Свч-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле


 


Владельцы патента RU 2552106:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Предложен способ определения диэлектрической проницаемости и толщины твердых образцов на металле. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения толщины и диэлектрической проницаемости материала на металле. Способ предусматривает возбуждение электромагнитного колебания определенной пространственной структуры и измерение резонансных частот при замене одного из торцов резонатора образцом поочередно стороной покрытия и металла, для чего дополнительно на одной из торцевых стенок устанавливают диэлектрик высотой h, диэлектрической проницаемостью εд и диаметром, равным диаметру резонатора, возбуждают пространственное колебание типа H011, измеряют резонансные частоты резонатора f1 и f2 соответственно при установке на открытую противоположную торцевую стенку образца поочередно стороной покрытия и металлической подложки, закрывают открытую торцевую стенку, измеряют резонансные частоты f3 и f4 соответственно при замене другой торцевой стенки, где расположен возмущающий диэлектрик, образцом поочередно стороной покрытия и металлической подложки, по разности частот Δf21=f2-f1 определяют толщину покрытия Δh, а по разности Δf43-Δf21 определяют диэлектрическую проницаемость εn покрытия на металле, где Δf43=f4-f3, при этом, варьируя высоту h и диэлектрическую проницаемость εд возмущающего резонатор диэлектрика, можно изменять чувствительность к диэлектрической проницаемости εn покрытия на металле. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения диэлектрической проницаемости и толщины твердых образцов на металле.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле (см. патент РФ №2193184. Суслин М.А., Дмитриев Д.А. и др. СВЧ-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле. Опубл. 20.11.2002 г. Бюл. №32). В способе создают СВЧ-электромагнитное поле бегущей поверхностной волны над поверхностью диэлектрик-металл типа E в одномодовом режиме и определяют толщину и диэлектрическую проницаемость по коэффициенту затухания, измеренного к нормали поверхности диэлектрик-металл на двух длинах волн. Недостатком данного способа является сложность создания СВЧ-электромагнитного поля бегущей поверхностной волны над поверхностью диэлектрик-металл типа E в одномодовом режиме - длина волны должна быть соизмерима с толщиной покрытия.

За прототип принят микроволновый способ определения толщины пленок на низкоомных подложках (см. Гордиенко Ю.Е., Гуд Ю.И. и др. Микроволновый измеритель толщины пленок на низкоомных подложках // Приборы и техника эксперимента. №3, 1981 г. - С.231-234). Толщина пленки определяется по смещению резонансной частоты колебания E021 цилиндрического объемного резонатора (положение поршня настройки резонатора) при замене одного из его торцов образцом поочередно стороной пленки и подложки. Недостатком прототипа является невозможность определения диэлектрической проницаемости (диэлектрическую проницаемость при определении толщины пленки надо знать) и неконтролируемое изменение резонансной частоты колебания E021 при разрыве продольной составляющей поверхностного тока на боковой стенке резонатора: диэлектрическая пленка устраняет гальванический контакт между боковой и торцевой стенками, продольная составляющая поверхностного тока на боковой стенке искажается, что ведет к изменению магнитного поля вблизи стенки и, как следствие, к изменению резонансной частоты.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения толщины и расширение функциональных возможностей за возможности дополнительного определения диэлектрической проницаемости материала на металле.

Данный технический результат достигается тем, что в СВЧ-способе определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле, в котором в цилиндрическом объемном резонаторе возбуждают электромагнитное колебание определенной пространственной структуры, измеряют резонансные частоты при замене одного из торцов резонатора образцом поочередно стороной покрытия и металла, дополнительно на одной из торцевых стенок устанавливают диэлектрик высотой h, диэлектрической проницаемостью εд и диаметром, равным диаметру резонатора, возбуждают пространственное колебание типа H011, измеряют резонансные частоты резонатора f1 и f2 соответственно при установке на открытую противоположную торцевую стенку образца поочередно стороной покрытия и металлической подложки, закрывают открытую торцевую стенку, измеряют резонансные частоты f3 и f4 соответственно при замене другой торцевой стенки, где расположен возмущающий диэлектрик, образцом поочередно стороной покрытия и металлической подложки, по разности частот Δf21=f2-f1 определяют толщину покрытия Δh, а по разности Δf43-Δf21 определяют диэлектрическую проницаемость εn покрытия на металле, где Δf43=f4-f3, при этом, варьируя высоту h и диэлектрическую проницаемость εд возмущающего резонатор диэлектрика, можно изменять чувствительность к диэлектрической проницаемости εn покрытия на металле.

СВЧ-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле заключается в следующем.

В предлагаемом способе вместо колебания E021 в цилиндрическом объемном резонаторе предлагается использовать пространственное колебание H011. Наводимый на стенках (торцевых и боковой) поверхностный ток этого колебания является кольцевым (продольная составляющая поверхностного тока отсутствует). Поэтому при устранении гальванического контакта между боковой и торцевой стенкой ток не искажается.

Электрическое поле пространственного колебания H011 невозмущенного резонатора (см. Корбанский, И.Н. Теория электромагнитного поля. - М.: ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского, 1964. - 356 с.) представляет собой замкнутые концентрические окружности, поле максимально посередине длины и радиуса, электрическое поле равно нулю на оси и у торцевых стенок. Проведенный численный анализ электрического поля пространственного колебания H011 электромагнитного поля методом конечных элементов в системе COMSOL Multiphysics показывает те же самые результаты: поле максимально (см. фиг. 1) посередине длины и радиуса и равно нулю на оси и у торцевых стенок.

На фиг. 2 показан результат численного моделирования электрического поля пространственного колебания H011 цилиндрического объемного резонатора, возмущенного диэлектриком высотой h, диэлектрической проницаемостью εд, расположенным на одной из его торцевых стенок, и диаметром, равным диаметру 2a резонатора (фиг. 3). Силовые электрические линии по-прежнему представляют собой замкнутые концентрические окружности, но поле при этом концентрируется к возмущающему диэлектрику (узел смещается к торцевой стенке, где расположен диэлектрик). Степень концентрации увеличивается с ростом диэлектрической проницаемости εд и высоты диэлектрика h. На другой торцевой стенке по-прежнему наблюдается пучность поля.

Наличие пучности на одной торцевой стенке и смещение узла к другой торцевой стенке позволяет определять и толщину и диэлектрическую проницаемость покрытия на металле.

На фиг. 3 показана последовательность действий для определения толщины покрытия на металле. На фиг. 3 показаны цилиндрический объемный резонатор 1 длиной l и диаметром 2a, возмущающий диэлектрик 2 высотой h и диэлектрической проницаемостью εд, расположенный на одной из его торцевых стенок, и диаметром, равным диаметру 2a резонатора, покрытие 3 толщиной Δh и диэлектрической проницаемостью εn на металле 4.

При замене одной из торцевых стенок, противоположной стенке, где расположен возмущающий диэлектрик, образцом поочередно стороной покрытия (фиг. 3а) и металлической подложки (фиг. 3б) измеряют резонансные частоты возмущенного диэлектриком резонатора f1 и f2. По разности частот Δf21=f2-f1 определяют толщину покрытия Δh. Далее эту торцевую стенку закрывают.

На фиг. 4 показаны результаты эксперимента определения Δf21=f2-f1 для покрытия (на металле) из поливинилхлорида (относительная диэлектрическая проницаемость εn=3,2÷3,4) толщиной от 0,2 до 1,2 мм (кривая 2 на фиг. 4). Кривая 1 на фиг. 4 построена по формуле

где - резонансная частота колебания H011 пустого цилиндрического объемного резонатора (см. Корбанский, И.Н. Теория электромагнитного поля. - М.: ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского, 1964. - 356 с.); - характеристическое число; а - радиус; l - длина резонатора; c=3·108 м/c - скорость света.

Разность частот Δf21=f2-f1 зависит только от высоты покрытия Δh и не зависит от ее диэлектрической проницаемости εд.

На фиг. 5 показана последовательность действий для определения диэлектрической проницаемости покрытия εд на металле. На фиг. 5 показаны цилиндрический объемный резонатор 1 длиной l и диаметром 2a, возмущающий диэлектрик 2 высотой h, расположенный на одной из его торцевых стенок, и диаметром, равным диаметру 2a резонатора, покрытие 3 толщиной Δh и диэлектрической проницаемостью εn на металле 4.

При замене одной из торцевых стенок, где расположен возмущающий диэлектрик, образцом поочередно стороной покрытия (фиг. 5а) и металлической подложки (фиг. 5б) измеряют резонансные частоты возмущенного диэлектриком резонатора f3 и f4. Так как электрическое поле концентрируется к возмущающему диэлектрику (узел смещается к торцевой стенке, где расположен диэлектрик), то разность частот Δf43=f4-f3 будет зависеть и от толщины Δh, и от диэлектрической проницаемости покрытия εn.

На фиг. 6 показаны результаты эксперимента определения Δf43=f4-f3 для покрытия (на металле) из поливинилхлорида толщиной от 0,2 до 1,2 мм.

Таким образом, по разности частот Δf21=f2-f1 определяют толщину покрытия Δh, а по разности Δf43-Δf21 - диэлектрическую проницаемость покрытия на металле εn.

Так как степень концентрации электрического поля увеличивается с ростом диэлектрической проницаемости εд и высоты возмущающего резонатор диэлектрика, то, варьируя εд и h, можно изменять чувствительность к диэлектрической проницаемости покрытия εn на металле.

В предлагаемом способе используются колебания H011 цилиндрического объемного резонатора, возмущенного диэлектриком, расположенным на одной из его торцевых стенок, диаметром, равным диаметру резонатора. Силовые электрические линии по-прежнему представляют собой замкнутые концентрические окружности, а на стенках (торцевых и боковой) течет кольцевой ток (продольная составляющая поверхностного тока отсутствует), который не изменяется при устранении гальванического контакта между боковой и торцевой стенкой. Это не ведет к неконтролируемому изменению резонансной частоты, как в прототипе. Этим достигается повышение точности определения толщины покрытия. При этом в предлагаемом способе появляется дополнительная возможность определения диэлектрической проницаемости покрытия наряду с определением его толщины.

1. СВЧ-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле, в котором в цилиндрическом объемном резонаторе возбуждают электромагнитное колебание определенной пространственной структуры, измеряют резонансные частоты при замене одного из торцов резонатора образцом поочередно стороной покрытия и металла, отличающийся тем, что на одной из торцевых стенок устанавливают диэлектрик высотой h, диэлектрической проницаемостью εд и диаметром, равным диаметру резонатора, возбуждают пространственное колебание типа H011, измеряют резонансные частоты резонатора f1 и f2 соответственно при установке на открытую противоположную торцевую стенку образца поочередно стороной покрытия и металлической подложки, закрывают открытую торцевую стенку, измеряют резонансные частоты f3 и f4 соответственно при замене другой торцевой стенки, где расположен возмущающий диэлектрик, образцом поочередно стороной покрытия и металлической подложки, по разности частот Δf21=f2-f1 определяют толщину покрытия Δh, а по разности Δf43-Δf21 определяют диэлектрическую проницаемость εn покрытия на металле, где
Δf43=f4-f3.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, варьируя высоту h и диэлектрическую проницаемость εд возмущающего резонатор диэлектрика, можно изменять чувствительность к диэлектрической проницаемости εn покрытия на металле.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерения характеристик материалов и может быть использовано для определения диэлектрической проницаемости изоляционных композитных и других материалов.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использовано в средствах для диагностики состояния межвитковой изоляции обмотки асинхронного или синхронного двигателя.

Изобретение относится к измерительной технике. В частности, оно может быть использовано в радиочастотных резонансных датчиках.

Изобретение относится к технике измерения диэлектриков методом объемного резонатора при нормальной температуре. Устройство содержит волновод СВЧ, резонатор с цилиндрической частью, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой стороны короткозамыкающим поршнем с возможностью осевого перемещения внутри резонатора, механизм перемещения поршня и блок радиоизмерительного оборудования.

Изобретение относится к технике измерения диэлектриков методом объемного резонатора при нагреве в диапазоне температур до 2000°C. Устройство содержит цилиндрический резонатор, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой стороны подвижным поршнем со штоком, загрузочное окно для установки образца исследуемого материала, измеритель температуры, подвод защитного газа, механизм перемещения поршня со штоком.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров диссипативных CG-двухполюсников - эквивалентов емкостных измерительных преобразователей.

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 Oм-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 t ε 〈 〈 λ в , где λв - длина волны основного типа в волноводе, ε - диэлектрическая проницаемость пластины.

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого устройства является повышение точности измерения.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин резистивными датчиками.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности может быть использовано в спектроскопии диэлектриков для исследования диэлектрических характеристик веществ, знание которых необходимо при дистанционном электромагнитном зондировании, диэлектрическом каротаже, изучении молекулярного строения вещества.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных бесконтактных измерений физических параметров (влажности, плотности, массы, толщины и др.) различных листовых материалов, движущихся или находящихся в стационарных условиях.

Изобретение относится к способам для определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда. Контролируемый участок поверхности дороги зондируют электромагнитными волнами по нормали к ней, принимают отраженные от этого участка поверхности электромагнитные волны.

Изобретение относится к медицине, а именно к терапевтической стоматологии, и может быть использовано для контроля эндодонтического лечения постоянных зубов. Проводят исследование кривизны корневого канала зуба на конусно-лучевом компьютерном томографе «Picasso Trio» с программой Ezlmplant.

Изобретение относится к области противодействия терроризму и может быть использовано в системах защиты объектов. Устройство обнаружения носимых осколочных взрывных устройств содержит СВЧ передающее устройство с частотой f1, СВЧ передающее устройство с частотой f2, СВЧ приемное устройство комбинационных частот второго порядка, СВЧ приемное устройство комбинационных частот третьего порядка.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации бинарных смесей различных жидких веществ, перекачиваемых по трубопроводам.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации бинарных смесей различных жидких веществ, перекачиваемых по трубопроводам.

Изобретение относится к устройству измерения физических свойств жидкости в емкости. Повышение точности измерения является техническим результатом заявленного устройства, которое представляет собой первый рабочий чувствительный элемент в виде первого резонатора - отрезка коаксиальной линии, заполняемого контролируемой жидкостью, между полым внутренним и наружным проводниками которого размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов, и эталонный чувствительный элемент в виде второго резонатора, заполняемого эталонной жидкостью, являющегося полостью внутреннего проводника первого резонатора, при этом оба резонатора подключены через соответствующие элементы возбуждения и съема колебаний и линии связи этих резонаторов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя, подсоединенного выходом к индикатору.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования биологических объектов. Приемное устройство радиометра включает в себя по меньшей мере один радиометр (83) и установочный модуль (824) для фиксации радиометра (83).

Предложенное изобретение относится к способу обнаружения минерала в целевом материале, способу сортировки сырьевого потока материла и устройству для определения присутствия целевого минерала в материале.

Изобретение относится к способам для определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда. Контролируемый участок поверхности дороги зондируют электромагнитными волнами, принимают отраженные от этого участка поверхности электромагнитные волны, определяют фазовый сдвиг между падающими и отраженными волнами или изменение амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к их значениям для падающих волн, предварительно определяют, соответственно, основной фазовый сдвиг этих волн или основное изменение амплитуды (мощности) этих волн в отсутствие покрывающего слоя на поверхности дороги. В поверхностный слой контролируемого участка дороги встраивают пассивный отражатель падающих на него электромагнитных волн в направлении, противоположном направлению зондирующих волн. Зондирование осуществляют электромагнитными волнами фиксированной частоты под некоторым углом, отличным от прямого угла, и по величине дополнительного фазового сдвига по отношению к основному фазовому сдвигу или дополнительного изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн судят о состоянии поверхности дороги. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх