Устройство бесконтактного контроля электромагнитных параметров тонких плёнок, нанесенных на подложку конечной толщины

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для создания устройств бесконтактного оперативного измерения удельной электрической проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемостей тонких пленок. 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 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 2528130 С1 МПК G01N 22/04, G01R 27/26, опубл. 10.09.2014, Пат .RU 156519 МПК G01R 27/00, В82B 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.
Недостатком известных устройств является ограниченные функциональные возможности, связанные с тем, что производится контроль одного из трех заявленных параметров, а также недостаточная точность измерений. Это затрудняет их применение в устройствах бесконтактного контроля тонких пленок, 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 ко 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 низкую проводимость и 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.
Поставлена задача: повысить точность измерения путем учета электромагнитных параметров подложки конечной толщины, на которую нанесена исследуемая тонкая пленка.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее генератор, выход которого подключен к входу излучателя электромагнитного сигнала, на выходе которого находится разветвитель сигнала, один из выходов которого электромагнитно соединен с приемником опорного сигнала, выход которого подключен к измерителю амплитуды и фазы, выход которого соединен с блоком обработки и с блоком управления, выход которого подключен к управляющему входу генератора, второй выход разветвителя направлен на испытуемый образец и электромагнитно соединен с приемником отраженного от объекта контроля сигнала, выход которого соединен со вторым входом измерителя амплитуды и фазы, причем в устройство дополнительно введен приемник сигнала прошедшего через объект контроля, вход которого электромагнитно соединенный с разветвителем, выход которого соединен с третьим входом измерителя амплитуды и фазы.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где приведена структурная схема предложенного устройства.
Устройство состоит из генератора 1, выход которого подключен к входу излучателя электромагнитного сигнала 2, на пути следования электромагнитного сигнала к объекту контроля 3 расположен разветвитель сигнала 4, первый выход которого электромагнитно соединен с приемником опорного сигнала 5, выход которого подключен к первому входу измерителя амплитуды и фазы 6, второй вход которого подключен к выходу приемника отраженного от объекта контроля сигнала 7, а третий вход подключен к выходу приемника сигнала прошедшего через объект контроля 8, в свою очередь выход измерителя амплитуды и фазы 6 подключен к входу блока обработки 9 и входу блока управления 10, выход которого подключен к генератору 1.
o
1
o
2
3
1
2
Устройство работает следующим образом. Генератор 1 формирует переменное напряжение, которое с помощью излучателя электромагнитного сигнала 2 преобразуется в электромагнитный сигнал. На выходах разветвителя формируются опорный сигнал Ф, поступающий на приемник опорного сигнала 5, и зондирующий сигнал Ф, часть которого отражается от объекта контроля 3, и, приобретая информацию о его параметрах, поступает на приемник отраженного сигнала 7, с выхода которого передается на измеритель амплитуды и фазы 6, а часть проходит сквозь объект контроля и также приобретая информацию о его параметрах, поступает на приемник сигнала прошедшего через объект контроля 8, с выхода которого передается на измеритель амплитуды и фазы 6. Данные об амплитудах и фазах опорного Ф, отраженного Ф и прошедшего сквозь объект контроля Ф сигналов поступают на блок обработки 9 и являются исходными для вычисления проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемостей объекта контроля. Вычисление осуществляется согласно способу №2610878, опубл. 01.03.2017. 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 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 дает возможность получить вдвое больше информации об электромагнитных параметрах объекта контроля, что позволяет одновременно измерять электромагнитные параметры наноматериала и подложки, на которую он нанесен, это повышает точность измерения и расширяет функциональные возможности существующих методов.