CN106154049A - 薄膜材料介电性能的测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜材料介电性能的测试方法，该方法包括：根据测试仪器的类型制作样品，其中，所述测试仪器至少包括网络分析仪PNA、材料测量装置，样品厚度已知且衬底无磁性；调试测试仪器；将样品与测试仪器相连，通过测试仪器对样品进行测试。本发明通过根据测试仪器的类型制作对应的样品，并通过测试仪器对样品测试，在测试过程中无需其他参照样品，测试过程简单易行，且测试波段范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及微波测量领域，具体来说，涉及一种薄膜材料介电性能的测试方法及系统。
背景技术
薄膜材料广泛应用于各个领域，如信息存储及复合材料粘结等。不同的应用需求对薄膜材料的电磁特性要求也不尽相同。对薄膜材料而言，其复介电参数和磁导率是其重要参数。但是，由于薄膜材料厚度很薄，体积也很小，同时在制作薄膜时一般选择涂覆在特定的基底上，其中在测量块状均匀介质时，测量其高频复电磁特性比较加困难。
目前薄膜材料复介电常用的测试方法主要有谐振腔法以及传输/反射法。
其中，谐振腔法是将待测样品放入谐振腔内，根据样品放入前后其谐振频率和品质因数Q的变化来确定样品的复介电常数或复磁导率，如图1所示。但是其只能用于点频测量，要测量多个频点需要制作多个不同的谐振腔体，对于微波频段内测量并不能很好的兼容，同时也无法同时得到磁性能和介电性能。
此外，传输/反射法是一种单端口或双端口传输线法，将待测样品及相应的测量装置视为单口或双口网络，通过加载待测薄膜后传输线的S参量变化来计算薄膜的复电磁参数。此方法中应用最为广泛的为微带法，其原理见图2a及图2b。但是该方法在测试的过程中需要对电磁参数已知、且尺寸和厚度与待测薄膜相同的参考样品进行测试，从而确定待测薄膜材料的复磁导率，由于参考样品往往较难以获得，因此该方法实现也较难。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种薄膜材料介电性能的测试方法及系统。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种薄膜材料介电性能的测试方法。
该方法包括：
根据测试仪器的类型制作样品，其中，测试仪器至少包括网络分析仪PNA、材料测量装置，样品厚度已知且衬底无磁性；
调试测试仪器；
将样品与测试仪器相连，通过测试仪器对样品进行测试。
其中，当测试仪器为波导转换设备时，制作样品包括：
切割带衬底的薄膜样品形成至少一根为预定体积的长条，长条的宽大于5mm；
通过具有粘结作用的粘结剂将长条以薄膜向上、宽边对齐的方式进行叠加，直到叠加的厚度达到预定阈值从而形成预备样品；
对预备样品进行树脂固化；
沿预备样品贯层的方向切割经过树脂固化的预备样品形成至少一个预定体积的样块，样块的宽度小于9mm；
根据预备样品的叠加层数、样块贯层方向的厚度，得到样块的介电薄膜体积比；
将样块制作成预定大小的样条，并烘干样条形成第一样品。
其中，当测试仪器为波导转换设备时，波导转换设备包括波导转换套件、网络分析仪PNA、材料测量装置、CPU，其中，波导转换套件与CPU相连，CPU与PNA及材料测量装置相连。
其中，调试测试仪器，包括：
将波导转换套件的第一波导端口连接至PNA的第一接口PORT1；
将波导转换套件的第二波导端口连接至PNA的第二接口PORT2；
按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的顺序对波导转换装置进行校准，得到第一校准文件。
其中，当测试仪器为波导转换设备时，将样品与测试仪器相连，通过测试仪器对样品进行测试，包括：
将第一样品镶入波导转换设备的夹具中；
根据获取的第一校准文件及第一样品的参数输出预定波段内第一样品的介电性能参数。
此外，当测试仪器为无珠同轴空气线测试设备时，制作样品包括：
加工带衬底的薄膜样品形成至少一个具有预定内径及预定内径的环形样件；
通过具有粘结作用的粘结剂将样件以薄膜向上、边缘对齐的方式进行叠加，直到叠加的厚度达到预定阈值从而形成备用样品；
对备用样品进行树脂固化；
对经过树脂固化的备用样品进行烘干形成第二样品。
此外，当测试仪器为无珠同轴空气线测试设备时，无珠同轴空气线设备包括无珠同轴空气线、开短路校准件、网络分析仪PNA、材料测量装置、CPU，其中无珠同轴空气线的两端与PNA相连，CPU分别与开短路校准件、PNA、材料测量装置相连。
其中，调试测试仪器，包括：
将无珠同轴空气线的第一端口通过稳相电缆连接至PNA的第一接口PORT1；
将无珠同轴空气线的第二端口通过稳相电缆连接至PNA的第二接口PORT2；
按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的顺序对无珠同轴空气线测试设备进行校准，得到第二校准文件。
此外，当测试仪器为无珠同轴空气线测试设备时，将样品与测试仪器相连，通过测试仪器对样品进行测试，包括：
将第二样品镶入无珠同轴空气线中；
根据获取的第二校准文件及第二样品的参数输出预定波段内第二样品的介电性能参数。
根据本发明的另一方面，还提供了一种薄膜材料介电性能的测试系统，包括：
信号产生装置、网络分析仪PNA、材料测量装置、CPU,其中信号产生装置的第一端口、第二端口分别与PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相连，CPU分别与PNA、材料测量装置连接。
其中，信号产生装置包括二端口波导转换套件。
此外，该系统中还可以进一步包括：
开短路校准件；基于此系统，信号产生装置包括无珠同轴空气线。
其中，无珠同轴空气线的第一端口、第二端口分别通过稳相电缆与PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相连，CPU分别与PNA、材料测量装置、开短路校准件连接。
本发明通过根据测试仪器的类型制作对应的样品，并通过测试仪器对样品测试，在测试过程中无需其他参照样品，测试过程简单易行，且测试波段范围广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术用谐振法对薄膜材料进行测试的示意图；
图2a及图2b是现有技术用传输/反射法对薄膜材料进行测试的示意图；
图3是根据本发明实施例的薄膜材料介电性能的测试方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的薄膜材料介电性能的测试系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种薄膜材料介电性能的测试方法。
如图3所示，根据本发明实施例的薄膜材料介电性能测试方法，包括：
步骤S301，根据测试仪器的类型制作样品，其中，测试仪器至少包括网络分析仪PNA、材料测量装置，样品厚度已知且衬底无磁性；
步骤S303，调试测试仪器；
步骤S305，将样品与测试仪器相连，通过测试仪器对样品进行测试。
通过本发明的上述方案，能够在测试过程中无需其他参照样品，测试过程简单易行，且测试波段范围广泛。
下面将以多个实施例详细介绍本发明的技术方案。
实施例1，当本发明采用波导转换设备作为测试仪器时，需要制作与其相对应的样品，其中，制作样品的步骤如下：
切割带衬底的薄膜样品形成至少一根为预定体积的长条，长条的宽大于5mm；
通过具有粘结作用的粘结剂将长条以薄膜向上、宽边对齐的方式进行叠加，直到叠加的厚度达到预定阈值从而形成预备样品；
对预备样品进行树脂固化；
沿预备样品贯层的方向切割经过树脂固化的预备样品形成至少一个预定体积的样块，样块的宽度小于9mm；
根据预备样品的叠加层数、样块贯层方向的厚度，得到样块的介电薄膜体积比；
将样块制作成预定大小的样条，并烘干样条形成第一样品。
在实施例1中，当测试仪器为波导转换设备时，波导转换设备包括波导转换套件、网络分析仪PNA、材料测量装置、CPU，其中，波导转换套件与CPU相连，CPU与PNA及材料测量装置相连。
在对样品进行测试前还需要对测试设备进行调试，具体步骤如下：
将波导转换套件的第一波导端口连接至PNA的第一接口PORT1；
将波导转换套件的第二波导端口连接至PNA的第二接口PORT2；
按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的顺序对波导转换装置进行校准，得到第一校准文件。
当上述准备都完成时，可以通过如下方式对样品进行测试：
将第一样品镶入波导转换设备的夹具中；
根据获取的第一校准文件及第一样品的参数输出预定波段内第一样品的介电性能参数。
实施例2，当本发明采用无珠同轴空气线测试设备作为测试仪器时，需要制作与其相对应的样品，其中，制作样品的步骤如下：
加工带衬底的薄膜样品形成至少一个具有预定内径及预定内径的环形样件；
通过具有粘结作用的粘结剂将样件以薄膜向上、边缘对齐的方式进行叠加，直到叠加的厚度达到预定阈值从而形成备用样品；
对备用样品进行树脂固化；
对经过树脂固化的备用样品进行烘干形成第二样品。
在实施例2中，当测试仪器为无珠同轴空气线测试设备时，无珠同轴空气线设备包括无珠同轴空气线、开短路校准件、网络分析仪PNA、材料测量装置、CPU，其中无珠同轴空气线的两端与PNA相连，CPU分别与开短路校准件、PNA、材料测量装置相连。
同样的，在对样品进行测试前还需要对测试设备进行调试，具体步骤如下：
将无珠同轴空气线的第一端口通过稳相电缆连接至PNA的第一接口PORT1；
将无珠同轴空气线的第二端口通过稳相电缆连接至PNA的第二接口PORT2；
按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的顺序对无珠同轴空气线测试设备进行校准，得到第二校准文件。
当上述准备都完成时，可以通过如下方式对样品进行测试：
将第二样品镶入无珠同轴空气线中；
根据获取的第二校准文件及第二样品的参数输出预定波段内第二样品的介电性能参数。
实施例3，本发明采用波导转换套件(波导口尺寸精度0.01mm)，N5227A型网络分析仪(PNA)及85071E材料测量软件。这里以X波段(8.2-12.4GHz)为例说明，波导口内截面尺寸(22.86mm×10.16mm)，在其他微波波段均可以按照此方法制作样品并测试。本发明的测试方法将以多个步骤进行分解阐述。
1样品制备
待测介电薄膜(薄膜厚度a已知，且衬底无磁性)，选取合适大小的试样，将带衬底薄膜切割成长22.9mm宽＞5mm的样条若干(根据待测样板总厚度决定所裁减样条的数量)。
选用易产生粘结作用常温固化树脂作粘结剂，将上述样以薄膜朝上、宽边对齐的方法叠加，层与层之间用粘结剂粘结，总厚度大于10.16mm即可，记下所叠层数n。
将上述样品进行树脂固化镶样备用。
切割：将上述样品沿贯层方向切割为宽边22.9mm，厚度＜9mm的样块备用。测量贯层方向上样品的厚度N，计算介电薄膜体积比β。
磨削：利用研磨抛光机将上述样品磨削至尺寸为22.86mm×10.16mm长方体样条；
将样条放至干燥箱进行充分干燥(110℃，5h)。
2样品测试
2.1设备连接及校准：将两个波导端口分别连接至PNA的PORT1及PORT2接口，打开85071E材料测量软件，设定起始频率、选择测试模型(此处选Ref/Tran u&e)，直波导Sample Holder尺寸，然后打开PNA选择SmartCal(Guided calibration)、2-port校准,分别按照PORT1+SHORT,PORT2+SHOR，PORT1+PORT2，PORT1+1/4LINE+PORT2的顺序进行校准，保存校准文件Calkit待用。
2.2样品安装：测量样品厚度h并记录数据，将试样镶入1/4直波导中。若因尺寸问题镶入困难可将样品适当冷却后再进行安装，但测量时需等待温度回到正常(常温或室温)。
2.3测试：按照PORT1+1/4LINE+PORT2的方式连接好设备后，载入2.1中获得的校准文件Calkit，输入样品厚度h，开始测试，得到在X波段内的测试结果相对介电参数及介电损耗。
利用上述方法在其它微波频段内皆可按照此步骤来利用不同尺寸的二端口波导系统进行测试。
实施例4，本发明采用7mm无珠同轴空气线(内径3.04mm,外径7mm)及开短路校准件(S2630)，N5227A型网络分析仪(PNA)及85071E材料测量软件进行测试，在其他微波波段均可以按照此方法制作样品并测试。本发明的测试方法将以多个步骤进行分解阐述。
1样品制备
1.1待测介电薄膜(薄膜厚度a已知，且衬底无磁性)，选取合适大小的试样，将带衬底薄膜机加成内径3.04mm外径7mm的环形样件若干(根据待测样板总厚度决定所裁减样件的数量)。
1.2选用易产生粘结作用常温固化树脂作粘结剂，将上述样件以薄膜朝上、边缘对齐的方法叠加，层与层之间用粘结剂粘结，总厚度大于1.5mm即可，记下所叠层数n。
1.3将上述样品进行树脂固化镶样备用。
1.4将样条放至干燥箱进行充分干燥(110℃，5h)。
2样品测试
2.1设备连接及校准：将7mm同轴空气线的两个端口分别用稳相电缆连接至PNA的PORT1及PORT2接口，打开85071E材料测量软件，设定起始频率、选择测试模型(此处选Ref/Tran u&e)，Sample Holder尺寸，然后打开PNA选择SmartCal(Guided calibration)、2-port校准,分别按照PORT1+SHORT,PORT2+SHORT，PORT1+PORT2，PORT1+1/4LINE+PORT2的顺序进行校准，保存校准文件Calkit待用。
2.2样品安装：测量样品厚度h并记录数据，将环形样品嵌入7mm同轴空气线中。若因尺寸问题镶入困难可将样品适当冷却后再进行安装，但测量时需等待温度回到正常(常温或室温)。
2.3测试：按照PORT1+Coaxial airline+PORT2的方式连接好设备后，载入2.1中获得的校准文件Calkit，输入样品厚度h，开始测试，得到在X波段内的测试结果相对介电参数及介电损耗。
根据本发明的实施例还提供了一种薄膜材料介电性能的测试系统，图4为该系统的示意图，该系统包括：
信号产生装置、网络分析仪PNA、材料测量装置、CPU,其中信号产生装置的第一端口、第二端口分别与PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相连，CPU分别与PNA、材料测量装置连接。
其中，信号产生装置可以为二端口波导转换套件。
另外，信号产生装置还可以为无珠同轴空气线。
此刻，该系统中还可以进一步包括：
开短路校准件。
其中，无珠同轴空气线的第一端口、第二端口分别通过稳相电缆与PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相连，CPU分别与PNA、材料测量装置、开短路校准件连接。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过根据测试仪器的类型制作对应的样品，并通过测试仪器对样品测试，在测试过程中无需其他参照样品，测试过程简单易行，且测试波段范围广泛。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种薄膜材料介电性能的测试方法，其特征在于，包括：
根据测试仪器的类型制作样品，其中，所述测试仪器至少包括网络分析仪PNA、材料测量装置，所述样品厚度已知且衬底无磁性；
调试所述测试仪器；
将所述样品与所述测试仪器相连，通过所述测试仪器对所述样品进行测试。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测试仪器为波导转换设备时，所述制作样品包括：
切割带衬底的薄膜样品形成至少一根为预定体积的长条，所述长条的宽大于5mm；
通过具有粘结作用的粘结剂将长条以薄膜向上、宽边对齐的方式进行叠加，直到叠加的厚度达到预定阈值从而形成预备样品；
对所述预备样品进行树脂固化；
沿所述预备样品贯层的方向切割经过树脂固化的所述预备样品形成至少一个预定体积的样块，所述样块的宽度小于9mm；
根据所述预备样品的叠加层数、所述样块贯层方向的厚度，得到所述样块的介电薄膜体积比；
将所述样块制作成预定大小的样条，并烘干所述样条形成第一样品。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测试仪器为波导转换设备时，所述波导转换设备包括波导转换套件、网络分析仪PNA、材料测量装置、CPU，其中，所述波导转换套件与所述CPU相连，所述CPU与所述PNA及材料测量装置相连。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述调试所述测试仪器，包括：
将所述波导转换套件的第一波导端口连接至所述PNA的第一接口PORT1；
将所述波导转换套件的第二波导端口连接至所述PNA的第二接口PORT2；
按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的顺序对所述波导转换装置进行校准，得到第一校准文件。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测试仪器为波导转换设备时，所述将所述样品与所述测试仪器相连，通过所述测试仪器对所述样品进行测试，包括：
将所述第一样品镶入所述波导转换设备的夹具中；
根据获取的所述第一校准文件及所述第一样品的参数输出预定波段内所述第一样品的介电性能参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测试仪器为无珠同轴空气线测试设备时，所述制作样品包括：
加工带衬底的薄膜样品形成至少一个具有预定内径及预定内径的环形样件；
通过具有粘结作用的粘结剂将样件以薄膜向上、边缘对齐的方式进行叠加，直到叠加的厚度达到预定阈值从而形成备用样品；
对所述备用样品进行树脂固化；
对经过树脂固化的所述备用样品进行烘干形成第二样品。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测试仪器为无珠同轴空气线测试设备时，所述无珠同轴空气线设备包括无珠同轴空气线、开短路校准件、网络分析仪PNA、材料测量装置、CPU，其中所述无珠同轴空气线的两端与所述PNA相连，所述CPU分别与所述开短路校准件、所述PNA、所述材料测量装置相连。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调试所述测试仪器，包括：
将所述无珠同轴空气线的第一端口通过稳相电缆连接至所述PNA的第一接口PORT1；
将所述无珠同轴空气线的第二端口通过稳相电缆连接至所述PNA的第二接口PORT2；
按PORT1+SHORT至PORT2+SHORT至PORT1+PORT2至PORT1+1/4LINE+PORT2的顺序对所述无珠同轴空气线测试设备进行校准，得到第二校准文件。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述测试仪器为无珠同轴空气线测试设备时，所述将所述样品与所述测试仪器相连，通过所述测试仪器对所述样品进行测试，包括：
将所述第二样品镶入无珠同轴空气线中；
根据获取的所述第二校准文件及所述第二样品的参数输出预定波段内所述第二样品的介电性能参数。
10.一种薄膜材料介电性能的测试系统，其特征在于，包括：
信号产生装置、网络分析仪PNA、材料测量装置、CPU,其中信号产生装置的第一端口、第二端口分别与所述PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相连，所述CPU分别与所述PNA、所述材料测量装置连接。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述信号产生装置包括二端口波导转换套件。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，进一步包括：
开短路校准件。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述信号产生装置包括无珠同轴空气线。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述无珠同轴空气线的第一端口、第二端口分别通过稳相电缆与所述PNA的第一接口PORT1、第二接口PORT2相连，所述CPU分别与所述PNA、所述材料测量装置、所述开短路校准件连接。
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