[发明专利]基于阻抗测量的近场微波测量系统

说明书

本发明提供了一种基于阻抗测量的近场微波测量系统，包括微波网络分析系统，位置装置，近场微波阻抗传感器和数据处理系统。提供了确定近场微波阻抗传感器的复阻抗；用探头阻抗反馈控制探头距离被测物的绝对位置；从探头阻抗及位置参数获取被测物的物质性质参数或表面形貌的技术方案。解决了高分辨率的光学测试技术不能定量检测样品物质性质或表面形貌；传统的在微波频谱定量测试介电参数的技术很难在显微系统中使用；传统近场微波测量系统需要对入射微波信号进行调制解调，使用100KHz以下的低频锁相环，很难解耦物质性质参数与探头相对被测物位置对被测物反射微波信号的影响，不能可靠控制探头距离被测物的绝对位置，只能用于窄频段测量等技术问题。

技术领域

本发明涉及一种微波频率下被测物的介电参数及表面形貌测量技术，尤其涉及一种基于阻抗测量的近场微波测量系统，属于微波测量技术领域。

背景技术

微波是指频率从 300MHz 到 300GHz 波段的电磁波谱，受到阿贝尔衍射现象的限制，远场成像的空间分辨能力一般只能达到毫米级别(～λ/2，λ为波长)。利用传感器探头在近场内与被测物的电磁相互作用，近场微波测量系统可以突破衍射极限，实现小于微米的空间分辨率。

目前，大部分近场微波测量系统都包含100KHz以下低频锁相放大环节：对入射被测物的微波信号进行频率或幅度调制，低频调制信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器连接探测单元，记录探测单元探测的电流信号或电压信号。检测系统使用低频锁相放大有如下缺点：在信号解调环节可能丢失一部分被测物反射微波信号中包含的近场电磁相互作用信息；为使信号稳定，通常需要设置10毫秒以上的低频锁相放大的滤波器时间常数，测试速度慢；低频锁相放大器是较为昂贵的仪器，难于用单一集成电路实现，系统小型化困难；对入射微波信号进行100KHz以下的调制增加了近场微波测量系统实现不必要的复杂性。

目前，近场微波测量系统的常用的输出包括：锁相放大器解调输出的电流信号或电压信号；谐振频率偏移或品质因数（Q值）；散射参数（S参数）等。这些输出被用来间接测量表征被测物的物质性质常数或表面形貌。探头的大小和形状，探头与被测物的间距，被测物放置的方式，被测物目标区域的物质性质变化，检测电路参数变化，测试频率等因素都可以改变电流信号，电压信号，谐振频率偏移，品质因数以及散射参数。这些传统的方式都很难解耦被测物物质性质参数与探头相对于被测物的绝对位置对被测物反射微波信号的影响。在单个频率点，通过阻抗直接定量测量被测物目标区域的实介电系数或介电损耗及探头相对于被测物的绝对位置是更好的测试方式。

目前，近场微波测量系统缺少在大于1GHz的微波频谱内高精度控制探头相对于被测物的绝对位置传感器和检测方案，严重影响近场微波测量信号的可靠性和系统的适用频率范围。借助电荷耦合器件（CCD）或CMOS图像传感器肉眼观察，控制探头距离被测物的绝对位置的方法是不可靠的。用微波谐振器的谐振频率偏移反馈控制探头距离被测物的绝对位置，有以下缺点：仅能够在微波谐振频率附近的很窄的频率范围内使用，对测试频率不在谐振频率附近的情况，此控制策略无效；测量谐振器频率偏移需要频率调制及低频锁相放大器。

目前，近场微波测量系统使用的近场微波传感器都包含微波谐振器，系统工作频率都在谐振频率附近很小的频率范围内，不能做宽频段测量。

基于机器视觉或光散射的光显微分析系统具有很高的空间分辨率，在生产及实验室环节，被广泛用于确定被测物关键形状尺寸或表面形貌表征。光显微分析系统不能确定被测物的物质性质参数。在生产和分析过程中，测量材料的介电特性的可用于确定如电导率、离子浓度，化学成分、湿度、 温度等各种参数。传统的测量介电参数的方法有很多，主要有同轴探头法和谐振腔法。在使用同轴探头法进行检测时，传感器探头需要接触被测物。谐振法是基于微扰法进行的测试，只适合单频率点测试。很难将这些定量测量介电参数的传统方法用于显微系统。