СВЧ-СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛЕ
UHF METHOD OF DETERMINATION OF DIELECTRIC PERMEABILITY AND THICKNESS OF COATINGS ON METAL

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения диэлектрической проницаемости и толщины твердых образцов на металле.
Известен способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле (см. патент РФ №2193184. Суслин М.А., Дмитриев Д.А. и др. СВЧ-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле. Опубл. 20.11.2002 г. Бюл. №32). В способе создают СВЧ-электромагнитное поле бегущей поверхностной волны над поверхностью диэлектрик-металл типа E в одномодовом режиме и определяют толщину и диэлектрическую проницаемость по коэффициенту затухания, измеренного к нормали поверхности диэлектрик-металл на двух длинах волн. Недостатком данного способа является сложность создания СВЧ-электромагнитного поля бегущей поверхностной волны над поверхностью диэлектрик-металл типа E в одномодовом режиме - длина волны должна быть соизмерима с толщиной покрытия.
021
021
За прототип принят микроволновый способ определения толщины пленок на низкоомных подложках (см. Гордиенко Ю.Е., Гуд Ю.И. и др. Микроволновый измеритель толщины пленок на низкоомных подложках // Приборы и техника эксперимента. №3, 1981 г. - С.231-234). Толщина пленки определяется по смещению резонансной частоты колебания E цилиндрического объемного резонатора (положение поршня настройки резонатора) при замене одного из его торцов образцом поочередно стороной пленки и подложки. Недостатком прототипа является невозможность определения диэлектрической проницаемости (диэлектрическую проницаемость при определении толщины пленки надо знать) и неконтролируемое изменение резонансной частоты колебания E при разрыве продольной составляющей поверхностного тока на боковой стенке резонатора: диэлектрическая пленка устраняет гальванический контакт между боковой и торцевой стенками, продольная составляющая поверхностного тока на боковой стенке искажается, что ведет к изменению магнитного поля вблизи стенки и, как следствие, к изменению резонансной частоты.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения толщины и расширение функциональных возможностей за возможности дополнительного определения диэлектрической проницаемости материала на металле.
д
011
1
2
3
4
21
2
1
43
21
n
43
4
3
д
n
Данный технический результат достигается тем, что в СВЧ-способе определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле, в котором в цилиндрическом объемном резонаторе возбуждают электромагнитное колебание определенной пространственной структуры, измеряют резонансные частоты при замене одного из торцов резонатора образцом поочередно стороной покрытия и металла, дополнительно на одной из торцевых стенок устанавливают диэлектрик высотой h, диэлектрической проницаемостью ε и диаметром, равным диаметру резонатора, возбуждают пространственное колебание типа H, измеряют резонансные частоты резонатора f и f соответственно при установке на открытую противоположную торцевую стенку образца поочередно стороной покрытия и металлической подложки, закрывают открытую торцевую стенку, измеряют резонансные частоты f и f соответственно при замене другой торцевой стенки, где расположен возмущающий диэлектрик, образцом поочередно стороной покрытия и металлической подложки, по разности частот Δf=f-f определяют толщину покрытия Δh, а по разности Δf-Δf определяют диэлектрическую проницаемость ε покрытия на металле, где Δf=f-f, при этом, варьируя высоту h и диэлектрическую проницаемость ε возмущающего резонатор диэлектрика, можно изменять чувствительность к диэлектрической проницаемости ε покрытия на металле.
СВЧ-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле заключается в следующем.
021
011
В предлагаемом способе вместо колебания E в цилиндрическом объемном резонаторе предлагается использовать пространственное колебание H. Наводимый на стенках (торцевых и боковой) поверхностный ток этого колебания является кольцевым (продольная составляющая поверхностного тока отсутствует). Поэтому при устранении гальванического контакта между боковой и торцевой стенкой ток не искажается.
011
011
Электрическое поле пространственного колебания H невозмущенного резонатора (см. Корбанский, И.Н. Теория электромагнитного поля. - М.: ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского, 1964. - 356 с.) представляет собой замкнутые концентрические окружности, поле максимально посередине длины и радиуса, электрическое поле равно нулю на оси и у торцевых стенок. Проведенный численный анализ электрического поля пространственного колебания H электромагнитного поля методом конечных элементов в системе COMSOL Multiphysics показывает те же самые результаты: поле максимально (см. фиг. 1) посередине длины и радиуса и равно нулю на оси и у торцевых стенок.
011
д
д
На фиг. 2 показан результат численного моделирования электрического поля пространственного колебания H цилиндрического объемного резонатора, возмущенного диэлектриком высотой h, диэлектрической проницаемостью ε, расположенным на одной из его торцевых стенок, и диаметром, равным диаметру 2a резонатора (фиг. 3). Силовые электрические линии по-прежнему представляют собой замкнутые концентрические окружности, но поле при этом концентрируется к возмущающему диэлектрику (узел смещается к торцевой стенке, где расположен диэлектрик). Степень концентрации увеличивается с ростом диэлектрической проницаемости ε и высоты диэлектрика h. На другой торцевой стенке по-прежнему наблюдается пучность поля.
Наличие пучности на одной торцевой стенке и смещение узла к другой торцевой стенке позволяет определять и толщину и диэлектрическую проницаемость покрытия на металле.
д
n
На фиг. 3 показана последовательность действий для определения толщины покрытия на металле. На фиг. 3 показаны цилиндрический объемный резонатор 1 длиной l и диаметром 2a, возмущающий диэлектрик 2 высотой h и диэлектрической проницаемостью ε, расположенный на одной из его торцевых стенок, и диаметром, равным диаметру 2a резонатора, покрытие 3 толщиной Δh и диэлектрической проницаемостью ε на металле 4.
1
2
21
2
1
При замене одной из торцевых стенок, противоположной стенке, где расположен возмущающий диэлектрик, образцом поочередно стороной покрытия (фиг. 3а) и металлической подложки (фиг. 3б) измеряют резонансные частоты возмущенного диэлектриком резонатора f и f. По разности частот Δf=f-f определяют толщину покрытия Δh. Далее эту торцевую стенку закрывают.
21
2
1
n
На фиг. 4 показаны результаты эксперимента определения Δf=f-f для покрытия (на металле) из поливинилхлорида (относительная диэлектрическая проницаемость ε=3,2÷3,4) толщиной от 0,2 до 1,2 мм (кривая 2 на фиг. 4). Кривая 1 на фиг. 4 построена по формуле
011
8
где  - резонансная частота колебания H пустого цилиндрического объемного резонатора (см. Корбанский, И.Н. Теория электромагнитного поля. - М.: ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского, 1964. - 356 с.);  - характеристическое число; а - радиус; l - длина резонатора; c=3·10 м/c - скорость света.
21
2
1
д
Разность частот Δf=f-f зависит только от высоты покрытия Δh и не зависит от ее диэлектрической проницаемости ε.
д
n
На фиг. 5 показана последовательность действий для определения диэлектрической проницаемости покрытия ε на металле. На фиг. 5 показаны цилиндрический объемный резонатор 1 длиной l и диаметром 2a, возмущающий диэлектрик 2 высотой h, расположенный на одной из его торцевых стенок, и диаметром, равным диаметру 2a резонатора, покрытие 3 толщиной Δh и диэлектрической проницаемостью ε на металле 4.
3
4
43
4
3
n
При замене одной из торцевых стенок, где расположен возмущающий диэлектрик, образцом поочередно стороной покрытия (фиг. 5а) и металлической подложки (фиг. 5б) измеряют резонансные частоты возмущенного диэлектриком резонатора f и f. Так как электрическое поле концентрируется к возмущающему диэлектрику (узел смещается к торцевой стенке, где расположен диэлектрик), то разность частот Δf=f-f будет зависеть и от толщины Δh, и от диэлектрической проницаемости покрытия ε.
43
4
3
На фиг. 6 показаны результаты эксперимента определения Δf=f-f для покрытия (на металле) из поливинилхлорида толщиной от 0,2 до 1,2 мм.
21
2
1
43
21
n
Таким образом, по разности частот Δf=f-f определяют толщину покрытия Δh, а по разности Δf-Δf - диэлектрическую проницаемость покрытия на металле ε.
д
д
n
Так как степень концентрации электрического поля увеличивается с ростом диэлектрической проницаемости ε и высоты возмущающего резонатор диэлектрика, то, варьируя ε и h, можно изменять чувствительность к диэлектрической проницаемости покрытия ε на металле.
011
В предлагаемом способе используются колебания H цилиндрического объемного резонатора, возмущенного диэлектриком, расположенным на одной из его торцевых стенок, диаметром, равным диаметру резонатора. Силовые электрические линии по-прежнему представляют собой замкнутые концентрические окружности, а на стенках (торцевых и боковой) течет кольцевой ток (продольная составляющая поверхностного тока отсутствует), который не изменяется при устранении гальванического контакта между боковой и торцевой стенкой. Это не ведет к неконтролируемому изменению резонансной частоты, как в прототипе. Этим достигается повышение точности определения толщины покрытия. При этом в предлагаемом способе появляется дополнительная возможность определения диэлектрической проницаемости покрытия наряду с определением его толщины.