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1、波导薄膜厚度测量原理的理论分析赵毅红, 陈荣发(扬州大学机械工程学院, 江苏 扬州 225009)摘 要: 运用电磁场理论对金属波导膜厚测量的原理进行了详细分析, 并且研制了一台膜厚测量仪, 理论和实践表明: 可以通过测量复合金属波导膜系励磁电流的脉冲波形来控制薄膜的生长厚度。关键词: 膜厚测量; 波导薄膜; 电磁场理论; 励磁电流中图分类号: TB 43文献标识码: A文章编号: 100220322 (2005) 0120025203Ana ly s is of the pr in c ip le of th ickn e ss m ea surem en t of wa vegu ide
2、ir isZHA O Y i2ho n g , C h en R o n g 2fa(T h e M ech a n ica l E n g in ee r in g C ol leg e, Y a n g z h ou U n iv e rs ity , Y a n g z h ou 225009, C h in a )A bstra c t: A na lyze s in de ta il th e p r inc ip le o f th ick ne ss m ea su rem en t o f m e ta llic w avegu ide ir is by m ean s o f
3、 th e e lec t rom ag2ne t ic f ie ld th eo ry. A co nc lu sio n is d raw n th a t th e th ick ne ss o f com po site m e ta llic w avegu ide ir is can be co n t ro lled by m ea su r2ing it s p u lse w avefo rm o f exc t ing cu r ren t.Key word s: th ick n e ss m ea su rem en t; w avegu ide ir is; e l
4、ec t rom agn e t ic f ie ld th eo ry, ex c it in g cu r ren t对非平面器件 ( 如柱形、方形等器件) 表面的薄膜厚度进行测量、控制, 并且能消除电量噪音的影 响, 这是提高膜厚测量精度、拓宽测量范围的一个关键问题1, 2, 7 。 复合金属波导膜系的制备工艺控制已有文献报道1 , 本文通过电磁感应理论分析了在感 应线圈内, 不同厚度的薄膜产生的励磁电流不同, 从 而改变输入脉冲电流的波形, 根据输出脉冲电流波 形的幅值和频率 ( 脉宽) 控制薄膜的生长厚度, 实现 薄膜厚度的测量与控制, 推导了线圈的自感电流、波 导薄膜的感应电流、锂
5、铁氧体棒产生的磁滞电流的 计算公式, 从理论上说明了该方法可以减少外部温 度、电量噪音、残余气体的分压和机械振动对测量结 果精度的影响, 使该测量方法满足重复性好、测量系 统稳定性高的要求, 可以满足实际生产科研的需求。由于圆柱复合金属膜系置于驱动线圈内, 整个移相器波导相当于一个变压器耦合电路, 波导壁为 次级短路单压绕组, 在移相器相位变化过程中, 波导 壁中将产生感应电流 ( 或称阻尼流) , 其对驱动磁场 有抵消作用。 等效电路如图 1 所示。图 1 驱动器的等效电路图F ig. 1 E qu iva len t c ircu it o f d r ive r2其中 R S 为外线路电
6、阻。L 为自感线圈。n R为波导薄膜电阻。由图 1 可知, 驱动器提供的总电流 I由线圈的自感电流 I 1 , 波导薄膜的感应电流 I 2 和锂 铁氧体棒产生的磁滞电流 I 3 三部分组成。 线圈的自感电流 I 1由电磁场理论可知, 对单匝线圈而言, 在磁感强 度为 B 的磁场中, 通过磁场中某一曲面 S 的磁感线数就是通过该曲面的磁通量, 用 1 表示, 且1 = B S co s为法线矢量与 B 之间的夹角, 取 = 90, 即平 面法线矢量 n 与 B 垂直, 则对 n 匝线圈自感电流的波导膜厚测量的理论分析由于金属波导膜系的基材一般都采用锂铁氧体 棒旋磁材料, 制备方法采用直流磁控溅射
7、, 薄膜材料 采用 C 2T i 复合金属, 膜系厚度控制在电磁波趋肤 厚度的 3 倍左右5 。 过薄, 易引起微波能量外泄; 过 厚, 不能保证快速磁化场穿透波导壁, 而且功率损耗 明显增加, 因此在圆柱锂铁氧体棒表面沉积金属波 导膜系, 必须进行膜厚工艺控制。1收稿日期: 2004210225作者简介: 赵毅红 (19682) , 女, 辽宁沈阳市人, 讲师, 在读博士。大小 I 1 为对简单的“复位一置换”转换周期而言, W H 是主磁滞回线的一半能量。 对于“全置位2全复位2置 位”转换周期来说,W H 是主磁滞回线的总能量。驱动器提供的总能量还应包括磁轭材料在同样磁化过程中所耗的磁滞
8、能量, 有nB S(1)I 1 =L 波导薄膜产生的感应电流 I 2由电磁感应定律可知, 当穿过闭合回路所围面 积的磁通量发生变化时, 回路中就会有感生电动势产生, 并且感生电动势正比于磁通量对时间的变化率的负值, 对单匝线圈而言, 有T 0(9)W = W H 2 +T式中 T 0 为动态阻尼参考时间常数, T 为一个剩磁态到另一个剩磁态的转换时间, 它的大小为d = - K(2)d tB m axD S(10)T = 11. 8式中 K 为比例系数, 取 K = 1, 则对 n 匝密绕线圈而言回路中的感应电流为H C其中 T 一个剩磁态到另一个剩磁态的转换时间B m ax 铁氧体棒的剩磁通
9、密度H C 铁氧体棒的矫顽力D 铁氧体棒的直径 S 金属化膜的厚度 金属化膜相对铜的相对电阻率由公式 ( 7)、( 9)、( 10) 可见, 在锂铁氧体棒材料尺寸确定之后, 金属波导膜系的厚度 S 及相对电阻 率 对移相器的驱动能量、电流影响极大, 要降低驱动器功耗, 缩短转换时间, 一定要设法减小复合金属波导膜的厚度或提高膜的相对电阻率, 但前提是不 得增加移相器的损耗。 由于复合金属波导膜系的阻 尼作用, 在采用调节脉宽改变相位的驱动电路中, 波 导膜厚度严重影响驱动脉冲的宽度, 同样驱动脉冲 宽度下 (即同样波控指令码) , 不同的波导膜厚, 有不 同的脉宽, 即同样指令码有可能呈现不同
10、相位。这将严重影响移相器的一致性, 膜薄, 则阻尼电阻大, 感 应电流小, 阻尼时间常数小, 脉冲电流幅度小, 脉宽 变宽; 膜厚, 则阻尼电阻小, 感应电流大, 阻尼时间常 数大, 脉冲电流幅度大, 脉宽宽度窄, 这完全是由金 属波导膜中阻尼电流大小决定的, 因此, 理论上完全可以用测量驱动脉冲电流波形的方法来判断金属膜 的厚度。n r d (3)I 2 = -Rd t式中负号的物理意义由楞次定律可知, 它表示闭合的导线回路中所产生的感应电流总是使它自己所产 生的磁场反抗任何引起电磁感应的变化 ( 反抗相对运动, 磁场变化或线圈变形)。 锂铁氧体棒产生的磁滞效应电流 I 3根据磁场理论, 由
11、磁介质中的安培环路定理可 知, 磁场强度沿任何闭合回路的线积分等于通过该回路所包围的各电流的代数和。 即有H d l =I6(4)而在长直螺旋线管上通过的电流为 I 3 时, 螺线管内部的磁感应强度为n I 3(5)B = 0L由于整个锂铁氧体棒处于矫顽磁场中, 故有K H CL I 3 =(6)n综合可见, 等效电路中驱动器提供的总电流 I 为 I 1、I 2、I 3 之和K H CLn -n r d I =+(7)nLRd t从式 ( 7) 可见: 驱动电流中有与磁滞效应 ( 等式右边第一项) , 驱动电感 ( 右边第二项) 及短匝阻尼 ( 右边 第三项) 有关的三部分电流组成。移相器从一
12、个相位态转换到另一个相位态所需 要的总能量视不同的相位态而不同。 这里一般以复位态转换到最大相位态所需要的能量为移相器所需 最大 驱 动 总 能 量。 换 言 之, 磁 通 以 恒 定 比 例 在0tT 时间内从负最大磁通量 (- m ax ) 转换到正最 大磁通量 (+ m ax ) 所需的总能量。驱动器提供的总能量还应包括磁轭材料在同样磁化过程中所耗的磁滞能量, 为简单起见, 假定它同移相器棒磁滞能量相微波性能测试与分析根据以上理论分析, 我们制备了一台复合金属波 导膜厚测量仪, 分别对相同厚度不同金属材料的波导 膜系进行测试分析, 其波形显示如图 2 (a、b ) 所示。2a. 铜加银波
13、导膜系b. 铜加钛波导膜系图 2 3m 厚的不同金属材料复合波导膜系的脉冲波形F ig. 2 P u lse w avefo rm f rom d iffe ren t 3m 2th ick m e ta l w avegu ide f ilm s同, 由电磁场理论可知, 对自感系数为 L圈而言, 当其电流为 I 时, 磁场的能量为的 N匝线=2K H C lm ax(8)W H采用传统的铜加银或金的金属化波导膜系, 其脉冲电流幅度比铜加钛或钽的波导膜系大一倍左 右, 显然驱动器功耗也同样大一倍左右, 这一结果和 理论计算值基本一致, 所以采用铜加钛金属波导膜 系, 驱动器功耗可显著下降, 而
14、微波损耗不增加, 波导内壁仍是低电阻良导体。 我 们 同 时 对 相 同 材料, 不同厚度的 C u 2T i 波 导膜系进行了测量, 波形显示为图 3 所示。图 3 (a ) , 无金属化膜 的样品, 因为没有波导膜系, 即没有短匝阻尼线圈, 所以脉冲波形中无阻尼电 流, 驱动脉冲电流幅度很小, 脉宽较宽。尖峰是因为 样品磁化到接近饱和状态 时, 导 磁 率 急 剧 下 降 至 1 左右, 驱动线圈电感急剧 减小而造成电感电流增大引起的, 这一波形图和理幅度大, 宽度窄。2 m 的厚度产生的阻尼电流大, 幅度小, 宽度宽。 同样材料膜系的均匀度误差可以控制在5% 以内, 同一批金属波导膜系厚
15、度的均匀性良好。3结论应用不同厚度的波导薄膜在磁感应线圈内产生强度不同的励磁电流效应, 从而改变输入脉冲信号的电流波形, 根据输出脉冲电流的幅度和频率 ( 脉 宽) 可以测量和控制薄膜的生长厚度, 利用这一原 理, 我们研制成功了一台复合金属波导膜厚测量仪,并成功应用于生产实践中。参考文献:1陈荣发, 赵毅红, 柏乃勇 J .版) , 2002, 5 (4) : 46249.扬州大学学报 ( 自然科学2李荫远, 李国栋. 铁氧体物理学 M . 北京: 机械工业出版社, 1996: 18272.R o yd C R. comm en t s o n th e de signand m anufa
16、c tu re o f dua l2m o de rec ip ro ced lanch ing fe r r ite p h a se Sh if te r s J , IE E E , 1974,M T T 222 (6) : 5932601.S tua r t R V. T h in F ilm s and Sp u t te r ing M . 1985: 110 2122.李士根, 魏克珠. 磁性材料和器件的应用 R . 机电部十 四所情报信息中心, 1991: 46285.34论分析结果完全符合。图 3 (b ) 和图 3 ( c ) 中 表示同样膜系材料不同厚 F ig. 35图
17、 3不同厚度铜加钛复合金属波导膜系的脉冲波形P u lse w avefo rm s f rom6L. 埃克托瓦. 薄膜物理学M .482165.北京: 科学出版社, 1986,10 m 的 com po site C u 2T i w avegu ide度的脉冲波形,f ilm s o f d iffe ren t th ick ne sse s7iban Sh , Ko u l K. 微波和毫米波移相器 R . 信息产业部第十四研究所内部参考资料, 1999.厚度产生的阻尼电流小,3 PS ( 2PS、3PS) 型汽水串联喷射真空泵 单级或多级 ( 二级或三级) 蒸汽喷射器与水喷射泵串联而
18、成, 吸入真空绝压可达 13 P a, 极限 真空 10 P a。SHJV3P 型水蒸汽喷射真空泵吸入真空绝压 10 105 P a 工作蒸汽压力 0. 3 M P a 以上, 冷却水温 25、32, 有近 400 个规格。3 PSQ 型喷射水枪加液喷射清洗除垢, 远近均可。3 PZR 型蒸汽喷射热泵低品位废热蒸汽回收, 低压蒸汽综合利用。3 KPH 型真空机组 空气喷射器与液环真空泵组合, 以抽不凝气体 ( 空气) 为主, 抽吸真空压力 5 40 h P a, 低位布置。3 PCH 型真空机组 蒸汽喷射器与液环真空泵组合, 以抽可凝 气体 ( 蒸汽) 为主, 抽吸真空压力 5 40 h P
19、a, 高位或低位布置。3 水处理设备3 QSP 型汽水喷射热泵 采暖供热, 水汽热能交换。3 PJH 型气液喷射泵物料发酵搅拌, 混合输送, 流体喷射混合反应。3 QQP 型气体喷射器 气体混合反应, 气体抽引交变输送。3 CSA 型水喷射真空泵及机组 以抽吸不凝气体 ( 空气) 为主, 极 限真空 4 k P a, 单机名义抽速 40 400 m 3h。3 CSL 型水喷射真空冷凝泵 以抽吸可凝性气体 ( 水蒸汽) 为主,工作真空度压力 12 k P a, 冷凝蒸汽量 0. 1 12 th。3 SZA 型水喷射真空抽空器 真空吸滤, 工作真空压力 30 k P a,抽气量 30 500 k
20、gh。3 3 PZY 型真空除氧器 处理量 2 100 m h33 3 L NZ 型全自动钠交软水器 处理量 0. 2 50 m 3h3 3 NNS 型手动钠交软水器 处理量 0. 2 50 m h3 3 Y SL 型压力砂滤器 处理量 0. 1 20 m 3h33 3 CTQ 型除铁过滤器 处理量 0. 1 20 m h33 PW J 型喷射器式文丘里净化器等有害气, 抽气能力 30 10000 m 3h。抽吸净化废酸气、含尘气33 3 M GL 膜过滤器 处理量 0. 1 10 m h3 3 RO 型纯水装置 纯水量 0. 2 20 m h , 家用型 150 k gd。33 SQH 型水
21、汽混合加热器 采暖供热, 水汽热能交换。3 YY P 型液液喷射泵 负压抽吸, 输送增压, 混合反应, 传质吸收。3 喷头3 冷凝器喷淋喷嘴、雾化喷嘴、搅拌混合喷嘴和清洗喷嘴等承接喷淋冷凝器、真空混合冷凝器和真空列管冷凝器等 冷凝换热设备及非标真空容器设计与制造。 提供成套的真空应用产品。3 Y QY 型液气液双级喷射器物降解反应。3 Y QQ 型液气气双级喷射器气液混合搅拌, 污水厌氧处理, 生自吸空气喷射氧化, 气液反应。本公司有真空试验台和喷淋测试台, 可进行产品出厂试验与新产品开发研究, 可提供喷射设备和真空设备的特性性能测试。3 CPS 型汽水串联喷射真空泵机组 极限真空 6 h P a, 名义抽速10 400 m 3h。浙江四海喷射真空技术公司地址: 浙江杭州市莫干山路 583 号电话: (0571) 888294078882940885956703传真: (0571) 88829408邮编: 310005file:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txtdf机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldffile:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56
