JP2006275614A - 空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明では、共振空洞、例えば球形共振器100に電磁波の波長より充分小さい開口を構成することにより、開口から漏れる電磁波は指数関数的に減衰するエバネッセント波になる。その電磁波のコンピュータ解析が可能になり、精度のよい複素誘電率を求めることができる。プローブ形共振器の開口部に試料を負荷しないときのQ特性のデータと試料を負荷したときのQ特性のデータの偏差(QのシフトΔQ,周波数シフトΔfを求める)から、
ΔQ(Qのシフト)=g(ε’,ε”)
Δf(周波数シフト)=f(ε’,ε”)の関係により、
複素誘電率ε(ε=ε’+jε”≡ε’+j(σ/ω’ε0 ))を算出することができる。
【選択図】図1
Description
実開平3−70370号には、金属ケースと金属ケース内に取り付けた誘電体共振器に測定試料を付加して、摂動理論によって誘電体基板の複素誘電率を測定する装置が示されている。構造上試料を共振器の中に設定し、しかも摂動理論の条件を満たすために、試料の寸法に制限される問題がある。また一般に測定できる周波数は一種類のみである。
空洞からエバネッセント波を取り出すための小さい開口を備える高いQの空洞共振器と、
探針と、
前記開口に前記探針の先端が外部に突き出し基部が前記空洞内の共振電磁界に結合するように支持する探針支持手段と、
前記空洞を前記探針の先端が試料の表面に前記共振器の動作が摂動理論を満足する負荷状態を維持するように予め定めた一定の距離を保つ位置および無負荷状態を維持する前記試料の表面から離れた位置に支持可能な空洞支持手段と、
前記探針を支持した空洞に疎に結合して励起し、変化を取り出すマイクロ波アンテナと、
前記探針に試料を負荷した負荷位置のQ特性のデータと試料を負荷しない無負荷位置のQ特性のデータの偏差ΔQと周波数シフトΔfをフェイズロックにより自動的に測定する手段と、
前記偏差ΔQと周波数シフトΔfが試料の複素誘電率(ε=ε’+jε”)の次の既知の関数
ΔQ(Qのシフト)=g(ε’,ε”)
Δf(周波数シフト)=f(ε’,ε”)
であることから、数値計算で解いた前記試料の複素誘電率を算出する計算手段と、
から構成されている。
空洞からエバネッセント波を取り出すための小さい開口を備える高いQの空洞共振器と、
対面配置される一対の探針と、
前記開口に前記探針の先端が外部に突き出し基部が前記空洞内の共振電磁界に結合するように支持する探針支持手段と、
前記空洞を前記探針の先端が試料の表面に前記共振器の動作が摂動理論を満足する負荷状態を維持するように予め定めた一定の距離を保つ位置および無負荷状態を維持する前記試料の表面から離れた位置に支持可能な空洞支持手段と、
前記探針を支持した空洞に疎に結合して励起し、変化を取り出すマイクロ波アンテナと、
前記探針に試料を負荷した負荷位置のQ特性のデータと無負荷位置のQ特性のデータの偏差ΔQと周波数シフトΔfをフェイズロックにより自動的に測定する手段と、
前記偏差ΔQと周波数シフトΔfが試料の複素誘電率(ε=ε’+jε”)の次の既知の関数
ΔQ(Qのシフト)=g(ε’,ε”)
Δf(周波数シフト)=f(ε’,ε”)
であることから、数値計算で解いた前記試料の複素誘電率を算出する計算手段と、
から構成されている。
前記空洞支持手段は、試料の表面から一定の高さ方向(z)の距離を保って前記試料表面(x,y)に平行方向に移動可能であり、前記一定の高さ方向(z)の距離は、自動制御により維持されている。
前記空洞支持手段は、試料の表面から一定の高さ方向(z)の距離を保って前記試料表面(x,y)に平行方向に移動可能であり、前記一定の高さ方向(z)の距離は、自動制御により維持され、
試料の支持台と前記空洞支持手段はz軸まわりに相対回転可能である。
前記空洞は、球、円筒、矩形空洞である。
前記空洞は球であり、TM011 (θ,r,φ)(サフィックスは球座標で表示)モードで共振している。
前記空洞は球であり、TE011 (θ,r,φ)(サフィックスは球座標で表示)モードで共振している。
前記空洞は円筒であり、TM010 (θ,r,z)またはTE011 (θ,r,z)(サフィックスは円筒座標で表示)モードで共振している。
前記Qは10,000を越えるものである。
球および円筒の共振器を例示して詳しく説明したが、矩形空洞共振器も同様に利用できる。
プローブ型共振器の開口部に試料を負荷しないときのQ特性のデータと試料を負荷したときのQ特性のデータの偏差(QのシフトΔQ,周波数シフトΔfを求める)から、
ΔQ(Qのシフト)=g(ε’,ε”)
Δf(周波数シフト)=f(ε’,ε”)の関係により、
複素誘電率ε(ε=ε’+jε”≡ε’+j(σ/ω’ε0 ))
を算出することができ、精密に複素誘電率を測定することができる。
請求項2に係る発明によれば、開口の大きさでエバネッセントの電磁波の減衰特性を解析できるので、複素誘電率の深さ方向の特性を求める方法およびプローブの固有減衰特性が明確化され、逆に試料の膜厚を測定することができる。
請求項4に係わる発明によれば、共振器はプローブの交換可能な構造のために、共振器の共振可能な周波数ごとに交換して測定をすることにより、広帯域な周波数に対する複素誘電率を測定できる。
請求項6に係わる発明によれば、測定部が共振器の開口部になるので、液体の表面の複素誘電率、気体の複素誘電率、人体や半導体の表面膜などの複素誘電率を測定できる。
請求項7に係わる発明によれば、プローブを試料平面内で自由に移動して各局部の誘電率を計測することにより、試料の誘電率の平面分布を測定できる。
請求項9に係わる発明によれば、測定精度を高くすることができる。
均質なまたは異方性な材質では、誘電率εは次の式のように複素数で表現できる。
ε=ε’+jε”≡ε’+j(σ/ω’ε0 )
ここでε’は誘電率の実数部、ε”は誘電率の虚数部、σは材質の導電度、ω’は角波数、ε0 は真空中の誘電率である。いまキャビティの共振周波数f0 と負荷されたキャビティのQ特性は、複素角周波数の変化に関係する。すなわち次式で表される。
δω/ω2 ={(ω’2 −ω’1 )+j(ω”2 −ω”1 )}/(ω’2 −jω”2 )
≒(f02−f01)/f02−j(1/2Ql2+1/2Ql1)
キャビティの摂動方程式から誘導すると、この複素各周波数は、複素誘電率に関係することがわかる。
ここでキャビティの摂動方程式は次式で表わされる。
Vs とVj は、試料の体積Vs とキャビティの体積Vj を示す。上式のHバーとFバーは磁界と電界を現す。
電界の最大値に位置する細い小片の試料については次式であらわされる。
df0 ={(δε’・ε’+δε”・ε”)/(ε’2 +ε”2 )}K
δ(1/2QL )={(δε”・ε’−δε’・ε”)/(ε’2 +ε”2 )}K
ここでδε’とδε”は、誘電率の実数部と虚数部の差異を示す。Kは試料の形状に起因し、また電界の分布状態に起因する数値的な定数ファクタである。
このような一般式において、誘電率の実数部と虚数部の差異はキャビティのQ特性の変化ならびに共振周波数の変化に依存するわけである。よって前述の式は
Δf=f(ε’,ε”)
ΔQ=g(ε’,ε”)で表現できる。
図8は横軸が周波数、縦軸が誘電率の実数部を示す。
図7は、tan δが一定の条件を保った場合に(たとえば、tan が0.01のときに)、無負荷時の共振周波数と測定時の共振周波数の差すなわちΔfに対して実数部ε’が求まる。これを示したのが図7である。
図8では、ε’を一定に保つ場合(たとえばε’が10のときに)、無負荷のときのQの値と測定時のQの値から算出されるΔQに対するε”の値を示す。当然図7と図8の関係で明確のように、測定値のQや共振周波数からε’とε”が求まるわけである。以上数値解析の原理と数値解析の方法を述べた。
そして開口部近辺に蓄積されるエバネッセント波の電磁波のエネルギは、共振器の全蓄積エネルギに比較して十分少ないので、前述の摂動理論が応用できる。
誘電体測定プローブの形状寸法を自由に選択できるように、交換式にして、試料の寸法、電界分布の解像度を選択できるのが特徴である。
このモードはTM011 である。ここでサフィックス011は球座標(θ,r,φ)(図4B参照)で表している。
前記電磁結合のアンテナ106は、球形共振器に疎に結合している。球形共振器自体のQをQ0 、前記アンテナの結合により外部から共振器に加わるQをQext とすれば、システム全体のQは次の式で与えられる。
1/Q=1/Q0 +1/Qext
アンテナを疎に結合すれば、外部から共振器に結合されるQext が大きくなる。つまり、QとQ0 はほぼ等しくなり、共振器のQは高く維持されることにより、測定精度を高くできる。
球形共振器の下部に測定用開口部があり、高周波励振周波数の波長より充分短く設定されている。その開口部の中心に試料の複素誘電率を測定する微細アンテナのプローブ102があり、先端部は微細加工した針の形状になっている。微細アンテナのプローブと球形共振器との取り付け部分は誘電体損失の少ないテフロン誘電材料103で構成する。この開口部は高周波励振周波数の波長より充分短く設定されているので、開口部から放出する高周波はエバネッセント波になり、その波の振幅は開口部の外側で急激に減衰する。試料の複素誘電率を測定する場合、微細アンテナのプローブ102の先端を試料に極めて近い距離で設定する。この設定方法は誘電体駆動装置を用いて、距離の維持を図る。構造はシンプルでかつ操作も制御装置により測定が簡単になる。このタイプは請求項1に記載した探針が1本タイプである。
λ=2.29rになる。またQは、Q=1.01ζ/Rs である。
ここでζ=(μ/ε)1/2 である。
特に球形共振器は内部の壁の導電度を高くし、壁の損失を押さえるように製作すると、Qは非常に高い値にある。因みに励振周波数が数ギガの周波数帯域で、同軸形共振器ではQの値は2000以下に対して、球形共振器ではQの値は10000以上にもなる。このQ特性が高いことは、共振時に試料がない状態と測定する試料を挿入した状態での極めて少ない複素誘電率の変化に対してQ特性が変化することになる。当然周波数の変化も現れるので、検出しやすい。
よって、試料の複素誘電率の測定精度が高くなる。また検出感度が高くなれば、精度を少し押さえて、試料の微細領域の複素誘電率を測定することができる。
当然測定精度と微細領域の測定はトレードオフの関係になるので、測定の目的により選択することができ、測定方法の幅が広がり、測定の自由度が大きくなる。
この様に、一般の機器に使われる電気材料の複素誘電率の基礎データが簡単に測定できるので、民生機器の性能向上に役立つ。
このTE011 モードでは、共振周波数時の波長はλ=1.395rになる。
またQ=2.24ζ/Rs である。
電界は2本の探針に印加される。2本の探針202A、202Bは薄い板上の平行板で構成する。探針の先端部における電界の方向はY軸方向に向かう。
電界の向きが一定方向に規定されるので、試料の誘電体の異方性を調べるときに有効になる。すなわち前述のTM011 モードでは電界はZ軸方向になり、このTE011 モードでは電界はY軸方向になる。さらに試料を90度回転した状態にして測定すれば、電界がX軸方向に印加した状態の測定と同じになるので、試料に対してX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に電界が加わったときの複素誘電率の測定ができる。このように誘電体の異方性の測定すなわち誘電率のテンソルが測定できる。
図3Aに示す本発明の円筒形共振器は、図1や図2と同様に左側のループアンテナ(矢印)から供給された高周波の磁界はZ軸を中心に回転する。電界はZ軸の負方向に向かう。この電界が1本の探針320を励起し、この電界はその探針320の先端部で試料に垂直にすなわちZ軸の負方向に印加する。共振器内部の高周波を検出する右側のループアンテナ(矢印)は磁界成分を検出する。図において301は電界、302は磁界を示す。303は支持部である。
この電磁界の発振モードは、TM010 モードである。サフィックスの010は円筒座標(θ,r,z)であらわされている。共振周波数に対応する発振波長は次式になる。
λ=2πa/ρ01
ここでaは円筒の空洞の半径である。
また次の電磁界の発振モードすなわちTE011 モードの電磁界でも有効に活用する。
サフィックスの011は円筒座標(θ,r,z)であらわす。共振周波数に対応する発振波長は次式になる。
λ=1/{(ρ01/2πa)2 +(1/2L)2 }1/2
ここでaは円筒の半径、Lは円筒状の空洞共振器の長さである。
この様に、TE011 の電磁界のモードに規定した円筒共振器でも複素誘電率を測定することができる。
図3Bに示す装置は、TE011 モードで動作する円筒空洞共振器を示している。なお、図3Aの装置と同様な機能をもつ要素には同じ符号を付してある。探針320は磁界302(H)に結合している。
本発明では基本的に空洞共振器(以下プローブ)の共振特性の変化を、すなわち共振周波数とQ特性の変化を検出して、試料の複素誘電率を測定する。
つまり、空洞共振器に設置するプローブに試料を当てないとき(無負荷,厳密には空気と結合した状態であり、比誘電率は1.0, tanδ=0)と前記プローブに試料を当てたとき(負荷,測定材料の前記空気の誘電率に対する比を求める)の2つの状態の共振周波数とQ特性の変化を調べる。
プローブに試料を当てないときには、この空洞共振器の等価回路を集中定数の並列共振回路の等価回路で考えれば、図9に示す等価回路で表わされる。
共振器の等価電気定数をR,C,Lとすれば
Z=1/Y=1/{G+j(ωC−1/ωL)}
である。
共振時では、ωC−1/ωL=0 になる。
試料のない場合の共振周波数をf0 とすれば、f0 =1/2π(LC)1/2 である。
またこのときのQをQ0 とすれば、Q0 =ω0 L/R=Gω0 Lである。
このように、共振器の固有の周波数で、すなわち無負荷時の共振周波数f0 で振動する。
この状態、すなわち共振周波数f0 での共振回路におけるL成分とC成分の合成インピーダンスはゼロになる。すなわち共振器の回路を外部からみれば、純抵抗成分になる。この抵抗は、回路(共振器)自身のロスである。
しかし、回路の特性インピーダンスR0 (純抵抗)と共振器の入力インピーダンスR(純抵抗)とは異なるので、反射波は発生するが、進行波と反射波の位相は同相になる。この条件における共振器の入力端での反射波の振幅Vr と進行波の振幅Vs との比
(Vr /Vs )は、(Vr /Vs )=(R−R0 )/(R+R0 )になる。
次にプローブに試料を当てたときには、この空洞共振器の等価回路を集中定数の並列共振回路の等価回路で考えれば、図10に示す等価回路で表わされる。
ここで試料の等価回路は基本的にキャパシタンスと抵抗で表される。
このことは、このキャパシタンスCs が共振器に付加されることになる。
試料の等価電気定数をCs ,Gs =1/Rs とすれば、
共振器の入力端から見たインピーダンスは
Z=1/Y=1/[(G+Gs )+j{ω(C+Cs )−1/ωL}]
このときの共振状態では、ω(C+Cs )−1/ωL=0 になる。
試料を付加した共振器での共振周波数f0sはf0s=1/2π{L(C+Cs )}1/2
である。
またこのときのQ値をQs とすれば、Q0s=ω0 L/R’=G’ω0 L である。
ただしG’=G+Gs 1/R’=1/R+1/Rs である。
このときの共振器の共振周波数f0sは、Cs の増加分により前記の固有共振周波数f0 より僅かに低くなる。また共振器のQ0sも、Rs の増加分により前記のQ0 より僅かに低くなる。試料の微小面積の複素誘電率を測定するには、この変化分は僅かになるので、測定装置の感度を上げるために、極めて高いQ0 特性をもつ構造の共振器が要求される。
当然共振器は共振しているので、LC成分のインピーダンスはゼロになり、純抵抗成分
R’のみになる。
よって共振器の入力端子では、この共振周波数f0sのときに進行波と反射波は同相になる。この条件における共振器の入力端での反射波の振幅Vr と進行波の振幅Vs との比
(Vr /Vs )は(Vr /Vs )=(R’−R0 )/(R’+R0 ) になる。
当然RとR’は異なるので、(Vr /Vs )は異なる。
また各共振時の共振周波数の偏移をΔfとQ偏移をΔQとすれば、
Δf=f0 −f0s,ΔQ=Q0 −Q0s で表わされる。
よって試料の挿入前後の周波数の差が測定できる。
VCO(Voltage Controlled Oscillator)509からの出力高周波は、サーキュレータ508に供給される。このサーキュレータ508は、周波数による負荷変動がVCO509に影響しVCO509の発振周波数に変化を与える現象を回避するために、すなわち負荷の反射電力を絶縁するために用いられる。さらに方向性結合器503に加わり、この方向性結合器503の出力から本発明の球形共振器502に供給される。
この位相補正により、共振時においてP1端子における進行波とP2端子における反射波との位相が同位相になるよう設定できる。また、回路には減衰器520,521が設けられている。
試料のない場合、共振時においてP1端子における進行波とP2端子における反射波の振幅を同じ振幅にするようにこの減衰器で調節する。また同様に試料のある場合、共振時においてP1端子における進行波とP2端子における反射波の振幅を同じ振幅にするようにこの減衰器で調節する。
この自動的なフェイズロックの詳しい動作説明は、以下のとおりである。
今仮に、図12に示すように、VCOの発振周波数が固有の共振周波数f0 より低くなると、反射波の位相は進行波の位相より遅れる。この位相遅れにより差動増幅器の出力がゼロから正電圧が生じ、この信号がVCOに入力されると、VCOの発振周波数は高くなる。よってVCOの発振周波数は固有の共振周波数f0 に戻る。逆に、VCOの発振周波数が固有の共振周波数f0 より高くなると、反射波の位相は進行波の位相より進む。この位相進みにより差動増幅器の出力がゼロから負電圧が生じ、この信号がVCOに入力されると、VCOの発振周波数は低くなる。
よってVCOの発振周波数は固有の共振周波数f0 に戻る。この負帰還制御が固有の共振周波数f0 に自動的にフェイズロックすることになる。
同様に、試料を付加したときには、前述の負帰還制御が共振周波数f0sに自動的にフェイズロックすることになる。
この動作は、以下の方法で行われる。CPU(図示せず)からの指令で、パルスモータ518が回転すると、パルスモータ軸ギア517が回転し、中間ギア516を介して上下駆動部連結ギア515が回転する。上下駆動部連結ギア515の回転により、試料上下駆動部514が上方に移動する。
当然、試料上下駆動部514は試料支持台519により回転を抑制されているので上下に移動する。
このように、上下の移動はおもにパルスモータの制御で行われるが、最後のミクロン前後の微動は、圧電駆動装置513に直流電圧を印加することにより行われる。
さらに複素誘電率を精度良くするには、探針の接触状態を正しく制御することになるので、一度探針を試料に接触したのち、試料上下駆動部514を下げて、探針と試料間に定電流電源から直流電流を流した状態から電流が遮断する位置で試料上下駆動部514を停止する方法で行う。
この方法で探針の接触状態を一定条件に設定することができる。
試料501に接触した状態のプローブ型共振器502の共振周波数とすれば、前述の回路動作により、測定システムのVCO509は共振周波数にフェイズロックされる。測定する試料501にプローブを当てる場合に試料501とプローブの機械的な接触状態を密着する。
また図2に示す2本の探針形球形共振器においては、図5に示す試料支持台519を水平方向(図4Aで示すX軸方向を指す)に駆動する装置を付加すれば、X軸方向の複素誘電率が求まる。さらに図5に示す試料支持台519をZ軸の周りに90度回転して複素誘電率を求めれば、この値は回転前における試料のY軸方向の複素誘電率になる。これらの測定手段のデータと、前述の1本探針の球形共振器によるデータ(試料に対してZ軸方向の電界で測定されている)を組み合わせると、X軸、Y軸、Z軸の方向の電界に対する複素誘電率が測定されたことになり、誘電体の複素誘電率のテンソル値が求まる。
スペクトルアナライザの回路は基本的には図6に示す回路構成である。
すなわちマイクロ波スペクトルアナライザは数百メガヘルツから数十ギガヘルツの周波数帯域を測定できる。その周波数解像度はIF帯域幅で規定される。外部調節により約百ヘルツから1メガヘルツに変えることができる。掃引発振器601はローカル発振器の周波数を調整することにより、受信機に必要とする周波数帯域の周波数を繰り返し出力する。同時にこの周波数に対応する電圧がCRT611の水平軸に印加される。重要な部品は、ミキサの入力側にあるYIG同調形フィルタ604である。このYIG同調形フィルタ604はローカル発振器に沿って調整される。このYIG同調形フィルタ604は擬似相互変調積を減少するようにプレセレクタとして動作する。
入出力信号特性が対数関数的な特性をもつIF増幅回路608は信号の周波数領域のダイナミックレンジを広げる。このシステムの制御と測定方法の制御はCPUにより実施する。
スペクトルアナライザ回路のOUTPUT端子613からの信号は球形共振器の入力端子510(図5参照)に入力される。球形共振器はこの信号で励起される。球形とINPUT端子612に接続する。
当然、図6に示すシステムに、図5に示す試料を回転と移動を実施する駆動装置を敷設して複素誘電率を求めれば、同様に誘電体の複素誘電率のテンソル値が求まる。
101 試料
102 探針
103 探針取り付け部
104 キャビティ外形
105 SMAコネクタ
106 入力側ループアンテナ
107 SMAコネクタ
108 出力側ループアンテナ
109 マイクロ波磁界
110 マイクロ波電界
202A 探針
202B 探針
205 SMAコネクタ
206 入力側ループアンテナ
207 SMAコネクタ
208 出力側ループアンテナ
209 マイクロ波磁界
210 マイクロ波電界
300 円筒状共振器
301 マイクロ波電界
302 マイクロ波磁界
303 取付部
320 探針
400 球形共振器
401 試料
402 探針
403 探針取り付け部
404 キャビティ外形
405 SMAコネクタ
406 入力側ループアンテナ
407 SMAコネクタ
408 出力側ループアンテナ
501 試料
502 球形共振器
503 方向性結合器
504 位相器
505 3dB結合器
506 検出器
507 差動増幅器
508 サーキュレータ
509 VCO
510 SMAコネクタ
511 SMAコネクタ
512 CRT
513 圧電駆動装置
514 試料上下駆動部
515 上下駆動部連結ギア
516 中間ギア
517 パルスモータ軸ギア
518 パルスモータ
519 試料支持台
601 掃引発振器
602 可変減衰器
603 同調制御装置
604 YIG同調形フィルタ
605 ミキサ
606 YIG発振器
607 ローパスフィルタ
608 IFアンプ
609 検出器
610 ビディオアンプ
611 表示装置
612 INPUT
613 OUTPUT
Claims (9)
- 空洞からエバネッセント波を取り出すための小さい開口を備える高いQの空洞共振器と、
探針と、
前記開口に前記探針の先端が外部に突き出し基部が前記空洞内の共振電磁界に結合するように支持する探針支持手段と、
前記空洞を前記探針の先端が試料の表面に前記共振器の動作が摂動理論を満足する負荷状態を維持するように予め定めた一定の距離を保つ位置および無負荷状態を維持する前記試料の表面から離れた位置に支持可能な空洞支持手段と、
前記探針を支持した空洞に疎に結合して励起し、変化を取り出すマイクロ波アンテナと、
前記探針に試料を負荷した負荷位置のQ特性のデータと試料を負荷しない無負荷位置のQ特性のデータの偏差ΔQと周波数シフトΔfをフェイズロックにより自動的に測定する手段と、
前記偏差ΔQと周波数シフトΔfが試料の複素誘電率(ε=ε’+jε”)の下記の既知の関数であることから
数値計算で解いた前記試料の複素誘電率を算出する計算手段と、
からなる空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。
記
ΔQ(Qのシフト)=g(ε’,ε”)
Δf(周波数シフト)=f(ε’,ε”) - 空洞からエバネッセント波を取り出すための小さい開口を備える高いQの空洞共振器と、
対面配置される一対の探針と、
前記開口に前記探針の先端が外部に突き出し基部が前記空洞内の共振電磁界に結合するように支持する探針支持手段と、
前記空洞を前記探針の先端が試料の表面に前記共振器の動作が摂動理論を満足する負荷状態を維持するように予め定めた一定の距離を保つ位置および無負荷状態を維持する前記試料の表面から離れた位置に支持可能な空洞支持手段と、
前記探針を支持した空洞に疎に結合して励起し、変化を取り出すマイクロ波アンテナと、
前記探針に試料を負荷した負荷位置のQ特性のデータと無負荷位置のQ特性のデータの偏差ΔQと周波数シフトΔfをフェイズロックにより自動的に測定する手段と、
前記偏差ΔQと周波数シフトΔfが試料の複素誘電率(ε=ε’+jε”)の下記の既知の関数であることから
数値計算で解いた前記試料の複素誘電率を算出する計算手段と、
からなる空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。
記
ΔQ(Qのシフト)=g(ε’,ε”)
Δf(周波数シフト)=f(ε’,ε”) - 前記空洞支持手段は、試料の表面から一定の高さ方向(z)の距離を保って前記試料表面(x,y)に平行方向に移動可能であり、前記一定の高さ方向(z)の距離は、自動制御により維持されている請求項1記載の空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。
- 前記空洞支持手段は、試料の表面から一定の高さ方向(z)の距離を保って前記試料表面(x,y)に平行方向に移動可能であり、前記一定の高さ方向(z)の距離は、自動制御により維持され、
試料の支持台と前記空洞支持手段はz軸まわりに相対回転可能である請求項2記載の空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。 - 請求項1または2記載の装置において、前記空洞は、球、円筒、矩形空洞である空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。
- 請求項1記載の装置において、前記空洞は球であり、TM011 (θ,r,φ)(サフィックスは球座標で表示)モードで共振している空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。
- 請求項2記載の装置において、前記空洞は球であり、TE011 (θ,r,φ)(サフィックスは球座標で表示)モードで共振している空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。
- 請求項1記載の装置において、前記空洞は円筒であり、TM010 (θ,r,z)またはTE011 (θ,r,z)(サフィックスは円筒座標で表示)モードで共振している空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。
- 請求項1記載の装置において、前記Qは10,000を越えるものである空洞共振器を用いて複素誘電率を測定する装置。
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