Устройство бесконтактного измерения электромагнитных параметров тонких пленок

Авторы патента:

Живоносновская Дарья Михайловна (RU)

G01R27/00 - Устройства для измерения активного, реактивного и полного сопротивления или электрических характеристик, производных от них

Владельцы патента RU 2626573:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" (RU)

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного оперативного измерения удельной электрической проводимости, а также диэлектрической и магнитной проницаемостей тонких пленок и наноматериалов. Устройство состоит из генератора 1, выход которого подключен к входу излучателя электромагнитного сигнала 2, соединенного с разветвителем 3, первый выход которого соединен со входом опорного приемника 4, подключенного ко входу измерителя параметров сигнала 5, а второй выход разветвителя соединен со входом введенного дополнительного разветвителя 6, первый выход которого подключен через объект контроля 7 ко входу первого приемника сигнала 8, подключенного к измерителю параметров сигналов 5, а второй выход дополнительного разветвителя соединен с входом второго приемника 9 через образец эталонного материала с известными электромагнитными параметрами 10 и соединен с входом измерителя параметров сигнала 5, выход которого соединен с входами устройства обработки 11 и устройства управления 12, которое в свою очередь подключено ко входу генератора 1. Техническим результатом при реализации заявленного устройства является уменьшение погрешности измерения при исследовании тонких пленок, имеющих малый коэффициент отражения при сохранении возможности комплексных измерений одновременно трех электромагнитных параметров контролируемого материала. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для создания устройств бесконтактного оперативного измерения удельной электрической проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемостей тонких пленок и наноматериалов. Проблема актуальна в связи с развитием нанотехнологий, где необходимо оперативно контролировать электромагнитные параметры сред и материалов в процессе их производства, при этом исключая влияние подложки на результаты измерения.

Аналогами заявляемого изобретения являются бесконтактные устройства определения электромагнитных параметров материалов, содержащие кювету для контролируемой среды, помещаемую в индуктивный или емкостный датчики, входы которых соединены с питающим генератором, а выходы - с блоком обработки (Пат. RU 2528130 С1, МПК G01N 22/04, G01R 27/26, опубл. 10.09.2014, Пат. RU 156519, МПК G01R 27/00, В82В 1/00, опубл. 10.11.15).

Об электромагнитных параметрах сред в перечисленных устройствах судят по изменениям емкости или индуктивности чувствительного элемента датчика, вызванных влиянием контролируемой среды.

Известно также устройство для измерения свойства диэлектрического материала (в том числе тонких пленок), содержащее генератор, приемник и излучатель электромагнитного сигнала (передающую и приемную антенны), волновые тройники, фазовращатель, аттенюатор, детектор и блок обработки информации (Пат. RU 2528130 С1, МПК G01N 22/04, G01R 27/26, опубл. 10.09.2014). Сигнал генератора первым волновым тройником делится на две части, одна из которых с помощью антенн проходит через объект контроля, а вторая часть, пройдя через аттенюатор и фазовращатель, попадают на второй волновой тройник, служащий вычитателем (фазовым детектором), с выхода которого сигнал попадает на детектор и блок обработки информации.

Недостатком известных устройств является недостаточный набор функций, позволяющий измерять максимум два из трех заявленных параметров. Это делает затруднительным их применение в устройствах оперативного контроля тонких пленок и наноматериалов, где требуется контролировать все три параметра.

Прототипом заявляемого изобретения является устройство бесконтактного контроля электромагнитных параметров тонких пленок и наноматериалов (патент на полезную модель №156519, опубл. 10.11.2015), содержащее генератор, выход которого подключен к входу излучателя электромагнитного сигнала и блоку обработки, где на пути следования электромагнитного сигнала к объекту контроля введен разветвитель сигнала, второй выход которого электромагнитно соединен с приемником опорного сигнала, выход которого подключен к первому входу измерителя амплитуды и фазы, второй вход которого подключен к выходу приемника отраженного от объекта контроля сигнала, а выход измерителя амплитуды и фазы подключен к входу блока обработки и входу блока управления, выход которого подключен к генератору.

Недостатком прототипа является недостаточная точность измерений при контроле пленок, имеющих малый коэффициент отражения для выбранной длины волны излучения. Это связано с тем, что отраженный сигнал несет в себе информацию не только о контролируемом материале, но и о подложке, так как прошедший через пленку зондирующий сигнал отражается также и от подложки, накладывается на сигнал, отраженный от поверхности пленки, и искажает тем самым информационную картину процедуры измерения.

Поставлена задача: снизить погрешность измерения при исследовании тонких пленок, имеющих малый коэффициент отражения при сохранении возможности комплексных измерений одновременно трех электромагнитных параметров контролируемого материала.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее управляемый генератором излучатель зондирующего сигнала, электромагнитно соединенный с входом разветвителя, первый выход которого электромагнитно соединен с входом опорного приемника, подключенного к входу измерителя параметров сигнала, соединенного с устройствами обработки и управления, причем на втором выходе разветвителя, на пути следования электромагнитного сигнала к объекту контроля, введен дополнительный разветвитель сигнала, первый выход которого направлен на испытуемый образец и посредством отраженного от него сигнала соединен с входом первого приемника, второй выход разветвителя направлен на образец эталонного материла с известными электромагнитными параметрами и посредством отраженного от него сигнала соединен со входом второго приемника, выходы которых подключены ко входу измерителя параметров принятых сигналов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена структурная схема предложенного устройства.

Устройство состоит из генератора 1, выход которого подключен к входу излучателя электромагнитного сигнала 2, соединенного с разветвителем 3, первый выход которого соединен с входом опорного приемника 4, подключенного ко входу измерителя параметров сигнала 5, а второй выход разветвителя соединен с входом дополнительно введенного разветвителя 6, первый выход которого подключен через объект контроля 7 ко входу первого приемника сигнала 8, подключенного к измерителю параметров сигналов 5, а второй выход дополнительного разветвителя 6 соединен со входом второго приемника 9 через образец эталонного материала с известными электромагнитными параметрами 10 и соединен со входом измерителя параметров сигнала 5, выход которого соединен со входами устройства обработки 11 и устройства управления 12, которое в свою очередь подключено ко входу генератора 1.

Устройство работает следующим образом. Генератор 1 формирует переменное напряжение, которое с помощью излучателя электромагнитного сигнала 2 преобразуется в электромагнитный сигнал. На выходах разветвителя 3 формируются опорный сигнал Ф_o, поступающий на приемник опорного сигнала 4, и зондирующий сигнал Ф₁, который в свою очередь попадает на вход дополнительного разветвителя 6. Получаемый на первом выходе разветвителя поток Ф₂ отражается от объекта контроля 7, и, приобретая информацию о его параметрах, поступает на первый приемник отраженного сигнала 8, с выхода которого передается на измеритель параметров сигнала 5. Под параметрами сигнала понимаются амплитуда A(ω_i) и фаза ϕ(ω_i) сигнала. Поток Ф₃, получаемый на втором выходе дополнительного разветвителя, отражается от образца эталонного материала с известными электромагнитными параметрами 10 и, приобретая информацию о параметрах подложки, поступает на второй приемник 9. Данные об амплитудах и фазах опорного Ф_o и отраженного Ф₂сигналов, а также сигнала Ф₃, несущего информацию о параметрах подложки, поступают на устройство обработки 11 и являются исходными для вычисления проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемостей объекта контроля. Параллельно данные об амплитуде и фазе передаются в блок управления 12, в котором последовательно выбираются две частоты работы генератора ω₁ и ω₂, исходя из критерия максимальной разницы амплитуд и фаз. Это дает возможность составить систему уравнений относительно трех искомых параметров.

Следует отметить, что в зависимости от частоты, на которой работает устройство, конструкция излучателя и приемников электромагнитных сигналов может быть выполнена в виде катушек, антенн или щелевых излучателей.

Также важно отметить, что устройство может функционировать как при отражении электромагнитного сигнала от объекта контроля, так и при прохождении сигнала через него. В последнем случае изменятся формулы для расчета конечных параметров.

Предложенная конструкция устройства позволяет бесконтактно измерять амплитуду и фазу отраженного сигнала, а также проводить измерения на разных частотах, автоматически выбирая их, что дает возможность вычислить сразу три электромагнитных параметра объекта контроля: проводимость σ_х, диэлектрическую ε_х и магнитную μ_х проницаемости, что расширяет функциональные возможности существующих методов.

Устройство бесконтактного измерения электромагнитных параметров тонких пленок, содержащее управляемый генератором излучатель зондирующего сигнала, электромагнитно соединенный со входом разветвителя, первый выход которого электромагнитно соединен с входом опорного приемника, подключенного к входу измерителя параметров сигнала, соединенного с устройствами обработки и управления, отличающееся тем, что на втором выходе разветвителя, на пути следования электромагнитного сигнала к объекту контроля, введен дополнительный разветвитель сигнала, первый выход которого направлен на объект контроля и посредством отраженного от него сигнала соединен со входом первого приемника, второй выход дополнительного разветвителя направлен на образец эталонного материла с известными электромагнитными параметрами и посредством отраженного от него сигнала соединен со входом второго приемника, выходы которых подключены ко входу измерителя параметров принятых сигналов.

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при определении комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты, например, СВЧ-смесителей.

Быстродействующий преобразователь изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал // 2619828

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сигналов с различных первичных преобразователей, используемых для определения деформаций и напряжений при прочностных испытаниях объектов транспорта.

Способ измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов // 2618480

Изобретение относится к области измерительной техники. Предложен способ измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов (РПМ), включающий облучение образца радиопоглощающего материала и металлической пластины одинаковых размеров импульсными сверхширокополосными сигналами, регистрацию дискретных сигналов, соответствующих сигналам от образца радиопоглощающего материала - выборока Vc и от металлической пластины - выборока Vm, вычисление амплитудных спектров сигналов с помощью преобразования Фурье и получении частотной характеристики коэффициента отражения как отношения амплитудных спектров и, отличающийся тем, что сверхширокополосный сигнал находится в пикосекундном диапазоне, а выборки Vc и Vm до выполнения преобразования Фурье дополняют нулевыми отсчетами до длины N, причем N=2n≥100⋅N0, где N0 - изначальная длина выборок, а затем выполняют ядерное сглаживание выборок Vc и Vm в окне Гаусса с шириной h, причем h выбирается по принципу максимального правдоподобия с исключением объектов по одному по формуле , где V - исходная выборка, Vs - сглаживающая функция, V/{i} - выборка с исключенным i-м отсчетом.

Устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления // 2616852

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля различных физических величин посредством резистивных датчиков, например терморезисторов.

Способ определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов // 2615601

Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано в химической и других родственных с ней отраслях промышленности для определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов, в том числе полимерных пленок и тканей.

Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в свч диапазоне // 2613810

Использование: для определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью СВЧ рефлектометра измеряют зависимость коэффициента отражения Френеля плоского образца материала от угла падения в пределах от 40 до 90°, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения, после чего по графику зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения определяют угол Брюстера θв, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθв)2.

Преобразователь сопротивления и термо-эдс в напряжение // 2612200

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для преобразования изменения сопротивления резистивного первичного преобразователя температуры или деформации в напряжение и преобразования термо-ЭДС.

Способ определения составляющих импеданса биообъекта // 2586457

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки функционального состояния организма. Способ определения составляющих импеданса биологического объекта состоит в измерении напряжения на биообъекте на границах диапазона, при этом определяют активное сопротивление и эквивалентную емкость тканей биообъекта по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а именно - предельному напряжению и резонансной частоте, которые определяют по двум значениям напряжений на двух фиксированных частотах, являющихся границами диапазона.

Способ измерения сопротивления изоляции и устройство его реализующее // 2585965

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от «земли».

Устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов // 2585326

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля и определения динамических метрологических характеристик при производстве и эксплуатации токовых шунтов.

Система оптимизации стабильности системы электропитания // 2636230

Группа изобретений относится к системам и способам анализа стабильности систем электропитания. Имитация системы (100) электропитания, включающей элементы-источники (109) и элементы-нагрузки (111), выполняется для получения данных (328) импеданса, причем данные (328) импеданса определяют импеданс системы (100) электропитания. Профиль (401) стабильности системы (100) электропитания определяется как функция данных (328) импеданса, причем профиль (401) стабильности идентифицирует элементы-источники (109) и элементы-нагрузки (111) для управления генерированием электроэнергии в электрической системе (100) с целью оптимизации стабильности системы (100) электропитания. Обеспечивается стабильность системы электропитания на борту летательного аппарата. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 15 ил.

Способ и устройство для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также терминальное устройство // 2643460

Изобретение относится к способу и устройству для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также к терминальному устройству, которые используются для объединения сенсорной кнопки с идентификацией отпечатка пальца. Технический результат заключается в обеспечении объединения идентификации отпечатка пальца и сенсорной кнопки, в увеличении конструктивной прочности защитного стекла и повышении удобства для пользователя. Устройство содержит датчик для идентификации отпечатка пальца, расположенный под защитным стеклом терминального устройства; схему для идентификации отпечатка пальца, соединенную с датчиком для идентификации отпечатка пальца; емкостный датчик касания, расположенный под датчиком для идентификации отпечатка пальца; емкостную сенсорную схему, соединенную с емкостным датчиком касания; и переключатель, используемый для включения или отключения датчика для идентификации отпечатка пальца и схемы для идентификации отпечатка пальца, а также для включения или отключения емкостного датчика касания и емкостной сенсорной схемы. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ измерения состава и концентраций примесей в малополярных жидкостях // 2646526

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для достоверного определения компонентного состава и концентраций примесей в жидких диэлектриках, применяемых в системе нефтепродуктообеспечения, медицине и научных исследованиях. Способ измерения состава и концентраций примесей в малополярных жидкостях содержит этапы, на которых после заполнения межэлектродного пространства измерительного датчика исследуемой жидкостью на его электроды подают переменное напряжение переменной частоты в диапазоне от 10 Гц до 1 мГц и измеряют его спектральную характеристику. Для этого определяют электрическую емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости при шаговом изменении частоты. Шаг изменения частот определяется в зависимости от частотного диапазона. Определяют рабочую частоту, для чего измеряют базовую частоту сигнала преобразователя без его подключения к измерительному датчику и эталонному конденсатору, эталонную частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему эталонным конденсатором и частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему измерительным датчиком. На основании измеренных частот определяют емкость датчика в исследуемой жидкости. Технический результат – уменьшение времени и повышение точности определения диэлектрических параметров в измеряемой среде, упрощение аппаратурной составляющей. 1 з.п. ф-лы.