CN117630777A - 一种基于近场微波探头的磁谱测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近场微波探头的磁谱测试装置及方法，涉及近场微波测试领域，该装置包括：依次连接的近场微波探头、矢量网络分析仪和控制系统；近场微波探头包括：信号端和接地端短路连接的微波探针；近场微波探头与待测样品之间的距离为第一设定距离；近场微波探头与矢量网络分析仪相连接形成一个阻抗回路；当测试待测样品时，该阻抗回路的阻值发生变化，进而引起矢量网络分析仪散射参数的变化；矢量网络分析仪用于接收四种状态下近场微波探头探测的反射信号，根据四种状态下的反射信号得到四种状态下的散射参数，进而确定待测样品的磁谱。本发明无需限制待测样品的尺寸，适应范围更广。

Description

一种基于近场微波探头的磁谱测试装置及方法

技术领域

本发明涉及近场微波测试领域，特别是涉及一种基于近场微波探头的磁谱测试装置及方法。

背景技术

磁性薄膜是当前电子信息材料领域研究的热点，已经广泛应用于电子学的各个领域，例如信息存储、电磁兼容、磁传感器和微波通讯设备。不同的应用对磁性薄膜提出了不同的要求。对磁性薄膜而言，复磁导率谱是薄膜应用中决定其适用性的一个重要因素。

目前薄膜材料复磁导率常用的测量方法主要有：微波谐振腔法、检测线圈法和传输/反射法等。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，另一端通过焊接技术连接到SMA同轴接头的发射器上。采用这种方法测试时，需要把磁性薄膜推入到微波传输线夹具内部。

上述传统的磁谱的测试方法，待测样品的大小和几何形状受到测量设备的限制。

发明内容

基于此，本发明实施例提供一种基于近场微波探头的磁谱测试装置及方法，无需限制待测样品的尺寸，适应范围更广。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：

一种基于近场微波探头的磁谱测试装置，包括：近场微波探头、矢量网络分析仪和控制系统；

所述近场微波探头包括：信号端和接地端短路连接的微波探针；所述近场微波探头与所述矢量网络分析仪的散射参数测试端口连接；所述矢量网络分析仪与所述控制系统连接；所述近场微波探头正对样品测试区；所述样品测试区用于放置待测样品；

所述近场微波探头与所述待测样品之间的距离为第一设定距离；所述第一设定距离大于0且小于100 μm；所述近场微波探头用于在待测样品和矢量网络分析仪之间传输微波信号；所述近场微波探头与所述矢量网络分析仪相连接形成一个阻抗回路；所述阻抗回路在靠近所述待测样品时，阻值发生变化，从而引起矢量网络分析仪散射参数的变化；

所述矢量网络分析仪用于接收四种状态下近场微波探头探测的反射信号，根据四种状态下的反射信号得到四种状态下的散射参数，并将四种状态下的散射参数发送至所述控制系统；

四种状态包括：样品测试区仅处于空载状态、样品测试区处于空载状态且施加有设定磁场强度的磁场、样品测试区仅放置待测样品以及样品测试区放置待测样品且施加有设定磁场方向的饱和磁场；

所述控制系统用于根据四种状态下的散射参数确定所述待测样品的磁谱。

可选地，所述近场微波探头还包括：金丝；所述微波探针的信号端和接地端通过所述金丝短路连接。

可选地，所述近场微波探头的信号端和接地端之间的距离为150 μm；所述近场微波探头的信号端和接地端的直径均为3 μm；所述金丝的直径为20 μm。

可选地，所述近场微波探头还包括：同轴转接器；

所述近场微波探头的输出端通过所述同轴转接器与所述矢量网络分析仪的散射参数测试端口连接。

可选地，所述基于近场微波探头的磁谱测试装置，还包括：三维移动平台；

所述三维移动平台上设置所述样品测试区；所述三维移动平台用于带动所述样品测试区上的待测样品移动，以使得所述近场微波探头与所述待测样品之间的距离为第一设定距离。

可选地，所述基于近场微波探头的磁谱测试装置，还包括：显微镜；

所述显微镜用于观察所述近场微波探头的位置、所述待测样品的位置以及所述近场微波探头与所述待测样品之间的距离。

可选地，所述设定磁场强度为4000 ；所述设定磁场方向平行于所述待测样品的膜面方向。

本发明还提供了一种基于近场微波探头的磁谱测试方法，所述基于近场微波探头的磁谱测试方法采用上述的基于近场微波探头的磁谱测试装置实现，所述基于近场微波探头的磁谱测试方法包括：

控制近场微波探头正对样品测试区，且与待测样品之间的距离为第一设定距离；

当样品测试区仅处于空载状态时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第一种状态下的散射参数；

当样品测试区处于空载状态且施加有设定磁场强度的磁场时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第二种状态下的散射参数；

当样品测试区仅放置待测样品时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第三种状态下的散射参数；

当样品测试区放置待测样品且施加有设定磁场方向的饱和磁场时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第四种状态下的散射参数；

根据四种状态下的散射参数确定所述待测样品的磁谱。

可选地，在控制近场微波探头正对样品测试区，且与待测样品之间的距离为第一设定距离之前，还包括：对整个磁谱测试网络进行校准，具体为：

采用信号端和接地端未短路连接的微波探针结合校准件对整个磁谱测试网络进行校准；校准好的磁谱测试网络用于接入近场微波探头进行磁谱测试。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例将微波探针中的信号端和接地端短路连接得到近场微波探头；该近场微波探头用于在待测样品（作为样品端）和矢量网络分析仪之间传输微波信号；近场微波探头与待测样品之间的距离为第一设定距离；近场微波探头与矢量网络分析仪相连接形成一个阻抗回路；阻抗回路在靠近待测样品时，阻值发生变化，阻值的变化会引起矢量网络分析仪散射参数的变化；矢量网络分析仪得到空载时不加场与施加饱和场的散射参数、放置待测样品时不加场与施加饱和场的散射参数从而确定待测样品的磁谱，测量装置对待测样品的尺寸没有限制，适应范围更广，并且测量过程中近场微波探头与待测样品之间保持第一设定距离，即近场微波探头不需要与待测样品接触即可实现测量，非接触的状态能够避免待测样品介电性能对散射参数的影响，提高探测精度。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于近场微波探头的磁谱测试装置的结构图一；

图2为本发明实施例提供的基于近场微波探头的磁谱测试装置的结构图二；

图3为本发明实施例提供的近场微波探头的立体图；

图4为本发明实施例提供的近场微波探头的截面图；

图5为本发明实施例提供的利用近场微波测试系统测试YIG薄膜磁导率随频率变化关系图；

图6为本发明实施例提供的利用短路微带线测试系统测试YIG薄膜磁导率随频率变化关系图。

符号说明：

金丝—1，同轴转接器—2，三维移动平台—3，显微镜—4，待测样品—5，信号端—S，接地端—G。

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描述。

本发明的目的是提供一种基于近场微波探头的磁谱测试装置及方法，通过将微波探针中的信号端S和接地端G短路连接从而制备出近场微波探头，该探头用于在待测样品和矢量网络分析仪之间传输微波信号；矢量网络分析仪用于接收近场微波探头探测的反射信号，从而得到散射参数进而确定待测样品的磁谱，无需限制待测样品的尺寸，适应范围更广。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1和图2，本实施例的基于近场微波探头的磁谱测试装置，包括：依次连接的近场微波探头、矢量网络分析仪和控制系统。

参见图3和图4，所述近场微波探头包括：信号端S和接地端G短路连接的微波探针。所述近场微波探头的输出端与所述矢量网络分析仪的散射参数测试端口（例如，S₁₁端口）连接；所述矢量网络分析仪与所述控制系统连接；所述近场微波探头正对样品测试区；所述样品测试区用于放置待测样品5。待测样品5可以是薄膜样品。S₁₁端口测得的参数为S₁₁参数。

所述近场微波探头与所述待测样品5之间的距离为第一设定距离。所述近场微波探头用于在待测样品和矢量网络分析仪之间传输微波信号；所述近场微波探头与矢量网络分析仪相连接形成一个阻抗回路；所述阻抗回路在靠近所述待测样品5时，阻值发生变化，阻值的变化会引起矢量网络分析仪散射参数的变化。其中，所述第一设定距离大于0且小于100 μm，该距离能保证高精度的测试结果。

所述矢量网络分析仪用于接收四种状态下近场微波探头探测的反射信号，根据四种状态下的反射信号得到四种状态下的散射参数，并将四种状态下的散射参数发送至所述控制系统。散射参数为S₁₁参数的幅值。

四种状态包括：样品测试区仅处于空载状态、样品测试区处于空载状态且施加有设定磁场强度的磁场、样品测试区仅放置待测样品5以及样品测试区放置待测样品5且施加有设定磁场方向的饱和磁场。所述设定磁场强度可以为4000 （磁场强度的大小根据具体测试实际情况而定）；所述设定磁场方向为平行于待测样品5的膜面方向，所述设定磁场的大小远远大于待测样品5饱和场的磁场强度。

所述控制系统用于根据四种状态下的散射参数确定所述待测样品5的磁谱。

在一个示例中，所述近场微波探头还包括：金丝1；所述近场微波探头的信号端S和接地端G通过所述金丝1短路连接。具体的，将共面波导的信号端S和接地端G的针尖之间采用金丝1焊接。

所述近场微波探头的信号端S和接地端G之间的距离可以为150 μm；所述共面波导的信号端S和接地端G的直径可均为3 μm；所述金丝1的直径可以为20 μm。本示例基于mm量级的探头进行的，因而测试精度更高，分辨率可以达到mm量级。

在一个示例中，仍请参见图3和图4，所述近场微波探头还包括：同轴转接器2；所述近场微波探头的输出端通过所述同轴转接器2与所述矢量网络分析仪的散射参数测试端口连接。

具体的，所述近场微波探头的输出端通过精细焊接的方式连接到2.92 mm的同轴转接器2的一端，连接后的整体固定在探头底座上，所述同轴转接器2的另一端通过同轴电缆连接到矢量网络分析仪的散射参数测试端口。

在一个示例中，所述基于近场微波探头的磁谱测试装置，还包括：三维移动平台3；所述三维移动平台3上设置所述样品测试区；所述三维移动平台3用于带动所述样品测试区上的待测样品5移动，以使得所述近场微波探头与所述待测样品5之间的距离为第一设定距离。

在一个示例中，所述基于近场微波探头的磁谱测试装置，还包括：显微镜4；所述显微镜4用于观察所述近场微波探头的位置、所述待测样品5的位置以及所述近场微波探头与所述待测样品5之间的距离。显微镜4可以是电子显微镜。

在一个示例中，为了减小实验误差，整个基于近场微波探头的磁谱测试装置放置在减振台上，以减少环境振动对微波传输的影响。

本示例中基于近场微波探头的磁谱测试装置，对样品大小或几何形状没有限制，甚至可以探测微米级别的微图形样品或集成到芯片内部的不同区域的磁性材料的特性，因此能够在实际操作条件下对多种材料进行高频测量。

在实际应用中，上述基于近场微波探头的磁谱测试装置的一个实现过程如下：在基于近场微波探头的磁谱测试装置的显微镜4的正下方放置待测样品5，待测样品5放置在X-Y-Z轴均可移动的三维移动平台3上，然后通过该三维移动平台3调整待测样品5的位置和高度，使待测样品5高度适中的位于显微镜4视野正中央；通过观察显微镜4中的视野，移动近场微波探头，将近场微波探头移动到显微镜4视野范围内，置于待测样品5上方；观察显微镜4中的视野的同时，慢慢的把近场微波探头下移到待测样品5的样品测试区上，使近场微波探头与待测样品5逐渐靠近，当两者接触时，显微镜4中会观察到样品是否接触，同时会看到矢量网络分析仪上的信号陡变，通过显微镜4和矢量网络分析仪上显示的信号可知二者接触；通过三维移动平台3控制Z轴方向的距离，使待测样品5远离近场微波探头的距离为第一设定距离（例如50 mm），此时即是靠近但不接触的状态，由于非接触的状态从而避免了样品介电性能对S₁₁参数的影响，此时样品放置于近场微波探头下，与空载时所形成的阻抗回路相比其阻抗值会发生变化，对应的S₁₁参数也会发生变化。通过采集空载时不加场与施加饱和场的S₁₁参数，以及采集放置待测样品5时不加场与施加饱和场的S₁₁参数。通过这四个S₁₁参数，经过处理后，即可得到待测样品5的不同微小区域下的磁谱信息。

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，近场微波测试系统空载时测得整个系统的S₁₁参数，即只有近场微波探头与矢量网络分析仪连接，近场微波探头下方不放置待测样品5；第二步，仍然是空载时施加一个较大的直流场H（一般大于4000 ），此时整个测试系统测试一下S₁₁参数；第三步，将样品放置到近场微波探头正下方，接近而不接触，有效磁导率和介电常数都被改变了，采集此时的S₁₁参数；第四步，为了剥离衬底介电常数的影响，在平行于薄膜易轴方向施加一个大于薄膜饱和场的磁场H（与第二步场的方向与大小一致）。磁导率谱图（简称磁谱）可以通过这四个S₁₁参数推导出来。

图5示出了上述基于近场微波探头的磁谱测试装置所测得100 mm ×100 mm YIG薄膜的高频磁导率谱图，其共振频率f_r为2.38 GHz，测试结果与如图6所示的短路微带线测试连续YIG薄膜结果相吻合，短路微带线法测到的频率为2.32 GHz，误差在2.5%，且整套测试系统测试频率可以高达20 GHz。由于微米级别的样品很微小，用一般的短路微带线的方法是没有办法进行测试的，因而测试装置可以很好的解决测试微小样品或样品微小区域的高频磁特性信号。

需要说明的是，在移动近场微波探头之前，需要对现有的微波探针（非短路的微波探头）进行处理，得到近场微波探头，具体的：近场微波探头的微波探针采用GGB公司生产的40A-GS-150-DP，信号端S和接地端G的间距为150 mm，针尖处通过精细焊接（微米尺度的焊接）的工艺将直径为20 mm的金丝1焊接到信号端S和接地端G，使得信号端S和接地端G相导通。后续，将近场微波探头通过精细焊接的方式与同轴转接器2相连，相连后整体固定在探头座上，同轴转接器2与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪与控制系统（例如计算机）连接。近场微波探头与待测样品5无限逼近，待测样品5放置在带有程控的三维移动平台3上，近场微波探头与待测样品5的测试过程通过显微镜4进行观察。

上述基于近场微波探头的磁谱测试装置采用近场微波探头，其测试原理跟近场扫描微波显微镜（Near field Scanning microwave microscope，NSMM）是一致的，NSMM是在同轴电缆上进行加工，测试精度只能达到mm量级，本发明是基于mm量级的近场微波探头实现的，因而测试精度更高，分辨率可以达到mm量级。

基于近场微波探头的磁谱测试装置主要具有以下优点：（一）待测样品5不需要与探针接触；（二）对样品尺寸没有限制；（三）此测试方法可以测试微小样品（微米级）或样品的某一微小区域，从而实现微区扫描分辨的功能；（四）与传统短路微带线夹具测试手段相比其测试频率可以由9 GHz提高到20 GHz；（五）与传统短路微带线夹具测试手段相比其测试精度更灵敏；（六）整个测试过程方便快捷，效率高，利于操作。

本发明还提供了一种基于近场微波探头的磁谱测试方法，所述基于近场微波探头的磁谱测试方法采用上述的基于近场微波探头的磁谱测试装置实现，所述基于近场微波探头的磁谱测试方法包括：

（1）利用信号端S和接地端G未短路连接的微波探针（即普通微波探针）结合商用的校准件，通过开路-短路-负载的方式，对整个测试系统进行校准；所述普通微波探针为信号端S和接地端G未连接的状态。

普通微波探针是射频微波探针，可采用GGB公司生产的40A-GS-150-DP。

（2）将近场微波探头连接入已经校准好的测试网络进行后续磁谱测试。具体的，特指将普通微波探针的信号端S和接地端G的针尖之间采用微米尺度的金丝1进行焊接，得到近场微波探头。

（3）控制近场微波探头正对样品测试区，且与待测样品5之间的距离为第一设定距离。

（4）当样品测试区仅处于空载状态时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第一种状态下的散射参数。

（5）当样品测试区处于空载状态且施加有设定磁场强度的磁场时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第二种状态下的散射参数。

（6）当样品测试区仅放置待测样品5时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第三种状态下的散射参数。

（7）当样品测试区放置待测样品5且施加有设定磁场方向的饱和磁场时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第四种状态下的散射参数。

（8）根据四种状态下的散射参数确定所述待测样品5的磁谱。

本发明提供了新的测试磁性材料的磁谱的手段，对于磁性材料的磁化动力学性质的表征是非常重要的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于近场微波探头的磁谱测试装置，其特征在于，包括：近场微波探头、矢量网络分析仪和控制系统；

所述近场微波探头包括：信号端和接地端短路连接的微波探针；所述近场微波探头与所述矢量网络分析仪的散射参数测试端口连接；所述矢量网络分析仪与所述控制系统连接；所述近场微波探头正对样品测试区；所述样品测试区用于放置待测样品；

所述近场微波探头与所述待测样品之间的距离为第一设定距离；所述第一设定距离大于0且小于100 μm；所述近场微波探头用于在待测样品和矢量网络分析仪之间传输微波信号；所述近场微波探头与所述矢量网络分析仪相连接形成一个阻抗回路；所述阻抗回路在靠近所述待测样品时，阻值发生变化，从而引起矢量网络分析仪散射参数的变化；

所述矢量网络分析仪用于接收四种状态下近场微波探头探测的反射信号，根据四种状态下的反射信号得到四种状态下的散射参数，并将四种状态下的散射参数发送至所述控制系统；

四种状态包括：样品测试区仅处于空载状态、样品测试区处于空载状态且施加有设定磁场强度的磁场、样品测试区仅放置待测样品以及样品测试区放置待测样品且施加有设定磁场方向的饱和磁场；

所述控制系统用于根据四种状态下的散射参数确定所述待测样品的磁谱。

2.根据权利要求1所述的基于近场微波探头的磁谱测试装置，其特征在于，所述近场微波探头还包括：金丝；所述微波探针的信号端和接地端通过所述金丝短路连接。

3.根据权利要求2所述的基于近场微波探头的磁谱测试装置，其特征在于，所述近场微波探头的信号端和接地端之间的距离为150 μm；所述近场微波探头的信号端和接地端的直径均为3 μm；所述金丝的直径为20 μm。

4.根据权利要求1所述的基于近场微波探头的磁谱测试装置，其特征在于，所述近场微波探头还包括：同轴转接器；

所述近场微波探头的输出端通过所述同轴转接器与所述矢量网络分析仪的散射参数测试端口连接。

5.根据权利要求1所述的基于近场微波探头的磁谱测试装置，其特征在于，还包括：三维移动平台；

所述三维移动平台上设置所述样品测试区；所述三维移动平台用于带动所述样品测试区上的待测样品移动，以使得所述近场微波探头与所述待测样品之间的距离为第一设定距离。

6.根据权利要求5所述的基于近场微波探头的磁谱测试装置，其特征在于，还包括：显微镜；

所述显微镜用于观察所述近场微波探头的位置、所述待测样品的位置以及所述近场微波探头与所述待测样品之间的距离。

7.根据权利要求1所述的基于近场微波探头的磁谱测试装置，其特征在于，所述设定磁场强度为4000 ；所述设定磁场方向平行于所述待测样品的膜面方向。

8.一种基于近场微波探头的磁谱测试方法，其特征在于，所述基于近场微波探头的磁谱测试方法采用权利要求1-7中任意一项所述的基于近场微波探头的磁谱测试装置实现，所述基于近场微波探头的磁谱测试方法包括：

控制近场微波探头正对样品测试区，且与待测样品之间的距离为第一设定距离；所述第一设定距离大于0且小于100 μm；

当样品测试区仅处于空载状态时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第一种状态下的散射参数；

当样品测试区处于空载状态且施加有设定磁场强度的磁场时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第二种状态下的散射参数；

当样品测试区仅放置待测样品时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第三种状态下的散射参数；

当样品测试区放置待测样品且施加有设定磁场方向的饱和磁场时，矢量网络分析仪接收近场微波探头探测的反射信号，并根据反射信号得到第四种状态下的散射参数；

根据四种状态下的散射参数确定所述待测样品的磁谱。

9.根据权利要求8所述的基于近场微波探头的磁谱测试方法，其特征在于，在控制近场微波探头正对样品测试区，且与待测样品之间的距离为第一设定距离之前，还包括：对整个磁谱测试网络进行校准，具体为：

采用信号端和接地端未短路连接的微波探针结合校准件对整个磁谱测试网络进行校准；校准好的磁谱测试网络用于接入近场微波探头进行磁谱测试。