CN111337748A - 适用于高温高频条件下的阻抗测量方法 - Google Patents

适用于高温高频条件下的阻抗测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明旨在提供一种适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，包括以下步骤：A、将待测材料制成圆形薄片状的样品片，将样品片夹持于同轴结构的夹具的内部，将夹具的一端通过数据线与矢量网络分析仪的接口连接，通过矢量网络分析仪测量得到夹持样品片的夹具的整体反射参数，计算得到夹具本身的阻抗值，计算得到的夹持样品片的夹具的整体阻抗值；B、计算得到样品片的阻抗值；C、根据样品片的阻抗值计算得到样品片的反射参数；D、预设补偿修正公式，计算得到补偿修正后的样品片的复介电常数；E、根据补偿修正后的样品片的复介电常数计算得到样品片的最终阻抗。该方法克服现有技术缺陷，具有测量误差小、测量精度高的特点。

Description

适用于高温高频条件下的阻抗测量方法
技术领域
本发明涉及材料阻抗测试方法领域，具体涉及一种适用于高温高频条件下的阻抗测量方法。
背景技术
现有的半导体材料电阻率测量系统主要用于半导体材料导电性能的评估和测试，通常采用四线电阻法测量原理进行设计开发，可以在高温、真空的条件下测量半导体材料电阻和电阻率，可以分析被测样品电阻和电阻率随温度、时间变化的曲线，但测量频率范围值局限于20Hz—30MHz，不能满足在高频条件下的测量需要；并且在高频条件下微波会出现多次反射的现象，同时由于被测样品的厚度不同而导致微波在样品中传播时会发生相位的改变,进而出现电延迟的现象，存在较大的误差。
发明内容
本发明旨在提供一种适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，该方法克服现有技术缺陷，具有测量误差小、测量精度高的特点。
本发明的技术方案如下：
一种适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，包括以下步骤：
A、将待测材料制成圆形薄片状的样品片，将样品片夹持于同轴结构的夹具的内部，将夹具的一端通过数据线与矢量网络分析仪的接口连接，控制夹持样品片的夹具温度为需要的测量温度值，通过矢量网络分析仪测量得到夹持样品片的夹具的整体反射参数，根据夹具的材料属性、尺寸参数计算得到夹具本身的阻抗值，并根据夹持样品片的夹具的整体反射参数、夹具的阻抗值计算得到的夹持样品片的夹具的整体阻抗值；
B、根据夹持样品片的夹具的整体阻抗值、夹具本身的阻抗值计算得到样品片的阻抗值；
C、根据样品片的阻抗值计算得到样品片的反射参数；
D、预设补偿修正公式，将样品片的反射参数代入补偿修正公式中，计算得到补偿修正后的样品片的复介电常数；
所述的补偿修正公式为：
其中S'11为样品片的反射参数，ε为补偿修正后的样品片的复介电常数，ted为电延迟的时延，r为样品片的半径，n为多次反射的次数；
其中分布电感ω为角频率，μ为夹具的磁导率，电容
其中ε0为真空介电常数，RA为夹具的外管内壁的半径，RB为夹具的内柱的半径；
E、根据补偿修正后的样品片的复介电常数计算得到样品片的最终阻抗。
优选地，所述的待测材料包括导体、半导体、高分子材料。
优选地，所述的步骤A中夹持样品片的夹具的整体阻抗值的计算具体为：
其中Zm为夹持样品片的夹具的整体阻抗值，Zc为夹具的阻抗值，S11为夹具及样品片的整体反射参数；
其中ε1为空气的介电常数。
优选地，所述的步骤B中样品片的阻抗值的计算具体如下：
样品片的阻抗值Zr由公式(4)计算：
其中Zr为样品片的阻抗值，l为夹具的内柱的长度；
th(x)＝[exp(x)-exp(-x)]/[exp(x)+exp(-x)]。
优选地，所述的步骤C中的样品片的反射参数S'11由公式(5)求解得到：
优选地，所述的步骤E中的样品片的最终阻抗Zr'的计算具体为：
其中d为样品片的厚度，s为夹具的内柱的截面积。
优选地，所述的夹具包括数据线、接头Ⅰ、接头Ⅱ、外管、内柱；
所述的接头Ⅰ设有延左右方向设置的通孔Ⅰ，所述的通孔Ⅰ内固定设有导柱Ⅰ，所述的导柱Ⅰ延通孔Ⅰ的轴向设置；所述的数据线左端与矢量网络分析仪连接，右端伸入接头Ⅰ与导柱Ⅰ连接；所述的接头Ⅱ的左端与接头Ⅰ的右端配合，能够连接成一体；所述的接头Ⅱ设有延左右方向设置的通孔Ⅱ，所述的通孔Ⅱ内固定设有导柱Ⅱ，所述的导柱Ⅱ延通孔Ⅱ的轴向设置，导柱Ⅱ的右端位于通孔Ⅱ内并与通孔Ⅱ的右端口之间留有距离，该段距离构成夹持槽；当接头Ⅱ与接头Ⅰ连接时，导柱Ⅱ的左端与导柱Ⅰ的右端接触；所述的外管左端与接头Ⅱ的右端配合，能够连接成一体；所述的内柱设于外管内，延外管的轴向延伸；外管与接头Ⅱ连接时，样品片置于夹持槽内，内柱的左端伸入夹持槽内，导柱Ⅱ的右端与内柱的左端分别夹紧样品片的左右两侧；所述的接头Ⅰ、接头Ⅱ、外管、内柱均由金属导体材料制成。
优选地，所述的数据线外壁的右端设有螺纹接头，数据线内部的传输导体的右端伸出数据线外壁的右端之外；所述的螺纹接头外侧设有外螺纹Ⅰ，所述的接头Ⅰ的左端设有与螺纹接头相对应的凹部Ⅰ，所述的凹部Ⅰ内侧设有与外螺纹Ⅰ相对应的内螺纹Ⅰ，所述的数据线与接头Ⅰ通过外螺纹Ⅰ、内螺纹Ⅰ的配合实现连接，此时，数据线内部的传输导体与导柱Ⅰ相互接触，从而实现连接。
优选地，所述的接头Ⅰ的右端设有延其轴向设置的环状的突出部Ⅰ，所述的突出部Ⅰ外侧设有外螺纹Ⅱ，所述的接头Ⅱ左端设有与突出部Ⅰ相对应的凹部Ⅱ，所述的凹部Ⅱ内侧设有与外螺纹Ⅱ相对应的内螺纹Ⅱ，所述的接头Ⅰ与接头Ⅱ通过外螺纹Ⅱ、内螺纹Ⅱ的配合实现连接，此时，导柱Ⅱ的左端与导柱Ⅰ的右端接触；
所述的接头Ⅱ的右端设有延其轴向设置的环状的突出部Ⅱ，所述的突出部Ⅱ的外侧设有外螺纹Ⅲ，所述的外管左端设有与突出部Ⅱ相对应的凹部Ⅲ，所述的凹部Ⅲ内侧设有与外螺纹Ⅲ相对应的内螺纹Ⅲ，所述的接头Ⅱ与外管通过外螺纹Ⅲ、内螺纹Ⅲ的配合实现连接。
本发明通过对测量得到夹具与待测材料的整体反射系数进行处理，分离出待测材料自身的反射系数，并且采用补偿修正公式对待测材料自身的反射系数进行补偿修正，将实际测量过程中发生的多次反射以及电延迟的两大影响因素移除，相比于现有技术方案，大大提高了计算结果的精确度，降低测量误差；
并且，本发明采用接头I、接头Ⅱ以及外管构成全金属结构的同轴传输线，全金属结构具有较好的耐高温特性，金属在高温下形变较小的特性，进而降低了夹具在高温环境下阻抗的变化，进一步提高测量的精确度，本发明夹具的适用温度范围为室温-300℃，尤其适用于200-300℃的高温范围，高于现有技术方案的温度范围；
而同轴结构使得夹具的阻抗与矢量网络分析仪的电路特性阻抗相匹配，提高高频条件下的测量精度，降低高频条件下的测量误差，使得本发明夹具能够适用于高频条件下的测量要求，本发明夹具的适用频率范围为300KHz-3GHz，尤其适用于30MHz-3GHz的高频范围，高于现有技术方案的频率范围；
并且，夹具的全金属结构通过各部件间的螺纹结构完成连接，提高操作的便捷性；
固定螺帽结构提高了对内柱的支撑与限位，通过其与内柱的静摩擦保持内柱的稳定夹紧；
本发明夹具优选采用全金属结构的APC-7转接头作为接头Ⅰ及接头Ⅱ。
附图说明
图1为适用于高温高频条件下的阻抗测量方法的夹具的结构示意图；
图中各部分名称及序号如下：
1为数据线，2为接头Ⅰ，3为接头Ⅱ，4为外管，5为内柱，6为固定螺帽，7为样品片；
21为通孔Ⅰ，22为导柱Ⅰ，23为凹部Ⅰ，24为突出部Ⅰ，25为螺纹接头，26为限位环Ⅰ；
31为通孔Ⅱ，32为导柱Ⅱ，33为凹部Ⅱ，34为突出部Ⅱ，35为限位环Ⅱ；
41为凹部Ⅲ，42为突出部Ⅲ；
61为凹部Ⅳ，62为通孔Ⅲ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体说明本发明。
实施例1
本实施例提供的适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，包括以下步骤：
A、将待测材料制成圆形薄片状的样品片，将样品片夹持于同轴结构的夹具的内部，将夹具的一端通过数据线与矢量网络分析仪的接口连接，控制夹持样品片的夹具温度为需要的测量温度值，通过矢量网络分析仪测量得到夹持样品片的夹具的整体反射参数，根据夹具的材料属性、尺寸参数计算得到夹具本身的阻抗值，并根据夹持样品片的夹具的整体反射参数、夹具的阻抗值计算得到的夹持样品片的夹具的整体阻抗值；
所述的步骤A中夹持样品片的夹具的整体阻抗值的计算具体为：
其中Zm为夹持样品片的夹具的整体阻抗值，Zc为夹具的阻抗值，S11为夹具及样品片的整体反射参数；
其中ε1为空气的介电常数；
B、根据夹持样品片的夹具的整体阻抗值、夹具本身的阻抗值计算得到样品片的阻抗值；
所述的步骤B中样品片的阻抗值的计算具体如下：
样品片的阻抗值Zr由公式(4)计算：
其中Zr为样品片的阻抗值，l为夹具的内柱的长度；
th(x)＝[exp(x)-exp(-x)]/[exp(x)+exp(-x)]；
C、根据样品片的阻抗值计算得到样品片的反射参数；
所述的步骤C中的样品片的反射参数S'11由公式(5)求解得到：
D、预设补偿修正公式，将样品片的反射参数代入补偿修正公式中，计算得到补偿修正后的样品片的复介电常数；
所述的补偿修正公式为：
其中S'11为样品片的反射参数，ε为补偿修正后的样品片的复介电常数，ted为电延迟的时延，r为样品片的半径，n为多次反射的次数；
其中分布电感ω为角频率，μ为夹具的磁导率，电容
其中ε0为真空介电常数，RA为夹具的外管内壁的半径，RB为夹具的内柱的半径；
E、根据补偿修正后的样品片的复介电常数计算得到样品片的最终阻抗；
所述的步骤E中的样品片的最终阻抗Z'的计算具体为：
其中d为样品片的厚度，s为夹具的内柱的截面积；
如图1所示，所述的夹具包括数据线1、接头Ⅰ2、接头Ⅱ3、外管4、内柱5；
所述的接头Ⅰ2设有延左右方向设置的通孔Ⅰ21，所述的通孔Ⅰ21内固定设有导柱Ⅰ22，所述的导柱Ⅰ22延通孔Ⅰ21的轴向设置；所述的数据线1左端与矢量网络分析仪连接，右端伸入接头Ⅰ2与导柱Ⅰ22连接；所述的接头Ⅱ3的左端与接头Ⅰ2的右端配合，能够连接成一体；所述的接头Ⅱ3设有延左右方向设置的通孔Ⅱ31，所述的通孔Ⅱ31内固定设有导柱Ⅱ32，所述的导柱Ⅱ32延通孔Ⅱ31的轴向设置，导柱Ⅱ32的右端位于通孔Ⅱ31内并与通孔Ⅱ31的右端口之间留有距离，该段距离构成夹持槽；当接头Ⅱ3与接头Ⅰ2连接时，导柱Ⅱ32的左端与导柱Ⅰ22的右端接触；所述的外管4左端与接头Ⅱ3的右端配合，能够连接成一体；所述的内柱5设于外管4内，延外管4的轴向延伸；外管4与接头Ⅱ3连接时，样品片7置于夹持槽内，内柱5的左端伸入夹持槽内，导柱Ⅱ32的右端与内柱5的左端分别夹紧样品片7的左右两侧；所述的接头Ⅰ2、接头Ⅱ3、外管4、内柱5均由金属导体材料制成；
所述的数据线1外壁的右端设有螺纹接头25，数据线1内部的传输导体的右端伸出数据线1外壁的右端之外；所述的螺纹接头25外侧设有外螺纹Ⅰ，所述的接头Ⅰ2的左端设有与螺纹接头25相对应的凹部Ⅰ23，所述的凹部Ⅰ23内侧设有与外螺纹Ⅰ相对应的内螺纹Ⅰ，所述的数据线1与接头Ⅰ2通过外螺纹Ⅰ、内螺纹Ⅰ的配合实现连接，此时，数据线1内部的传输导体与导柱Ⅰ22相互接触，从而实现连接；
所述的接头Ⅰ2的右端设有延其轴向设置的环状的突出部Ⅰ24，所述的突出部Ⅰ24外侧设有外螺纹Ⅱ，所述的接头Ⅱ3左端设有与突出部Ⅰ24相对应的凹部Ⅱ33，所述的凹部Ⅱ33内侧设有与外螺纹Ⅱ相对应的内螺纹Ⅱ，所述的接头Ⅰ2与接头Ⅱ3通过外螺纹Ⅱ、内螺纹Ⅱ的配合实现连接，此时，导柱Ⅱ32的左端与导柱Ⅰ22的右端接触；
所述的接头Ⅱ3的右端设有延其轴向设置的环状的突出部Ⅱ34，所述的突出部Ⅱ34的外侧设有外螺纹Ⅲ，所述的外管4左端设有与突出部Ⅱ34相对应的凹部Ⅲ41，所述的凹部Ⅲ41内侧设有与外螺纹Ⅲ相对应的内螺纹Ⅲ，所述的接头Ⅱ3与外管4通过外螺纹Ⅲ、内螺纹Ⅲ的配合实现连接。

Claims (9)

1.一种适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将待测材料制成圆形薄片状的样品片，将样品片夹持于同轴结构的夹具的内部，将夹具的一端通过数据线与矢量网络分析仪的接口连接，控制夹持样品片的夹具温度为需要的测量温度值，通过矢量网络分析仪测量得到夹持样品片的夹具的整体反射参数，根据夹具的材料属性、尺寸参数计算得到夹具本身的阻抗值，并根据夹持样品片的夹具的整体反射参数、夹具的阻抗值计算得到的夹持样品片的夹具的整体阻抗值；
B、根据夹持样品片的夹具的整体阻抗值、夹具本身的阻抗值计算得到样品片的阻抗值；
C、根据样品片的阻抗值计算得到样品片的反射参数；
D、预设补偿修正公式，将样品片的反射参数代入补偿修正公式中，计算得到补偿修正后的样品片的复介电常数；
所述的补偿修正公式为：
其中S'11为样品片的反射参数，ε为补偿修正后的样品片的复介电常数，ted为电延迟的时延，r为样品片的半径，n为多次反射的次数；
其中分布电感ω为角频率，μ为夹具的磁导率，电容
其中ε0为真空介电常数，RA为夹具的外管内壁的半径，RB为夹具的内柱的半径；
E、根据补偿修正后的样品片的复介电常数计算得到样品片的最终阻抗。
2.如权利要求1所述的适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，其特征在于：所述的待测材料包括导体、半导体、高分子材料。
3.如权利要求1所述的适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，其特征在于：
所述的步骤A中夹持样品片的夹具的整体阻抗值的计算具体为：
其中Zm为夹持样品片的夹具的整体阻抗值，Zc为夹具的阻抗值，S11为夹具及样品片的整体反射参数；
其中ε1为空气的介电常数。
4.如权利要求3所述的适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，其特征在于：
所述的步骤B中样品片的阻抗值的计算具体如下：
样品片的阻抗值Zr由公式(4)计算：
其中Zr为样品片的阻抗值，l为夹具的内柱的长度；
th(x)＝[exp(x)-exp(-x)]/[exp(x)+exp(-x)]。
5.如权利要求4所述的适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，其特征在于：
所述的步骤C中的样品片的反射参数S'11由公式(5)求解得到：
6.如权利要求5所述的适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，其特征在于：
所述的步骤E中的样品片的最终阻抗Zr'的计算具体为：
其中d为样品片的厚度，s为夹具的内柱的截面积。
7.如权利要求1所述的适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，其特征在于：所述的夹具包括数据线(1)、接头Ⅰ(2)、接头Ⅱ(3)、外管(4)、内柱(5)；
所述的接头Ⅰ(2)设有延左右方向设置的通孔Ⅰ(21)，所述的通孔Ⅰ(21)内固定设有导柱Ⅰ(22)，所述的导柱Ⅰ(22)延通孔Ⅰ(21)的轴向设置；所述的数据线(1)左端与矢量网络分析仪连接，右端伸入接头Ⅰ(2)与导柱Ⅰ(22)连接；所述的接头Ⅱ(3)的左端与接头Ⅰ(2)的右端配合，能够连接成一体；所述的接头Ⅱ(3)设有延左右方向设置的通孔Ⅱ(31)，所述的通孔Ⅱ(31)内固定设有导柱Ⅱ(32)，所述的导柱Ⅱ(32)延通孔Ⅱ(31)的轴向设置，导柱Ⅱ(32)的右端位于通孔Ⅱ(31)内并与通孔Ⅱ(31)的右端口之间留有距离，该段距离构成夹持槽；当接头Ⅱ(3)与接头Ⅰ(2)连接时，导柱Ⅱ(32)的左端与导柱Ⅰ(22)的右端接触；所述的外管(4)左端与接头Ⅱ(3)的右端配合，能够连接成一体；所述的内柱(5)设于外管(4)内，延外管(4)的轴向延伸；外管(4)与接头Ⅱ(3)连接时，样品片(7)置于夹持槽内，内柱(5)的左端伸入夹持槽内，导柱Ⅱ(32)的右端与内柱(5)的左端分别夹紧样品片(7)的左右两侧；所述的接头Ⅰ(2)、接头Ⅱ(3)、外管(4)、内柱(5)均由金属导体材料制成。
8.如权利要求7所述的适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，其特征在于：
所述的数据线(1)外壁的右端设有螺纹接头(25)，数据线(1)内部的传输导体的右端伸出数据线(1)外壁的右端之外；所述的螺纹接头(25)外侧设有外螺纹Ⅰ，所述的接头Ⅰ(2)的左端设有与螺纹接头(25)相对应的凹部Ⅰ(23)，所述的凹部Ⅰ(23)内侧设有与外螺纹Ⅰ相对应的内螺纹Ⅰ，所述的数据线(1)与接头Ⅰ(2)通过外螺纹Ⅰ、内螺纹Ⅰ的配合实现连接，此时，数据线(1)内部的传输导体与导柱Ⅰ(22)相互接触，从而实现连接。
9.如权利要求8所述的适用于高温高频条件下的阻抗测量方法，其特征在于：
所述的接头Ⅰ(2)的右端设有延其轴向设置的环状的突出部Ⅰ(24)，所述的突出部Ⅰ(24)外侧设有外螺纹Ⅱ，所述的接头Ⅱ(3)左端设有与突出部Ⅰ(24)相对应的凹部Ⅱ(33)，所述的凹部Ⅱ(33)内侧设有与外螺纹Ⅱ相对应的内螺纹Ⅱ，所述的接头Ⅰ(2)与接头Ⅱ(3)通过外螺纹Ⅱ、内螺纹Ⅱ的配合实现连接，此时，导柱Ⅱ(32)的左端与导柱Ⅰ(22)的右端接触；
所述的接头Ⅱ(3)的右端设有延其轴向设置的环状的突出部Ⅱ(34)，所述的突出部Ⅱ(34)的外侧设有外螺纹Ⅲ，所述的外管(4)左端设有与突出部Ⅱ(34)相对应的凹部Ⅲ(41)，所述的凹部Ⅲ(41)内侧设有与外螺纹Ⅲ相对应的内螺纹Ⅲ，所述的接头Ⅱ(3)与外管(4)通过外螺纹Ⅲ、内螺纹Ⅲ的配合实现连接。
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