Устройство бесконтактного контроля электромагнитных параметров тонких плёнок

7
11
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для создания устройств бесконтактного оперативного измерения удельной электрической проводимости σ, диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостей тонких пленок и наноматериалов в диапазоне частот ω=10÷10 Гц. Проблема актуальна в связи с развитием нанотехнологий, где необходимо оперативно контролировать электромагнитные параметры сред и материалов в процессе их производства.
Аналогами заявляемой полезной модели 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 2532566 С2 МПК G01N 27/22, опубл. 10.11.2014, Пат. RU 112430 U1 МПК G01N 22/00, G01R 27/26, опубл. 10.01.2012, Пат. RU 2529417 С1 МПК G01N 22/00, G01R 27/26, опубл. 10.11.2014, Пат. US. 6.657.439 В1 от 02.12.2003, МПК G01R 27/00, Пат. WO 2013048348 А1 Словения, от 04.04.2013, МПК G01R 33/12, G01R 33/14, H01F 29/08, Пат. US 20070285195 А1 от 13.12.2007, МПК Н01F 1/00, Пат. RU 2420749 С1 МПК G01R 27/16, опубл. 10.06.2011, Пат. RU 2432579 С1 МПК G01R 27/26, G01J 3/42, G01N 21/35, опубл. 27.10.2011, Пат. RU 2442179 С2 МПК G01R 27/26, опубл. 27.10.2010, Пат. RU 2103673 С1 МПК G01R 27/04, опубл. 27.01.1998, Пат. RU 2449303 C1 МПК G01R 33/00, В82В 1/00, опубл. 27.04.2012, Пат. RU 2421742 С1 МПК G01R 27/16, опубл. 20.06.11).
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 фазовым детектором, с выхода которого сигнал попадает в блок обработки информации.
Недостатком известных устройств является ограниченные функциональные возможности, связанные с тем, что производится контроль одного из трех заявленных параметров. Это затрудняет их применение в устройствах оперативного контроля тонких пленок и наноматериалов, где требуется контролировать все три параметра.
Прототипом заявляемой полезной модели 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, где на пути следования которого, к объекту контроля установлен 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 связанно 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. При этом отраженный сигнал зависит также от толщины подложки, которая в общем случае неизвестна.
Поставлена задача: повысить точность 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 через разветвитель с двумя приемниками отраженного сигнала, выходы которых подключены ко входам измерителя параметров сигналов, соединенного с устройствами обработки и управления, причем первый выход разветвителя направлен на образец, содержащий испытуемую пленку, нанесенную на подложку, и посредством отраженного от нее сигнала соединен со входом первого приемника, дополнено тем, что второй выход разветвителя направлен на образец, выполненный из материала подложки, и посредством отраженного от него сигнала соединен со входом второго приемника сигнала.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где приведена структурная схема предложенного устройства.
3
4
Устройство состоит из генератора 1, выход которого подключен к входу излучателя электромагнитного сигнала 2, на выходе которого установлен разветвитель сигнала 3, первый выход которого направлен на образец 4, содержащий контролируемую пленку, расположенную на подложке. Второй выход разветвителя 3 направлен на образец 5, выполненный из материала подложки. Отраженные от контролируемого образца 4 и от подложки 5 сигналы Ф Ф поступают на входы приемников 6 и 7 соответственно, выходы которых подключены ко входу измерителя 8 параметров отраженных сигналов. Выход измерителя 8 подключен к входам блока обработки 9 и блока управления 9, выход которого подключен к генератору 1.
1
2
Устройство работает следующим образом. Генератор 1 с помощью излучателя 2 формирует электромагнитный сигнал, поступающий на вход разветвителя 3. На выходах разветвителя формируются два зондирующих сигнала. Первый сигнал Ф разветвителя, отражаясь от испытуемого образца 4, приобретает информацию о электромагнитных параметрах контролируемой пленки, искаженную влиянием материала подложки, поступает на вход первого приемника 6. Второй сигнал Ф разветвителя, отражаясь от образца 5, приобретает информацию о электромагнитных параметрах материала подложки и поступает на вход второго приемника.
4
3
x
x
x
1
2
Данные об амплитудах и фазах опорного Ф и отраженного Ф от испытуемого образца сигналов являются исходными для определения проводимости σ, диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостей контролируемой пленки, которые вычисляются в блоке обработки 9 по специальному алгоритму. Параллельно данные об амплитуде и фазе передаются в блок управления 10, в котором последовательно выбираются две частоты работы генератора ω и ω, исходя из критерия максимальной разницы амплитуд и фаз. Это дает возможность построить алгоритм обработки таким образом, чтобы устранить влияние толщины пленки и параметров подложки на результат измерения.
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 проводить измерения на разных частотах, автоматически выбирая их, что дает возможность вычислить сразу три электромагнитных параметра объекта контроля: проводимость, диэлектрическую и магнитную проницаемости, при этом устранить влияние толщины контролируемой пленки и материала подложки, расширяет функциональные возможности существующих методов.