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1、波导薄膜厚度测量原理的理论分析赵毅红,陈荣发(扬州大学机械工程学院,江苏扬州225009)摘要:运用电磁场理论对金属波导膜厚测量的原理进行了详细分析,并且研制了一台膜厚测量仪,理论和实践表明:可以通过测量复合金属波导膜系励磁电流的脉冲波形来控制薄膜的生长厚度。关键词:膜厚测量;波导薄膜;电磁场理论;励磁电流中图分类号:TB43文献标识码:A文章编号:100220322(2005)0120025203AnalysisoftheprincipleofthicknessmeasurementofwaveguideirisZHAOYi2hong,ChenRong2fa(TheMec
2、hanicalEngineeringCollege,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China)Abstract:Analyzesindetailtheprincipleofthicknessmeasurementofmetallicwaveguideirisbymeansoftheelectromag2neticfieldtheory.Aconclusionisdrawnthatthethicknessofcompositemetallicwaveguideiriscanbecontrolledbymeasur2ingitspulsew
3、aveformofexctingcurrent.Keywords:thicknessmeasurement;waveguideiris;electromagneticfieldtheory,excitingcurrent对非平面器件(如柱形、方形等器件)表面的薄膜厚度进行测量、控制,并且能消除电量噪音的影响,这是提高膜厚测量精度、拓宽测量范围的一个关键问题1,2,7。复合金属波导膜系的制备工艺控制已有文献报道1,本文通过电磁感应理论分析了在感应线圈内,不同厚度的薄膜产生的励磁电流不同,从而改变输入脉冲电流的波形,根据输出脉冲电流波形的幅值和频率(脉宽)控制薄膜的生长厚度,实
4、现薄膜厚度的测量与控制,推导了线圈的自感电流、波导薄膜的感应电流、锂铁氧体棒产生的磁滞电流的计算公式,从理论上说明了该方法可以减少外部温度、电量噪音、残余气体的分压和机械振动对测量结果精度的影响,使该测量方法满足重复性好、测量系统稳定性高的要求,可以满足实际生产科研的需求。由于圆柱复合金属膜系置于驱动线圈内,整个移相器波导相当于一个变压器耦合电路,波导壁为次级短路单压绕组,在移相器相位变化过程中,波导壁中将产生感应电流(或称阻尼流),其对驱动磁场有抵消作用。等效电路如图1所示。图1驱动器的等效电路图Fig.1Equivalentcircuitofdriver2其中RS为外线
5、路电阻。L为自感线圈。nR为波导薄膜电阻。由图1可知,驱动器提供的总电流I由线圈的自感电流I1,波导薄膜的感应电流I2和锂铁氧体棒产生的磁滞电流I3三部分组成。①线圈的自感电流I1由电磁场理论可知,对单匝线圈而言,在磁感强度为B的磁场中,通过磁场中某一曲面S的磁感线数就是通过该曲面的磁通量,用Υ1表示,且Υ1=BScosΗΗ为法线矢量与B之间的夹角,取Η=90°,即平面法线矢量n与B垂直,则对n匝线圈自感电流的波导膜厚测量的理论分析由于金属波导膜系的基材一般都采用锂铁氧体棒旋磁材料,制备方法采用直流磁控溅射,薄膜材料采用CΛ2Ti复合金属,膜系厚度控制在电磁波趋肤厚度的3倍
6、左右5。过薄,易引起微波能量外泄;过厚,不能保证快速磁化场穿透波导壁,而且功率损耗明显增加,因此在圆柱锂铁氧体棒表面沉积金属波导膜系,必须进行膜厚工艺控制。1收稿日期:2004210225作者简介:赵毅红(19682),女,辽宁沈阳市人,讲师,在读博士。大小I1为对简单的“复位一置换”转换周期而言,WH是主磁滞回线的一半能量。对于“全置位2全复位2置位”转换周期来说,WH是主磁滞回线的总能量。驱动器提供的总能量还应包括磁轭材料在同样磁化过程中所耗的磁滞能量,有nBS(1)I1=L②波导薄膜产生的感应电流I2由电磁感应定律可知,当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时,回路中
7、就会有感生电动势产生,并且感生电动势正比于磁通量对时间的变化率的负值,对单匝线圈而言,有T0(9)W=WH2+T式中T0为动态阻尼参考时间常数,T为一个剩磁态到另一个剩磁态的转换时间,它的大小为dΥΕ=-K(2)dtBmaxDS(10)T=11.8式中K为比例系数,取K=1,则对n匝密绕线圈而言回路中的感应电流为ΘHC其中T——一个剩磁态到另一个剩磁态的转换时间Bmax——铁氧体棒的剩磁通密度HC——铁氧体棒的矫顽力D——铁氧体棒的直径S——金属化膜的厚度Θ——金属化膜相对铜的相对电阻率由公式(7)、(9)、(10
