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技术

一种微波电容传感器，包括传感器探头，微波阻抗转换电路，电磁屏蔽壳，传感器连接端。探头可以不接触被测物，将微波信号施加到被测物并接受被测物的反射微波信号。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计算探头的复阻抗。基于探头与被测物在应用场景下的电磁场模型，由探头的复阻抗和位置参数确定被测物物质性质参数或探头距离被测物的绝对位置。探头阻抗可以用于反馈控制探头距离被测物的绝对位置。解决了高分辨率的光学测试技术不能检测样品物质性质；传统的测试介电参数的技术很难用于显微系统，探头需要接触被测物；传统的电容传感器工作在低频，不能同时用于绝对位置和材料介电参数测试等问题。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及传感器，特别是涉及一种能够定量测量被测物物质性质参数或探头距离被测物的绝对位置的微波电容传感器，并提供了一种从探头阻抗获取被测物物质性质参数或探头距离被测物的绝对位置的技术方案，属于微波测量

技术介绍
传统的高空间分辨率的光学测试包括：用光散射测量被测物表面三维特征尺寸和对复杂轮廓进行分析的光学关键尺寸测量（OCD）；对被测物图像进行分析寻找被测物表面特征或缺陷的机器视觉系统（MVS）。光学测试的优点是速度快，稳定以及传感器不接触被测物。在微波频率范围内测试实介电系数和介电损耗的方法主要有：将探头插入液体或接触固体表面进行测量的同轴探头法；将被测物填充到夹具横截面中，成为传输线一部分进行测量的传输线法；用天线将微波聚焦穿过大尺寸，平坦的被测物进行测量的自由空间法；将小尺寸被测物放入微波谐振腔，分析空腔及加载被测物的腔的品质因数(Q)或谐振频率的变化，反推被测物的复介电系数进行测量的谐振腔法等。液体被测物电导率的测量原理通常是将相互平行且距离是固定值的两块极板（或圆柱电极），放到被测溶液中，在极板间加上一定的电势（为了避免溶液电解，通常为频率1～3kHz的正弦波电压）。然后通过电导仪测量极板间电导。电导率是决定半导体材料电学特性的重要参数，为了表征工艺质量以及材料的掺杂情况，需要测试半导体材料的电导率。半导体材料的电导率测试主要有两种方法。一种方法是四探针技术，将四根等间距的探针接触到材料表面，测试电流电压（IV）特性得到电导率。另一种方法是汞探针测试技术：汞探针与半导体表面接触形成肖特基势垒，电容电压（CV）测试势垒电容并转换为载流子浓度和电导率。传统的非接触、具有亚纳米精度的绝对位置测量的电容传感器，被用于距离、运动和振动的绝对测量。有以下特征：测量频率通常在100MHz以下；通常采用平行板电容器，极板面积大于10平方毫米；主要用于绝对位置测量。
技术实现思路
光学测试的缺点是不能检测被测物的物质性质参数。也不能检测及表征埋在表面以下的物质性质参数和缺陷。广泛应用的机器视觉系统只能提供二维图像，不能测试被测物的表面形貌。在微波频率范围内定量测试实介电系数和介电损耗的现有的传感器及传感器检测实施方式有如下技术不足：空间分辨率低；传感器探头需要接触被测物或需要对被测物进行加工处理使被测物尺寸或形状满足测试要求。同轴探头法需要探头接触被测物。测试液体被测物时，附着在探头上的气泡会严重影响测试精度和可靠性；液体被测物可能腐蚀或污染传感器探头。除非对固体被测物表面进行加工，达到至少与探头表面一样平坦的程度，探头与固体被测物之间的空隙可能造成严重的测量误差。探头与固体被测物的接触会物理磨损同轴探头表面，导致测量的精度和稳定性下降。传输线法需要对被测物进行破坏加工。谐振腔法和自由空间法对被测物大小或平行度有严格要求。传统的微波频率范围内定量测试实介电系数和介电损耗的技术很难在显微系统中使用。在传统的电导率测试方法中，传感器探头通常都需要接触被测物，空间分辨率通常在5毫米以上。测试电导率的更优的策略是：不接触被测物，测量材料目标区域的介电特性，进而得到材料目标区域的电导率。传统的电容传感器工作在100MHz以下的低频，主要用于运动和位置控制，不用于微波频谱范围内材料物质性质参数测试。为解决以上技术问题，本专利技术提供一种能够用于显微系统；能够快速定量检测被测物目标区域实介电系数或介电损耗或电导率等物质性质参数或探头距离被测物目标区域的绝对位置；探头可以不接触被测物的微波电容传感器。本专利技术也提供了一种从探头阻抗获取被测物物质性质参数或探头距离被测物的绝对位置的技术方案。这种方案是基于探头与被测物在应用场景下的电磁场模型设计的。这个方案可以作为但不限于本专利技术提供的微波电容传感器的传感器检测技术方案的一部分。表征物质在外电场作用下极化程度的物理量叫介电常数。相对介电常数()等于绝对介电常数()与自由空间介电常数()之比：介电常数的实部(')表示外部电场有多少电能储存到材料中，对应本专利技术中所述的实介电系数。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，对应本专利技术中所述的介电损耗。本专利技术的技术方案如下：一种微波电容传感器，包括：传感器探头1，微波阻抗转换电路2，电磁屏蔽壳3，传感器连接端4；传感器探头1可以不接触被测物，是传感器的感应部分，耦合到微波阻抗转换电路2，被配置为将微波信号施加到被测物并接受被测物的微波反射信号；微波阻抗转换电路2，被配置为将传感器探头1的复阻抗转换为传感器连接端4的复阻抗；电磁屏蔽壳3，被配置为屏蔽微波阻抗转换电路2的电磁场对测试的影响；传感器连接端4被连接到复阻抗测量装置。进一步，所述的复阻抗测量电路包括：微波矢量网络分析仪或定制的被配置为测量传感器连接端4的复阻抗的装置。进一步，所述的微波信号包括没有调制的微波信号。进一步，传感器的检测方案为：移动传感器探头1到被测物目标区域的近场中，测量传感器连接端4的复阻抗；由微波阻抗转换电路2的微波网络特性计算传感器探头1的复阻抗；基于传感器探头1与被测物在应用场景下的电磁场模型，由传感器探头1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。进一步，一种控制探头距离被测物的绝对位置的方法：将传感器探头1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，作为运动控制系统的输入，反馈控制传感器探头1距离被测物目标区域的绝对位置。本专利技术也提供了一种基于电磁场模型从探头阻抗获取被测物物质性质参数或探头距离被测物的绝对位置的方法：移动传感器探头到被测物目标区域的近场中，选取传感器探头在被测物目标区域近场中的测试位置，在每个测试位置：将微波信号施加到被测物，测量并计算传感器探头复阻抗或复阻抗变化，记录传感器探头的位置参数，由传感器探头的复阻抗或复阻抗变化计算局部电路参数。用探头的位置参数以及局部电路参数，通过电磁场模型定量关系库，确定目标区域被测物物质性质参数或探头距离被测物目标区域的绝对位置。其中，确定电磁场模型定量关系库的方法为：获取传感器探头的形状和尺寸信息，建立传感器探头与被测物在应用场景下的电磁场模型，求解电磁场模型，得到被测物物质性质参数或探头距离被测物的绝对位置与局部电路参数的定量关系库。进一步，所述的定量关系库的实现方式包括：矩阵或数据库或数据文件。进一步，所述的局部电路参数包括：传感器探头的复阻抗或传感器探头的复阻抗实部或传感器探头与被测物目标区域间的电容或传感器探头与被测物目标区域电磁场相互作用电路模型的电阻或电容或电感或阻抗。进一步，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。缩小传感器探头1的几何尺寸，可以忽略电磁场的推迟效应，将传感器探头1与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微波电容传感器，其特征在于，包括：传感器探头（1），微波阻抗转换电路（2），电磁屏蔽壳（3），传感器连接端（4）；/n传感器探头（1）可以不接触被测物，是传感器的感应部分，耦合到微波阻抗转换电路（2），被配置为将微波信号施加到被测物并接受被测物的反射微波信号；/n微波阻抗转换电路（2），被配置为将传感器探头（1）的复阻抗转换为传感器连接端（4）的复阻抗；/n电磁屏蔽壳（3），被配置为屏蔽微波阻抗转换电路（2）的电磁场对测试的影响；/n传感器连接端（4）被连接到复阻抗测量装置。/n

【技术特征摘要】
1.一种微波电容传感器，其特征在于，包括：传感器探头（1），微波阻抗转换电路（2），电磁屏蔽壳（3），传感器连接端（4）；
传感器探头（1）可以不接触被测物，是传感器的感应部分，耦合到微波阻抗转换电路（2），被配置为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（2），被配置为将传感器探头（1）的复阻抗转换为传感器连接端（4）的复阻抗；
电磁屏蔽壳（3），被配置为屏蔽微波阻抗转换电路（2）的电磁场对测试的影响；
传感器连接端（4）被连接到复阻抗测量装置。


2.根据权利要求1中所述的一种微波电容传感器，其特征在于，所述的复阻抗测量装置包括：微波矢量网络分析仪或定制的被配置为测量传感器连接端（4）的复阻抗的装置。


3.根据权利要求1中所述的一种微波电容传感器，其特征在于，所述的微波信号包括没有调制的微波信号。


4.一种基于权利要求1所述的微波电容传感器的微波电容传感器检测方案，其特征在于，移动传感器探头（1）到被测物目标区域的近场中，测量传感器连接端（4）的复阻抗，由微波阻抗转换电路（2）的微波网络特性计算传感器探头（1）的复阻抗，基于传感器探头（1）与被测物在应用场景下的电磁场模型，由传感器探头（1）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。


5.一种基于权利要求1所述的微波电容传感器的控制探头距离被测物的绝对位置的方法，其特征在于，将传感器探头（1）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，作为运动控制系统的输入，反馈控制传感器探头（1）距离被测物目标区域的绝对...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洮，
申请(专利权)人：张洮，李赞，
类型：发明
国别省市：上海;31