CN111189855A - 基于阻抗测量的近场微波测量*** - Google Patents
基于阻抗测量的近场微波测量*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN111189855A CN111189855A CN202010133878.8A CN202010133878A CN111189855A CN 111189855 A CN111189855 A CN 111189855A CN 202010133878 A CN202010133878 A CN 202010133878A CN 111189855 A CN111189855 A CN 111189855A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- microwave
- impedance
- field
- measured object
- probe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 61
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 35
- 238000003012 network analysis Methods 0.000 claims abstract description 33
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000012876 topography Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 17
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000002044 microwave spectrum Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 26
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 21
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 19
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 7
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 4
- 238000007431 microscopic evaluation Methods 0.000 description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 241001424392 Lucia limbaria Species 0.000 description 2
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- -1 Polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008713 feedback mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 238000009774 resonance method Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B15/00—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
- G01B15/04—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons for measuring contours or curvatures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于阻抗测量的近场微波测量***，包括微波网络分析***，位置装置，近场微波阻抗传感器和数据处理***。提供了确定近场微波阻抗传感器的复阻抗；用探头阻抗反馈控制探头距离被测物的绝对位置；从探头阻抗及位置参数获取被测物的物质性质参数或表面形貌的技术方案。解决了高分辨率的光学测试技术不能定量检测样品物质性质或表面形貌；传统的在微波频谱定量测试介电参数的技术很难在显微***中使用；传统近场微波测量***需要对入射微波信号进行调制解调，使用100KHz以下的低频锁相环，很难解耦物质性质参数与探头相对被测物位置对被测物反射微波信号的影响，不能可靠控制探头距离被测物的绝对位置，只能用于窄频段测量等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波频率下被测物的介电参数及表面形貌测量技术，尤其涉及一种基于阻抗测量的近场微波测量***，属于微波测量技术领域。
背景技术
微波是指频率从 300MHz 到 300GHz 波段的电磁波谱，受到阿贝尔衍射现象的限制，远场成像的空间分辨能力一般只能达到毫米级别(～λ/2，λ为波长)。利用传感器探头在近场内与被测物的电磁相互作用，近场微波测量***可以突破衍射极限，实现小于微米的空间分辨率。
目前，大部分近场微波测量***都包含100KHz以下低频锁相放大环节：对入射被测物的微波信号进行频率或幅度调制，低频调制信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器连接探测单元，记录探测单元探测的电流信号或电压信号。检测***使用低频锁相放大有如下缺点：在信号解调环节可能丢失一部分被测物反射微波信号中包含的近场电磁相互作用信息；为使信号稳定，通常需要设置10毫秒以上的低频锁相放大的滤波器时间常数，测试速度慢；低频锁相放大器是较为昂贵的仪器，难于用单一集成电路实现，***小型化困难；对入射微波信号进行100KHz以下的调制增加了近场微波测量***实现不必要的复杂性。
目前，近场微波测量***的常用的输出包括：锁相放大器解调输出的电流信号或电压信号；谐振频率偏移或品质因数（Q值）；散射参数（S参数）等。这些输出被用来间接测量表征被测物的物质性质常数或表面形貌。探头的大小和形状，探头与被测物的间距，被测物放置的方式，被测物目标区域的物质性质变化，检测电路参数变化，测试频率等因素都可以改变电流信号，电压信号，谐振频率偏移，品质因数以及散射参数。这些传统的方式都很难解耦被测物物质性质参数与探头相对于被测物的绝对位置对被测物反射微波信号的影响。在单个频率点，通过阻抗直接定量测量被测物目标区域的实介电系数或介电损耗及探头相对于被测物的绝对位置是更好的测试方式。
目前，近场微波测量***缺少在大于1GHz的微波频谱内高精度控制探头相对于被测物的绝对位置传感器和检测方案，严重影响近场微波测量信号的可靠性和***的适用频率范围。借助电荷耦合器件（CCD）或CMOS图像传感器肉眼观察，控制探头距离被测物的绝对位置的方法是不可靠的。用微波谐振器的谐振频率偏移反馈控制探头距离被测物的绝对位置，有以下缺点：仅能够在微波谐振频率附近的很窄的频率范围内使用，对测试频率不在谐振频率附近的情况，此控制策略无效；测量谐振器频率偏移需要频率调制及低频锁相放大器。
目前，近场微波测量***使用的近场微波传感器都包含微波谐振器，***工作频率都在谐振频率附近很小的频率范围内，不能做宽频段测量。
基于机器视觉或光散射的光显微分析***具有很高的空间分辨率，在生产及实验室环节，被广泛用于确定被测物关键形状尺寸或表面形貌表征。光显微分析***不能确定被测物的物质性质参数。在生产和分析过程中，测量材料的介电特性的可用于确定如电导率、离子浓度，化学成分、湿度、 温度等各种参数。传统的测量介电参数的方法有很多，主要有同轴探头法和谐振腔法。在使用同轴探头法进行检测时，传感器探头需要接触被测物。谐振法是基于微扰法进行的测试，只适合单频率点测试。很难将这些定量测量介电参数的传统方法用于显微***。
对隐藏在被测物表面以下的结构或缺陷，不能使用光显微分析***检测。当前主要使用横截面法及X射线法。横截面法将被测物切割开，用扫描电子显微镜（SEM）扫描割开的横截面，这是一个破坏性而且慢的过程。用X射线照射被测物表面，构造类似计算机断层扫描（CT）的图像，X射线显微分析***的空间分辨率低至 0.1μm。这些方法主要用于被测物表面以下几何特征测量，不具有测量表面以下物质性质参数的能力。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种能够定量测量被测物微波频率范围的物质性质参数及表面形貌的近场微波测量***，这种测量***基于近场微波阻抗传感器3及微波网络分析***1。其中，微波阻抗传感器3可以设计为宽频传感器，在大于1GHz的微波频谱内由近场微波阻抗传感器3的复阻抗和位置参数确定被测物目标区域物质性质参数或探头距离被测物目标区域的绝对位置。微波网络分析***1的输入微波信号动态范围可以大于100dB，噪声低，可以检测极小的探头被测物电磁相互作用引起的探头阻抗变化。优化微波源及微波幅相接收机设计，微波网络分析***1可以在1微秒内完成测试复阻抗的工作。使用微波网络分析***1即可以加快近场微波测量***的测试速度，又可以将复阻抗以1MHz的速度反馈到运动控制***，提高运动控制***性能。开环，低相位噪声，高频率分辨率的微波源及微波幅相接收机可以由不多的几块集成电路实现。有利于***小型化。
相对介电常数的实部表示外部电场有多少电能储存到材料中，对应本发明中所述的实介电系数。相对介电常数的虚部称为损耗因子，表示材料中有多少电能耗散到外部电场，同时包括电介质损耗和电导率的效应，对应本发明中所述的介电损耗。
本发明的技术方案如下：
一种基于阻抗测量的近场微波测量***，其特征在于，包括：微波网络分析***1，位置装置2，近场微波阻抗传感器3和数据处理***4 ；
微波网络分析***1，被配置为产生微波信号输入到近场微波阻抗传感器3，确定复阻抗；
位置装置2，被配置为固定近场微波阻抗传感器3或被测物，在测量时，控制近场微波阻抗传感器3的探头相对于被测物的位置，确定位置参数；
近场微波阻抗传感器3，被配置为由近场微波阻抗传感器3的复阻抗和位置参数确定被测物目标区域物质性质参数或探头距离被测物目标区域的绝对位置；
数据处理***4，被配置为向微波网络分析***1或位置装置2发出控制指令，并接受反馈；计算近场微波阻抗传感器3的复阻抗或探头的复阻抗；实现近场微波阻抗传感器3的检测方案。
进一步，探头被配置为微波阻抗传感器3的感应部分，在被测物目标区域近场中将微波信号施加到被测物并接受被测物的反射微波信号。
进一步，微波网络分析***1包括：微波源，微波幅相接收机，微波定向耦合器。
进一步，提供微波传输装置连接微波网络分析***1和近场微波阻抗传感器3。
进一步，一种确定传感器阻抗的方法，由微波网络分析***1确定的复阻抗及所述微波传输装置的微波网络特性计算近场微波阻抗传感器3的复阻抗。
进一步，位置装置2包括：固定或调整近场微波阻抗传感器3位置的装置；固定或调整被测物位置的装置；运动控制***。
进一步，控制探头距离被测物的绝对位置的方法，将近场微波阻抗传感器3或所述探头与被测物目标区域间的电容或复阻抗虚部或复阻抗实部或复阻抗，作为位置装置2中的所述运动控制***的输入；反馈控制近场微波阻抗传感器3的所述探头距离被测物目标区域的绝对位置。
进一步，一种被测物的物质性质参数或表面形貌测量方法：选择微波测量频率，每个被测物目标区域的近场内，选取近场微波阻抗传感器3的测试位置；在每个测试位置，确定近场微波阻抗传感器3的复阻抗及位置装置2的位置参数；数据处理***4通过实现近场微波阻抗传感器3的检测方案，确定在该微波测量频率的被测物目标区域的物质性质参数，同时确定在每个测试位置的近场微波阻抗传感器3的所述探头距离被测物目标区域的绝对位置。从每个被测物目标区域的近场微波阻抗传感器3测试位置的位置参数及所述探头距离被测物目标区域的绝对位置计算被测物的表面形貌。
进一步，物质性质参数包括：实介电系数或介电损耗或电导率。
进一步，微波信号包括没有调制的微波信号；所述的微波的频率范围为300MHz到300GHz。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的***能够定量测试被测物物质性质参数及定量表征被测物的表面形貌。解耦被测物物质性质参数与探头相对于被测物的绝对位置对被测物反射微波信号的影响。
2.直接快速精确测试近场微波阻抗传感器的复阻抗。不需要对入射被测物的微波信号进行调频或调幅；传感器测试电路中没有低于100KHz的低频锁相放大环节，测试速度快，单个频率点的阻抗测量可以在1微秒内完成。最全地保留了探头在近场内与被测物电磁相互作用的信息，微波信号动态范围可以大于100dB ，底部噪声可以小于-100dBm。
3.定量测量探头相对于被测物的绝对位置，将探头与被测物目标区域间的电容或复阻抗虚部或复阻抗实部或复阻抗反馈控制运动执行器，可以大大简化运动控制***，提高位置控制精度，降低位置装置实现成本。传动***、执行机构或导向***的误差通过探头阻抗及时检测并反馈均不影响测量。从而发生在执行***中的任何漂移或滞后会自动消除。这种反馈机制无需借助微波谐振器的谐振频率偏移，可以宽频实现。
4.本发明提供的近场微波测量***可以进行大于1Ghz的宽频段测量。
5.本发明提供的近场微波测量***基于近场微波阻抗传感器，可以实现小于λ/2的空间分辨率及纳米级的绝对位置控制灵敏度。探头可以不接触被测物，是一种无损检测技术。
6.微波网络分析***1可能用单片微波集成电路（MMIC）实现。进一步，微波网络分析***1可能与数据处理***4集成在同一个集成电路中，利于近场微波测量******小型化。
附图说明
图1：基于阻抗测量的近场微波测量***的结构示意图;
其中，1-微波网络分析***，2-位置装置，3-近场微波阻抗传感器，4-数据处理***。
图2：一种物质参数及表面形貌近场微波测量***的微波网络分析***1的电路结构示意图。
其中，5-微波振荡器，6-直接数字频率合成器，7-微波功分器，8-微波幅相接收机，9-微波信号处理电路，10-微波定向耦合器，11-微波传输装置，12-近场微波阻抗传感器。
具体实施方式
为了更加清楚描述本发明的传感器方案及方法原理，下面结合附图和具体实施例对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，不代表是最佳实施例，也不是对本发明范围的限制。
实施例1：
液体的化学成分，离子浓度和温度等因素可以改变液体的介电参数。通过直接定量测量液体的介电参数，可以不接触测量化学成分，离子浓度和温度等参数。
本发明的示例性实施例中，提供了一种液体被测物介电参数近场微波测量***，工作频率范围为20GHz到25GHz。***包括：微波网络分析***1，位置装置2，近场微波阻抗传感器3和数据处理***4 。微波网络分析***1，被配置为产生微波信号输入到近场微波阻抗传感器3，确定复阻抗。位置装置2，被配置为固定近场微波阻抗传感器3或被测物，在测量时，控制近场微波阻抗传感器3的探头相对于被测物的位置，确定位置参数。近场微波阻抗传感器3，被配置为由近场微波阻抗传感器3的复阻抗和位置参数确定被测物目标区域物质性质参数或探头距离被测物目标区域的绝对位置。数据处理***4，被配置为向微波网络分析***1或位置装置2发出控制指令，并接受反馈；计算近场微波阻抗传感器3的复阻抗或探头的复阻抗；实现近场微波阻抗传感器3的检测方案。
以下对液体被测物介电参数近场微波测量***的各个组成部分进行详细说明。
近场微波阻抗传感器3包括：探头，微波阻抗转换电路，电磁屏蔽壳，传感器连接端。传感器探头选用上端直径为125微米的用于扫描隧道显微镜（STM）的钨针，钨针的制造公差小于5%。***测试微波的最小波长为12毫米，约为钨针直径的96倍，忽略微波推迟效应，钨针与液体被测物应用场景下的电磁场模型可以简化为准静态电磁场模型。钨针不接触被测液体，是所述传感器的感应部分，耦合到微波阻抗转换电路，将微波信号施加到被测物并接受被测物的反射微波信号。微波阻抗转换电路优化从20GHz到25GHz频率范围内阻抗转换性能。电磁屏蔽壳的作用是屏蔽微波阻抗转换电路的电磁场对被测物的影响。
近场微波阻抗传感器3的检测方案为：测量传感器连接端的复阻抗，由微波阻抗转换电路的微波网络特性测量计算钨针的复阻抗，基于钨针与液体被测物应用场景下的准静态电磁场模型，由钨针的复阻抗和位置参数确定被测液体物质性质参数或钨针距离被测液体表面的绝对位置。
微波网络分析***1采用矢量微波网络分析仪。矢量微波网络分析仪与近场微波阻抗传感器3间通过同轴电缆连接。测量同轴电缆的微波网络特性。由矢量微波网络分析仪确定的复阻抗及所述同轴电缆的微波网络特性计算近场微波阻抗传感器3的复阻抗。
位置装置2包括被测物承载装置及无摩擦的单轴挠性位移台。被测物承载装置固定液体被测物；近场微波阻抗传感器3沿被测液体表面垂直方向固定在单轴挠性位移台上；手动或通过压电执行器自动移动钨针，控制钨针相对于被测液体的相对间距。位移台的手动移动行程为1.5毫米。独立的压电移动范围为25微米。位置装置2还包括压电运动控制***。
数据处理*** 4用PC机实现，通过高速串口向单轴挠性位移台发出位置控制指令，读取位置参数；通过高速串口向矢量微波网络分析仪发出控制指令，读取复阻抗；实现近场微波阻抗传感器3的检测方案；控制测量液体的介电参数及钨针距离被测液体表面的绝对间距。
对介电损耗大的液体被测物，可以用钨针与被测物表面间的复阻抗实部反馈控制压电驱动器。对介电损耗小的液体被测物，可以用钨针与被测物表面间的电容反馈控制压电驱动器。钨针距离被测液体表面的绝对间距控制灵敏度小于5nm。
液体被测物介电参数近场微波测量***的测试过程具体如下：选择从20GHz到25GHz间的任一微波测量频率，在被测液体表面的中心位置，移动钨针到被测液体近场范围内，钨针不与被测液体表面接触。选取两个或两个以上的探头与被测物间距；在每个探头与被测物间距，测量近场微波阻抗传感器3的复阻抗及位置参数；数据处理*** 4 通过分析钨针与液体被测物应用场景下的准静态电磁场模型，由近场微波阻抗传感器3的复阻抗及位置参数确定在微波测量频率处液体被测物的实介电系数或介电损耗，同时确定钨针距离被测液体表面的绝对位置。
入射被测液体的微波信号不进行幅度调制或频率调制。
实施例2：
在玻璃，半导体晶片或PCB板材等层状产品的生产或质量控制环节，对层状被测物进行高空间分辨率物质参数及表面形貌检测，可以反馈控制工艺参数，提高良品率。材料目标区域表面以下的材料性质差异，会改变材料目标区域的介电特性。这些检测应该具有以下特点：不接触，无损，快速，高灵敏度。缩小传感器探头尺寸，近场微波测量***利用传感器探头在近场内与被测物的电磁相互作用，可以突破衍射极限，实现小于λ/2的空间分辨率。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种高空间分辨率的层状被测物物质参数及表面形貌近场微波测量***，包括：微波网络分析***1，位置装置2，近场微波阻抗传感器3和数据处理***4 。微波网络分析***1，被配置为产生微波信号输入到近场微波阻抗传感器3，确定复阻抗。位置装置2，被配置为固定近场微波阻抗传感器3或被测物，在测量时，控制近场微波阻抗传感器3的探头相对于被测物的位置，确定位置参数。近场微波阻抗传感器3，被配置为由近场微波阻抗传感器3的复阻抗和位置参数确定被测物目标区域物质性质参数或探头距离被测物目标区域的绝对位置。数据处理***4，被配置为向微波网络分析***1或位置装置2发出控制指令，并接受反馈；计算近场微波阻抗传感器3的复阻抗或探头的复阻抗；实现近场微波阻抗传感器3的检测方案。
以下对层状被测物物质参数及表面形貌近场微波测量***的各个组成部分进行详细说明。
近场微波阻抗传感器3包括：探头，谐振频率为1GHz的微波谐振器，电磁屏蔽壳，传感器连接端。为了得到较高的空间分辨率，传感器探头选用直径为200微米的小铜球，小铜球的制造公差小于5%。***测试微波波长为300毫米，约为铜球的直径的1500倍，忽略微波推迟效应，铜球与被测物应用场景下的电磁场模型可以简化为准静态电磁场模型。铜球不接触被测物，是所述传感器的感应部分；耦合到高温度稳定性的1GHz微波谐振器，将微波信号施加到被测物表面并接受被测物表面的微波反射信号。电磁屏蔽壳的作用是屏蔽微波阻抗转换电路的电磁场对被测物的影响。
近场微波阻抗传感器3的检测方案为：测量传感器连接端的复阻抗，由1GHz微波谐振器的微波网络特性测量计算铜球的复阻抗，基于铜球与被测物应用场景下的准静态电磁场模型，由铜球的复阻抗和位置参数确定被测物目标区域物质性质参数或铜球距离被测物目标区域的绝对位置。
微波网络分析***1的电路结构如图2所示，包括：低相位噪声的频率为3.5GHz的微波振荡器5，直接数字频率合成器6，微波功分器7，微波幅相接收机8，微波信号处理电路9，微波定向耦合器10。选用温度稳定性高，相位噪声低的振荡器5。振荡器5及直接数字频率合成器6组成数字可编程的完整高频合成器，能够产生最高1.4 GHz模拟输出正弦波，精密调谐32位频率分辨率，拥有自动线性和非线性频率扫描能力。直接数字频率合成是一个开环***，无任何反馈环节，其频率转换时间主要由频率控制字状态改变所需的时间及各电路的延时时间所决定，转换时间很短。通过微波定向耦合器10的被测物反射微波信号及微波源参考信号输入到微波幅相接收机8，确定反射微波信号的相位和幅度信息。微波信号处理电路9处理反射微波信号的相位和幅度信息，确定复阻抗；实现高速串口功能。微波网络分析***1与近场微波阻抗传感器3间通过微波传输装置11相连。测量微波传输装置11的微波网络特性。由微波网络分析***1确定的复阻抗及所述微波传输装置11的微波网络特性计算近场微波阻抗传感器3的复阻抗。
位置装置2包括被测物承载装置，XY扫描平台及无摩擦的单轴挠性Z方向位移台。被测物承载装置固定被测物的位置；被测物承载装置固定在XY扫描平台上；XY扫描平台在水平面XY移动层状被测物目标区域到微波阻抗传感器3的感应位置。近场微波阻抗传感器3沿XY扫描平台垂直方向固定在单轴挠性位移台上；粗调或通过压电执行器细调移动铜球，控制铜球相对于被测物的相对间距。粗调电机移动行程1.5毫米。细调的压电移动范围为25微米。位置装置2还包括XY扫描平台及Z方向粗调和细调的运动控制***。
数据处理*** 4用PC机实现，通过高速串口向单轴挠性Z方向位移台发出位置控制指令，向XY扫描平台发出扫描控制指令，读取位置参数；通过高速串口向微波网络分析***1发出控制指令，读取复阻抗；实现近场微波阻抗传感器3的检测方案；控制测量层状被测物物质性质参数及表面形貌。
对介电损耗大的层状被测物，可以用铜球与被测物表面间的复阻抗实部反馈控制压电驱动器。对介电损耗小的层状被测物，例如添加了陶瓷填料的聚四氟乙烯PTFE的复合材料层压板，可以用铜球与被测物表面间的电容反馈控制压电驱动器。铜球距离层状被测物表面的绝对间距控制灵敏度小于5nm。
层状被测物介电参数测试过程，具体如下：选择传感器谐振频率1GHz附近的任一微波测量频率，移动铜球到层状被测物目标区域近场范围内，选取两个或两个以上的铜球与层状被测物间距；在每个探头与层状被测物间距，测量近场微波阻抗传感器3的复阻抗及位置参数；数据处理*** 4 通过分析铜球与层状被测物应用场景下的准静态电磁场模型，由近场微波阻抗传感器3的复阻抗及位置参数确定在该微波测量频率处层状被测物目标区域的实介电系数或介电损耗。
层状被测物表面形貌测试过程，以表征有上下两个平面的台阶为例，描述如下：在台阶上下的两个平面中，各选择3个典型的被测物目标区域。在每个层状被测物目标区域，使用三个测试间距。相邻测试间距间压电控制器位置相距7微米，对应铜球电容变化灵敏度较高的部分。选择传感器谐振频率1GHz附近的任一微波测量频率。沿台阶方向水平扫描，在每个层状被测物目标区域，移动铜球到层状被测物近场范围内，铜球不接触层状被测物表面；数据处理*** 4 通过分析铜球与被测物在应用场景下的准静态电磁场模型，使用三个测试间距的近场微波阻抗传感器3的复阻抗及位置装置2的位置参数确定在每个测试间距的铜球距离层状被测物目标区域的绝对位置。
从台阶上下层状被测物目标区域的近场微波阻抗传感器3个测试间距的位置参数及所述探头距离被测物目标区域的绝对位置可以计算台阶上下平面的绝对位置关系。进一步可以评估台阶上下两个平面的平行度及台阶高度等台阶特征。描述铜球与被测物相互作用的准静态电磁场模型越准确，所测量的台阶特征越准确。
入射层状被测物的微波信号不进行幅度调制或频率调制。
改变近场微波阻抗传感器3的设计，使用同样的微波网络分析***1，位置装置2和数据处理***4，层状被测物物质参数及表面形貌近场微波测量***可以进行大于1GHz的宽频测量。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该认识到在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于阻抗测量的近场微波测量***，其特征在于，包括：微波网络分析***（1），位置装置（2），近场微波阻抗传感器（3）和数据处理***（4）；
微波网络分析***（1），被配置为产生微波信号输入到近场微波阻抗传感器（3），确定复阻抗；
位置装置（2），被配置为固定近场微波阻抗传感器（3）或被测物，在测量时，控制近场微波阻抗传感器（3）的探头相对于被测物的位置，确定位置参数；
近场微波阻抗传感器（3），被配置为由近场微波阻抗传感器（3）的复阻抗和位置参数确定被测物目标区域物质性质参数或探头距离被测物目标区域的绝对位置；
数据处理***(4），被配置为向微波网络分析***（1）或位置装置（2）发出控制指令，并接受反馈；计算近场微波阻抗传感器（3）的复阻抗或探头的复阻抗；实现近场微波阻抗传感器（3）的检测方案。
2.根据权利要求 1 所述的一种基于阻抗测量的近场微波测量***，其特征在于，所述的探头，被配置为微波阻抗传感器（3）的感应部分，在被测物目标区域近场中将微波信号施加到被测物并接受被测物的反射微波信号。
3.根据权利要求 1 所述的一种基于阻抗测量的近场微波测量***，其特征在于，所述的微波网络分析***（1）包括：微波源，微波幅相接收机，微波定向耦合器。
4.根据权利要求 1 所述的一种基于阻抗测量的近场微波测量***，提供微波传输装置连接微波网络分析***（1）和近场微波阻抗传感器（3）。
5.根据权利要求 1 所述的一种基于阻抗测量的近场微波测量***的确定传感器阻抗的方法，其特征在于，由微波网络分析***（1）确定的复阻抗及所述微波传输装置的微波网络特性计算近场微波阻抗传感器（3）的复阻抗。
6.根据权利要求 1 所述的一种基于阻抗测量的近场微波测量***，其特征在于，所述的位置装置（2）包括：固定或调整近场微波阻抗传感器（3）位置的装置；固定或调整被测物位置的装置；运动控制***。
7.一种基于权利要求1所述的基于阻抗测量的近场微波测量***的控制探头距离被测物的绝对位置的方法，其特征在于： 将近场微波阻抗传感器（3）或所述探头与被测物目标区域间的电容或复阻抗虚部或复阻抗实部或复阻抗，作为位置装置（2）中的所述运动控制***的输入；反馈控制近场微波阻抗传感器（3）的所述探头距离被测物目标区域的绝对位置。
8.一种基于权利要求1所述的基于阻抗测量的近场微波测量***的被测物的物质性质参数或表面形貌测量方法，其特征在于：选择微波测量频率，每个被测物目标区域的近场内，选取近场微波阻抗传感器（3）的测试位置；在每个测试位置，确定近场微波阻抗传感器（3）的复阻抗及位置装置（2）的位置参数；数据处理***（4） 通过实现近场微波阻抗传感器（3）的检测方案，确定在该微波测量频率的被测物目标区域的物质性质参数，同时确定在每个测试位置的近场微波阻抗传感器（3）的所述探头距离被测物目标区域的绝对位置；从每个被测物目标区域的近场微波阻抗传感器（3）测试位置的位置参数及所述探头距离被测物目标区域的绝对位置计算被测物的表面形貌。
9.根据权利要求 1 至8中任一项所述的一种基于阻抗测量的近场微波测量***或测量方法，其特征在于，所述的物质性质参数包括：实介电系数或介电损耗或电导率。
10.根据权利要求1 至8中任一项所述的一种基于阻抗测量的近场微波测量***或测量方法，其特征在于，所述的微波信号包括没有调制的微波信号；所述的微波的频率范围为300MHz到300GHz。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010133878.8A CN111189855A (zh) | 2020-03-02 | 2020-03-02 | 基于阻抗测量的近场微波测量*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010133878.8A CN111189855A (zh) | 2020-03-02 | 2020-03-02 | 基于阻抗测量的近场微波测量*** |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111189855A true CN111189855A (zh) | 2020-05-22 |
Family
ID=70708408
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010133878.8A Pending CN111189855A (zh) | 2020-03-02 | 2020-03-02 | 基于阻抗测量的近场微波测量*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111189855A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112082638A (zh) * | 2020-10-14 | 2020-12-15 | 西安电子科技大学 | 一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法 |
| TWI806319B (zh) * | 2021-12-28 | 2023-06-21 | 國家中山科學研究院 | 快速評估微波介電損失的方法 |
Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5886532A (en) * | 1995-10-04 | 1999-03-23 | Uva Patent Foundation | Nanometer distance regulation using electromechanical power dissipation |
| TW396271B (en) * | 1998-09-22 | 2000-07-01 | Univ California | Scanning evanescent electro-magnetic microscope |
| US6173604B1 (en) * | 1996-09-20 | 2001-01-16 | The Regents Of The University Of California | Scanning evanescent electro-magnetic microscope |
| US6472885B1 (en) * | 2000-10-16 | 2002-10-29 | Christopher Charles Green | Method and apparatus for measuring and characterizing the frequency dependent electrical properties of dielectric materials |
| US20040004484A1 (en) * | 2000-09-20 | 2004-01-08 | Talanov Vladimir V. | System and method for quantitative measurements of a material's complex permittivity with use of near-field microwave probes |
| US20050230619A1 (en) * | 2004-04-09 | 2005-10-20 | Talanov Vladimir V | Method and system for measurement of dielectric constant of thin films using a near field microwave probe |
| US20050246129A1 (en) * | 2004-04-30 | 2005-11-03 | Industry-University Cooperation Foundation Sogang University | Near-field scanning microwave microscope using dielectric resonator |
| CN1808154A (zh) * | 2005-06-23 | 2006-07-26 | 中国科学技术大学 | 用扫描近场微波显微镜测量材料压电系数的方法及装置 |
| US20060231756A1 (en) * | 1996-09-20 | 2006-10-19 | Intematix Corporation | Analytical scanning evanescent microwave microscope and control stage |
| CN101655439A (zh) * | 2008-08-18 | 2010-02-24 | 北京汇德信科技有限公司 | 扫描式表面介电微区分析仪及方法和应用于其中的探针 |
| US20100058846A1 (en) * | 2008-09-11 | 2010-03-11 | Hassan Tanbakuchi | Signal Coupling System For Scanning Microwave Microscope |
| CN102187233A (zh) * | 2008-10-20 | 2011-09-14 | 罗森伯格高频技术有限及两合公司 | 用于确定散射参数的测量*** |
| US20170299525A1 (en) * | 2016-04-18 | 2017-10-19 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Microwave impedance microscopy using a tuning fork |
| CN107490727A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-12-19 | 河南师范大学 | 一种复合微波传感器以及被测物的介电常数测量方法 |
| CN108089113A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-05-29 | 中国电子科技集团公司第四十研究所 | 非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置及方法 |
| CN108760771A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-11-06 | 电子科技大学 | 一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法 |
| CN208568632U (zh) * | 2018-07-24 | 2019-03-01 | 电子科技大学 | 一种对细胞成像的近场微波显微装置 |
-
2020
- 2020-03-02 CN CN202010133878.8A patent/CN111189855A/zh active Pending
Patent Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5886532A (en) * | 1995-10-04 | 1999-03-23 | Uva Patent Foundation | Nanometer distance regulation using electromechanical power dissipation |
| US6173604B1 (en) * | 1996-09-20 | 2001-01-16 | The Regents Of The University Of California | Scanning evanescent electro-magnetic microscope |
| US20060231756A1 (en) * | 1996-09-20 | 2006-10-19 | Intematix Corporation | Analytical scanning evanescent microwave microscope and control stage |
| TW396271B (en) * | 1998-09-22 | 2000-07-01 | Univ California | Scanning evanescent electro-magnetic microscope |
| US20040004484A1 (en) * | 2000-09-20 | 2004-01-08 | Talanov Vladimir V. | System and method for quantitative measurements of a material's complex permittivity with use of near-field microwave probes |
| US6472885B1 (en) * | 2000-10-16 | 2002-10-29 | Christopher Charles Green | Method and apparatus for measuring and characterizing the frequency dependent electrical properties of dielectric materials |
| US20050230619A1 (en) * | 2004-04-09 | 2005-10-20 | Talanov Vladimir V | Method and system for measurement of dielectric constant of thin films using a near field microwave probe |
| US20050246129A1 (en) * | 2004-04-30 | 2005-11-03 | Industry-University Cooperation Foundation Sogang University | Near-field scanning microwave microscope using dielectric resonator |
| CN1808154A (zh) * | 2005-06-23 | 2006-07-26 | 中国科学技术大学 | 用扫描近场微波显微镜测量材料压电系数的方法及装置 |
| CN101655439A (zh) * | 2008-08-18 | 2010-02-24 | 北京汇德信科技有限公司 | 扫描式表面介电微区分析仪及方法和应用于其中的探针 |
| US20100058846A1 (en) * | 2008-09-11 | 2010-03-11 | Hassan Tanbakuchi | Signal Coupling System For Scanning Microwave Microscope |
| CN102187233A (zh) * | 2008-10-20 | 2011-09-14 | 罗森伯格高频技术有限及两合公司 | 用于确定散射参数的测量*** |
| US20170299525A1 (en) * | 2016-04-18 | 2017-10-19 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Microwave impedance microscopy using a tuning fork |
| CN107490727A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-12-19 | 河南师范大学 | 一种复合微波传感器以及被测物的介电常数测量方法 |
| CN108089113A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-05-29 | 中国电子科技集团公司第四十研究所 | 非接触式功率半导体芯片热态电磁学显微装置及方法 |
| CN108760771A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-11-06 | 电子科技大学 | 一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法 |
| CN208568632U (zh) * | 2018-07-24 | 2019-03-01 | 电子科技大学 | 一种对细胞成像的近场微波显微装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 冯悦: "微波近场扫描中探针设计与仿真研究" * |
| 单悦: "基于近场微波扫描测量材介电常数的测量方法研究" * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112082638A (zh) * | 2020-10-14 | 2020-12-15 | 西安电子科技大学 | 一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法 |
| CN112082638B (zh) * | 2020-10-14 | 2022-03-29 | 西安电子科技大学 | 一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法 |
| TWI806319B (zh) * | 2021-12-28 | 2023-06-21 | 國家中山科學研究院 | 快速評估微波介電損失的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tabib-Azar et al. | 0.4 μm spatial resolution with 1 GHz (λ= 30 cm) evanescent microwave probe | |
| JP4072601B2 (ja) | 空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置 | |
| US5900618A (en) | Near-field scanning microwave microscope having a transmission line with an open end | |
| US6617861B1 (en) | Apparatus and method for measuring and monitoring complexpermittivity of materials | |
| Haddadi et al. | A 60 GHz scanning near-field microscope with high spatial resolution sub-surface imaging | |
| CN112505429B (zh) | 基于同轴带状线谐振器的复介电常数测试***及测试方法 | |
| EP1112485B1 (en) | An apparatus and method for measuring and monitoring complex permittivity of materials | |
| CN111189855A (zh) | 基于阻抗测量的近场微波测量*** | |
| Gregory et al. | Measurement of the permittivity and loss of high-loss materials using a Near-Field Scanning Microwave Microscope | |
| Giri et al. | Dual-laser integrated microwave imaging system for nondestructive testing of construction materials and structures | |
| Hansen et al. | A SiGe-chip-based D-band FMCW-radar sensor with 53-GHz tuning range for high resolution measurements in industrial applications | |
| Gregory et al. | A near-field scanning microwave microscope for measurement of the permittivity and loss of high-loss materials | |
| CN111141796A (zh) | 微波电容传感器及被测物介电特性和绝对位置的测量方法 | |
| Haddadi et al. | Near-field scanning millimeter-wave microscope combined with a scanning electron microscope | |
| Haddadi et al. | Scanning microwave near-field microscope based on the multiport technology | |
| Haddadi et al. | Combined scanning microwave and electron microscopy: A novel toolbox for hybrid nanoscale material analysis | |
| Lv et al. | Permittivity and concentration measurements based on coplanar waveguide and split ring resonator sensor | |
| KR100337642B1 (ko) | 근접장 탐침을 이용한 광 혼합 밀리미터파 생성장치 | |
| Kaatze et al. | Experimental methods | |
| JP7012349B2 (ja) | 走査型マイクロ波顕微鏡、及びこれを用いた被測定物の表面の電気特性の測定方法 | |
| Govind et al. | Microwave imaging of subsurface defects in dielectric structures using complementary split ring resonator | |
| Haddadi et al. | Interferometric near-field microwave microscopy platform for electromagnetic micro-analysis | |
| JP3799524B2 (ja) | マイクロ波非破壊評価装置 | |
| Jamal et al. | Non-destructive microwave characterization and imaging of dielectric materials using a near field technique | |
| Valiente et al. | Coplanar waveguide scanning microwave profiler |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200522 |