы первого и второго управляемого умножителя частоты и управляемого фазовращателя объединены в шину «Установка Vm» и подключены к второму выходу вычислительного устройства.

Изобретение относится к средствам для контроля над процессом лечения повреждения. Устройство контроля содержит блок мониторинга уровня оксида азота повреждения, блок генерации контролирующего сигнала посредством сравнения уровня оксида азота с предварительно определенным порогом и блок корректировки дозировки света для лечения повреждения, при этом блок мониторинга предназначен для определения магнитного поля, образуемого вследствие перехода из Fe2+ в Fe3+, получения уровня Fe3+ в соответствии с магнитным полем, вычисления уровня метгемоглобина в соответствии с уровнем Fe3+ и вычисления уровня оксида азота в соответствии с пропорциональным отношением между уровнем метгемоглобина и уровнем оксида азота.

Изобретение относится к средствам оперативного обнаружения отравляющих веществ и токсинов и моментальной их нейтрализации. Устройство содержит микропроцессорные комплекты первого 16 и второго 22 порядка, блок памяти эталонов 17, блоки для обнаружения отравляющих веществ и токсинов, аудио-видео-систему, при этом блоки обнаружения отравляющих веществ и токсинов выполнены в виде всасывающих устройств 3-7, имеющих на выходе датчики, определяющие уровень заражения воздушной среды, выходы которых подключены к усилителям-преобразователям 11-15, выходами-входами соединенными с микропроцессорным комплектом первого порядка 16, который выходами-входами подсоединен к блоку памяти эталонов 17, блоку ввода вопросов 18 и микропроцессорному комплекту второго порядка 22, блок памяти эталонов 17 входами-выходами подключен к матричному полю 21 в виде диодной кристаллической решетки на базе жидких кристаллов, блок ввода вопросов 18 соединен входами-выходами с блоком анализа ответов 19 и блоком анализа неизвестных химических соединений и комбинаций отравляющих веществ 20, который входами-выходами подключен к блоку анализа ответов и к матричному полю 21, соединенному с входами-выходами блока ввода вопросов 18 и к микропроцессорному комплекту второго порядка 22, соединенному входами-выходами с блоком предупреждения об опасности 23, блоком анализа неизвестных химических соединений и комбинаций отравляющих веществ 20, матричным полем 21 и блоком исполнительного устройства 24 по нейтрализации отравляющих веществ и токсинов, соединенным выходами с исполнительными механизмами 25-27.

Изобретение относится к области анализа технического состояния трубопроводов, используемых в нефте- и газопроводах, по результатам коррозионных обследований всей протяженности трассы.

Использование: для определения кристаллической фазы в аморфных пленках наноразмерной толщины. Сущность заключается в том, что выполняют бомбардировку поверхности пучком ионов и регистрацию интенсивности отраженных ионов, при этом анализируемую поверхность бомбардируют ионами инертного газа с энергией менее 100 эВ и регистрируют энергетический спектр отраженных ионов в диапазоне энергий, больше энергии первичных ионов, затем по энергиям пиков парного соударения в полученном спектре определяют типы атомов в одном верхнем монослое атомов, по наличию пика с энергией, равной энергии бомбардирующих ионов, судят о наличии кристаллической фазы на аморфной или аморфизованной поверхности, в том числе в пленке наноразмерной толщины, а по отношению величин указанного пика без потерь энергии к пику или пикам парного соударения определяют поверхностную концентрацию кристаллической фазы на аморфной или аморфизованной поверхности.

Использование: для измерения локального изменения концентрации примеси в потоке жидкости на входе в измерительную ячейку. Сущность заключается в том, что сначала определяют изменение концентрации примеси во времени внутри измерительной ячейки для жидкости, содержащей примесь, изменение концентрации которой во времени на входе в измерительную ячейку известно, и находят импульсный отклик измерительной ячейки методом деконволюции.

Настоящее предлагаемое изобретение относится к области исследования океана и может быть использовано для комплексного измерения гидрофизических параметров в океанологии, гидрофизике и гидрографии.

Изобретения относятся к области горного дела и предназначены для контроля разрушения образцов горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения электрических параметров космического пространства. Способ заключается в том, что размещают в космическом пространстве зонд, представляющий собой плоский открытый конденсатор, затененный от солнечной радиации непрозрачным экраном, на который подают высокочастотные сигналы фиксированной частоты. При этом получают измерительную информацию от зонда в виде тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости исследуемой среды, позволяющих определить коэффициент погонного затухания космического пространства. Технический результат заключается в возможности определения коэффициента погонного затухания космического пространства. 1 ил.

Изобретение относится к области оценки состояния микробиологической обстановки окружающей среды и может найти применение в отраслях АПК, характеризующихся высокой бактериальной обсемененностью, например в животноводческих и птицеводческих помещениях. На фильтр, установленный в системе вентиляции исследуемого животноводческого помещения, крепится полоска фильтровальной шириной 20 мм на срок 4 часа. Готовят 1% стерильный раствор глюкозы на физиологическом растворе, который используют в качестве питательной среды. Полоску фильтровальной бумаги помещают в 10 мл раствора глюкозы и термостатируют при температуре 37±1°C в течение 2 часов. Затем измеряют электропроводность раствора. Вывод о необходимости санитарно-гигиенической обработки животноводческих помещений делают при значении электропроводности 287,3 мкСм/см, соответствующем ПДК микроорганизмов в воздухе рабочей зоны или ниже. Изобретение позволяет достоверно определить микробиологическую обстановку в помещениях и дать оперативное заключение о необходимости санитарно-гигиенической обработки животноводческих помещений. 1 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при испытаниях на быстродействие газоаналитических датчиков с временем отклика менее 4 секунд. Сущность изобретения заключается в том, что смена контрольных газовых смесей с разными заданными концентрациями контролируемого компонента на чувствительном элементе газоаналитического датчика осуществляется в динамическом режиме при постоянных и одинаковых, равных заранее установленным, расходах из разных источников контрольных газовых смесей с разными заданными концентрациями контролируемого компонента. При этом смена газовых смесей с разными заданными концентрациями контролируемого компонента на чувствительном элементе газоаналитического датчика и достижение стабилизации выходного сигнала датчика, соответствующего уровню концентрации контролируемого компонента на чувствительном элементе газоаналитического датчика, обеспечивается при одинаковых параметрах контрольных газовых смесей и в минимальное время, которое легко рассчитывается и учитывается при определении быстродействия газоаналитического датчика. Это и обеспечивает достоверность определения быстродействия газоаналитического датчика. Применение динамического режима подачи первой газовой смеси, а также замены первой газовой смеси на вторую газовую смесь во время испытания газоаналитического датчика позволяет быстрее стабилизировать заданную концентрацию контролируемого компонента на чувствительном элементе газоаналитического датчика и тем самым обеспечить постоянство давления и состава газовых смесей на чувствительном элементе датчика, что повышает достоверность оценки его быстродействия. При таком режиме подачи газовых смесей рабочие характеристики газовых редукторов на источниках подачи контрольных газовых смесей остаются динамическими и не влияют на процесс подвода стабильной газовой смеси при программных переключениях клапанов. Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении достоверности определения быстродействия газоаналитического датчика за счет подачи на чувствительный элемент газоаналитического датчика стабильных по составу и давлению контрольных газовых смесей в динамическом режиме. Техническим результатом является повышение достоверности определения быстродействия газоаналитического датчика за счет подачи на чувствительный элемент газоаналитического датчика стабильных по составу и давлению контрольных газовых смесей в динамическом режиме. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Использование: для детектирования монооксида углерода (угарный газ) в воздухе. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления включает получение нанокристаллических широкозонных полупроводниковых оксидов MeO (SnO2, ZnO, In2O3), получение золей квантовых точек узкозонных полупроводников CdX (X=Se, Те, S) и пропитку оксидов золями квантовых точек с последующей сушкой для формирования гетероконтактов MO/CdX. Технический результат: обеспечение возможности понижения температуры полупроводниковых сенсорных материалов до комнатной при детектировании монооксида углерода в воздухе и обеспечение высокой чувствительности и низкого энергопотребления сенсора. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к электроаналитическим системам. Система состоит из двух перистальтических насосов, содержащего петлю инжектора, проточной амперометрической ячейки с включенным биосенсором, потенциостата. В качестве биосенсора электроаналитическая система содержит лактатный биосенсор. Причем в петлю инжектора включена концентрирующая колонка. Техническим результатом является повышение селективности и чувствительности определения, а также снижение предела обнаружения лактата. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для определения содержания хлорбензола в природных, поверхностных, подземных, сточных и технологических водах. Способ определения хлорбензола в природных и сточных водах с использованием газовой хроматографии, с применением анализа равновесного пара, включает определение хлорбензола на капиллярной хроматографической колонке в потоке газа-носителя, представляющем собой азот; образование и регистрации пламенно-ионизационным детектором исследуемых ионов, образующихся в пламени. При этом готовят основной раствор, используя более вязкий растворитель этиленгликоль, поэтому основной раствор хорошо сохраняется 2 месяца при температуре от -2°C до -10°C. Затем готовят градуировочные растворы для диапазона концентраций хлорбензол 0,0003-0,02 мг/дм3. Далее делают пробоподготовку, градуируют хроматограф, прокалывая паровую фазу приготовленных концентраций, строят градуировочный график, выполняют пробоподготовку для исследуемых проб воды, паровую фазу прокалывают в испаритель хроматографа. При этом полученные данные обрабатывают компьютерной программой ChemStation, которой комплектуется хроматографический комплекс МАЭСТРО 7820А, и получают качественную идентификацию и количественное содержание определяемого вещества. Техническим результатом является повышение логичности и точности анализа, сокращение времени выполнения способа и удобство выполнения анализа в условиях экологического мониторинга. 6 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения для легкой промышленности и может быть использовано для создания систем обнаружения металлических частиц в текстильных материалах, в нетканой основе при производстве синтетической кожи, фетра и т.д. Способ обнаружения металлических частиц в перемещаемом волокнистом материале заключается в размещении перемещаемого волокнистого материала в рабочей области катушки индуктивности колебательного контура, в котором с помощью генератора создаются высокочастотные колебания. Далее происходит усиление и детектирование высокочастотного напряжения на выходе генератора. При этом на выходе усилителя-детектора формируется импульс необходимой длительности для надежного срабатывания исполнительного механизма. Из условий требуемой чувствительности задают амплитуду высокочастотного напряжения на выходе генератора, преобразуют напряжение на выходе усилителя-детектора и сравнивают его с задающим напряжением. Полученную разность напряжений интегрируют и применяют напряжение на выходе интегратора для стабилизации амплитуды высокочастотного напряжения на выходе генератора. При этом процесс интегрирования прерывают в момент формирования импульса на интервал времени, значение которого определяют как функциональную зависимость от линейной скорости волокнистого материала, а возобновляют процесс интегрирования при завершении и импульса и интервала времени прерывания процесса интегрирования, при этом в момент приведения схемы в рабочее состояние блокируют срабатывание исполнительного механизма на интервал времени, заведомо больший длительности затухающих переходных процессов в наиболее инерционном узле схемы. Технический результат: повышение надежности обнаружения металлических частиц в перемещаемом волокнистом материале и обеспечение автоматической компенсации внешних возмущающих воздействий. 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения для легкой промышленности и может быть использовано для создания систем обнаружения металлических частиц в текстильных материалах, в нетканой основе при производстве синтетической кожи, фетра и т.д. Способ обнаружения металлических частиц в перемещаемом волокнистом материале заключается в размещении перемещаемого волокнистого материала в рабочей области катушки индуктивности колебательного контура, в котором с помощью генератора создаются высокочастотные колебания. Далее происходит усиление и детектирование высокочастотного напряжения на выходе генератора. При этом на выходе усилителя-детектора формируется импульс необходимой длительности для надежного срабатывания исполнительного механизма. Напряжение на выходе усилителя-детектора сравнивают с задающим напряжением. Полученную разность напряжений интегрируют и применяют напряжение на выходе интегратора для стабилизации амплитуды высокочастотного напряжения на выходе генератора, причем процесс интегрирования прерывают на время действия сформированного импульса. Технический результат: повышение надежности обнаружения металлических частиц в перемещаемом волокнистом материале и обеспечение автоматической компенсации внешних возмущающих воздействий. 1 ил.

Изобретение относится к текстильной промышленности и может быть использовано в системах управления транспортированием текстильного материала в процессе технологической обработки в форме жгута. Способ обнаружения шва обрабатываемого в форме жгута текстильного материала включает размещение перемещаемого текстильного материала внутри катушки индуктивности колебательного контура, усиление и детектирование высокочастотного напряжения на выходе генератора и формирование при снижении напряжения на выходе усилителя-детектора импульса необходимой длительности для надежного срабатывания исполнительного механизма. При этом шов текстильного материала обеспечивают электропроводной меткой, задают из условий требуемой чувствительности амплитуду высокочастотного напряжения на выходе генератора, преобразуют напряжение на выходе усилителя-детектора и сравнивают его с задающим напряжением, а полученную разность напряжений интегрируют и применяют напряжение на выходе интегратора для стабилизации амплитуды высокочастотного напряжения на выходе генератора, причем процесс интегрирования прерывают на время действия сформированного импульса. В качестве электропроводной метки используют, например, металлизированную нить, которой сшивают куски текстильного материала в непрерывное полотно. Технический результат: повышение надежности обнаружения шва обрабатываемого в форме жгута текстильного материала и обеспечение автоматической компенсации внешних возмущающих воздействий. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и обеспечивает измерение плотности тока в локальных объемах твердых сред. Датчик устройства представляет собой толстостенную трубку-дюбель 1, выполненную из диэлектрического пластичного материала, на наружной цилиндрической поверхности которой укреплены токовые электроды 2 и 3, разъединенные пластичными диэлектрическими прокладками 4 и с обратной стороны . Трубка-дюбель с электродами вставлена в отверстие 6, предварительно просверленное в твердой среде, и расперта в ней завернутым в нее шурупом 10. Прокладки 4 и 5 установлены перпендикулярно линии тока 8, протекающего в твердой среде. Между токовыми электродами 2 и 3 включен регистратор 9 тока. На верхней части диэлектрической трубки перпендикулярно разрезу трубки-дюбеля укреплен поворотный рычаг-указатель 11. Технический результат заключается в повышении точности измерения плотности тока в локальных объемах твердых сред. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх