DE19534504A1 - Elektromagnetischer Wandler - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Wandler zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich 10⁶-10¹⁰ Hertz mit kurzer Wellenlänge im Bereich 0.3 µm-3 mm insbesondere für Oberflä­ chenprüfungen und sonstiger mikroskopischer Anwendungen.

Zweck

Bei verschiedenen Anwendungen von elektromagnetischer Strahlung muß die jeweilige Frequenz so gewählt werden, daß die Effektivität der Wechslewirkung mit dem Objekt maximal ist, z. B. bei Prüfung von Halbleiteroberflächen ein Frequenzbereich von 10⁶-10¹⁰ Hertz. Der Zweck der Erfindung ist die Verbesserung der örtlichen Auflösung im ge­ nannten Frequenzbereich.

Stand der Technik

Um elektromagnetische Wellen im genannten Frequenzbereich zu erzeu­ gen, werden Spulen, Wellenleiterausgänge von Magnetrons, hochfrequen­ te Dioden usw. benutzt.

Kritik des Standes der Technik

Bei der Benutzung der oben aufgelisteten Geräte erhält man automatisch eine schlechte örtliche Auflösung, die im besten Fall 3 cm beträgt. Die Ur­ sachen hierfür sind in der Ausbreitung dieser Wellen mit Lichtgeschwin­ digkeit zu finden.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die örtliche Auflösung der elektromagnetischen Sender und Empfänger zu verbessern.

Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektroma­ gnetische Ausstrahlung durch die Reflexion der fokussierten Ultraschall­ welle an der Oberfläche des piezoelektrischen bzw. magnetoelastischen Mediums entsteht beziehungsweise dadurch, daß empfangene elektroma­ gnetische Strahlung an der Oberfläche des piezoelektrischen bzw. magne­ toelastischen Mediums wieder in Ultraschall gewandelt wird.

Die piezoelektrische bzw. magnetoelastische Schicht befindet sich dabei auf der Oberfläche des Vorlaufs genau in dem Punkt, wo die Ultraschall­ wellen fokussiert werden. Das Material, aus der diese Schicht besteht, hat nur geringe Ultraschallverluste.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

Die Erzeugung und der Empfang der fokussierten Ultraschallschwingun­ gen in dem beschriebenen Frequenzgebiet werden mit Hilfe der bekannten Verfahren (siehe H. Kuttruff: Physik und Technik des Ultraschalls, Hir­ zel Verlag, Stuttgart, 1988) durchgeführt. Wir benutzen transversale Wellen mit Polarisation in Richtung senkrecht zur Bildebene. Der Fokus­ punkt wird mit dem piezoelektrischen bzw. magnetoelastischen Medium beschichtet. Die Abmessungen dieser Schicht entsprechen den Abmessun­ gen des Fokuspunktes, das heißt ungefähr der Wellenlänge der Ultra­ schallschwingungen in der Schicht.

Den mittleren Einfallswinkel Θ, mit dem die Ultraschallschwingungen auf die Oberfläche des Vorlaufs fallen, wählt man so, daß die Effektivität der Umwandlung der elastischen Energie in elektromagnetische Energie und umgekehrt maximal ist (Abbildung b). Die piezoelektrische bzw. magne­ toelastische Schicht wird so aufgetragen, daß ihre piezoelektrische bzw. magnetoelastische Achse senkrecht zur Bildebene steht, das heißt die Po­ larisation der Ultraschallschwingungen richtet sich entlang dieser Achse ein.

Bei der beschriebenen Geometrie der Anordnung wird die sich ausbreiten­ de Ultraschallwelle von einer elektromagnetischen Welle gleicher Wellen­ länge begleitet. Im piezoelektrischen Wandlermedien hat diese elektroma­ gnetische Welle als Hauptkomponente elektrische Feldstärke wogegen in magnetoelastischen Medien als Hauptkomponente die magnetische Feld­ stärke steht.

An der Grenze piezoelektrisches Medium/Luft oder magnetoelastisches Medium/Luft wird die beschriebene Ultraschallwelle reflektiert. In der Luft entsteht elektromagnetische Strahlung, die sich entlang dieser Grenze ausbreitet. Diese Strahlung hat die Wellenlänge der Ultraschallschwingung und existiert in einem Gebiet von einer Wellenlänge λ.

Um die Durchführbarkeit dieser Anordnung nachzuweisen, sei auf ein be­ kanntes Experiment verwiesen (Abbildung a). In diesem Experiment wurde mit den gleichen physikalischen Grundlagen die Übertragung einer Ultraschallwelle durch eine Luftschicht von einem Piezokristall zu einem anderen nachgewiesen. Die skizzierten Grafiken zeigen die Abhängigkeit der Verluste vom Einstrahlwinkel Θ.

Erzielbare Vorteile

Mittels der beschriebenen Erfindung wird die örtliche Auflösung von elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich 10⁶-10¹⁰ Hertz bis in den Mikrometerbereich verbessert.

Claims (1)

1. Elektromagnetischer Wandler, der die örtliche Auflösung von elektro­ magnetischen Wellen im Frequenzbereich 10⁶-10¹⁰ Hertz bis in den Mi­ krometerbereich verbessert,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   • 1. im Vorlauf eine Fokussierung der verwendeten Ultraschallschwingun­ gen stattfindet,
   • 2. der Vorlauf mit einem piezoelektrischen bzw. magnetoelastischen Me­ dium beschichtet wird,
   • 3. an der Grenzschicht dieses Mediums zur Luft eine elektromagnetische Welle mit der Wellenlänge von Ultraschall erzeugt wird.