[發明專利]微波電容傳感器及被測物介電特性和絕對位置的測量方法

在審

• 申請號: 202010111600.0
• 申請日: 2020-02-24
• 公開（公告）號: CN111141796A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 張洮
• 申請（專利權）人: 張洮;李贊
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;G01R27/26;G01B7/28
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種微波電容傳感器，包括傳感器探頭，微波阻抗轉換電路，電磁屏蔽殼，傳感器連接端。探頭可以不接觸被測物，將微波信號施加到被測物并接受被測物的反射微波信號。測量傳感器連接端的復阻抗，由微波阻抗轉換電路的微波網絡特性計算探頭的復阻抗?；谔筋^與被測物在應用場景下的電磁場模型，由探頭的復阻抗和位置參數確定被測物物質性質參數或探頭距離被測物的絕對位置。探頭阻抗可以用于反饋控制探頭距離被測物的絕對位置。解決了高分辨率的光學測試技術不能檢測樣品物質性質；傳統的測試介電參數的技術很難用于顯微系統，探頭需要接觸被測物；傳統的電容傳感器工作在低頻，不能同時用于絕對位置和材料介電參數測試等問題。

技術領域

本發明涉及傳感器，特別是涉及一種能夠定量測量被測物物質性質參數或探頭距離被測物的絕對位置的微波電容傳感器，并提供了一種從探頭阻抗獲取被測物物質性質參數或探頭距離被測物的絕對位置的技術方案，屬于微波測量技術領域。

背景技術

傳統的高空間分辨率的光學測試包括：用光散射測量被測物表面三維特征尺寸和對復雜輪廓進行分析的光學關鍵尺寸測量（OCD）；對被測物圖像進行分析尋找被測物表面特征或缺陷的機器視覺系統（MVS）。光學測試的優點是速度快，穩定以及傳感器不接觸被測物。

在微波頻率范圍內測試實介電系數和介電損耗的方法主要有：將探頭插入液體或接觸固體表面進行測量的同軸探頭法；將被測物填充到夾具橫截面中，成為傳輸線一部分進行測量的傳輸線法；用天線將微波聚焦穿過大尺寸，平坦的被測物進行測量的自由空間法；將小尺寸被測物放入微波諧振腔，分析空腔及加載被測物的腔的品質因數(Q)或諧振頻率的變化，反推被測物的復介電系數進行測量的諧振腔法等。

液體被測物電導率的測量原理通常是將相互平行且距離是固定值的兩塊極板（或圓柱電極），放到被測溶液中，在極板間加上一定的電勢（為了避免溶液電解，通常為頻率1～3 kHz的正弦波電壓）。然后通過電導儀測量極板間電導。電導率是決定半導體材料電學特性的重要參數，為了表征工藝質量以及材料的摻雜情況，需要測試半導體材料的電導率。半導體材料的電導率測試主要有兩種方法。一種方法是四探針技術，將四根等間距的探針接觸到材料表面，測試電流電壓（IV）特性得到電導率。另一種方法是汞探針測試技術：汞探針與半導體表面接觸形成肖特基勢壘，電容電壓（CV）測試勢壘電容并轉換為載流子濃度和電導率。

傳統的非接觸、具有亞納米精度的絕對位置測量的電容傳感器，被用于距離、運動和振動的絕對測量。有以下特征：測量頻率通常在100MHz以下；通常采用平行板電容器，極板面積大于10平方毫米；主要用于絕對位置測量。

發明內容

光學測試的缺點是不能檢測被測物的物質性質參數。也不能檢測及表征埋在表面以下的物質性質參數和缺陷。廣泛應用的機器視覺系統只能提供二維圖像，不能測試被測物的表面形貌。

在微波頻率范圍內定量測試實介電系數和介電損耗的現有的傳感器及傳感器檢測實施方式有如下技術不足：空間分辨率低；傳感器探頭需要接觸被測物或需要對被測物進行加工處理使被測物尺寸或形狀滿足測試要求。同軸探頭法需要探頭接觸被測物。測試液體被測物時，附著在探頭上的氣泡會嚴重影響測試精度和可靠性；液體被測物可能腐蝕或污染傳感器探頭。除非對固體被測物表面進行加工，達到至少與探頭表面一樣平坦的程度，探頭與固體被測物之間的空隙可能造成嚴重的測量誤差。探頭與固體被測物的接觸會物理磨損同軸探頭表面，導致測量的精度和穩定性下降。傳輸線法需要對被測物進行破壞加工。諧振腔法和自由空間法對被測物大小或平行度有嚴格要求。傳統的微波頻率范圍內定量測試實介電系數和介電損耗的技術很難在顯微系統中使用。

在傳統的電導率測試方法中，傳感器探頭通常都需要接觸被測物，空間分辨率通常在5毫米以上。測試電導率的更優的策略是：不接觸被測物，測量材料目標區域的介電特性，進而得到材料目標區域的電導率。

傳統的電容傳感器工作在100MHz以下的低頻，主要用于運動和位置控制，不用于微波頻譜范圍內材料物質性質參數測試。