DE69320217T2

DE69320217T2 - Differentialer dielektrischer Analysator

Info

Publication number: DE69320217T2
Application number: DE69320217T
Authority: DE
Inventors: Kerry New Fairfield Ct 06812 Mckinley; Michael J. Ridgefield Ct 06877 O'neil
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1993-02-11
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2013-02-12
Also published as: US5309110A; JP3233241B2; EP0558972A2; EP0558972A3; DE69320217D1; EP0558972B1; JPH0618576A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe, und insbesondere eine Vorrichtung zum differentiellen Bestimmen der dielektrischen Eigenschaften einer Probe.

Hintergrund der Erfindung

Viele Vorrichtungen sind zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften von Materialien verwendet worden. Allerdings verwenden viele dieser Einrichtungen komplizierte Geometrien bei denen es schwierig ist, sie genau beizubehalten und zu verwenden. Einige Vorrichtungen verwenden eine Parallelplattengeometrie (beispielsweise GB-A- 985428). Allerdings leiden Vorrichtungen mit Parallelplattengeometrie unter Randeffekten, die eine komplexe Abschirmung und Schutzringe erfordern. Sogar mit der komplexen Abschirmung und den Schutzringen ist die Genauigkeit der Vorrichtung nur ein Kompromiß. Zusätzlich sind im allgemeinen große Proben erforderlich. Die Verwendung großer Proben ist unbequem und beschränkt zusätzlich die Möglichkeit, die Temperatur der Probe während der Messung genau zu steuern.
Deshalb besteht ein Erfordernis an einer verbesserten, genaueren Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung mit einer Parallelplattengeometrie zum Messen dielektrischer Eigenschaften einer Probe. Eine der Parallelpiatten umfaßt eine erste und zweite Elektrode, die voneinander unabhängig und in bezug aufeinander außer Phase angesteuert werden. Die erste Elektrode ist über einem Loch in einer zu analysierenden Probe positioniert. Die zweite Elektrode ist über einem kontinuierlichen Abschnitt der Probe positioniert. Wenn die erste und die zweite Elektrode durch Abschnitt der Probe positioniert. Wenn die erste und die zweite Eiektrode durch einen Oszillator 180º außer Phase angesteuert werden, ist der durch die obere Elektrodenplatte erzeugte Strom eine Vektorsumme der differentiellen Konduktanzkomponente und der differentiellen Suszeptanzkomponente. Diese zwei Komponenten werden durch einen phasensensitiven Demodulator unter Verwendung von Referenzsignalen, die in Phase und 90º außer Phase mit den durch den Oszillator angelegten Spannungen sind, wiedergewonnen. Die resultierende Konduktanz und Suszeptanz sind direkt proportional zu der Leitfähigkeit und der Kapazität der Probe. Die Suszeptanzkomponente des Signals wird zusammen mit der Dicke und dem Durchmesser des Lochs in der Probe verwendet, um die dielektrische Konstante der Probe zu bestimmen.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kanteneffekte beim Messen der dielektrischen Eigenschaften einer Probe zu eliminieren.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß relativ kleine Probengrößen verwendet werden können.
Es ist ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß der Aufbau relativ einfach ist.
Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß eine der Parallelelektrodenplatten zwei unabhängige Elektrodenabschnitte aufweist, die in bezug aufeinander außer Phase angesteuert werden.
Diese und andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale werden vollständig offensichtlich angesichts der folgenden detaillierteren Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Figur ist eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Figur ist eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein Oszillator 10 hat ein erstes sinusförmiges AC-Ausgabesignal 12 und ein zweites sinusförmiges AC-Ausgabesignal 14. Das zweite Ausgabesignal 14 ist in bezug auf das erste Ausgabesignal 12 180º außer Phase. Das erste Ausgabesignal 12 ist an eine erste untere Elektrode 16 gekoppelt. Das zweite Ausgabesignal 14 ist an eine zweite untere Elektrode 18 gekoppelt. Die erste und die zweite untere Elektrode 16 und 18 sind auf einem Substrat 24 angeordnet. Das Substrat kann aus einem beliebigen isolierenden Material bestehen, vorteilhafterweise besteht es allerdings aus Berylliumoxid, um horizontale Temperaturgradienten zu verringern. Auf dem Substrat 24 ist ein Heizelement 26, das durch eine Heizelementsteuereinrichtung 28 steuerbar ist, angebracht. Die Heizelementsteuereinrichtung 28 steuert die Temperatur des Substrats 24, wenn die dielektrischen Parameter als Funktion der Temperatur erwünscht sind. Das Substrat 24 ist durch die Halterung für das untere Substrat 36 gehaltert, die durch eine Halterungsführung für das untere Substrat 38 in Position gehalten wird. Der ersten und zweiten unteren Elektrode 16 und 18 gegenüberliegend ist eine obere Elektrode 30 vorgesehen. Ein Kontakt für die obere Elektrode 32 ist mit einer Strom-zu-Spannungs- Konvertereinrichtung 42 verbunden. Die Strom-zu-Spannungs-Konvertereinrichtung 42 ist an eine phasensensitive Demodulatoreinrichtung 44 angeschlossen. Der phasensensitiven Demodulatoreinrichtung 44 wird ein Synchronisierungssignal 46 von dem Oszillator 10 zugeführt. Das Synchronisierungssignal 46 führt zu einem Signal, das in Phase mit dem ersten Ausgabesignal 12 des Oszillators 10 ist und zu einem anderen Signal, das 90º außer Phase mit dem ersten Ausgabesignal 12 ist.
Zwei Signale werden von der phasensensitiven Demodulatoreinrichtung 44 ausgegeben. Das erste Signal 48 ist proportional zur Konduktanz einer Probe 20 minus der Konduktanz des Luftspalts, der durch ein Loch 22 in der Probe gebildet wird, wobei das Loch 22 zwischen der ersten unteren Elektrode 16 und der oberen Elektrode 30 positioniert ist. Die Konduktanz des Luftspalts, der durch das Loch 22 gebildet wird, ist im allgemeinen vernachlässigbar. Das zweite Signal so ist proportional zu der Suszeptanz der Probe 20 minus de Suszeptanz des Luftspalts, der durch das Loch 22 gebildet ist. Die zwei Signale 48 und 50 werden in eine Berechnungseinrichtung 52 eingegeben, um verschiedene dielektrische Parameter der Probe, nämlich die Konduktanz, die Suszeptanz, die dielektrische Konstante und tan 6 zu bestimmen.
Um die dielektrische Konstante der Probe zu berechnen, wird die Dicke der Probe benötigt. Die Dicke der Probe wird der Berechnungseinrichtung 52 durch eine Positionssensoreinrichtung 54, die an den Kontakt der oberen Elektrode 32 gekoppelt ist, geliefert. Die obere Elektrode 30 und der Kontakt der oberen Elektrode 32 sind in vertikaler Richtung bewegbar, um die Positionierung einer Probe 20 zwischen der oberen Elektrode 30 und der ersten und zweiten unteren Elektrode 16 und 18 zu ermöglichen. Eine Feder 58 wird verwendet, um die obere Elektrode 30 in Kontakt mit der Probe 20 vorzuspannen. Die Halterung für die obere Elektrode 34 wird zur Führung des Kontakts der oberen Elektrode 32 verwendet. Die Positionssensoreinrichtung 54 kann irgendein elektrischer oder mechanischer Sensor, wie beispielsweise ein LVDT sein, der genau die Änderungen in der vertikalen Position des elektrischen Kontakts 32 bestimmen kann. Die Dicke der Probe kann dann leicht aus der Änderung in der vertikalen Position von dem geschlossenen Zustand zu dem Zustand, in dem die Probe zwischen die erste und zweite untere Elektrode 16 und 18 und die obere Elektrode 30 eingesetzt ist, bestimmt werden. Auf Beendigung der Berechnung der verschiedenen erwünschten Parameter durch die Berechnungseinrichtung 52 hin werden die verschiedenen Parameter auf einer Anzeige 56 angezeigt.
Der Betrieb der Vorrichtung kann nun sofort unter Bezugnahme auf die Figur verstanden werden. Eine dünne flache Probe 20 wird zwischen die obere Elektrode 30 und das Substrat 24 plaziert. Die Probe ist typischerweise ein dünnes flaches Material, dessen dielektrische Eigenschaften gewünscht sind. Die Dicke der Probe liegt typischerweise in einem Bereich von 0,001 und 0,020 lnch (1 lnch = 25,4 mm). Der Durchmesser der Probe ist typischerweise 1 lnch. In einem Abschnitt der Probe ist ein Loch 22 vorgesehen. Das Loch der Probe ist über der ersten oder der zweiten unteren Elektrode 16 oder 18 positioniert. Der Durchmesser des Lochs 22 sollte kleiner als der Durchmesser entweder der ersten oder der zweiten unteren Elektrode 16 oder 18 sein. Der obere Oberflächenbereich oder Durchmesser der ersten und zweiten unteren Elektrode 16 und 18 sind vorzugsweise identisch. Der untere Oberflächenbereich der Elektrode 30 ist vorzugsweise wenigstens so groß wie der kombinierte obere Oberflächen bereich der ersten und der zweiten unteren Elektrode 16 und 18. Die Probe 20 sollte sich über die äußere Kante der oberen Elektrode 30 erstrecken. Die Probe kann leicht zwischen die obere Elektrode 30 und die erste und zweite untere Elektrode 16 und 18 durch Anheben der oberen Elektrode 30 eingesetzt werden. Alternativ kann das Substrat 24 bewegbar ausgebildet sein, wobei die obere Elektrode 30 feststehend verbleibt.
Der Oszillator 10 erzeugt eine periodische oder sinusförmige Spannung zum Ansteuern der ersten und zweiten unteren Elektroden 16 und 18. Der Oszillator hat typischerweise einen Frequenzbereich zwischen 0,001 Hz und 100 kHz und eine Spannung, die zwischen einem Bereich von 0 bis 20 Volt von Peak zu Peak liegt.
Die zweite untere Elektrode 18, die 180º außer Phase in bezug auf die erste untere Elektrode 16 angesteuert wird, führt dazu, daß ein differentielles Signal äquivalent zu einer Probe der Größe des Lochs ohne Kanteneffekte erzeugt wird. Dies führt zu einer wesentlich besseren Darstellung der dielektrischen Eigenschaften der Probe 20. Der induzierte Strom wird durch den Kontakt für die obere Elektrode 32 zur Strom-zu- Spannungs-Konvertereinrichtung 42 geführt. Die erzeugten Ströme sind, da sie relativ niedrig sind, schwer zu verarbeiten und werden deshalb in eine Spannung konvertiert. Die Spannung von der Strom-zu-Spannungs-Konvertereinrichtung 42 wird dann in eine phasensensitive Demodulatoreinrichtung 44 geführt. Die phasensensitive Demodulatoreinrichtung 44 wird durch das Synchronisationssignal 46 von dem Oszillator 10 mit einem Signal, das in Phase mit dem ersten Ausgabesignal 12 des Oszillators 10 ist, und einem Signal, das 90º außer Phase in bezug auf das erste Ausgabesignal 12 des Oszillators 10 ist, synchronisiert. Dadurch kann das Signal, das in die phasensenstive Demodulatoreinrichtung 44 eintritt, in zwei Signals demoduliert werden, die repräsentativ oder proportional zu der Differenz zwischen der Konduktanz und der Suszeptanz der Probe und der Konduktanz und der Suszeptanz des Luftspalts, der durch das Loch 22 gebildet wird, ist. Die Suszeptanzkomponente ist 90º außer Phase in bezug auf die Konduktanzkomponente. Die Konduktanzkomponente ist in Phase mit dem ersten Ausgabesignal 12 des Oszillators 10. Die differentielle Suszeptanzkomponente des Signals ist durch die folgende Gleichung gegeben:
ωΔC =ω&epsi;o(k-1)A/d
wobei &epsi;o die Dielektrizitätskonstante des Vakuums ist,
k die dielektrische Konstante der Probe ist,
A die Fläche des Lochs in der Probe ist,
d die Dicke der Probe ist.
Deshalb ist die einzige Unbekannte zur Bestimmung der dielektrischen Konstante k die Dicke d der Probe. Diese Dicke d wird durch die Positionssensoreinrichtung 54 erhalten oder kann manuell gemessen werden und wird der Berechnungseinrichtung 52 zugeführt.
Eine Heizelementsteuereinrichtung 28 und ein Heizelement 26 sind vorgesehen, um es zu ermöglichen, die dielektrischen Parameter einer Probe als Funktion der Temperatur aufzunehmen. Um dabei zu helfen, Temperaturgradienten in der Probe zu vermeiden, kann die Probe und die Befestigungseinrichtung unter verringertem Druck gehalten werden. Zusätzlich hat der Oszillator 10 einen variablen Frequenzbereich, typischerweise zwischen 0,001 Hz und 100 kHz, um es zu ermöglichen, die dielektrischen Eigenschaften als Funktion der Frequenz darzustellen.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1.Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektri schen Eigenschaften einer Probe (20), umfassend:

ein Substrat (24);

eine erste untere Elektrode (16), die auf dem Substrat (24) angebracht ist;

eine zweite untere Elektrode (18), die auf dem Substrat (24) angebracht ist;

eine obere Elektrode (30);

eine Oszillatoreinrichtung (10), die an die erste und zweite untere Elektrode (16, 18) gekoppelt ist, zum Ansteuern der ersten und zweiten unteren Elektrode (16, 18), wobei die zweite Elektrode (18) in bezug auf die erste Elektrode (16) außer Phase angesteuert wird;

eine Demodulatoreinrichtung (44), die an die obere Elektrode (30) gekoppelt ist, zum Extrahieren eines Signals, das für die Konduktanz der Probe (20) repräsentativ ist, und eines Signals, das für die Suszeptanz der Probe (20) repräsentativ ist;

eine Berechnungseinrichtung (52), die an die Oszillatoreinrichtung (10) und die Demodulatoreinrichtung (44) gekoppelt ist, zum Berechnen der erwünschten dielektrischen Eigenschaften der Probe (20); und

eine Anzeigeeinrichtung (56), die an die Berechnungseinrichtung (52) gekoppelt ist, zum Anzeigen der erwünschten dielektrischen Eigenschaften der Probe (20).

2. Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe (20) nach Anspruch 1, in welcher:

die zweite Elektrode (18) in bezug auf die erste Elektrode (16) mit 180º außer Phase angesteuert wird.

3. Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe (20) nach Anspruch 2, in welcher:

die erste und zweite untere Elektrode (16,18) gleiche Oberflächenbereiche haben.

4. Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe (20) nach Anspruch 1, in welcher:

der Oberflächenbereich der oberen Elektrode (30) wenigstens so groß wie die kombinierten Oberflächenbereiche der ersten und der zweiten unteren Elektrode (16, 18) ist.

5. Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe (20) nach Anspruch 1, in welcher:

die Oszillatoreinrichtung (10) variabel ist.

6. Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe (20) nach Anspruch 5, in welcher:

die Oszillatoreinrichtung (10) einen variablen Frequenzbereich zwischen 0,001 Hz und 100 kHz aufweist.

7. Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe (20) nach Anspruch 6, in welcher:

die Berechnungseinrichtung (52) außerdem eine Einrichtung zum Berechnen der dielektrischen Eigenschaften der Probe (20) als Funktion der Frequenz aufweist.

8. Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe (20) nach Anspruch 1, weiter umfassend:

eine Heizeinrichtung (26), die an das Substrat (24) gekoppelt ist, zum Heizen der Probe (20) über einen Temperaturbereich.

9. Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe (20) nach Anspruch 1, weiter umfassend:

eine Positionssensoreinrichtung (54), die entweder mit der oberen Elektrode (30) oder dem Substrat (24) assoziiert ist, zum Bestimmen der Dicke der Probe (20), die dazwischen plaziert ist.

10. Eine Vorrichtung zum Analysieren der dielektrischen Eigenschaften einer Probe (20) nach Anspruch 9, in welcher: die Berechnungseinrichtung (52) außerdem eine Einrichtung zum Berechnen der dielektrischen Konstante der Probe (20) aufweist.

11. Eine Vorrichtung zum Analysieren dielektrischer Eigenschaften, umfassend:

ein Substrat (24);

eine erste untere Elektrode (16), die auf dem Substrat (24) angebracht ist;

eine zweite untere Elektrode (18), die auf dem Substrat (24) benachbart zur ersten unteren Elektrode (16) angebracht ist, wobei die zweite untere Elektrode (18) einen oberen Oberflächenbereich aufweist, der gleich einem oberen Oberflächenbereich der ersten unteren Elektrode (16) ist;

eine obere Elektrode (30), die über der ersten und zweiten unteren Elektrode (16, 18) positioniert ist, mit einem unteren Oberflächenbereich, der wenigstens so groß wie der kombinierte obere Oberflächenbereich der ersten und zweiten unteren Elektrode (16, 18) ist;

eine planare zu analysierende Probe (20), wobei die Probe (20) ein Loch (22) in derselben aufweist, wobei die Probe (20) zwischen der oberen Elektrode (30) und der ersten und zweiten unteren Elektrode (16,18) derart positioniert ist, daß das Loch (22) vollständig über der ersten oder der zweiten unteren Elektrode (16,18) positioniert ist;

eine Oszillatoreinrichtung (10), die an die erste und zweite untere Elektrode (16, 18) gekoppelt ist, zum Anlegen eines ersten Signals an die erste untere Elektrode (16) und eines zweiten Signals an die zweite untere Elektrode (18), das in bezug auf das erste Signal 180º außer Phase ist; und

eine phasensensitive Demodulatoreinrichtung (44), die an die obere Elektrode (30) und die Oszillatoreinrichtung (10) gekoppelt ist, zum Erhalten einer ersten Komponente, die in Phase mit dem ersten Signal und repräsentativ für die Konduktanz der Probe (20) ist, und einer zweite Komponente, die 90º außer Phase in bezug auf das erste Signal und repräsentativ für die Suszeptanz der Probe (20) ist.

12. Eine Vorrichtung zum Analysieren dielektrischer Eigenschaften nach Anspruch 11, weiter umfassend:

eine Positionssensoreinrichtung (54), die entweder an die obere Elektrode (30) oder an das Substrat (24) gekoppelt ist, zur Bestimmung der Dicke der Probe (20); und

eine Berechnungseinrichtung (52), die an die Positionssensoreinrichtung (54) und die phasensensitive Demodulatoreinrichtung (44) gekoppelt ist, zum Berechnen der dielektrischen Konstante der Probe (20).

13. Eine Vorrichtung zum Analysieren dielektrischer Eigenschaften nach Anspruch 12, weiter umfassend:

ein Heizelement (26), das an dem Substrat (24) angebracht ist; und

eine Heizelementsteuereinrichtung (28), die an das Heizelement (26) und die Berechnungseinrichtung (52) gekoppelt ist, zum Steuern der Temperatur der Probe (20).

14. Eine Vorrichtung zum Analysieren dielektrischer Eigenschaften nach Anspruch 13, weiter umfassend:

eine Anzeigeeinrichtung (56), die an die Berechnungseinrichtung (52) gekoppelt ist, zum Anzeigen ausgewählter dielektrischer Eigenschaften der Probe (20).