В.Г. Анисимов – ст. преподаватель,  кафедра «Радиотехника», Ульяновский государственный технический университет

E-mail: kontrol@ulstu.ru

А.Г. Ташлинский – д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Радиотехника», 

Ульяновский государственный технический университет E-mail: tag@ulstu.ru

Постановка проблемы. Так как толщина диэлектрических покрытий существенно влияет на характеристики СВЧ-устройств, то измерение толщины покрытия является важной задачей.

Цель. Предложить способ измерения толщины диэлектрических покрытий на проводящем основании, направленный на повышение точности измерения для тонких покрытий с низкой диэлектрической проницаемостью.

Результаты. Уменьшение погрешности достигается использованием в качестве датчика диэлектрического резонатора. Толщина покрытия определяется косвенно по добротности резонатора, которая находится по составляющим магнитного поля резонатора, тангенциальным к поверхности металла, и граничным условиям Леонтовича. Рассмотрена модель системы для измерения толщины покрытия, в которой диэлектрический резонатор в форме параллелепипеда с волной основного типа расположен непосредственно на диэлектрическом покрытии, под которым имеется проводящее основание. Для расчета электромагнитного поля системы применен метод частичных областей. При нахождении расчетных соотношений, связывающих толщину диэлектрических покрытий на проводящем основании с добротностью системы «резонатор – покрытие – проводящее основание» и ее резонансной частотой, мнимыми частями диэлектрических проницаемостей диэлектрического резонатора и покрытия пренебрегалось, боковая поверхность резонатора была ограничена «магнитной» стенкой. Электромагнитные поля за пределами областей не учитывались, предполагалось, что потери в системе определяются в основном потерями в проводящем основании. Характеристическое уравнение для определения резонансных частот резонатора получено из граничных условий для тангенциальных составляющих электрического и магнитного полей на граничных поверхностях, перпендикулярных оси системы. В качестве примера численных расчетов резонансной частоты и добротности системы «резонатор – покрытие – проводящее основание» взят диэлектрический резонатор размером 4×4×2 мм, изготовленный из материала E3000 фирмы Temex-Ceramics, а в качестве материала проводящего основания выбрана медь. Расчеты проводились для ряда толщин и значений диэлектрической проницаемости покрытия. Показано, что резонансная частота системы уменьшается при увеличении как толщины, так и относительной диэлектрической проницаемости, а добротность увеличивается при увеличении толщины и при  уменьшении диэлектрической проницаемости покрытия.

Практическая значимость. Анализ показал, что предложенный способ обеспечивает высокую точность измерения толщины тонких диэлектрических пленок с низкой диэлектрической проницаемостью..

1. Наумчик И.В., Шевченко А.В., Алексеев К.В. Неразрушающий контроль толщины покрытий // Фундаментальные исследования. 2015. № 12-5. С. 935−939.
2. Ташлинский А.Г., Анисимов В.Г. Использование резонаторного метода для измерения электрической проводимости проводящих покрытий // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2017. Т. 15. № 12. С. 15−19.
3. Назыров З.В. Ультразвуковое измерение толщины изделий, выполненных из материалов с неизвестными параметрами // Системы. Методы. Технологии. 2016. № 2(30). С. 74−78.
4. Разыграев Н.П. Ультразвуковая дефектоскопия головными волнами - физические предпосылки и практическое применение // Дефектоскопия. 2004. № 9. С. 27−37.
5. Jianhai Zhang, Maodan Yuan, Sung-Jin Song, Hak-Joon Kim. Precision measurement of coating thickness on ferromagnetic tube using pulsed eddy current technique // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2015. V. 16. № 8. P. 1723−1728.
6. Zhang Z., Yu Y., Lai C., Tian G. Thickness measurement of multi-layer conductive coatings using multifrequency eddy current techniques // Nondestructive Testing and Evaluation. 2016. V. 31. P. 191−208.
7. Зиганшин Р.В., Саиткулов В.Г., Ширяк Л.М., Лантарев С.Е. Применение вихретокового способа неразрушающего контроля для измерения толщины лакокрасочного покрытия кузовных деталей автотранспортных средств // Вестник казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2018. Т. 74. № 4. С. 178−180.
8. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989.
9. Wight J.S., Makios V., Chudobiak W.J. A multiple frequency phase comparison technique for the determination of remote layer thickness // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1979. V. 28. № 1. P. 26−31.
10. Оптическая и СВЧ дефектоскопия / Науч. ред. Л.Г. Дубицкий. М.: Машиностроение. 1981. 53 с.
11. Chin-Lung Yang, Chieh-Sen Lee, Kuan-Wei Chen, Kuan-Zhou Chen. Noncontact Measurement of Complex Permittivity and Thickness by Using Planar Resonators // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. V. 64. №: 1. P. 247−257.
12. Черний Б.С., Ильченко М.Е. Диэлектрический резонатор над металлической плоскостью с диэлектрическим слоем // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1978. № 4. С. 72−79.