介質薄膜微波復介電常數的測量裝置的製作方法

2023-05-03 08:02:21 3

專利名稱：介質薄膜微波復介電常數的測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微波復介電常數的測量裝置，特別是涉及一種厚度在微米量級的介質薄膜之微波復介電常數的測量裝置。
背景技術：
薄膜化、集成化是射頻微波器件的發展趨勢。精確測量材料的微波復介電常數是精確設計微波器件的關鍵之一，迄今為止，雖然對於塊狀材料微波復介電常數的測量已早有國家標準可循(GB5597-85等)，但對於厚度在微米量級的薄膜材料，其微波復介電常數的測量仍是一個未解決的難題。
復介電常數定義為ε％＝ε0·εr＝ε0·(εr′-jεr″)＝ε0·εr′(1-jtanδ)，其中ε0是真空中的介電常數，其值為8.854×10-12F/m，εr為復相對介電常數，其實部和虛部分別為εr′和εr″，tan=rr]]>是材料的損耗角正切。復介電常數的測量主要是指εr′和tanδ的測量。
中華人民共和國國家標準GB5597-85提出了一種測量固體電介質微波復介電常數的方法與裝置，其特徵在於測試腔為圓柱形金屬諧振腔，其中一個圓形端面為活塞，測試樣品為與活塞端面同等大小的圓盤形塊狀結構，放置在活塞之上；分別測量置入樣品前後，在某一確定頻率下，工作於TM01n模式時，圓柱形金屬諧振腔的諧振長度和固有品質因數，通過比較兩組數據的差別，並結合諧振腔和樣品的幾何尺寸，可推算出測試樣品的微波復介電常數。此方法對於可機械加工成型的固體電介質微波復介電常數的測量提供了一個可供選擇的解決方案，但是，它的最大不足之處在於樣品的厚度需在毫米量級，若小於毫米量級，則該方法的測量誤差極大。所以，該方法不適合於厚度為微米量級的薄膜材料的微波復介電常數測量。
在現有技術中雖然還有一些測量介質薄膜微波實介電常數的方案，但都無法實現對厚度在微米量級的介質薄膜之微波復介電常數，包括復介電常數實部和損耗角正切，提供精確的測量。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠對厚度在微米量級的介質薄膜進行精確測量的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置。
本發明的目的是採用這樣的技術方案實現的它包括諧振腔、介質基片和網絡分析儀，其特徵在於所述諧振腔的兩端設有射頻耦合器，其中部設有通孔，所述介質基片用來承載介質薄膜，可插入所述通孔並兩端處在諧振腔外，所述網絡分析儀的輸入、輸出端分別與所述諧振腔的兩個耦合器相連接。
由於本發明在諧振腔的中部開有通孔，故能將未鍍介質薄膜的介質基片和鍍完介質薄膜的介質基片分別插入所述諧振腔的通孔中，獲得兩組諧振頻率及品質因數值，進而根據所獲得的兩組數據再結合諧振腔、介質基片以及介質薄膜的幾何尺寸，推算出介質薄膜的復介電常數，包括復介電常數的實部和損耗角正切。
本發明基於微擾原理，具有很高的靈敏度，與背景技術相比，不僅能夠測量介質薄膜的微波復介電常數實部，而且可以測量其損耗角正切，提供了一種全面、精確的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置。


圖1是本發明的結構示意圖之一圖2是本發明的金屬諧振腔示意圖之一圖3是本發明的介質基片示意圖之一圖4是本發明的結構示意圖之二圖5是本發明的金屬諧振腔示意圖之二圖6是本發明的介質基片示意圖之二附圖標號說明1-網絡分析儀、101-射頻信號輸出端、102-射頻信號輸入端、2-射頻電纜、3-輸出耦合器、4-通孔、5-矩形金屬諧振腔、6-輸入耦合器、7-射頻電纜、8-薄片長條形的介質基片、9-介質薄膜、11-網絡分析儀、111-射頻信號輸出端、112-射頻信號輸入端、12-射頻電纜、13-輸出耦合器、14-圓形小孔、15-圓柱形金屬諧振腔、16-輸入耦合器、17-射頻電纜、18-圓柱形細杆介質基片、19-介質薄膜、a-矩形金屬諧振腔的寬度、b-矩形金屬諧振腔的高度、l-矩形金屬諧振腔的長度、l0-薄片長條形介質基片的寬度、d0-薄片長條形介質基片的厚度、h0-薄片長條形介質基片的長度、Δd-介質薄膜的厚度、D-圓柱形金屬諧振腔的直徑、H-圓柱形金屬諧振腔的高度、d1-圓柱形細杆介質基片的直徑、h1-圓柱形細杆介質基片的長度、Δr-介質薄膜的厚度具體實施方式
參照圖1、圖2、圖3，本發明所述的介質薄膜復介電常數測量裝置包括諧振腔5、網絡分析儀1和介質基片8，所述諧振腔5的中部設有通孔4，諧振腔5的兩端設有射頻耦合器3、6，所述通孔4中可設置介質基片8，該介質基片8兩端處在諧振腔5外；所述諧振腔5由標準矩形金屬波導或內部鍍有金、銀、銅等良導體膜的矩形塑料波導製成，其內部經過拋光處理以便獲得高的空載品質因數Q0，諧振腔5的長度為l，寬度為a，高度為b，其寬度與高度按國家波導標準製作，所述耦合器3、6可以是通孔耦合器、圓環耦合器、探針耦合器中的任意一種，所述諧振腔5的中部通孔4為細長狹縫；所述介質基片8由石英等低介電常數材料製成，其形狀為長條形，介質基片8的厚度d0與寬度l0略小於所述通孔4，長度h0略大於諧振腔5的高度，該介質基片8用以承載介質薄膜9，它能垂直插入通孔4、貫穿諧振腔5並兩端露出諧振腔5，所述介質基片8表面用以承載所需測量的介質薄膜9，所述介質薄膜9的介電常數一般要大於介質基片8的介電常數，該介質薄膜9可以是蒸發沉積薄膜，也可以是濺射、電泳、溶膠-凝膠等工藝形成的薄膜，膜層可以是單層膜、多層膜或複合膜中的一種，對於多層膜或複合膜，測得的復介電常數為等效復介電常數。所述網絡分析儀1由市場購得，其射頻信號輸出端101和輸入端102分別通過射頻電纜7和2與所述諧振腔5的耦合器6和3相連接。
參照圖4、圖5和圖6，本發明所述的介質薄膜復介電常數的測量裝置包括圓柱形的諧振腔15、細杆形的介質基片18和網絡分析儀11，所述諧振腔15的中部開有通孔14，諧振腔15的兩端設有射頻耦合器13、16，所述諧振腔15呈圓柱形，圓柱形諧振腔15的兩側設有相對應的耦合器16和耦合器13，所述諧振腔15由圓筒形金屬波導或內表面鍍有金、銀、銅等良導體膜並拋光處理的圓筒形塑料製成，其內部經過拋光處理以便獲得高的空載品質因數Q0，該諧振腔15的直徑為D，高度為H，圓柱形諧振腔15的中部軸心處的通孔14為圓形孔，通孔14的直徑與細杆形介質基片18相適匹；所述細杆形介質基片18由石英等低介電常數的材料製成，其長度h1略大於圓柱形諧振腔15的高度H，其直徑d1略小於所述通孔14的直徑，它能垂直插入通孔14、貫穿諧振腔8並兩端露出諧振腔8；所述細杆的介質基片表面用以承載所需測量的介質薄膜19，所述介質薄膜的介電常數一般要大於介質基片的介電常數，該薄膜可以是蒸發沉積薄膜，也可以是濺射、電泳、溶膠-凝膠等工藝形成的薄膜，膜層可以是單層膜、多層膜或複合膜，對於多層膜或複合膜，測得的復介電常數為等效復介電常數。所述網絡分析儀由市場購得，其射頻信號輸出端111與輸入端112分別與所述耦合器16、13相連接。
本發明使用本裝置時，調節網絡分析儀的頻率範圍及幅度標尺至適當值，以捕捉諧振腔中心電場強度為最大值的諧振模式，測得此諧振模式的諧振頻率f0和品質因數Q0，先插入未鍍膜的介質基片8或18，測得同一模式下的諧振頻率f1和品質因數Q1，再取出介質基片，用濺射、電泳或溶膠-凝膠等工藝在其上鍍覆所需測量的介質薄膜9或19，其厚度在50納米-10之間，用測厚儀測得所述介質薄膜的厚度Δd或Δr，再次將鍍了膜的介質基片以同樣的方式插入諧振腔中，測得二次微擾後同一模式下的諧振頻率f2和品質因數Q2。
採用矩形波導裝置測量時，根據公式(1)和公式(2)計算得到介質薄膜的微波復介電常數，包括復介電常數實部εr′和損耗角正切tanδr=1+f1-f2f2al2dl0---(1)]]>tan=(1Q2-1Q1)f1al4dl0f2+(f1-f2)al2dl0---(2)]]>採用圓形波導裝置測量時，根據公式(3)和公式(4)計算得到介質薄膜的微波復介電常數，包括復介電常數實部εr′和損耗角正切tanδ
r=1+f1-f2f2D28(d1+r)r---(3)]]>tan=(1Q2-1Q1)f1D216(d1+r)rf2+(f1-f2)D28(d1+r)r---(4)]]>本發明基於微擾原理，具有極高的靈明度、因此能對厚度為50納米-10之間的介質薄膜進行精確的測量。
實施例一種用以測量介質薄膜微波復介電常數的裝置，其金屬諧振腔5由型號為153IEC-R32的標準矩形波導製成，寬a、高b、長l分別為72.14mm、34.04mm和138.52mm，諧振腔上下兩個平面正中分別開有10mm長0.5mm寬的細槽4；介質基片8採用石英材質，其厚度d0和寬度l0分別為0.46mm和9.89mm；網絡分析儀1型號為Agilent 8714ET，通過圓環耦合器與矩形金屬諧振腔5相連，所測介質薄膜是型號為MC-91[BaO-(SmNdLa)2O3-Bi2O3-TiO2]的介質陶瓷薄膜，其厚度Δd用α臺階儀測得，為810nm，按本發明所述步驟，調節網絡分析儀的頻率範圍及幅度標尺至適當值，捕捉諧振腔中心電場強度為最大值的諧振模式，分別測得插入未鍍覆介質薄膜基片時的諧振頻率f1(2337.44MHz)和品質因數Q1(389.10)與插入鍍覆著MC-91介質薄膜的基片後的諧振頻率f2(2337.11MHz)和品質因數Q2(388.95)，根據式(1)和(2)，計算得出厚度為810nm的MC-91薄膜的復相對介電常數實部εr′和損耗角正切tanδ分別為89.07和0.0035。
權利要求
1.介質薄膜微波復介電常數的測量裝置，包括諧振腔、網絡分析儀和介質基片，其特徵在於所述諧振腔的兩端設有射頻耦合器，其中部設有通孔，所述介質基片用來承載介質薄膜，可插入所述通孔並兩端處在諧振腔外，所述網絡分析儀的輸入、輸出端分別與所述諧振腔的兩個耦合器相連接。
2.根據權利要求1所述的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置，其特徵在於所述諧振腔由內部經過拋光處理的標準矩形金屬波導或內表面鍍有金、銀、銅等良導體薄膜的塑料矩形波導所構成，諧振腔的通孔為細長狹縫形。
3.根據權利要求1所述的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置，其特徵在於所述諧振腔為內部經過拋光處理的圓柱形金屬波導或內表面鍍有金、銀、銅等良導體薄膜的塑料圓柱形波導所構成，諧振腔的中部軸心處所的通孔為圓形孔。
4.根據權利要求1所述的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置，其特徵在於所述的耦合器是通孔耦合器、圓環形耦合器、探針耦合器的一種。
5.根據權利要求1所述的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置，其特徵在於所述的介質基片為石英等低介電常數材料製成的片狀基片或細杆狀基片。
6.根據權利要求1所述的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置，其特徵在於所述介質基片的側面鍍覆有介質薄膜，所述介質薄膜是單層膜、多層膜或複合膜中的一種。
7.根據權利要求1所述的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置，其特徵在於所述介質薄膜厚度為50納米-10之間。
8.根據權利要求6所述的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置，其特徵在於所述介質薄膜是蒸發、濺射、電泳、溶膠-凝膠法等工藝形成的薄膜。
全文摘要
本發明涉及一種厚度在微米量級的介質薄膜之微波復介電常數的測量裝置，它包括諧振腔、網絡分析儀和介質基片，其特徵在於所述諧振腔的兩端設有射頻耦合器，其中部設有通孔，所述介質基片用來承載介質薄膜，可插入所述通孔並兩端處在諧振腔外，所述網絡分析儀的輸入、輸出端分別與所述諧振腔的兩個耦合器相連接；由於本發明在諧振腔的中部開有通孔，故能將未鍍介質薄膜的介質基片和鍍完介質薄膜的介質基片分別插入所述諧振腔的通孔中，獲得兩組諧振頻率及品質因數值，進而根據所獲得的兩組數據再結合諧振腔、介質基片以及介質薄膜的幾何尺寸，推算出介質薄膜的復介電常數，包括復介電常數的實部和損耗角正切，因此本發明是全面、精確的介質薄膜微波復介電常數的測量裝置之一。
文檔編號G01R27/26GK1834667SQ20061004965
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月1日 優先權日2006年3月1日
發明者王德苗, 金浩, 董樹榮, 謝銀芳 申請人:浙江大學