薄膜材料介電性能的測試方法及系統與流程

2023-04-25 04:32:02 2

本發明涉及微波測量領域，具體來說，涉及一種薄膜材料介電性能的測試方法及系統。

背景技術：

薄膜材料廣泛應用於各個領域，如信息存儲及複合材料粘結等。不同的應用需求對薄膜材料的電磁特性要求也不盡相同。對薄膜材料而言，其復介電參數和磁導率是其重要參數。但是，由於薄膜材料厚度很薄，體積也很小，同時在製作薄膜時一般選擇塗覆在特定的基底上，其中在測量塊狀均勻介質時，測量其高頻復電磁特性比較加困難。

目前薄膜材料復介電常用的測試方法主要有諧振腔法以及傳輸/反射法。

其中，諧振腔法是將待測樣品放入諧振腔內，根據樣品放入前後其諧振頻率和品質因數Q的變化來確定樣品的復介電常數或復磁導率，如圖1所示。但是其只能用於點頻測量，要測量多個頻點需要製作多個不同的諧振腔體，對於微波頻段內測量並不能很好的兼容，同時也無法同時得到磁性能和介電性能。

此外，傳輸/反射法是一種單埠或雙埠傳輸線法，將待測樣品及相應的測量裝置視為單口或雙口網絡，通過加載待測薄膜後傳輸線的S參量變化來計算薄膜的復電磁參數。此方法中應用最為廣泛的為微帶法，其原理見圖2a及圖2b。但是該方法在測試的過程中需要對電磁參數已知、且尺寸和厚度與待測薄膜相同的參考樣品進行測試，從而確定待測薄膜材料的復磁導率，由於參考樣品往往較難以獲得，因此該方法實現也較難。

針對相關技術中的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術實現要素：

針對相關技術中的問題，本發明提出一種薄膜材料介電性能的測試方法及系統。

本發明的技術方案是這樣實現的：

根據本發明的一個方面，提供了一種薄膜材料介電性能的測試方法。

該方法包括：

根據測試儀器的類型製作樣品，其中，測試儀器至少包括網絡分析儀PNA、材料測量裝置，樣品厚度已知且襯底無磁性；

調試測試儀器；

將樣品與測試儀器相連，通過測試儀器對樣品進行測試。

其中，當測試儀器為波導轉換設備時，製作樣品包括：

切割帶襯底的薄膜樣品形成至少一根為預定體積的長條，長條的寬大於5mm；

通過具有粘結作用的粘結劑將長條以薄膜向上、寬邊對齊的方式進行疊加，直到疊加的厚度達到預定閾值從而形成預備樣品；

對預備樣品進行樹脂固化；

沿預備樣品貫層的方向切割經過樹脂固化的預備樣品形成至少一個預定體積的樣塊，樣塊的寬度小於9mm；

根據預備樣品的疊加層數、樣塊貫層方向的厚度，得到樣塊的介電薄膜體積比；

將樣塊製作成預定大小的樣條，並烘乾樣條形成第一樣品。

其中，當測試儀器為波導轉換設備時，波導轉換設備包括波導轉換套件、網絡分析儀PNA、材料測量裝置、CPU，其中，波導轉換套件與CPU相連，CPU與PNA及材料測量裝置相連。

其中，調試測試儀器，包括：

將波導轉換套件的第一波導埠連接至PNA的第一接口PORT1；

將波導轉換套件的第二波導埠連接至PNA的第二接口PORT2；

按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的順序對波導轉換裝置進行校準，得到第一校準 文件。

其中，當測試儀器為波導轉換設備時，將樣品與測試儀器相連，通過測試儀器對樣品進行測試，包括：

將第一樣品鑲入波導轉換設備的夾具中；

根據獲取的第一校準文件及第一樣品的參數輸出預定波段內第一樣品的介電性能參數。

此外，當測試儀器為無珠同軸空氣線測試設備時，製作樣品包括：

加工帶襯底的薄膜樣品形成至少一個具有預定內徑及預定內徑的環形樣件；

通過具有粘結作用的粘結劑將樣件以薄膜向上、邊緣對齊的方式進行疊加，直到疊加的厚度達到預定閾值從而形成備用樣品；

對備用樣品進行樹脂固化；

對經過樹脂固化的備用樣品進行烘乾形成第二樣品。

此外，當測試儀器為無珠同軸空氣線測試設備時，無珠同軸空氣線設備包括無珠同軸空氣線、開短路校準件、網絡分析儀PNA、材料測量裝置、CPU，其中無珠同軸空氣線的兩端與PNA相連，CPU分別與開短路校準件、PNA、材料測量裝置相連。

其中，調試測試儀器，包括：

將無珠同軸空氣線的第一埠通過穩相電纜連接至PNA的第一接口PORT1；

將無珠同軸空氣線的第二埠通過穩相電纜連接至PNA的第二接口PORT2；

按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的順序對無珠同軸空氣線測試設備進行校準，得到第二校準文件。

此外，當測試儀器為無珠同軸空氣線測試設備時，將樣品與測試儀器相連，通過測試儀器對樣品進行測試，包括：

將第二樣品鑲入無珠同軸空氣線中；

根據獲取的第二校準文件及第二樣品的參數輸出預定波段內第二樣品 的介電性能參數。

根據本發明的另一方面，還提供了一種薄膜材料介電性能的測試系統，包括：

信號產生裝置、網絡分析儀PNA、材料測量裝置、CPU,其中信號產生裝置的第一埠、第二埠分別與PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相連，CPU分別與PNA、材料測量裝置連接。

其中，信號產生裝置包括二埠波導轉換套件。

此外，該系統中還可以進一步包括：

開短路校準件；基於此系統，信號產生裝置包括無珠同軸空氣線。

其中，無珠同軸空氣線的第一埠、第二埠分別通過穩相電纜與PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相連，CPU分別與PNA、材料測量裝置、開短路校準件連接。

本發明通過根據測試儀器的類型製作對應的樣品，並通過測試儀器對樣品測試，在測試過程中無需其他參照樣品，測試過程簡單易行，且測試波段範圍廣泛。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是現有技術用諧振法對薄膜材料進行測試的示意圖；

圖2a及圖2b是現有技術用傳輸/反射法對薄膜材料進行測試的示意圖；

圖3是根據本發明實施例的薄膜材料介電性能的測試方法的流程圖；

圖4是根據本發明實施例的薄膜材料介電性能的測試系統的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是 全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

根據本發明的實施例，提供了一種薄膜材料介電性能的測試方法。

如圖3所示，根據本發明實施例的薄膜材料介電性能測試方法，包括：

步驟S301，根據測試儀器的類型製作樣品，其中，測試儀器至少包括網絡分析儀PNA、材料測量裝置，樣品厚度已知且襯底無磁性；

步驟S303，調試測試儀器；

步驟S305，將樣品與測試儀器相連，通過測試儀器對樣品進行測試。

通過本發明的上述方案，能夠在測試過程中無需其他參照樣品，測試過程簡單易行，且測試波段範圍廣泛。

下面將以多個實施例詳細介紹本發明的技術方案。

實施例1，當本發明採用波導轉換設備作為測試儀器時，需要製作與其相對應的樣品，其中，製作樣品的步驟如下：

切割帶襯底的薄膜樣品形成至少一根為預定體積的長條，長條的寬大於5mm；

通過具有粘結作用的粘結劑將長條以薄膜向上、寬邊對齊的方式進行疊加，直到疊加的厚度達到預定閾值從而形成預備樣品；

對預備樣品進行樹脂固化；

沿預備樣品貫層的方向切割經過樹脂固化的預備樣品形成至少一個預定體積的樣塊，樣塊的寬度小於9mm；

根據預備樣品的疊加層數、樣塊貫層方向的厚度，得到樣塊的介電薄膜體積比；

將樣塊製作成預定大小的樣條，並烘乾樣條形成第一樣品。

在實施例1中，當測試儀器為波導轉換設備時，波導轉換設備包括波導轉換套件、網絡分析儀PNA、材料測量裝置、CPU，其中，波導轉換套件與CPU相連，CPU與PNA及材料測量裝置相連。

在對樣品進行測試前還需要對測試設備進行調試，具體步驟如下：

將波導轉換套件的第一波導埠連接至PNA的第一接口PORT1；

將波導轉換套件的第二波導埠連接至PNA的第二接口PORT2；

按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的順序對波導轉換裝置進行校準，得到第一校準文件。

當上述準備都完成時，可以通過如下方式對樣品進行測試：

將第一樣品鑲入波導轉換設備的夾具中；

根據獲取的第一校準文件及第一樣品的參數輸出預定波段內第一樣品的介電性能參數。

實施例2，當本發明採用無珠同軸空氣線測試設備作為測試儀器時，需要製作與其相對應的樣品，其中，製作樣品的步驟如下：

加工帶襯底的薄膜樣品形成至少一個具有預定內徑及預定內徑的環形樣件；

通過具有粘結作用的粘結劑將樣件以薄膜向上、邊緣對齊的方式進行疊加，直到疊加的厚度達到預定閾值從而形成備用樣品；

對備用樣品進行樹脂固化；

對經過樹脂固化的備用樣品進行烘乾形成第二樣品。

在實施例2中，當測試儀器為無珠同軸空氣線測試設備時，無珠同軸空氣線設備包括無珠同軸空氣線、開短路校準件、網絡分析儀PNA、材料測量裝置、CPU，其中無珠同軸空氣線的兩端與PNA相連，CPU分別與開短路校準件、PNA、材料測量裝置相連。

同樣的，在對樣品進行測試前還需要對測試設備進行調試，具體步驟如下：

將無珠同軸空氣線的第一埠通過穩相電纜連接至PNA的第一接口PORT1；

將無珠同軸空氣線的第二埠通過穩相電纜連接至PNA的第二接口PORT2；

按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的順序對無珠同軸空氣線測試設備進行校準，得 到第二校準文件。

當上述準備都完成時，可以通過如下方式對樣品進行測試：

將第二樣品鑲入無珠同軸空氣線中；

根據獲取的第二校準文件及第二樣品的參數輸出預定波段內第二樣品的介電性能參數。

實施例3，本發明採用波導轉換套件(波導口尺寸精度0.01mm)，N5227A型網絡分析儀(PNA)及85071E材料測量軟體。這裡以X波段(8.2-12.4GHz)為例說明，波導口內截面尺寸(22.86mm×10.16mm)，在其他微波波段均可以按照此方法製作樣品並測試。本發明的測試方法將以多個步驟進行分解闡述。

1樣品製備

待測介電薄膜(薄膜厚度a已知，且襯底無磁性)，選取合適大小的試樣，將帶襯底薄膜切割成長22.9mm寬＞5mm的樣條若干(根據待測樣板總厚度決定所裁減樣條的數量)。

選用易產生粘結作用常溫固化樹脂作粘結劑，將上述樣以薄膜朝上、寬邊對齊的方法疊加，層與層之間用粘結劑粘結，總厚度大於10.16mm即可，記下所疊層數n。

將上述樣品進行樹脂固化鑲樣備用。

切割：將上述樣品沿貫層方向切割為寬邊22.9mm，厚度＜9mm的樣塊備用。測量貫層方向上樣品的厚度N，計算介電薄膜體積比β。

磨削：利用研磨拋光機將上述樣品磨削至尺寸為22.86mm×10.16mm長方體樣條；

將樣條放至乾燥箱進行充分乾燥(110℃，5h)。

2樣品測試

2.1設備連接及校準：將兩個波導埠分別連接至PNA的PORT1及PORT2接口，打開85071E材料測量軟體，設定起始頻率、選擇測試模型(此處選Ref/Tran u&e)，直波導Sample Holder尺寸，然後打開PNA選擇SmartCal(Guided calibration)、2-port校準,分別按照 PORT1+SHORT,PORT2+SHOR，PORT1+PORT2，PORT1+1/4LINE+PORT2的順序進行校準，保存校準文件Calkit待用。

2.2樣品安裝：測量樣品厚度h並記錄數據，將試樣鑲入1/4直波導中。若因尺寸問題鑲入困難可將樣品適當冷卻後再進行安裝，但測量時需等待溫度回到正常(常溫或室溫)。

2.3測試：按照PORT1+1/4LINE+PORT2的方式連接好設備後，載入2.1中獲得的校準文件Calkit，輸入樣品厚度h，開始測試，得到在X波段內的測試結果相對介電參數及介電損耗。

利用上述方法在其它微波頻段內皆可按照此步驟來利用不同尺寸的二埠波導系統進行測試。

實施例4，本發明採用7mm無珠同軸空氣線(內徑3.04mm,外徑7mm)及開短路校準件(S2630)，N5227A型網絡分析儀(PNA)及85071E材料測量軟體進行測試，在其他微波波段均可以按照此方法製作樣品並測試。本發明的測試方法將以多個步驟進行分解闡述。

1樣品製備

1.1待測介電薄膜(薄膜厚度a已知，且襯底無磁性)，選取合適大小的試樣，將帶襯底薄膜機加成內徑3.04mm外徑7mm的環形樣件若干(根據待測樣板總厚度決定所裁減樣件的數量)。

1.2選用易產生粘結作用常溫固化樹脂作粘結劑，將上述樣件以薄膜朝上、邊緣對齊的方法疊加，層與層之間用粘結劑粘結，總厚度大於1.5mm即可，記下所疊層數n。

1.3將上述樣品進行樹脂固化鑲樣備用。

1.4將樣條放至乾燥箱進行充分乾燥(110℃，5h)。

2樣品測試

2.1設備連接及校準：將7mm同軸空氣線的兩個埠分別用穩相電纜連接至PNA的PORT1及PORT2接口，打開85071E材料測量軟體，設定起始頻率、選擇測試模型(此處選Ref/Tran u&e)，Sample Holder尺寸，然後打開PNA選擇SmartCal(Guided calibration)、2-port校準,分別按照 PORT1+SHORT,PORT2+SHORT，PORT1+PORT2，PORT1+1/4LINE+PORT2的順序進行校準，保存校準文件Calkit待用。

2.2樣品安裝：測量樣品厚度h並記錄數據，將環形樣品嵌入7mm同軸空氣線中。若因尺寸問題鑲入困難可將樣品適當冷卻後再進行安裝，但測量時需等待溫度回到正常(常溫或室溫)。

2.3測試：按照PORT1+Coaxial airline+PORT2的方式連接好設備後，載入2.1中獲得的校準文件Calkit，輸入樣品厚度h，開始測試，得到在X波段內的測試結果相對介電參數及介電損耗。

根據本發明的實施例還提供了一種薄膜材料介電性能的測試系統，圖4為該系統的示意圖，該系統包括：

信號產生裝置、網絡分析儀PNA、材料測量裝置、CPU,其中信號產生裝置的第一埠、第二埠分別與PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相連，CPU分別與PNA、材料測量裝置連接。

其中，信號產生裝置可以為二埠波導轉換套件。

另外，信號產生裝置還可以為無珠同軸空氣線。

此刻，該系統中還可以進一步包括：

開短路校準件。

其中，無珠同軸空氣線的第一埠、第二埠分別通過穩相電纜與PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相連，CPU分別與PNA、材料測量裝置、開短路校準件連接。

綜上所述，藉助於本發明的上述技術方案，本發明通過根據測試儀器的類型製作對應的樣品，並通過測試儀器對樣品測試，在測試過程中無需其他參照樣品，測試過程簡單易行，且測試波段範圍廣泛。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。