СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
METHOD OF NON-CONTACT MEASUREMENT OF THE DIELECTRIC CONSTANT

Изобретение относится к электротехническим измерениям, а именно к способам измерения относительной диэлектрической проницаемости твердых диэлектрических материалов.
Диэлектрическая проницаемость является одной из основных характеристик диэлектриков и существует большое количество способов ее измерения. Большинство из этих способов основано на изменении электрической емкости или реактивного сопротивления плоского воздушного конденсатора после помещения в его зазор исследуемого диэлектрика.
Известен способ измерения относительной диэлектрической проницаемости. В этом способе, изменяя величину зазора плоского измерительного конденсатора, к обкладкам которого приложено переменное напряжение, добиваются равенства токов конденсатора для случаев, когда исследуемый образец помещен в зазор конденсатора и в его отсутствие (Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытания электронных материалов. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963).
Недостаток этого способа заключается в том, что для измерения диэлектрической проницаемости необходимы дополнительные операции измерений толщины образца и величины межэлектродного зазора измерительного конденсатора. Недостатком является также низкая точность измерения за счет краевых эффектов, которая ухудшается с ростом диэлектрической проницаемости исследуемого материала. Кроме того, недостатком этого способа является то, что он не подходит для целого ряда материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, поскольку кроме емкостной составляющей тока будет присутствовать составляющая тока с соответствующими пиками резонанса и антирезонанса, связанная с возбуждением акустических волн в измеряемой пластине. При этом погрешность измерения увеличивается с ростом пьезоконстанты материала.
Известен способ определения диэлектрической проницаемости жидких и плоских твердых диэлектриков, в котором применяют динамический конденсатор, образуемый неподвижным электродом и вращающимся металлическим диском, на котором закреплен поляризованный плоский электрет (Патент RU №2234075, МПК G01N 22/00).
Этот способ имеет целый ряд недостатков. Применение эффекта появления индуцированного напряжения на конденсаторе вследствие вращения электрета делает этот способ малотехнологичным и ограничивает частотный диапазон измерения диэлектрической проницаемости. Этот способ усложняется еще необходимостью точных измерений толщины образца, расстояния между электродами и величины зазора между вращающимся электретом и исследуемым образцом, а также необходимостью проведения достаточно сложных математических вычислений. При этом, даже если удастся обеспечить строгую параллельность электрета и образца, а также постоянство степени заряженности электрета во времени, точность измерений остается крайне низкой. Это связано с влиянием краевых эффектов, а также с неоднородностью распределения заряда по поверхности электрета.
Известен также способ определения диэлектрической проницаемости материала, при котором возбуждают электромагнитные колебания в микрополосковой линии с известным значением комплексной диэлектрической проницаемости. Измеряют входной импеданс в режимах холостого хода и короткого замыкания при размещении микрополосковой линии на поверхности исследуемого образца материала и при отсутствии исследуемого образца. Затем по специальным расчетным формулам вычисляют диэлектрическую проницаемость исследуемого материала (Патент РФ №2103673 на изобретение, приоритет 21.11.1995 г.).
Недостатком этого способа является ограниченность частотного диапазона областью СВЧ и невозможностью измерения в ВЧ области. Кроме того, этот способ имеет большую погрешность, связанную с трудностями согласования приборных узлов при практической реализации способа.
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения относительной диэлектрической проницаемости жидких и плоских твердых диэлектрических образцов, который основан на измерении изменения реактивного сопротивления плоского воздушного конденсатора в результате заполнения его зазора исследуемым диэлектриком. К электродам плоского воздушного конденсатора с регулируемым зазором, равным толщине образца, прикладывают переменное электрическое напряжение. Преобразуют ток конденсатора в напряжение, например, с помощью операционного усилителя, регулируют это напряжение, добиваясь его значения, численно равного или кратного диэлектрической проницаемости воздуха. Помещают образец вплотную между электродами конденсатора и определяют значение относительной диэлектрической проницаемости по показаниям регистрирующего прибора, например вольтметра (Патент РФ №2303787 на изобретение, приоритет 27.03.2006 г.).
Недостатком этого способа является то, что он не подходит для материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, поскольку, как уже отмечалось, кроме емкостной составляющей тока будет присутствовать составляющая тока с соответствующими пиками резонанса и антирезонанса, связанная с возбуждением акустических волн в измеряемой пластине. Кроме того, для материалов с большими значениями диэлектрической проницаемости (ε>8) существенно возрастет влияние краевой емкости, несмотря на присутствие экранированного внешнего электрода. Оба указанных факта приводят к большой погрешности измерения.
Цель изобретения - упрощение способа и повышение точности измерения для пьезоэлектрических материалов и материалов с относительной диэлектрической проницаемостью выше 8.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем помещение исследуемого образца из неизвестного диэлектрического материала в измерительный датчик и подачу на вход этого датчика высокочастотного сигнала, выходной сигнал подают на измеритель разности фаз, а искомую величину диэлектрической проницаемости определяют по изменению фазы в присутствии исследуемого образца в измерительном датчике по заранее построенной градуировочной кривой для эталонных материалов.
На основании исследования патентной и научной литературы можно сделать вывод, что по ряду признаков предлагаемый способ является новым.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства для осуществления способа, на фиг.2 показана градуировочная кривая зависимости фазы выходного сигнала от диэлектрической проницаемости эталонных образцов для измерительного датчика, изображенного на фиг.1. На фиг.3 приведены данные для эталонных образцов, на основании которых построена градуировочная кривая, представленная на фиг.2. На фиг.4 представлена расчетная зависимость фазовой скорости волны с частотой 5 МГц в структуре «Y-X ниобат лития - воздушный зазор - полубезграничный исследуемый материал» от диэлектрической проницаемости пластины для двух значений толщины пьезоэлектрической пластины (100 мкм, а) и (200 мкм, б). Величина воздушного зазора для указанных зависимостей является параметром. На фиг.5 представлена зависимость фазовой скорости волны на частоте 5 МГц от толщины диэлектрической пластины для трех значений ее диэлектрической проницаемости.
Пример реализации способа состоит в следующем. С выхода ВЧ генератора 1 подают высокочастотный электромагнитный сигнал на измерительный датчик, включающий входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП) 2, расположенный на пьезоэлектрической пластине 3, и выходной (ВШП) 4 (Фиг.1). Электромагнитный сигнал с выхода измерительного датчика следует в измеритель разности фаз 5. Исследуемый образец 6 располагают на некотором расстоянии над поверхностью пьезоэлектрической пластины 3 измерительного датчика между (ВШП) 2 и 4. Электрическое поле распространяющейся акустической волны проникает в исследуемый образец, и скорость этой волны, а следовательно, и фаза выходного сигнала становятся зависящими от диэлектрической проницаемости материала исследуемого образца. Искомую диэлектрическую проницаемость оценивают по изменению фазы в присутствии исследуемого образца над поверхностью пьезоэлектрической пластины измерительного датчика по градуировочной кривой.
Технический результат достигается тем, что для измерения диэлектрической проницаемости материала исследуемого образца используют измерительный датчик с известной зависимостью фазы выходного сигнала от диэлектрической проницаемости материала образца. Для калибровки измерительного датчика используют набор эталонных образцов с известными значениями диэлектрической проницаемости. Для измерения диэлектрической проницаемости материала исследуемого образца достаточно измерить изменение фазы выходного сигнала при размещении исследуемого образца над поверхностью пьезоэлектрической пластины измерительного датчика.
Преимущество заявляемого способа выражается в существенном упрощении процесса измерения диэлектрической проницаемости материала при сохранении достаточно высокой точности результата измерений искомой величины.
На фиг.1 приведена схема устройства для реализации заявляемого способа.
0
Измерительный датчик содержит пьезоэлектрическую пластину 3 с расположенными на ней входным 2 и выходным 4 ВШП, первую 7 и вторую 8 диэлектрические полоски требуемой толщины, исследуемый образец 6 из измеряемого материала, расположенный над пьезоэлектрической пластиной 3 между входным 2 и выходным 4 ВШП и имеющий длину, перекрывающую поперечный размер ВШП, толщина пьезоэлектрической пластины h выбрана из условия распространения акустической волны с поперечной горизонтальной поляризацией нулевого порядка типа SH с наибольшим значением коэффициента электромеханической связи h=(0.1-0.2)λ, где λ - длина акустической волны.
В одном из вариантов выполнения диэлектрические полоски выполняются из фторопласта или слюды, которые приклеиваются к поверхности подложки за пределами акустического канала, определенного шириной области перекрытия штырей ВШП.
Решение поясняется фиг.1, на которой приведен вариант измерителя для реализации заявляемого способа. Здесь
1 - ВЧ генератор;
2 - входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП);
3 - пьезоэлектрическая пластина;
4 - выходной ВШП;
5 - измеритель разности фаз;
6 - исследуемый образец;
7 - первая диэлектрическая полоска;
8 - вторая диэлектрическая полоска;
9 - фиксаторы;
10 - канал для создания опорного сигнала.
Измерительный датчик содержит пьезоэлектрическую пластину 3, например, из ниобата лития. С одного края пьезоэлектрической пластины 3 размещен входной ВШП 2. Напротив него с другого края расположен выходной ВШП 4. Вблизи входного ВШП 2 на верхней стороне пьезоэлектрической пластины 3 размещена первая диэлектрическая полоска 7. Вблизи выходного ВШП 4 на верхней стороне пьезоэлектрической пластины 3 размещена вторая диэлектрическая полоска 8.
0
Над поверхностью пьезоэлектрической пластины 3 на диэлектрических полосках 7 и 8 размещен исследуемый образец 6. Длина образца в направлении, перпендикулярном акустическому каналу, выбрана таким образом, чтобы она превосходила размер апертуры ВШП. Для фиксации исследуемого образца используются фиксаторы 9, расположенные за пределами акустического канала. Эти фиксаторы определяют размер исследуемого образца вдоль акустического канала. К входному ВШП 2 присоединен ВЧ генератор 1, а к выходному ВШП 4 - измеритель разности фаз 5. Часть ВЧ мощности непосредственно поступает на измеритель разности фаз 5 по каналу 10 для формирования опорного сигнала. Рабочий частотный диапазон выбирается таким, чтобы в пластине возбуждалась SH волна с поперечно-горизонтальной поляризацией нулевого порядка и фазо-частотная характеристика содержала линейный участок, на котором выбирается рабочая точка (на фиг.2, f=5.58 МГц.).
Устройство работает следующим образом.
0
ВЧ генератор 1 подает непрерывный электромагнитный сигнал на входной ВШП 2, который возбуждает в пьезоэлектрической пластине 3 SH акустическую волну, которая распространяется по направлению к выходному ВШП 4. Далее выходной ВШП 4 преобразует акустический сигнал в электромагнитный, который принимаются измерителем разности фаз 5. При помещении исследуемого образца на диэлектрические полоски 7 и 8 часть энергии электрического поля над пьезоэлектрической пластиной 3 проникает в исследуемый образец и это меняет электрические граничные условия. Вследствие этого скорость акустической волны в пьезоэлектрической пластине 3 под исследуемым образцом 6 меняется, что приводит к изменению фазы выходного электромагнитного сигнала.
Таким образом, измеряя фазу выходного электромагнитного сигнала по специальной градуировочной кривой можно определить искомую диэлектрическую проницаемость исследуемого образца. Фиг.4 позволяет выбрать соответствующие значение толщины исследуемого образца, величину воздушного зазора и рабочую частоту акустической волны.
Калибровка измерительного датчика включает в себя измерение зависимости фазы выходного сигнала от диэлектрической проницаемости эталонного набора пластин с известными диэлектрическими постоянными, для чего берутся образцы с одинаковыми поперечными геометрическими размерами. Что касается толщины исследуемого образца, то она должна быть больше h/2, причем на верхнюю поверхность не накладывается каких либо условий (она может быть неровной, непараллельной нижней поверхности, неплоской и т.д.). Это подтверждается фиг.5. Для выбранного измерительного датчика строится градуировочная кривая. Определение диэлектрической проницаемости исследуемого образца производится при помещении его на специально изготовленные диэлектрические полоски, расположенные на пьезоэлектрической пластине, после чего измеряется изменение фазы в выбранном частотном диапазоне. Указанные полоски изготавливаются из материала с низкой диэлектрической проницаемостью (фторопласт, слюда, папиросная бумага) и имеют толщину порядка 10-40 мкм. Диэлектрическую проницаемость определяют по измеренной разности фаз выходного сигнала измерительного датчика и сигнала в присутствии измерительного образца по градуировочной кривой.
Для обоснования работоспособности заявляемого способа и достижения поставленной цели были проведены его испытания (акт прилагается).
Предлагаемый способ является более простым и доступным для проведения даже в лабораторных условиях и принципиально подходит для твердых веществ. Предлагаемый способ может найти применение при определении диэлектрической проницаемости новых, например нанокомпозитных, материалов, а также для определения кристаллографической ориентации пластин.