DE3619314A1 - Mikrowellen-messapparatur - Google Patents

Description

Die Mikrowellen-Meßapparatur, auf die sich die Erfin­ dung bezieht und deren Art im Oberbegriff des Patent­ anspruchs1 angegeben ist, geht von dem aus der DE-OS 34 07 850 bekannten Stand der Technik aus.

Für die Funktionsweise ist dabei folgendes von allge­ meiner Bedeutung:

Jede Änderung der Leitfähigkeit einer Probe in einem Hohlleitersystem beeinflußt das Mikrowellenfeld und verursacht eine Änderung von Absorption und Reflexion der Mikrowellen, die sich in diesem Hohlleitersystem fortpflanzen. Besteht die Probe aus einem photoempfind­ lichen Material, in dem durch Bestrahlung mit Photonen einer Energie oberhalb der Bandlücke eine Überschuß­ leitfähigkeit erzeugt wird, so kann diese aus der Ände­ rung des Mikrowellenfeldes bestimmt werden.

Erfüllt eine homogen bestrahlte Probe den gesamten Hohlleiterquerschnitt, und erzeugt die Überschußleitfä­ higkeit nur eine kleine Änderung der Reflexions- und Absorptionskoeffizienten, so sind die relativen Ände­ rungen der reflektierten bzw. der transmittierten Mi­ krowellenleistung bei Bestrahlung proportional zur Überschußleitfähigkeit.

Diese Tatsache wird beim o.g. Stand der Technik dazu ausgenutzt, kontaktlos und zerstörungsfrei Mikrostruk­ turen und Strukturfehler zu untersuchen. Um Rückschlüs­ se auf Materialeigenschaften und Strukturen ziehen zu können, muß das Mikrowellenfeld konstant und/oder be­ kannt sein.

Die Erfindung zielt darauf ab, derartige Kenntnisse zu erlangen, um diese beispielsweise für Untersuchungen entsprechend dem o.g. Stand der Technik zugrunde legen zu können. Gelöst wird dies durch die vom Patentan­ spruch 1 vermittelte technische Lehre. Dabei sind - stark abstrahiert ausgedrückt - gegenüber den Unter­ suchungsmöglichkeiten gemäß dem o.g. Stand der Technik für photoaktives/photoempfindliches Material die Rollen von Mikrowellenfeld und Probe - hier Sonde - vertauscht.

Wird nämlich eine homogene Probe als Sonde scharf fo­ kussierter Strahlung ausgesetzt, so ist die reflektier­ te Leistung kennzeichnend für die elektrische Feldstär­ ke im bestrahlten Probenvolumen. Erfüllt die Sonde ge­ eigneter Leitfähigkeit den Hohlleiter nur teilweise derart, daß die Feldverteilung im Hohlleiter kaum ge­ stört wird, so entsteht bei Verschiebung des belichte­ ten Volumens eine Änderung der reflektierten Leistung, die mit der Feldstärke am Ort der Belichtung korrelier­ bar ist. Die Ausnutzung dieses Zusammenhanges ergibt verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung, die weiter unten noch erläutert werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung lassen sich durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale kennzeichnen. Hierzu ist darauf hinzuweisen, daß:

• - die Sonden streifenförmig ausgebildet sein können, weil es ausreicht, mit ihrer Oberfläche in einer Richtung - transversal über den gesamten Querschnitt des Hohlleiters oder longitudinal über mehrere Wel­ lenlängen - den Feldverlauf aufzunehmen;
• - senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen liegende Schirmflächen von Sonden an einem offenen Ende der Meßleitung anbringbar sind, um die Bestrah­ lung auf einfache Weise bewerkstelligen zu können;
• - in der Meßleitung bei Transversalmessung des Feldver­ laufs ein Krümmer mit einem Bestrahlungsfenster vor­ gesehen werden kann, um die Auskopplung von Mikrowel­ len zu unterbinden;
• - Longitudinalmessungen des Feldverlaufs mit streifen- oder stabförmigen Sonden erfolgen können, die durch ein Bestrahlungsfenster in die Meßleitung eingebracht werden können, wobei die benötigte mechanische Stabi­ lität des Schirmes bei Stabform der Sonde ohne weite­ res ausreicht;
• - die Sonde für Longitudinalmessung sich direkt an der Innenwand der Meßleitung befinden kann, um eventuelle Störungen des Mikrowellenfeldes durch Sondenhalterun­ gen zu vermeiden;
• - sich die Öffnung eines Bestrahlungsfensters mit transparentem, elektrisch leitendem Material füllen bzw. abdecken läßt, beispielsweise lösbar in Form ei­ nes Einsatzstückes oder mit einer Folie aus transpa­ rentem Isoliermaterial und mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung innen im Hohlleiter, so daß Störungen des Mikrowellenfeldes weitgehend unterbun­ den werden können.

Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, bei denen kapa­ zitive oder induktive Sonden mechanisch im Mikrowellen­ feld des Hohlleiters bewegt werden müssen, sind die Vorzüge der Erfindung offensichtlich. Das Mikrowellen­ feld wird nicht nur im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen durch die Sonden wesentlich weniger, sondern absolut geringfügig gestört. Die Meßgenauigkeit ist höher, insbesondere bei Frequenzmessung.

In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der Erfindung und erzielte Meßergebnisse schematisch dargestellt. Da­ bei zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild einer Mikrowellen- Meßapparatur,

Fig. 2: einen Abschnitt einer Meßleitung für Trans­ versalmessungen mit einer Sonde an einem offenen Ende,

Fig. 3: einen Abschnitt einer Meßleitung für Longi­ tudinalmessungen mit einer Sonde parallel zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen,

Fig. 4: ein detaillierteres Blockschaltbild einer Mikrowellen-Meßapparatur mit einer Meßlei­ tung für Longitudinalmessungen,

Fig. 5: eine Meßleitung mit Krümmer für Transver­ salmessungen für eine ansonsten in Fig. 4 gezeigte Mikrowellen-Meßapparatur und

Fig. 6: eine Meßkurve eines longitudinalen Feld­ stärkeprofils.

Die Fig. 1 läßt folgendes erkennen:

Die Apparatur dient zur Aufzeichnung der Feldstärke in einem Hohlleitersystem und läßt sich in folgende Bau­ gruppen untergliedern:

Hohlleitersystem zur Erzeugung umd Detektion der Mikro­ wellen:

Diese Baugruppe kann im Prinzip für alle vorgesehenen Anwendungsmöglichkeiten in gleicher Weise ausgebildet sein. Es werden handelsübliche Bauteile verwendet.

Von einem Generator 1 werden z.B. Mikrowellen im Ka- Band (26,5-40 GHz) mittels eines Gunn-Oszillators erzeugt und durch einen Isolator 2 und Zirkulator bzw. Richtkoppler 3 zur Meßleitung 4 geführt. Reflektierte Mikrowellenleistung kann nach Passieren des Zirkulators 3 mit einem Detektor 6 gemessen werden. Die Messung transmittierter Leistung ist mit einem Detektor 5 mög­ lich.

Bestrahlungssystem:

Zur Belichtung einer photoaktiven Sonde in der Meß­ leitung 4 ist ein Bestrahlungssystem 7 vorgesehen. Es enthält z.B. einen He-Ne-Laser. Dessen Ausgangsstrahl wird mittels optischer Komponenten fokussiert und ta­ stet über einen von einem Schrittmotor 24 gesteuerten Drehspiegel die Sonde 8 ab (vgl. auch Fig. 4). Für die Abtastung kann auch ein Array aus Laserdioden vorgese­ hen werden, die die Sonde direkt oder über Lichtleiter belichten und sequentiell angesteuert werden.

Meßleitung (vgl. auch Fig. 2 und 5):

Zur Bestimmung des transversalen Feldstärkeverlaufs wurde, wie in Fig. 2 skizziert, eine als Streifen aus n-Si (1×0,3 mm) ausgebildete Sonde 8 an einem offe­ nen Ende der Meßleitung 4 befestigt und vom Laserstrahl 10 abgetastet. Für eine Ausführungsform in einem ge­ schlossenen Hohlleitersystem kann das photoaktive Ma­ terial, auch mit reduziertem Querschnitt, mit einer Folie im Hohlleiter gehalten und durch eine Öffnung mit schwacher Auskopplung der Mikrowellen bestrahlt werden, ggfs. unter Umlenkung des Lichtstrahles inner­ halb des Hohlleiters.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform für Messun­ gen transversaler Feldverläufe in einem geschlossenen Hohlleitersystem. Dabei ist zumindest ein Krümmer 14 mit einem Bestrahlungsfenster 12 für den Photonenstrahl 10 vorgesehen. Zwischen zwei Krümmern 14 und 15 kann sich vorteilhaft noch ein gerades Hohlleiterstück be­ finden (nicht dargestellt). Das Bestrahlungsfenster 12 wird entweder von innen mit einer transparenten Folie mit metallisierter Oberfläche abgedeckt oder auch mit einer Füllung 13 aus transparentem, elektrisch leiten­ dem Material verschlossen, um die Auskopplung von Mi­ krowellen zu unterbinden.

Zur Bestimmung longitudinaler Feldverläufe sind Aus­ führungsformen der Meßleitung 4 entsprechend Fig. 3 und 4 vorzusehen.

Bei einem Prototyp einer Meßleitung 4 wurde eine als 20 mm langer Streifen aus n-Si (Dicke 0,3 mm, Breite 1 mm) ausgebildete Sonde 8 mit ihrer zu bestrahlenden Schirmfläche 9 mittels einer Folie in der Hohlleiter­ mitte befestigt. Die Bestrahlung - Photonenstrahl 10 - erfolgte durch ein schlitzförmiges Bestrahlungsfen­ ster 11 von etwa 1 mm Breite in der Breitseite des Hohlleiters 4. Für diese Schlitzbreite läßt sich die Änderung von Hohlleiterwellenlänge und -impedanz zu etwa 4×10^-3 abschätzen. Durch die relativ gut lei­ tende Probe (spezifischer elektrischer Widerstand des Sondenmaterials ca. 5Ω cm) wird die transmittierte Leistung um 0,6 dB reduziert.

Auch das Bestrahlungsfenster 11 läßt sich mit einer transparenten, elektrisch leitenden Füllung 13 oder, wie oben erwähnt, mit einer oberflächenmetallisierten Folie gegen Auskopplung von Mikrowellen verschließen. Ein kompaktes, lösbar eingesetztes Füllstück 13 er­ laubt die Benutzung des Bestrahlungsfensters 11 auch als Beschickungsöffnung.

Ein Versuchsaufbau mit allen zur Durchführung von Mes­ sungen transversaler oder longitudinaler Feldverläufe benötigten Komponenten ist in Fig. 4 schematisch dar­ gestellt. Dabei sind Teile, die bereits im Zusammen­ hang mit Fig. 1 erläutert wurden, mit denselben Be­ zugszeichen versehen. Diese Meßapparatur weist also auf: einen Generator 1, einen Isolator 2, einen Ab­ schwächer 16 und einen Zirkulator 3, an den sich ei­ nerseits ein Gleichrichter 17 und an dessen Ausgang für elektrische Signale ein phasenempfindlicher Gleichrichter 18 (sog. Lock-In), ein Zerhacker 20 mit einer rotierenden Lochscheibe 26 im Strahlengang 10 hinter einer Photonenquelle 19 (He-Ne-Laser, g=633 mm) anschließen. Ebenfalls an den phasenempfindlichen Gleichrichter 18 angeschlossen sind ein Analog/Digi­ talwandler 21 und ein Rechner 22 mit einem Sichtgerät und/oder Drucker 23. Vom Rechner 22 gesteuert wird ein Schrittmotor 24 mit einem Drehspiegel, wie bereits oben schon erwähnt. Der Photonenstrahl 10 tastet die Sonde 8 in der Meßleitung 4 ab.

Die Meßleitung 4 - bzw. gemäß Fig. 5 die Krümmer 14 und 15 - hat einen Mikrowellenanschluß zum Zirkula­ tor 3 und einen Abschluß 25 mit der Impedanz (Z) und ist mit einem Bestrahlungsfenster 11 bzw. 12, ggfs. mit einer transparenten, elektrisch leitenden Füllung 13 versehen.

Die Fig. 6 zeigt ein Feldstärkeprofil (Longitudinal­ messung), das mit dem oben erläuterten Meßaufbau auf­ genommen wurde. Über dem Abstand l vom Eingangs­ flansch der Meßleitung (l in relativen Einheiten) ist das Mikrowellensignal a (ebenfalls in relativen Ein­ heiten) aufgetragen. Die Mikrowellenfrequenz betrug f = 36,8 MHz; die Leitung war mit einem Kurzschluß abgeschlossen. Die Feinstruktur im Kurvenverlauf ist auf Ungleichmäßigkeiten des photoaktiven Materials zurückzuführen.

Als Anwendungsbeispiele sind zu nennen:

• - Bestimmung des transversalen und longitudinalen Feld­ verlaufes in Hohlleiter-Bauelementen. Zweidimensiona­ les (flächiges) Abtasten ist leicht möglich. Die ört­ liche Auflösung wird durch die Fokussierung des Photo­ nenstrahles und den Diffusionsradius der erzeugten La­ dungsträger bestimmt, wobei die Verteilung der Über­ schußladungsträger ein Maximum bei der bestrahlten Fläche hat. Der Strahl eines He-Ne-Lasers läßt sich mit geringem Aufwand auf einen Durchmesser von 2 µm fokus­ sieren, die Diffusionslänge in Si liegt je nach Lebens­ dauer der Ladungsträger zwischen 2 und 200 µm. Damit läßt sich durch Wahl des Halbleitermaterials ein der Aufgabenstellung entsprechender Kompromiß zwischen Empfindlichkeit und Ortsauflösung finden.
• - Impedanzmessung im Mikrowellenbereich. Für diese An­ wendung muß ein streifenförmiger Halbleiter mit einer Länge von mehreren Wellenlängen z.B. mittig oder an einer Innenwand in einem Hohlleiter in Ausbreitungs­ richtung des Feldes angebracht werden, der durch ei­ nen entsprechenden Schlitz in der Breitseite des Hohl­ leiters belichtet wird (vgl. Fig. 3 und Meßergebnis Fig. 6).
• - Frequenzmessung für Millimeterwellen. Hierzu wird eine Messung des longitudinalen Feldverlaufs durchgeführt, wobei die obere Frequenzgrenze durch die Diffusion der erzeugten Ladungsträger bestimmt wird.

Während bei Impedanzmessung die reflektierte Mikrowellen­ leistung (vgl. Detektor 6 in Fig. 1) ausgewertet wird, kann bei den beiden anderen genannten Anwendungen je nach Anordnung die Auswertung der reflektierten oder absorbierten Leistung (vgl. Detektor 5 in Fig. 1) zweck­ mäßiger sein.

• Bezugszeichen-Liste:  1 Generator
   2 Isolator
   3 Zirkulator
   4 Meßleitung
   5 Detektor A
   6 Detektor B
   7 Bestrahlungssystem
   8 Sonde
   9 Stirnfläche
  10 Photonenstrahl
  11 Bestrahlungsfenster
  12 Bestrahlungsfenster
  13 Füllung
  14 Krümmer (90°)
  15 Krümmer (90°)
  16 Abschwächer
  17 Gleichrichter
  18 phasenempfindlicher Gleichrichter
  19 He-Ne-Laser ( g = 633 mm)
  20 Zerhacker
  21 AD-Wandler
  22 Rechner
  23 Sichtgerät/Drucker
  24 Schrittmotor
  25 Anschluß (Impedanz Z)
  26 rotierende Lochscheibe

Claims (10)

1. Mikrowellen-Meßapparatur, deren Hohlleitersystem einen Generator und einen Detektor für Mikrowellen auf­ weist und die mit einem Bestrahlungssystem ausgerüstet ist, welches zur Erzeugung eines Ladungsträgerüber­ schusses an örtlich variierbaren Punkten auf der Ober­ fläche von photoempfindlichem Material dient, das sich in einer Meßleitung des Hohlleitersystems befindet, gekennzeichnet durch eine Sonde (8), die ortsfest bezüglich der Meßleitung (4) angebracht und deren Oberfläche als homogener, aus dem photoempfindlichen Material bestehender Schirm (9) für einen schwenkbaren Photonenstrahl (10) ausgebildet ist.

2. Meßapparatur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine als Streifen ausgebildete Sonde (8).

3. Meßapparatur nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Anordnung des Streifens mit senkrecht zur Ausbrei­ tungsrichtung der Mikrowellen liegender Schirmfläche (9).

4. Meßapparatur nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Sonde (8) an einem offenen Ende der Meßleitung (4).

5. Meßapparatur nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Krümmer (14) mit einem Bestrahlungsfenster (12).

6. Meßapparatur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine stabförmig ausgebildete Sonde (8).

7. Meßapparatur nach Anspruch 2 oder 6, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Sonde (8) mit parallel zur Ausbrei­ tungsrichtung der Mikrowellen liegender Schirmfläche (9) und ein schlitzförmiges Bestrahlungsfenster (11) in einer zur Schirmfläche (9) parallelen Wand der Meßleitung (4).

8. Meßapparatur nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Befestigung der Sonde (8) in der Meßleitung (4) an derjenigen Innenwand, die sich gegenüber der Wand mit dem Bestrahlungsfenster (11) befindet.

9. Meßapparatur nach Anspruch 5 oder 7, gekennzeichnet durch eine Füllung (13) der Öffnung des Bestrahlungsfensters (11, 12) aus transparentem, elektrisch leitendem Mate­ rial.

10. Meßapparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Sonde (8), deren Schirm (9) ca. 0,3 mm dick und ca. 1 mm breit ist und aus n-Si mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 5Ω cm besteht.