CN105929346A - 一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置及其测量方法，包括装置探头主体短路微带线微波PCB板，在所述探头主体的背面完全由Cu覆盖，所述装置主体的正面印制电路工艺刻出一条微波传输线，所述传输线与背面的Cu通过侧面电镀Cu连接到一起，即与接地端短路。本发明中（一）磁性薄膜不需要与探头接触；（二）此测试方法对样品的尺寸没有限制；（三）其磁导率测试精度与传统短路微带线夹具的测试精度一致；（四）此测试方法可以在室温到475K内进行0‑10GHz频段的磁谱测试；（五）整个测试过程与短路微带线传输方法是一致的。本发明对于磁性器件在高温下的高频应用，磁性薄膜的变温磁导率测量的发展是非常重要的。

Description

一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置及其测量方法

技术领域

本发明专利属于矢量网络测试技术领域，具体地说涉及一种非接触式的矢量网络测试薄膜磁导率的装置。

背景技术

高共振频率和高磁导率的磁性薄膜现在已广泛应用在许多微型器件中，例如：磁传感器、能量采集器、移相器、可调滤波器等。正常情况下，由于器件的热效应，微器件的工作温度要比室温高。因此，有必要对磁性薄膜的高温磁特性进行测试。众所周知，对于磁性薄膜静态磁特性随温度变化的测试，常用到的仪器有振动样品磁强计和超导量子干涉仪。而对于高频磁特性的研究，由于受到测量机制的限制，探测薄膜磁导率时需要把样品放到微波装置内部或者样品直接接触微波测试板。比如目前使用的短路微带线装置，一端通过黄铜与地短路连接，另一端通过通过焊接技术连接到SMA同轴接头的发射器上。通过这种方法测试时，需要把磁性薄膜推入到微波传输线夹具内部。在2003年，Ledieu等人发表一篇文章，基于上述短路微带线夹具测试铁磁薄膜的微波磁谱，通过加热整个装置使得温度能精确地控制在77-400K的范围，频率可以达到6GHz。然而，为了在更高温度下探测磁性薄膜的磁特性，必须研究出一种非接触式的测试方法。之后，在2011年，Hung等人发表了一篇关于测试温度可以高达423K的新的测试方法的文章，他们通过使用特定的近场微波探头来测量高频磁特性，其频率可以高达5 GHz。然而，这种测试方法为了得到足够的信号，样品虽然不需要与近场探头顶端接触，样品表面与近场探头的距离必须非常小，通常情况下此距离小于20 μm。这就必然导致这种测量方法的测试温度不能进一步提高，只能达到423 K。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供了一种全新的非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率装置，本发明装置操作方便、精度高、效率高。

本发明的另一目的为提供上述非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率装置的测量方法。

为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：

一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置，包括装置探头主体短路微带线微波PCB板，其中装置主体短路微带线微波PCB板是Rogers公司生产的RO4003C型号微波PCB板，所述装置主体短路微带线微波PCB板与插入式的SMA接头连接，所述SMA接头与矢量网络分析仪连接，所述装置主体的背面完全覆盖Cu，其厚度为35μm，所述探头主体的正面应用印制电路工艺刻出一条微波传输线，其宽度为1.9mm，厚度为35μm，所述微波传输线与装置主体的背面完全覆盖的Cu通过侧面电镀Cu连接到一起，即与接地端短路。

所述装置探头主体短路微带线微波PCB板的特征阻抗与50Ω相匹配。

一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置的测量方法，在非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置的微波传输线的正下方放置薄膜样品，薄膜样品放置在加热平台上，然后通过一个三维移动平台调整加热平台的加热平面的位置和高度，使薄膜样品的边缘刚好位于微波传输线的末端，加热装置的传感器放置在薄膜样品表面以便精确地检测温度变化，通过矢量网络分析仪可得到不同温度下的薄膜磁导率。

为了得到高精度的测试结果使薄膜和微带线之间间隙小于0.5 mm。

为了保证温度的误差范围不大于0.5 K，整个非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置放置在减振台上，以减少环境振动的影响。

本发明的有益效果是：（一）磁性薄膜样品不需要与探头接触；（二）此装置测试方法对样品的尺寸没有限制；（三）其磁导率测试精度与传统短路微带线夹具的测试精度是一样的；（四）此装置的测试方法可以在室温到475K内进行0-10GHz的磁谱测试；（五）整个测试过程与短路微带线传输方法是一致的。本发明专利中，我们研发了一种非接触式测试磁性薄膜高频磁导率的装置及其测试方法，本方法中我们用到了自己设计的单端短路微带线探头，此方法的测试原理跟短路微带线传输理论是一致的。应用我们设计的探头，测试频率最高可以加到7GHz测试温度可以从室温加到475 K。

附图说明

图1为本发明非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率装置结构示意图；

图2为本发明测试薄膜的示意图；

图3为本发明测试样品CoZr薄膜的室温磁导率谱线分别用微带线装置和微带线探头测试谱线图；

图4为本发明测试样品通过VSM研究薄膜的静态磁性与温度的关系图；

图5为本发明测试样品CoZr变化关系薄膜的实部与虚部随温度的变化关系图；

图中：1装置主体微波PCB板，2装置主体背面的Cu覆盖层，3微波传输线，4电镀Cu，5插入式SMA接头，6同轴电缆，7矢量网络分析仪，8薄膜样品，9薄膜样品的右侧边缘，10加热装置。

具体实施方法

下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明。

一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置，包括装置主体是加工过的Rogers公司生产的RO4003C型号微波PCB板，装置主体微波PCB板与插入式的SMA接头连接，所述SMA接头与矢量网络分析仪连接，在所述装置主体的背面完全由Cu覆盖，所述装置主体的正面应用印制电路工艺刻蚀出一条微波传输线，所述传输线与背面的Cu通过侧面电镀Cu连接到一起，即与接地端短路。微带线装置的特征阻抗与50Ω相匹配。

如图1所示，一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置，装置主体是Rogers公司生产的RO4003C型号微波PCB板1，其尺寸为宽度10mm，长度18mm，厚度0.813mm。在所述装置主体的背面完全由Cu覆盖2，其尺寸为宽度10mm，长度18mm，厚度35μm。在所述装置主体的正面应用印制电路工艺刻蚀出一条微波传输线3其尺寸为宽度1.9mm，长度18mm，厚度35μm。在所述传输线与背面的Cu通过侧面电镀Cu4连接到一起，即与接地端短路，其尺寸为宽度10mm，长度0.813mm，厚度35μmmm。将非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置1与插入式的SMA接头5连接到一起，SMA接头5与矢量网络分析仪7通过同轴电缆6连接到一起。如图2所示，上述非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置的测量方法，将薄膜样品8放置在微波传输线3的正下方，并且保证薄膜样品8的右侧边缘9刚好位于微波传输线3的末端4，为了得到高精度的测试结果必须保证薄膜样品8的表面和微带线3之间的间隙小于0.5 mm。薄膜放置8在加热装置10的平台上面。然后通过一个三维平台控制器调整加热平台的加热平面的位置和高度，从而调整薄膜样品8的位置和高度。加热装置10的传感器放置在薄膜样品8表面以便精确地检测温度变化，从而保证温度的误差范围不大于0.5 K。整个测试系统放置在减振台上，以减少环境振动的影响，可以保证测试过程中薄膜样品8与探头微波传输线3的距离保持不变。接下来就可以开始测试了。

根据传输线中的电磁波传输理论，可以得到矢量网络分析仪的S₁₁参数与等效介电常数和磁导率的关系，扣除介电常数信号后可得到磁导率的数值，即磁导率通过计算不同步骤下的矢量网络分析仪S₁₁参数而得到。首先，矢量网络分析仪空载时测得整个系统的S₁₁，即只有探头与矢量网络分析仪连接。第二步，放置上样品得到一个S₁₁。有效磁导率和介电常数都被改变了。第三步，为了剥离衬底介电常数的影响，在垂直于微带线的方向施加一个大于薄膜饱和场的磁场。这时，磁性薄膜没有高频响应。第四步，测量是加磁场后的空载微波探头的S₁₁，磁场施加的方式与第三步完全一致。磁导率可以通过这四个S₁₁推导出来。

CoZr薄膜由于具有好的面内单轴磁各向异性所以在本专利中被用来测试新的微带线探头，其中CoZr薄膜通过斜溅射的方法溅射到晶向为100的Si衬底上。通过VSM测试薄膜的饱和磁化强度为1.40T。薄膜的厚度大约为50 nm左右。CoZr薄膜的室温磁导率谱线分别用微带线装置和微带线探头测试，谱线图如图3所示。从图中可以发现两个测试谱线都与LLG方程拟合的非常好。应用LLG方程通过拟合，可以得到低频下磁导率的实部是207，共振频率是2.92 GHz。通过VSM研究薄膜的静态磁性与温度的关系如图4所示。4a和4b分别为斜溅射的CoZr薄膜在易轴和难轴方向的随温度变化（25-200℃）磁滞回线。可以看出当温度达到200℃时，CoZr薄膜仍具有很好的面内单轴各向异性。当样品温度从25℃增加到200℃时，各向异性场从77 Oe降低到了58 Oe。CoZr薄膜在不同温度下的静态各向异性场可以通过计算约化磁化强度的易轴和难轴的即可得到，如4c所示。当温度从25℃变到200℃时，饱和磁化强度也从M _{s 0}逐渐降低。

图5a和b分别显示了CoZr变化关系薄膜的实部与虚部随温度的变化关系图。实部的线性特性是非常典型的色散型谱线图，虚部是洛伦兹线性谱图。随着温度的升高磁导率虚部的峰位逐渐向低频移动，也就是说薄膜的共振频率逐渐降低。在共振频率以下，磁导率的实部的值随着温度的增加而增加。

总之，本专利中设计的微带线探头测试薄膜变温磁导率谱是非常成功的。为了确定其有效性，一个厚度为50nm的斜溅射CoZr薄膜的性质用此探头进行了测试。室温下的结果显示了磁导率和铁磁共振频率的值与应用传输线微扰理论的短路微带线装置测得的值吻合的非常好。CoZr薄膜的动态特性与温度的依赖关系应用理论方程通过拟合磁导率谱得到的值与测量得到的静态参数值是一致的。本发明专利中提到的探头和测试方法是非常有用的对于探测薄膜器件高频应用的热稳定性。另外如果探头的PCB版换成更高温度的SiO₂衬底以及微带线换成更高温度的材料，测试温度还可以再提高。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置，其特征在于：包括装置探头主体短路微带线微波PCB板，所述装置主体短路微带线微波PCB板与插入式的SMA接头连接，所述SMA接头与矢量网络分析仪连接，所述装置主体的背面完全覆盖Cu，其厚度为35μm，所述探头主体的正面应用印制电路工艺刻出一条微波传输线，其宽度为1.9mm，厚度为35μm，所述微波传输线与装置主体的背面完全覆盖的Cu通过侧面电镀Cu连接到一起，即与接地端短路。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置，其特征在于：所述装置探头主体短路微带线微波PCB板的特征阻抗与50Ω相匹配。

3.根据权利要求1或2所述的一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置的测量方法，其特征在于：在非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置的微波传输线的正下方放置薄膜样品，薄膜样品放置在加热平台上，然后通过一个三维移动平台调整加热平台的加热平面的位置和高度，使薄膜样品的边缘刚好位于微波传输线的末端，加热装置的传感器放置在薄膜样品表面以便精确地检测温度变化，通过矢量网络分析仪可得到不同温度下的薄膜磁导率。

4.根据权利要求3所述的一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置的测量方法，其特征在于：使薄膜和微带线之间间隙小于0.5 mm。

5.根据权利要求4所述的一种非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置的测量方法，其特征在于：所述的非接触式矢量网络高温测试薄膜磁导率的装置放置在减振台上，以减少环境振动的影响。