Дипломная работа на тему: Особенности построения и моделирования резонаторных датчиков. обзор литературы

Введение

Современная наука и производство немыслимы без точных, экспресс-методов измерения физических параметров материалов и сред. Прецизионные измерения и исследование их характеристик актуальны, в первую очередь, для определения свойств материалов, применяемых микроэлектронной промышленностью [1 - 3], а также при изучении малоразмерных биообъектов [4, 5]. В промышленности, в первую очередь сельскохозяйственной, необходима информация о влажности сырья или продукции. Для измерения соответствующих характеристик материалов и сред необходима линейка приборов, к которым предъявляются следующие требования: простота, неразрушаемость образца, портативность и возможность проведения экспресс-измерений.

Одним из наиболее привлекательных и перспективных методов диагностики материалов, применимый во всех указанных отраслях, является метод СВЧ диагностики, являющийся современным направлением радиофизики. В нём можно выделить отдельный круг задач, связанных с разработкой новых методов изучения физических свойств исследуемых образцов, а также аппаратных средств, использующих данные методы [3, 8 - 10].

Основным функциональным узлом СВЧ аппаратуры для диагностики материалов является датчик, который включает источник электромагнитных волн, измерительный преобразователь (ИП) и устройства выделения информационных сигналов. Наибольшее распространение получили датчики на основе резонаторов [8, 9, 11 - 14]. При этом, для обеспечения бесконтактности проведения экспресс-измерений, электромагнитное поле резонатора зондирует образец через отверстие в одной из стенок. Такой резонаторный измерительный преобразователь (РИП) относится к апертурному типу [8, 15 - 17].

Исследованию резонаторных измерительных преобразователей для микроволновой сканирующей микроскопии [10, 18 - 20], определению влагосодержания в сыпучих материалах [21 - 24] и биообъектах [19] посвящено значительное количество научных работ. Однако, основное внимание в них уделялось экспериментальному исследованию РИП, с использованием прикидочных расчетов для соответствующих конструкций резонаторов. Градуировка измерительных преобразователей, как правило, выполнялась с использованием эталонных образцов. Существующие теоретические исследования РИП носят, в основном, качественный характер. Имеющиеся численные модели РИП [19, 21] содержат ряд упрощений и не обеспечивают требуемой точности.

С учетом востребованности СВЧ методов диагностики и их возможного широкого использования актуальным является численно-аналитическое моделирование РИП, которое, в частности, позволяет рассчитывать характеристики преобразования, являющиеся исходным материалом для дальнейшей компьютерной обработки в соответствующих измерительных приборах. Проведение многопараметрической оптимизации, количественное исследование метрологических параметров, обоснование применения новых типов РИП и их возможностей, также нуждаются в создании адекватной численной модели.

Основной задачей комплексной квалификационной работы магистров являлось исследование цилиндрического резонатора с коаксиальной апертурой, перспективного РИП для микроволновой микроскопии и других практических приложений.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЗОНАТОРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Современная наука и техника предъявляют повышенные требования к точности определения параметров различных диэлектрических материалов и образцов. Прецизионное исследование характеристик актуально, в первую очередь, для определения свойств объектов, применяемых микроэлектронной промышленностью [2 - 8], а также при изучении биообъектов [19]. В настоящее время, востребованным является измерение абсолютной влажности сырья, используемого в народном хозяйстве, вне зависимости от его плотности. Требования к таким измерителям влажности: простота, портативность и возможность проведения единичных экспресс-измерений [1 - 10].

Одним из современных методов диагностики материалов является метод СВЧ диагностики, особенностями которого является бесконтактность, неразрушаемость образцов при проведении измерений [8]. Эти факторы позволяют осуществлять "чистые" измерения - без учёта влияния контактов. Широкий диапазон изменения частоты и компьютерная обработка сигналов открывают возможности диагностики быстропротекающих процессов, технологических циклов, в частности, исследования динамики поведения носителей в полупроводниковых образцах. Неразрушаемость объектов, в отличие от некоторых других методов диагностики, а также возможность определения нескольких характеристических параметров на одном образце [5 - 9], делает данный метод СВЧ измерений востребованным как для производственной сферы, так и в научных исследованиях.

Благодаря возможности внешнего расположения объекта исследования на открытом торце, наибольшее распространение получили датчики на основе коаксиальных четвертьволновых резонаторов [9 - 12]. Они применяются в ряде приборов для безэлектродной СВЧ диагностики материалов по критериям соответствия технологическим требованиям основных электрофизических параметров, в новейших системах ближнеполевой СВЧ микроскопии, для измерения влажности материалов и влагосодержания в биообъектах. Перспективы и широкое использование резонаторных методов в измерительной технике привело к публикации большого количества печатных работ как теоретического, так и прикладного характера.

В данном разделе рассматриваются вопросы, связанные с влиянием электромагнитного поля на среды, рассмотрены конструкции резонаторов, используемых в составе датчиков влагометрии, сканирующей микроволновой микроскопии, методы математического сопровождения метрологических применений резонаторов.

Оглавление

- Введение

- Особенности построения и моделирования резонаторных датчиков. обзор литературы

- Взаимодействие электромагнитных полей с материалами и средами

- Методы СВЧ измерений параметров материалов

- Типы резонаторных измерительных преобразователей

- Особенности РИП, применяемых в микроволновой микроскопии

- Особенности РИП для измерителей влажности

- Другие применения РИП

- Физико-математическое моделирование измерительных преобразователей

- Выводы по разделу

- Модель и характеристики резонаторного измерительного преобразователя с коаксиальной апертурой для микроволновой микроскопии

- Особенности применения МСМС для исследования полупроводников

- Физическое обоснование применения датчика на основе резонаторного измерительного преобразователя с коаксиальной апертурой

- Численная реализация для модели РИП для микроволновой микроскопии

- Оптимизация параметров РИП ЦР КИА для увеличения чувствительности к изменению тангенса угла диэлектрических потерь образца

- Характеристики преобразования для РИП ЦР КИА

- Микродиагностические аспекты применения РИП ЦР КИА

- Выводы по содержательной части

- Вопросы охраны труда и техники безопасности заключение

- Список использованной литературы

Заключение

Проведенный обзор показал, что в настоящее время при моделировании РИП в недостаточной мере учитывается влияние излучательных потерь, зазора между зондом и объектом, конструкции апертуры, их совокупности на информационные сигналы РИП. Кроме того, вопросы оптимизации параметров резонаторных измерительных преобразователей также недостаточно проработаны. Проведение данных исследований актуально для практических и научных приложений.

В главе предложена конструкция РИП ЦР КИА, обоснована необходимость её применения и обозначены направления оптимизации чувствительности РИП ЦР КИА.

В содержательной части дипломной работы проведен комплекс численных исследований, осуществлена оптимизация геометрии микрозонда и выявлены оптимальные соотношения , , коаксиальной апертуры. Установлено, что величина чувствительности РИП в большей степени определяется значением сосредоточенной ёмкости, образованной торцом щупа зонда, чем степенью локализации нормальной компоненты электрического поля.

Список литературы

1. Лисовский В.В. Теория и практика сверхвысокочастотного контроля влажности сельскохозяйственных материалов / В.В. Лисовский. - Мн.: УОБГАТУ, 2005. - 292 с.

2. Егоров В.Н. Резонансные методы исследования диэлектриков на СВЧ / В.Н. Егоров // Приборы и техника эксперимента. - 2007. - № 2. - С. 5 - 38.

3. Chen L. Microwave Electronics Measurement and Materials Characterization / [L. Chen, С. Ong, С. Neo and other]. - New York: John Wiley & Sons, 2004. - 537 р.

4. Детинко М.В. Физические основы неразрушающего СВЧ-резонаторного метода локального контроля электрофизических параметров полупроводников / М.В. Детинко, Ю.В. Медведев, А.С. Петров. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1988. - 30 с.

. Завьялов А.С. Измерение параметров материалов на сверхвысоких частотах / А.С. Завьялов, Г.Е. Дунаевский. - Томск: Изд-во ТГУ, 1985. - 213 с.

. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах / А.А. Брандт. - М.: Физматиздат, 1963. - 404 с.

. Гордиенко Ю.Е. Резонаторные измерительные преобразователи в диагностике микрослоистых структур / Ю.Е. Гордиенко // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 1996. - Вып. 100. - С. 253 - 260.

. Медведев Ю.В. Техника неразрушающего измерения удельного сопротивления, толщины и времени жизни неосновных носителей заряда по площади эпитаксиальных пленок / Ю.В. Медведев // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. - 1984. - № 10. - С. 50 - 54.

. Степанов А.Е. Моделирование электромагнитных полей в электротехнических устройствах / [А.Е. Степанов, Ю.Г. Блавдзевич, З.Х. Борукаев и др.]. - К.: Технiка, 1990. - 188 с.

. Памятных Е.А. Основы электродинамики материальных сред в переменных и неоднородных полях / Е.А. Памятных, Е.А. Туров. - М.: Наука, 2000. - 354 с.

. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ / И.В. Лебедев. - М.: Высш. школа, 1970. - 440 с.

. Орлов С.И. Расчёт и конструирование коаксиальных резонаторов / С.И. Орлов. - М.: Радио, 1970. - 256 с.

. Гордиенко Ю.Е. Ближнеполевая сканирующая сверхвысокочастотная микродиагностика объектов в технологии электроники / Ю.Е. Гордиенко // Новi технологiї. - 2002. - № 1. - С. 3 - 6.

14. Pippard А. The surface impedance оf superconductors and normal metals аt high frequencies: Resistance оf superconducting tin and mercury аt 1200 Мс/sec / А. Pippard // Proc. Roy. Soc. - 1947. - № 191. - Р. 370 - 384.

. Tabib-Azar М. Non-destructive characterization оf materials by evanescent microwaves / М. Tabib-Azar, N. Shoemaker, S. Harris // Meas. Sci. Tech. - 1993. - Vol. 4, № 5. - Р. 583 - 590.

16. Gao С. High spatial resolution quantitative microwave impedance microscopy by а scanning tip microwave near-field microscope / С. Gao, Т. Wei, R. Duewer, Y. Lu, X. Xiang // Applied Physics Letters. - 1997. - Vol. 71, № 13. - Р. 1872 - 1874.

17. Кураев А.А. Электродинамика и распространение радиоволн / А.А. Кураев, Т.Л. Попкова, А.К. Синицын. - Мн.: Бестпринт, 2004. - 358 с.

. Гордиенко Ю.Е. Оценка направлений оптимизации СВЧ резонаторных датчиков контроля влагосодержания порошковых материалов электронной технологии / Ю.Е. Гордиенко, Ф.М. Хаммуд // Радиоэлектроника и информатика. - 2004. - № 2. - С. 34 - 38.

. Резник А.Н. Ближнепольная СВЧ томография биологических сред / А.Н. Резник, Н.В. Юрасова // Журнал технической физики. - 2004. - Т. 74, № 4. - С. 108 - 116.

. Дробахин О.О. Датчики перемещений на основе круглых цилиндрических СВЧ-резонаторов / О.О. Дробахин, П.И. Заболотный, Е.Н. Привалов // Техника и приборы СВЧ. - 2008. - № 2. - С. 24 - 29.

21. Gao С. Quantitative microwave near-field microscopy оf dielectric properties / С. Gao, X. Xiang // Review оf scientific instruments. - 1998. - Vol. 69, 11. - Р. 3846 - 3851.

. Microwave measurements / [Edited by R. Collier, А. Skinner]. - London: The Institution оf engineering and technology, 2007. - 506 р.

23. Полетаев Д.А. Модель микроволнового микроскопа с балансной схемой / Д.А. Полетаев, В.В. Старостенко, Е.П. Таран, А.А. Шадрин // Материалы 4-ой международной молодёжной научно-технической конференции "Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций" "РТ - 2008". - Севастополь, 21 - 25 апреля 2008 г. - С. 192.

. Полетаев Д.А. Численный расчет добротности резонатора микроволнового микроскопа в зависимости от величины связи / Д.А. Полетаев, Е.П. Таран, А.А. Шадрин // Материалы 11-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке". - Харьков: ХНУРЭ, 10 - 12 апреля 2007 г. - С. 185.