(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
錐状の先端に、共振周波数の波長よりも十分に小さい開口部を備える空洞共振器を準備するステップと、
前記開口部から放射する指数関数的に減衰するエバネセント波を発生させるステップと、
前記開口部に共振器の動作が摂動理論を満足する条件のもとに試料を外側から負荷したときと、前記開口部に試料を負荷しないときの各共振点における動作からＱ特性のデータの変化（ＱのシフトΔＱ，周波数シフトΔｆ）を、前記共振器の入射波と反射波の位相を検出して負帰還することにより発振器を各共振点に自動的にフェイズロックして、求めるＱ特性測定ステップと、
Ｑ特性のデータ偏差が複素誘電率（ε＝ε’＋ｊε”）の下記の既知の関数であることから
数値計算で解いて前記試料の複素誘電率を算出するステップと、
からなる共振器を用いて複素誘電率を測定する方法。
記
ΔＱ（Ｑのシフト）＝ｇ（ε’，ε”）
Δｆ（周波数シフト）＝ｆ（ε’，ε”）
【請求項２】
請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器を開口部を有するプローブにより形成するステップと、
前記開口の大きさと形状とに依存するエバネセントの電磁波の特性を数値計算で解析するステップと、
前記開口部に試料を結合して試料の深さ方向の複素誘電率の特性を求めるステップと、
を含む共振器を用いて複素誘電率を測定する方法。
【請求項３】
請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器を開口部を有するプローブにより形成するステップと、
前記開口の大きさと形状とに依存するエバネセントの電磁波の特性を数値計算で解析するステップと、
前記開口部に複素誘電率が既知の試料を結合して試料の厚さを求めるステップと、
を含む共振器を用いて複素誘電率を測定する方法。
【請求項４】
請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器を開口部を有する交換可能な共振可能領域の異なる複数のプローブにより形成するステップと、
前記プローブを共振器の共振可能な周波数ごとに交換して測定をすることにより、広帯域な周波数に対する複素誘電率を測定するステップと、
を含む共振器を用いて複素誘電率を測定する方法。
【請求項５】
請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器の内部または外側開口周辺を負圧にして試料と開口部とを密着し吸着保持するステップ
を含む共振器を用いて複素誘電率を測定する方法。
【請求項６】
請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器に開口部を有するプローブにより形成するステップと、
前記プローブの開口部材を気体、液体、不定形薄膜等の表面に対応させ、結合させるステップと、
を含む共振器を用いて複素誘電率を測定する方法。
【請求項７】
請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器を開口部を有するプローブにより形成するステップと、
前記プローブの開口部を試料平面上で移動させて試料の誘電率の平面分布を測定するステップと、
を含む共振器を用いて複素誘電率を測定する方法。
【請求項８】
外部に配置された物体の複素誘電率を摂動理論に基づいて測定する請求項１記載の方法を実施する装置であって、
錐状のプローブの形状で、共振周波数に対応する波長に比べて十分小さい寸法の先端開口を備える空洞共振器と、
測定中に進行波と反射波を分離する方向性結合器と、
反射波の位相を調節する位相器と、
共振周波数時に出力信号の振幅は等しくなる３ｄＢ結合器と、
広い範囲の高周波を発生する電圧制御型広帯域発振器ＶＣＯと、
高周波信号の振幅を直流電圧に検波する検波器と、および
直流電圧の差を増幅する差動増幅器と、
を含み、
前記共振器の入射波と反射波の位相を検出して負帰還することにより前記発振器を各共振点に自動的にフェイズロックしてＱ特性を測定することにより、共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定材料の複素誘電率と誘電体薄膜の厚さを非破壊測定法で測定する方法とその装置に係り、特にマイクロ波帯やミリ波帯における複素誘電率の測定法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の摂動理論を利用して誘電率を測定する誘電体共振器法が知られている。実開３−７０３７０号には、金属ケースと金属ケース内に取り付けた誘電体共振器に測定試料を付加して、摂動理論によって誘電体基板の複素誘電率を測定する装置が示されている。構造上試料を共振器の中に設定し、しかも摂動理論の条件を満たすために、試料の寸法に制限される問題がある。また一般に測定できる周波数は１種類のみである。
【０００３】
実開３−７０３７５には、誘電体基板の上面側および下面側にそれぞれ配置された第１および第２の誘電体共振器、第１および第２の誘電体共振器の誘電体基板との対向面を除いた外表面にそれぞれ形成される第１および第２のメタライズ層、第１および第２のメタライズ層の少なくとも一方に第１および第２の誘電体共振器を励振するように取り付けた２つの結合端子を備え、摂動法を利用して複素誘電率を測定する装置が示されている。誘電体基板の装着には改善が施されている。直径９ｍｍの誘電体共振器で測定しているが、さらに数ミリ以下の細かい領域の複素誘電率を測定をする場合、構造上困難がある。
【０００４】
一方、特開２００１−２８１２８４号に係る発明は、前述の摂動法を利用した共振器法によらない測定法を示している。すなわち、この発明は、導波管の開口部にフランジを装着したフランジ付導波管と、導体板の間に測定対象の誘電体を挿入し、フランジ付導波管と導体板で誘電体を押さえ、開口部の反射係数を反射特性装置により測定し、測定された反射係数の絶対値と位相から複素誘電率を求める装置である。測定試料を導波管の開口部に当てて測定できる利便性があるが、反射特性を測定するベクトルネットワークアナライザなどの高価な測定器を必要とする点、測定できる分野が制限される。またフランジと試料の接触面積が大きいので、試料の全面積に渡り、一様に接触することは難しく、測定誤差の要因になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主たる目的は、試料の形状大きさ等に影響されないで、試料の複素誘電率を測定することができる試料の複素誘電率を測定する方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記方法を実施する装置を提供することである、さらに具体的には、前述の要求に耐える局所部分の複素誘電率を測定するための検出プローブを提供し、複素誘電率の測定を小形で安価でかつ簡単な操作で自動測定できる装置を提供することにある。
【０００６】
また本発明のさらに他の目的は、検出プローブを交換することにより、約１０ミクロンの局所領域の複素誘電率の領域分解能を保持し、測定領域５センチ×１０センチの広い領域を自動測定し、前述の広帯域周波数にわたり測定できる非破壊複素誘電率分布測定装置を提供することにある。
共振器の発振モードを選定して、検出プローブの先端部の電界分布の一方向性の特性を利用して、測定される誘電体の誘電率の異方性の測定可能な方法および装置を提供することにある。
また検出プローブの先端部の電界分布について試料の面の深さ方向の減衰特性を電磁界解析ソフトで求めることにより、薄膜の膜厚の測定も可能な方法および装置を提供することにある。
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の方法は、
錐状の先端に、共振周波数の波長よりも十分に小さい開口部を備える空洞共振器を準備するステップと、
前記開口部から放射する指数関数的に減衰するエバネセント波を発生させるステップと、
前記開口部に共振器の動作が摂動理論を満足する条件のもとに試料を外側から負荷したときと、前記開口部に試料を負荷しないときの各共振点における動作からＱ特性のデータの変化（ＱのシフトΔＱ，周波数シフトΔｆ）を、前記共振器の入射波と反射波の位相を検出して負帰還することにより発振器を各共振点に自動的にフェイズロックして、求めるＱ特性測定ステップと、
Ｑ特性のデータ偏差が複素誘電率（ε＝ε’＋ｊε”）の次の既知の関数であることから
ΔＱ（Ｑのシフト）＝ｇ（ε’，ε”）
Δｆ（周波数シフト）＝ｆ（ε’，ε”）
を数値計算で解いて前記試料の複素誘電率を算出するステップと、
から構成されている。
【０００８】
本発明による請求項２記載の方法は、請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器を開口部を有するプローブにより形成するステップと、
前記開口の大きさと形状とに依存するエバネセントの電磁波の特性を数値計算で解析するステップと、
前記開口部に試料を結合して試料の深さ方向の複素誘電率の特性を求めるステップと、を含んでいる。
本発明による請求項３記載の方法は、請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器を開口部を有するプローブにより形成するステップと、
前記開口の大きさと形状とに依存するエバネセントの電磁波の特性を数値計算で解析するステップと、
前記開口部に複素誘電率が既知の試料を結合して試料の厚さを求めるステップと、を含んでいる。
【０００９】
本発明による請求項４記載の方法は、請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器を開口部を有する交換可能な共振可能領域の異なる複数のプローブにより形成するステップと、
前記プローブを共振器の共振可能な周波数ごとに交換して測定をすることにより、広帯域な周波数に対する複素誘電率を測定するステップと、を含んでいる。
本発明による請求項５記載の方法は、請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器の内部または外側開口周辺を負圧にして試料と開口部とを密着し吸着保持するステップを含んで構成されている。
【００１０】
本発明による請求項６記載の方法は、請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器に開口部を有するプローブにより形成するステップと、
前記プローブの開口部材を気体、液体、不定形薄膜等の表面に対応させ、結合させるステップとを含んで構成されている。
本発明による請求項７記載の方法は、請求項１記載の複素誘電率を測定する方法において、
前記共振器を開口部を有するプローブにより形成するステップと、
前記プローブの開口部を試料平面上で移動させて試料の誘電率の平面分布を測定するステップとを含んで構成されている。
なお、本発明による方法は、誘電体片のみではなく気体、液体、不定形薄膜等の誘電率の測定に利用できる。
【００１１】
本発明による請求項８記載の装置は、
外部に配置された物体の複素誘電率を摂動理論に基づいて測定する請求項１記載の方法を実施する装置であって、
錐状のプローブの形状で、共振周波数に対応する波長に比べて十分小さい寸法の先端開口を備える空洞共振器と、
測定中に進行波と反射波を分離する方向性結合器と、
反射波の位相を調節する位相器と、
共振周波数時に出力信号の振幅は等しくなる３ｄＢ結合器と、
広い範囲の高周波を発生する電圧制御型広帯域発振器ＶＣＯと、
高周波信号の振幅を直流電圧に検波する検波器と、および
直流電圧の差を増幅する差動増幅器と、
を含み、
前記共振器の入射波と反射波の位相を検出して負帰還することにより前記発振器を各共振点に自動的にフェイズロックしてＱ特性を測定することにより、共振器を用いて複素誘電率を測定するように構成されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。図１から図５は、本願発明方法および装置で、試料の複素数誘電率を測定するときに、試料に接触させてもちいるプローブの実施例を示す略図である。
【００１３】
次に本発明の原理となる誘電体測定装置の測定理論を説明する。
一般的にある領域内において閉じ込められた電磁波があるモードで振動している場合、その領域内のほんの一部の領域を他の誘電体と置き換えたときに、スレータの摂動論が成立する。
均質な異方性な材質では、誘電率εは次の式のように複素数で表現できる。
0003691812.tif 000002
ここでε’は誘電率の実数部、ε”は誘電率の虚数部、σは材質の導電度、ω’は角波数、ε0 は真空中の誘電率である。いまキャビティの共振周波数ｆ0 と負荷されたキャビティのＱ特性は、複素角周波数の変化に関係する。すなわち次式で表される。
0003691812.tif 000003
キャビティの摂動方程式から誘導すると、この複素各周波数は、複素誘電率に関係することがわかる。
ここでキャビティの摂動方程式は次式で表わされる。
0003691812.tif 000004
この摂動方程式で下付き添え字の１は、試料をキャビティに挿入前の場合、下付き添え字の２は挿入後の場合を現すパラメータである。
VsとVjは試料の体積、キャビティの体積を示す。上式のＨバーとＦバーとは磁界と電界を現す。
μ* は複素透磁率を示す。
この摂動理論は、誘電率の実数部と虚数部を用いて、共振周波数の偏移とＱ特性の偏移を結合づけている。
電界の最大値に位置する細い小片の試料については次式であらわされる。
0003691812.tif 000005
ここでδε’とδε”とは誘電率の実数部と虚数部の差異を示す。Ｋは資料の形状に起因し、また電界の分布状態に起因する数値的な定数ファクタである。
このような一般式において、誘電率の実数部と虚数部の差異はキャビティのＱ特性の変化ならびに共振周波数の変化に依存するわけである。
よって前述の式は
Δｆ＝ｆ（ε’，ε”）
ΔＱ＝ｇ（ε’，ε”）
で表現できる。この式のｆとｇの関数は、材料（試料）や共振器の形状、電磁界分布（モード）に依存する関数になる。これらの関数を数式を用いて解析的に精度良く求めることは、関数が複雑であるので非常に困難である。したがって、３次元の電磁界解析をコンピュータを使って、数値解析を行うことが適している。たとえば、独逸国のコンピュータシュミレーションテクノロジー（Computer Simulation Technology) 社の３次元電磁界解析ソフト，エムダブリュー−スタジオ（MW-Studio)やマフィア（MAFIA)を利用して、数値解析を行うことができる。
【００１４】
図６と図７は解析結果の様子を示す。図６は横軸は偏移周波数、縦軸は誘電率の実数部を示す。
図７は横軸は周波数、縦軸は誘電率の実数部を示す。
図６は、tan δが一定の条件を保った場合に（たとえば、tan が０．０１のときに、無負荷時の共振周波数と測定時の共振周波数の差すなわちΔｆに対して実数部ε’がもとまる。これを示したのが図６である。
図７はε’を一定に保つ場合（たとえばε’が１０のときに）、無負荷のときのＱの値と測定時のＱの値から算出されるΔＱに対するε”の値を示す図である。当然図６と図７の関係で明確のように、測定値のＱや共振周波数からε’とε”が求まるわけである。
【００１５】
以下本発明の共振器型プローブの構造と動作について説明する。本発明では、誘電体測定プローブが超小型化開口共振器であり、開口部の寸法は共振周波数の波長に比べ十分短い寸法に設定しているので、開口部から外部に放出する電磁波の振幅は指数関数的に減衰する電磁波であり、近接波になる。このように、開口部より測定物に浸透するエバセネント波を利用しているのが特徴である。
そして開口部近辺に蓄積されるエバセネント波の電磁波のエネルギは、共振器の全蓄積エネルギに比較して十分すくないので、前述の摂動理論が応用できる。
誘電体測定プローブの形状寸法を自由に選択できるように、交換式にして、試料の寸法、電界分布の解像度を選択できるのが特徴である。
【００１６】
まず、図１に示す本発明の（ｎλ）／２の同軸共振型プローブについて説明する。左端のＳＭＡコネクタ１０１から高周波が印加される。高周波が容量性結合器１０２から同軸共振器１０３に入る。右端の開口部１０４の寸法は、高周波の波長より充分短く設定されているので、開口部１０４から放出する高周波はエバネセント波になり、その波の振幅は開口部１０４の外側で急激に減衰する。高周波の透過波を検出するために、同軸共振器の１０３の左下部に先端がアンテナになったＳＭＡのコネクタ１０５が配置されている。試料の複素誘電率を測定する場合、プローブの先端の開口部１０４を試料に接触する。このように構造がシンプルでかつ操作も簡単である。
【００１７】
次に図２を参照して同軸共振型プローブについて説明する。このプローブは（２ｎ＋１）λ／４の同軸共振型である。左端のＳＭＡコネクタ２０１から高周波が印加される。高周波が誘導性結合器２０２から同軸共振器２０３に入る。右端の開口部２０４の寸法は、高周波の波長より短く設定されているので、開口部２０４から放出する高周波はエバネセント波になり、その波の振幅は開口部２０４の外側で急激に減衰する。高周波の透過波を検出するために、同軸共振器の２０３の左下部に先端がアンテナになったＳＭＡのコネクタ２０５が配置されている。試料の複素誘電率を測定する場合、同様にプローブの先端の開口部２０４を試料に接触させる。このように構造がシンプルでかつ操作も簡単である。
【００１８】
次に図３に示す本発明の導波管共振器型プローブについて説明する。左端のＳＭＡコネクタ３０１から高周波が印加される。高周波が誘導性結合器３０２から導波管共振器３０３に入る。右端の開口部３０４の寸法は、高周波の波長より短く設定されているので、開口部３０４から放出する高周波はエバネセント波になり、その波の振幅は開口部３０４の外側で急激に減衰する。高周波の透過波を検出するために、導波管の左下部に先端がアンテナになったＳＭＡのコネクタ３０５が配置されている。試料の複素誘電率を測定する場合、プローブの先端の開口部３０４を試料に接触する。このように構造がシンプルでかつ操作も簡単である。とくに導波管型の開口部３０４の電界の向きが一定方向に規定されるので、試料の誘電体の異方性を調べるときに有効になる。
【００１９】
次に、本発明のストリップ線路共振型プローブについて説明する。
図４に示すように、ストリップ線路共振型プローブは円型ストリップ共振器と（ｎ／２）・λg 型共振器がある。前者は円形の導体板４０１とそれで挟んでいる誘電体４０２とで共振している。ピックアップアンテナ４０３はストリップの円形の導体板４０１の近く配置される。後者は（ｎ／２）・λg 型の導体板と誘電体とで共振している。高周波を検出するためのピックアップアンテナ４０６がスリット線路４０４の近傍に配置されている。ここでλg はストリップラインの実効波長である。
【００２０】
図５に示す本発明の誘電体共振器型プローブは、左側のＳＭＡコネクタ５０１から供給された高周波は誘電体共振器の中央部に配置されたメタルシート５０２に容量性結合されて、供給される誘電体５０３で充満するキャビティで共振する。共振器の内部に誘電体５０３を充満することで、共振器は充分小型化にすることができる。当然誘電体５０３の外側５０５は不要の放射を防ぐためにメタライズされている。プローブの先端部はテーパーがかけられ、先頭部には誘電体が開口されている。この開口部５０４の水平方向にメタルシート５０２が配置されている。このメタルシート５０２は共振のモードにより省かれることもある。
共振器内部の高周波を検出する検出器５０３は、高周波信号を受けるＳＭＡコネクタ５０１の上側で誘電体の側面に配置されている。無負荷の共振周波数を変えるには、このメタルシート５０２の寸法を変えるか誘電体５０３の誘電率を変える。すなわち共振周波数により、メタルシート５０２の寸法の異なるプローブを用意して、交換する手段で広い周波数に測定できるように対応することが本発明のプローブの特徴である。この誘電体共振器は誘電体の形状が導波管タイプを示したが、同軸共振器型のタイプで誘電体が円柱の形状にすることもできる。
【００２１】
次に本発明のプローブを利用した非破壊誘電体測定器の測定システムの一例を図８を参照して説明する。ＶＣＯ（Voltage   Controlled  Oscillatorタイプ）８０９からの出力高周波は、サーキュレータ８０８に供給される。このサーキュレータ８０８は、周波数による負荷変動がＶＣＯ８０９に影響しＶＣＯ８０９の発振周波数に変化を与える現象を回避するために、すなわ負荷の反射電力を絶縁するために用いられる。さらに方向性結合器８０３に加わり、この方向性結合器８０３の出力から着脱可能なプローブ型の本発明の共振器に供給される。
この方向性結合器８０３のａ端子とｂ端子にはそれぞれ進行波と反射波が出力される。反射波は位相器８０４を通して３ｄＢ結合器８０５のＰ２端子に加わえられる。この反射波の電力は図９に示すように共振周波数において最小値になる。この位相器８０４は反射波の位相を進行波に対して自由に設定できるので、共振時において反射波と進行波の位相が同位相になるように設定する。
【００２２】
前述の回路において、前記発振周波数に対する反射波と進行波の位相差は図１０に示すように共振周波数にてゼロになる。一方進行波は３ｄＢ結合器８０５のＰ１端子に加わる。３ｄＢ結合器８０５の出力端子のＰ３とＰ４は検出器８０６に供給され、直流電圧に変換される。それぞれの直流電圧は差動増幅器８０７の入力部に供給される。差動増幅器８０７の出力電圧は、この２つの直流電圧が等しいときに、出力ゼロになるように調整されている。プローブ型共振器８０２に試料を接触しない状態で、まずシステを動作する。ここで共振器８０２の固有の共振周波数とする。ＶＣＯ８０９が発振を開始すると最初ある周波数で振動する。この周波数は共振器８０２の固有の共振周波数とは当然異なる周波数になる。ＶＣＯ８０９が発振周波数で電力を供給すると、プローブ型共振器８０２から反射波が生じて、方向性結合器８０３のｂ端子にはこの反射波が発生する。さらに位相器８０４を通過し、３ｄＢ結合器８０５の出力端子のＰ２に供給される。
【００２３】
一方進行波は３ｄＢ結合器８０５の出力端子のＰ１に供給される。その結果検出器８０６の出力信号は振幅の異なる電圧が生ずる。差動増幅器８０７の出力にはこの差電圧が発生する。この電圧がＶＣＯ８０９に加わると、ＶＣＯ８０９の発振周波数は変化する。すなわち、共振器８０２の固有の共振周波数に近づくように動作する。このフィードバック動作によりＶＣＯ８０９の発振周波数は共振器８０２の固有の共振周波数にフェイズロックされる。
【００２４】
次にプローブ型共振器８０２に測定しようとする試料８０１の表面に垂直に接触させる。試料８０１に接触した状態のローブ型共振器８０２の共振周波数とすれば、前述の回路動作により、測定システムのＶＣＯ８０９は共振周波数にファイズロックされる。測定する試料８０１にプローブ８０２を当てる場合に試料８０１とプローブ８０２の機械的な接触状態を密着し、かつ安定にするために検出プローブの外側に安定用空洞を設け、この空洞を外部から真空ポンプで内部の空気を吸い取り、大気圧の圧力でプローブの先端を一定の抑える方法をとる。
【００２５】
本発明は、Ｑ特性の高い共振器を利用し、測定物の試料にプローブをあてたときに、共振器に負荷が加わり、その結果共振器の周波数の偏移するが、Ｑ特性が高いので高周波の振幅の変化が大きく、検出しやすいので、測定器の感度が高くなるので、複素誘電率が正確に測定できる。共振器の周波数の波長に対するプローブの開口部の寸法の関係条件から、開口部から外部に放出する波はエバネセント波になる。このエバネセント波は被測定物のほんの一部分にのみ入るのでその部分のみの誘電率特性が測定できる。このエバネセント波はコンピュータによる数値解析が可能なので、それによる開口の電磁波分布が明確になるので、測定精度の向上が図れる。また共振器に対して、共振周波数の高次のモードの周波数を測定に利用できるので、高周波の周波数領域の拡大が容易にできる点も特徴である。
【００２６】
またエバネセント波の減衰特性も解析できるので、各周波数毎に測定を行い、試料の深さ方向の誘電率の分布も測定できる。プローブの先端の電磁界分布の解明により、試料の膜厚を測定できる装置にも活用できる特徴がある。
いろいろなプローブを選択できるので、開口部の小さいプローブを使って、局所的誘電率が測定できる利点がある。また開口部の大きさは、ほぼエバネセントモードの波の深さ方向への到達距離に比例するので、開口部の大きさを変えたいろいろのプローブを切り替えることにより、波の深さ方向を変えることになり、膜の厚み方向の誘電率の分布を測定できる特徴が得られる。
またプローブ先端の電界のモードパターンを選ぶことにより誘電体の異方性の測定も可能になる。測定物を破壊しないこと、またプローブの開口部の形状がシンプルであるので、数値解析の精度良く解析できること、プローブの小さな開口部を測定物に簡単に当てることができるので、プローブの測定姿勢による測定誤差が少ないことなどが利点である。また複素誘電率の明確になった試料を基準として、較正することが簡単にできる。よって測定装置の校正が簡単にできるので測定物の複素誘電率の測定精度が高くなる利点がある。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明は次に述べるように多くの効果がある。
請求項１に係わる発明によれば、電磁波の波長より開口部の寸法が充分小さい開口部を構成することにより、開口部における電磁波は指数関数的に減衰するエバネセント波になる。その電磁波のコンピュータ解析が可能になり、精度のよい複素誘電率を求めることができる。プローブ自身またはその外側に空洞を形成し、その内部を真空ポンプで吸引し、大気圧によりプローブの開口部は試料平面に密着して接触させる方法で測定面に対する接触状態の誤差を少なくできる。
プローブ型共振器の開口部に試料を負荷しないときのＱ  特性のデータと試料を負荷したときのＱ特性のデータの偏差（ＱのシフトΔＱ，周波数シフトΔｆを求める）から、
ΔＱ（Ｑのシフト）＝ｇ（ε’，ε”）
Δｆ（周波数シフト）＝ｆ（ε’，ε”）の関係により
複素誘電率（ε＝ε’＋ｊε”）を算出することができる。
【００２８】
共振器の開口の外側に試料を配置するので、後はＣＰＵが複素誘電率、周波数、Ｑ特性を算出し、その結果をディスプレイで表示するので、複素誘電率を自動的に測定することができる。請求項２，３に係る発明によれば、開口の大きさでエバネセントの電磁波の減衰特性を解析できるので、複素誘電率の深さ方向の特性を求める方法およびプローブの固有減衰特性が明確化されるので逆に試料の膜厚を測定することができる。請求項４に係わる発明によれば、共振器はプローブの交換可能な構造のために、共振器の共振可能な周波数ごとに交換して測定をすることにより、広帯域な周波数に対する複素誘電率を測定できる。
【００２９】
請求項５に係わる発明によれば、共振器の内部または外側開口周辺を負圧にして試料と測定端の開口部とを密着し吸着保持する方法で測定面の接触誤差を少なくできる。請求項６に係わる発明によれば、測定部が共振器の開口部になるので、液体の表面の複素誘電率、気体の複素誘電率、人体や半導体の表面膜などの複素誘電率を測定できる。請求項７に係わる発明によれば、プローブを試料平面内で自由に移動して各局部の誘電率を計測することにより、試料の誘電率の平面分布を測定できる。
【００３０】
請求項８に係わる発明によれば、広い周波数帯域で測定するために、測定装置を、交換可能なプローブの形態であり、共振周波数の近傍の周波数に対する波長に比べて十分小さい寸法の開口を形成する共振器と広い範囲の高周波を発生する電圧制御型広帯域発振器と、進行波と反射波を分離す方向性結合器と、反射波の位相を調節する位相器と、共振周波数時に出力信号の振幅は等しくなる３ｄＢ結合器と、高周波信号の振幅を直流電圧に検波する検波器と、直流電圧の差を増幅する差動増幅器とで構成する。そして、共振器の開口の外側に試料を配置する。これにより得られたディジタルデータから複素誘電率を計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による（ｎλ）／２同軸共振器型プローブの実施例を示す図である。
【図２】本発明による（２ｎ＋１）λ／（４λ）同軸共振器型プローブの実施例を示す図である。
【図３】本発明による導波管共振器型プローブの実施例を示す図である。
【図４】本発明による円型ストリップ型と（ｎλg ）／２型のストリップ線路共振器型プローブの実施例を示す図である。
【図５】本発明による誘電体共振器型プローブの実施例を示す図である。
【図６】本発明による共振器型プローブを用いて測定されたデータに基づき算出した無負荷時と負荷時（試料測定時）との共振周波数の偏移に対する複素誘電率の実数部の関係を示す図である。
【図７】本発明による共振器型プローブを用いて測定されたデータに基づき算出した無負荷時と負荷時（試料測定時）とのＱの偏移に対する複素誘電率の虚数部の関係を示す図である。
【図８】本発明によるプローブ型共振器において、この共振器の発振周波数を自動的にフェイズロックするシステム図である。
【図９】発振周波数に対する反射電力の特性を示す図である。
【図１０】発振周波数に対する反射波と進行波の位相差の特性を示す図である。
【符号の説明】
２０１  SMA コネクタ
２０２  誘導性結合器
２０３  同軸共振器
２０４  開口部
２０５  ピックアップ部
３０１  SMA コネクタ
３０２  誘導性結合器
３０３  導波管型共振器
３０４  開口部
３０５  ピックアップ部
４０１  円形の導体板
４０２  誘電体
４０３  ピックアップアンテナ
４０４  スリット線路
４０５  誘電体
４０６  ピックアップアンテナ
５０１  SMA コネクタ
５０２  メタルシート
５０３  誘電体
５０４  開口部
５０５  誘電体の外側（メタライズ処理）
５０６  検出器
８０１  試料
８０２  共振器
８０３  方向性結合器
８０４  位相器
８０５  ３ｄＢ結合器
８０６  検出器
８０７  差動増幅器
８０８  サーキュレータ
８０９  ＶＣＯ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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