CN114113789A - 一种高频下测量金属薄膜电导率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种高频下测量金属薄膜电导率的装置及方法，属于导体高频交流电阻测量技术领域。本发明是为了解决现有的陶瓷金属化表面的金属薄膜在高频交流电的电导率测量方法测量过程困难，无法准确的测量出不同工艺下的陶瓷金属化表面的金属薄膜的电导率的问题。本发明的测量装置包括损耗测试仪、两个SMA连接器和矢量网络分析仪，所述的两个SMA连接器分别安装在损耗测试仪的两侧，并与矢量网络分析仪连接，为所述的损耗测试仪进行馈电。本发明主要用于测量射频器件金属表面的电导率。

Description

一种高频下测量金属薄膜电导率的装置及方法

技术领域

本发明属于导体高频交流电阻测量技术领域，尤其涉及一种高频下测量金属薄膜电导率的装置及方法。

背景技术

射频器件常用于高频交流电的场合，在使用过程中常会出现趋肤效应，所谓的趋肤效应是指当导体中有交流电时，导体内部的电流会集中在导体外表面的薄层，导体内部的电流实际较小，会增大导体内部的电阻，从而增大损耗功率；对于不同工艺所产生的射频器件，其金属表面的电导率也不同，对于陶瓷金属化表面的金属薄膜在高频交流电的电导率测量，一般有方阻法、四探针方块电阻法和TE011圆柱谐振腔测量法；方阻法或四探针方块电阻法目前应用较为广泛，其主要是利用恒流源在金属层表面形成测试回路，通过测量电压差，再根据无限薄层理论模型进行推算方块电阻的阻值，但是该方法测试环境为直流环境，未能很好的考虑趋肤效应对电阻造成的影响，例如，在频率为5GHz的条件下，纯铜的趋肤深度约为1μm，但利用方阻法进行测量时，整个金属层的厚度都会被考虑在内，会得到明显偏小的结论；而TE011圆柱谐振腔测量超导薄面表面电阻的方法较难确定出金属薄膜、铜腔壁以及陶瓷片的几何因子，对于中间圆柱介质的电能填充系数和损耗角正切也难得到精确值，对中间圆柱介质以及圆柱外壳的对中性要求也较高，在实际测量中，受限于复杂的测试方法，使用较为困难；

因此，现有的陶瓷金属化表面的金属薄膜在高频交流电的电导率测量方法都无法准确的测量出不同工艺下的陶瓷金属化表面的金属薄膜的电导率，进而无法评价最适合生产射频器件的金属化方案，故提出一种结构相对简单的，对实际生产有指导意义的测量金属薄膜在高频交流下导体损耗的方法是十分必要的。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有的陶瓷金属化表面的金属薄膜在高频交流电的电导率测量方法测量过程困难，无法准确的测量出不同工艺下的陶瓷金属化表面的金属薄膜的电导率；进而提供一种高频下测量金属薄膜电导率的装置及方法。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种高频下测量金属薄膜电导率的装置，包括损耗测试仪、两个SMA连接器和矢量网络分析仪，所述的两个SMA连接器分别安装在损耗测试仪的两侧，并与矢量网络分析仪连接，为所述的损耗测试仪进行馈电。

一种高频下测量金属薄膜电导率的方法，具体测量过程如下：

步骤S1，损耗测试仪通过SMA连接器与矢量网络分析仪连接，在损耗测试仪空腔的条件下，利用矢量网络分析仪测出损耗测试仪的第一输出反射系数S21；通过第一输出反射系数S21获得损耗测试仪的无载Q值Q₁；

步骤S2，将损耗测试仪的盖板拆开，设长方形内腔的顶壁为B1、长方形内腔的腔底为B2、长方形内腔的左侧内壁为A1和长方形内腔的右侧内壁为A2，在损耗测试仪长方形内腔的左侧内壁A1、右侧内壁A2、顶壁B1和腔底B2上各设置一块待测基板，待测基板的金属层紧密贴合在内壁上，并完全将内壁覆盖住，将损耗测试仪的盖板安装上；

步骤S3，损耗测试仪通过SMA连接器与矢量网络分析仪连接，损耗测试仪处于测量状态；利用矢量网络分析仪测出损耗测试仪的第二输出反射系数S21，通过第二输出反射系数S21获得损耗测试仪的无载Q值Q₂；

步骤S4，通过损耗测试仪长方形内腔的尺寸和损耗测试仪的电导率、无载Q值Q₁和无载Q值Q₂，获得待测基板的电导率σ₂。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1)、本发明采用的是高频交流电对待测基板的电导率进行测量，测试环境与射频器件的实际工作环境类似，相比较于传统的方阻法或者交流低频条件下进行的测试方法，更加符合射频器件的工作频率，因此所测基板的电导率更加精确；同时，可测量不同介质的基板和不同金属化工艺制作出的射频器件，整体适用性更强，对实际生产有指导意义；

2)、本发明的装置结构简单，操作较为简便，较TE011圆柱谐振腔以及双介质谐振器法测量超导薄面表面电阻来说，不需要考虑中间介质材料的电能填充系数以及损耗角正切，也没有几何因子等复杂计算，同时，可以较为准确的得到待测基板的电阻率，精准度高。

附图说明

图1为本发明测量方法的流程图；

图2为本发明损耗测试仪长方形空腔的示意图；

图3为盖板的结构示意图；

图4为中间体结构示意图；

图5为损耗测试仪整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图5并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

所述的一种高频下测量金属薄膜电导率的装置，包括损耗测试仪1、两个SMA连接器和矢量网络分析仪，所述的两个SMA连接器分别安装在损耗测试仪1的两侧，并与矢量网络分析仪连接，为所述的损耗测试仪进行馈电；

如图5所示，本实施方式中，所述的损耗测试仪1包括中间体1-1和两张盖板1-2，所述的中间体1-1为中间开有长方形通孔1-1-2的金属体，长方形通孔1-1-2的两端端口各安装一张盖板1-2形成长方形空腔，在长方形通孔1-1-2的四个内壁上分别设置一张测量基板，每张测量基板的金属化表面紧贴在内壁上，并将内壁的表面完全覆盖上，保证了损耗测试仪内壁的电导率与待测基板的电导率差异达到最大，从而测试误差达到最小，最终保证了实验结果的精准度更高；在中间体1-1上长方形通孔1-1-2的外围开有多个螺栓孔，盖板1-2上与中间体上的螺孔相对应的位置也开有多个螺孔，盖板与中间体通过螺钉进行固定连接。

本实施方式中，所述的测量基板为陶瓷表面金属化的陶瓷基板；

本实施方式中，如图3所示，所述盖板1-2的外侧板面中心位置开有立方形槽体1-2-1和圆形通孔1-2-2，圆形通孔1-2-2处于立方形槽体1-2-1槽底的中间位置，所述SMA连接器通过螺栓固定在立方形槽体1-2-1内，SMA连接器的探针插装在圆形通孔1-2-2内，SMA连接器的公头与矢量网络分析仪的射频电缆的母头通过螺纹紧锁。

本实施方式中，如图4所示，所述长方形通孔1-1-2两侧端口的外围各开有一个凹槽1-1-1；所述盖板1-2的内侧板面设置有凸台，凸台与中间体1-1上的凹槽1-1-1相匹配，在盖板1-2安装过程中，先将盖板上的凸台对准到中间体上的凹槽内，然后再利用螺钉将盖板固定在中间体上；在测量不同工艺的基板时，由于不断的拆卸盖板和安装盖板，这样的设置方式保证了每次盖板的安装都能保证损耗测试仪内部长方形空腔的结构、尺寸一致，使得每次测量的误差达到最小，几乎为零。

本实施方式中，所述的损耗测试仪1的材质为紫铜T2，电导率约为5.7×10⁷。

本实施方式中，所述矢量网络分析仪的型号为Agilent 8720ES；SMA连接器的型号为SMA-KFD 3-3。

一种高频下测量金属薄膜电导率的方法，如图1所示，具体测量步骤如下：

步骤S1：损耗测试仪1通过SMA连接器与矢量网络分析仪连接，在损耗测试仪1空腔的条件下，利用矢量网络分析仪测出损耗测试仪1的第一输出反射系数S21(输出回波损耗)；通过第一输出反射系数S21获得损耗测试仪的无载Q值Q₁，Q₁通过如下公式获得：

Q_L1＝f₁/Δf₁

Q₁＝Q_L1·(1+2β₁)

其中，f₁为第一输出反射系数S21出现峰值时的谐振频率，即横坐标对应的频率值，Q_L1为有载Q值，Δf₁为第一输出反射系数S21以dB为单位时的-3dB带宽，β₁为损耗测试仪空腔状态下的耦合系数，耦合系数β₁通过如下公式获得：

其中，mag(S21)₁是第一输出反射系数S21的峰值；

步骤S2：将损耗测试仪1的盖板拆开，如图2所示，设长方形内腔的顶壁为B1、长方形内腔的腔底为B2、长方形内腔的左侧内壁为A1和长方形内腔的右侧内壁为A2，在损耗测试仪长方形内腔的左侧内壁A1、右侧内壁A2、顶壁B1和腔底B2上各设置一块待测基板，待测基板的金属层紧密贴合在内壁上，并完全将内壁覆盖住，将损耗测试仪1的盖板安装上；

步骤S3：损耗测试仪1通过SMA连接器与矢量网络分析仪连接，损耗测试仪处于测量状态；利用矢量网络分析仪测出损耗测试仪1的第二输出反射系数S21(输出回波损耗)，通过第二输出反射系数S21获得损耗测试仪的无载Q值Q₂，Q₂通过如下公式获得：

Q_L2＝f₂/Δf₂

Q₂＝Q_L2·(1+2β₂)

其中，f₂为第二输出反射系数S21出现峰值时的谐振频率，即横坐标对应的频率值，Q_L2为有载Q值，Δf₂为第二输出反射系数S21以dB为单位时的-3dB带宽，β₂为损耗测试仪测量状态下的耦合系数，耦合系数β₂通过如下公式获得：

其中，mag(S21)₂是第二输出反射系数S21的峰值；

步骤S4：通过损耗测试仪1长方形内腔的尺寸和损耗测试仪1本身材质的电导率、无载Q值Q₁和无载Q值Q₂，获得待测基板的电导率σ₂，待测基板的电导率σ₂通过如下公式获得：

其中，l、a、b分别为损耗测试仪长方形内腔的长、宽、高，σ₁为损耗测试仪内壁的电导率。

实施例1：

设损耗测试仪1的长方形空腔内壁的尺寸为l＝105mm、a＝35mm、b＝32mm，损耗测试仪1的材质为紫铜T2，即损耗测试仪1内壁的电导率σ₁＝5.7×10⁷；

利用HFSS进行仿真，假设待测基板的电导率σ₂＝3.0×10⁷，由仿真可得：Q₁＝11912，Q₂＝9573；

根据待测基板的电导率σ₂的计算公式：

计算待测基板的电导率，过程如下：

最终计算得到的σ₂＝2.96×10⁷，与仿真中待测基板设定的电导率值3.0×10⁷基本接近。

通过仿真结果的验证可以证明，通过本发明的基板电导率的测量方法测量精准度高，可以衡量不同工艺条件下的陶瓷金属化表面的金属薄膜的电导率，进而找出最适合生产射频器件的工艺方法。

Claims (10)

1.一种高频下测量金属薄膜电导率的装置，其特征在于，它包括损耗测试仪(1)、两个SMA连接器和矢量网络分析仪，所述的两个SMA连接器分别安装在损耗测试仪(1)的两侧，并与矢量网络分析仪连接，为所述的损耗测试仪进行馈电。

2.根据权利要求1所述的一种高频下测量金属薄膜电导率的装置，其特征在于：所述的损耗测试仪(1)包括中间体(1-1)和两张盖板(1-2)，所述的中间体(1-1)为中间开有长方形通孔(1-1-2)的金属体，长方形通孔(1-1-2)的两端端口各安装一张盖板(1-2)形成长方形空腔。

3.根据权利要求2所述的一种高频下测量金属薄膜电导率的装置，其特征在于，所述盖板(1-2)的外侧板面中心位置开有立方形槽体(1-2-1)和圆形通孔(1-2-2)，圆形通孔(1-2-2)处于立方形槽体(1-2-1)槽底的中间位置，所述SMA连接器安装在立方形槽体(1-2-1)内，SMA连接器的探针插装在圆形通孔(1-2-2)内。

4.根据权利要求3所述的一种高频下测量金属薄膜电导率的装置，其特征在于，所述长方形通孔(1-1-2)两侧端口的外围各开有一个凹槽(1-1-1)；

所述盖板(1-2)的内侧板面设置有凸台，凸台与中间体(1-1)上的凹槽(1-1-1)相匹配。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种高频下测量金属薄膜电导率的装置，其特征在于，所述的损耗测试仪(1)的材质为紫铜T2。

6.根据权利要求5所述的一种高频下测量金属薄膜电导率的装置，其特征在于，在长方形通孔(1-1-2)的四个内壁上分别设置一张测量基板，每张测量基板的金属化表面紧贴在长方形通孔(1-1-2)的内壁上，并完全覆盖。

7.利用权利要求6所述的装置测量高频下金属薄膜电导率的方法，其特征在于，具体测量过程如下：

步骤S1，损耗测试仪(1)通过SMA连接器与矢量网络分析仪连接，在损耗测试仪(1)空腔的条件下，利用矢量网络分析仪测出损耗测试仪(1)的第一输出反射系数S21；通过第一输出反射系数S21获得损耗测试仪的无载Q值Q₁；

步骤S2，将损耗测试仪(1)的盖板拆开，设长方形内腔的顶壁为B1、长方形内腔的腔底为B2、长方形内腔的左侧内壁为A1和长方形内腔的右侧内壁为A2，在损耗测试仪长方形内腔的左侧内壁A1、右侧内壁A2、顶壁B1和腔底B2上各设置一块待测基板，待测基板的金属层紧密贴合在内壁上，并完全将内壁覆盖住，将损耗测试仪(1)的盖板安装上；

步骤S3，损耗测试仪(1)通过SMA连接器与矢量网络分析仪连接，损耗测试仪处于测量状态；利用矢量网络分析仪测出损耗测试仪(1)的第二输出反射系数S21，通过第二输出反射系数S21获得损耗测试仪的无载Q值Q₂；

步骤S4，通过损耗测试仪(1)长方形内腔的尺寸和损耗测试仪(1)的电导率、无载Q值Q₁和无载Q值Q₂，获得待测基板的电导率σ₂。

8.根据权利要求7所述的一种高频下测量金属薄膜电导率的方法，其特征在于，步骤1中，Q₁通过如下公式获得：

Q_L1＝f₁/Δf₁

Q₁＝Q_L1·(1+2β₁)

其中，f₁为第一输出反射系数S21出现峰值时的谐振频率，即横坐标对应的频率值，Q_L1为有载Q值，Δf₁为第一输出反射系数S21以dB为单位时的-3dB带宽，β₁为损耗测试仪空腔状态下的耦合系数，耦合系数β₁通过如下公式获得：

其中，mag(S21)₁是第一输出反射系数S21的峰值。

9.根据权利要求8所述的一种高频下测量金属薄膜电导率的方法，其特征在于，步骤3中，Q₂通过如下公式获得：

Q_L2＝f₂/Δf₂

Q₂＝Q_L2·(1+2β₂)

其中，f₂为第二输出反射系数S21出现峰值时的谐振频率，即横坐标对应的频率值，Q_L2为有载Q值，Δf₂为第二输出反射系数S21以dB为单位时的-3dB带宽，β₂为损耗测试仪测量状态下的耦合系数，耦合系数β₂通过如下公式获得：

其中，mag(S21)₂是第二输出反射系数S21的峰值。

10.根据权利要求9所述的一种高频下测量金属薄膜电导率的方法，其特征在于，步骤4中，待测基板的电导率σ₂通过如下公式获得：

其中，l、a、b分别为损耗测试仪长方形内腔的长、宽、高，σ₁为损耗测试仪内壁的电导率。

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