[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及传感器，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，属于微波测量技术领域。

背景技术

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1～3 kHz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。

发明内容

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。