CN1373853A - 高频测量用的探测头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高频测量的探测头(100),它具有一个接触端(20),用于平面结构的接触;还具有一个同轴电缆端(18),用于与一同轴电缆(22)相连接,于此,在接触端(20)和同轴电缆端(18)之间设置了一个具有至少两个导体(12、14)的共面导体结构(10)。依此,在共面导体结构(10)上,在同轴电缆端(18)和接触端(20)之间的一个预定的区段内,至少在一边特别在两边设置了一个支承着共面导体结构(10)的介电体(28)。于此,在介电体(28)和接触端(20)之间,探测头(100)是如此设计成形的,使得共面导体结构(10)的导体(12、14)是悬空地和针对起支承作用的介电体(28)有弹力地加以布置的。

Description

高频测量用的探测头及其制造方法

本发明涉及一种用于高频测量的探测头，它有一个接触端，用于平面结构的接触，还有一个同轴电缆端，用于同一根同轴电缆相连，依此，在接触端和同轴电缆端之间，按照权利要求1的前序部分，设置了一个至少配有两个导体的共面导体结构。此外，本发明还涉及一种方法，用于制造一种高频测量用的探测头，该探测头有一个接触端，以之用于平面结构的接触，有一个同轴电缆端，以之用于同一根同轴电缆相连，依此，按照权利要求8的前序部分，在接触端和同轴电缆端之间，设置了一个至少具有两个导体的共面导体结构。

为了检测例如晶片上所制造的电子开关的功能作用及其电特性，通常都使用探测头，它们机械地放置在被测电子开关的相应接触位置上。这种待测的电子开关也不断增多地产生或处理高频信号，从而对探测头产生一种应加以相应重视的阻抗。换言之，探测头必须具有一种对同被测电开关的接触相适配的阻抗，因为否则如所周知的，在误配情况下会产生相应的反射，这种反射会以非所希望的方式影响到测量结果，或者甚至会使测量根本不可能进行。即使在探测头本身上也不应产生阻抗变化，这是因为这种阻抗跃迁也产生相应的反射点之故。

为此，US 4 697 143公开了一种探测头，为了从一测量电缆到一接触点获得一个稳定的阻抗，该探测头具有一种共面的导体结构，于此，一个信号导体和一个接地导体是这样彼此相隔离的，使得能产生一个合乎希望的稳定的阻抗。然而，这种装置有它的缺点，就是由于使用一种氧化铝基片之故，需要一种昂贵的屏蔽来避免更高级次的模。此外，这种探测头很复要，很昂贵，因而生产成本高。由于相应偏差的缘故，不是生产出来的每个探测头都能满足预定的参数，所以在生产中有很高的废品率，从而使这种探测头又附带地增价了。此外，由于共面导体结构特别配有三个或更多导体，总体上是刚性装置，从而产生一个接触问题，这是因为在晶片上的尺寸条件下出于对探测头、接触点和探测头机械定位的相应容差的要求，从机械学上说，几乎不可能做到：在把探测头安置到接触点上时使探测头的共面导体结构的所有导体都精确地处于接触点的平面中。因此，一些导体能较好地接触到它们各自的接触点，而另一些导体则接触较差，或者也许根本不接触。

因此本发明的目的是提出上述那种改进的探测头，及这种探测头所用的一种制造方法，依此，在获得优良接触质量的同时，可实现简单而成本合算的批量生产。

上述目的是通过具有权利要求1中所指出的特征的上述那种探测头和通过具有权利要求8中所指出的特征的上述那种方法实现的。本发明的各项有利的结构由各项从属权利要求给出。

依本发明，在上述那种探测头上做了如下设定：在共面的导体结构上，在同轴电缆端和接触端之间的一个预定的区段内至少在一边，特别在两边，安置了一个支承着共面导体结构的介电体，于此，在介电体和接触端之间，这样设计了探测头，使得共面导体结构的各导体是悬空地或者针对起支承作用的介电体而言有弹力地安置的。

这一设定的优点在于：可供使用的探测头带有阻抗控制装置，成本合算而且精密，又可以批量生产，所以在同平面的结构接触时所产生的反射很微小，符合测量目的的要求。本发明提出的装置的特征是工作频率可高达40至60GHz，在此情况下，在整个共面导体结构上的阻抗根据本发明提出的设计基本上是无分散的，亦即与工作频率无关。由于在介电体和同轴电缆端之间共面导体结构的导体的自由弹动布置，所以在共面导体结构的所有导件和一个被检测装置的相应接触点之间，就保证了高接触质量，于此，接触质量对探测头在接触点上的倒置是不敏感的。

为了保证在探测头上有一个稳定的波阻抗，在共面导体结构的每两个导体之间，从同轴电缆端至接触端分别相应地设计一个间隙，于此，特别是在介电体的区域中的那个间隙设计得比在没有介电体的共面导体结构区域中的间隙较宽。

在一个优选的实施形式中，介电体是作为至少一个石英部件设计的。

为了在共面导体结构和介电体部件之间建立固定的连接，介电体部件在一个与共面导体结构的连接边上有一个用后者基本上遮盖的金属层。

为了抑制超过所希望的工作频率的更高级次的模，介电体在一个背向共面导体结构的边上是全面积地金属化的。此外，这样在介电体的范围内还得到一个封闭的、被屏蔽的结构。

为了特定用途，在同轴电缆端上设置了一个平面开关，特别是一个电的、电子的或有源的开关，或者至少是一个有源的开关元件。这样，附属的开关或附属的开关元件就直接处在探测头和在探测头的接触端上一个被测试的开关之间的接触点近旁。

根据本发明，依前面述及的那一种方法，做了如下设定：共面导体结构的导体都是利用一种石版印刷-电镀(lithiographisch-galvanoplastischen)法制造出来的。

其优点在于：可以按简单的、成本合算的、对批量生产可重复的方式制造出一种探测头，其尺寸小，具有精确预定的波阻抗，从而具有低的高频反射和相应大的频带宽度。

为了实现批量生产，采用照相制版工艺在硅晶片上制造出至少一个特别是多个共面导体结构。

不用昂贵的装置，直到最终装配，获得共面波导体结构的各导体的机械稳定性，为达到此目的所采取的措施是：采用石版印刷-电镀工艺如此制造出共面导体结构，使得各导体在一个边上彼此相连。

按一个优选的实施形式，该工艺方法包括以下步骤：

(a)对一硅晶片蒸镀金属层，

(b)涂敷光敏漆，

(c)通过掩模使光敏漆曝光，该掩模基本上相当于至少一个待制造的共面导体结构的一个结构负片，

(d)使光敏漆显影成一个具有沟槽的结构，以相应于待制造的共面导体结构的结构，

(e)使用一种导电材料以电镀法填充那些沟槽，

(f)除去金属层，并从晶片上取下共面导体结构，

(g)在一边或两边将各个共面导体结构和处于同轴电缆端和接触端之间的一个载体部连接起来，

(h)将共面导体结构和同轴电缆连接起来。

举例来说，步骤(a)中述及的金属层包括钛、银、铬和/或金；步骤(e)中的导电材料是任选的镍。步骤(g)的载体部例如是一个介电体，特别是一个石英部件。此外，在下一个步骤中，最好将共面的波导体连同载体部安放在一个外壳中。这样，在石英部件的范围内就会产生一个在四周起屏蔽作用的隧道。

为了实现共面的波结构的导体的相应固定，按步骤(a)至(e)，每个共面导体结构都是带有一个桥接部制造出来的，该桥接部将一个共面导体结构的所有导体特别是在同轴电缆端的导体彼此连接起来。上述桥接部最好在安装完载体部之后或者在与共轴电缆连接之前就撤去。

为了获得更大的稳定性，桥接部还附带地包括一个包围着共面导体结构的框架。

下面将参照附图对本发明做更详细的说明。这些附图表示：

图1按照本发明的一种探测头的第一个优选的实施形式的透视图，

图2按照本发明的一种探测头的第二个优选的实施形式的透视图，

图3按照本发明的一种探测头的第三个优选的实施形式的俯视图，

图4至7按照本发明的工艺方法的先后步骤图示，

图8按照本发明的一种探测头所用模拟计算的S-参数曲线图。

图1表示本发明提出的一种探测头100的第一个优选的实施形式，包含一个带有居中信号导体12的共面导体结构10和两个共面相邻于该信号导体12布置的接地导体14。在信号导体12和每个接地导体14之间设计了一个预定的间隙16。共面的导体结构10从同轴电缆端18延伸到接触端20；间隙16在共面的导体结构10的整个长度上是如此设计成形的，使得能产生一个恒定的、预定的波阻抗。在同轴电缆端18上，共面的导体结构10与一同轴电缆22相连，依此，信号导体12接触同轴电缆的一个内导体24，而接地导体14则接触同轴电缆的一个外导体26。

在同轴电缆端18和接触端20之间的中部区段内，在共面导体结构10的两边分别安置了石英部件28形式的介电体。于此，两个石英部件28和共面导体结构10相互叠成一种夹层式结构。石英部件28同共面导体结构10牢固地相连，并在各自朝向共面导体结构10的一边载有一金属化层，该金属化层基本上与石英部件28范围中共面导体结构10的形式相适应。这样就可在石英部件28和共面导体结构10的导体12、14之间实现特别良好地保持的和紧密的连接。由于同介电体28的电磁关系之故，间隙16在石英部件28的范围中被扩大了，所以在从同轴电缆端18至接触端的整个共面导体结构10上总的产生一个恒定的波阻抗。两个石英部件28的各自的金属化层经过合适的嵌装技术而符合目的地彼此导电性地相连。这样，对石英部件的两边都产生一个具有相应恒等屏蔽功能的恒等电位级。

如从图1可以直接看出的，在起支承作用的石英部件28和接触端20之间的一个区域29中的导体12、14是悬空地安置的，所以每个导体12、14可各自针对支持的情况在石英部件28上弹动。如果这时该探测头100的接触端20被机械地压到一个被测电开关的相应接触点上，则对共面导体结构10的每个导体12、14的自由弹动的可能性便限定：每个导体12、14对为之分别配置的接触点有一最佳接触。将之机械地压紧在接触点上时探测头100的意外翻倒以及在导体12、14本身上和在接触点的表面上可能出现的偏差，都可通过各个导体12、14的弹动加以补偿。这样，在每次将导体12、14机械地放置在相应的接触点上时总会实现相同的和确定的接触，所以利用本发明提出的探测头100可获得最佳测量结果。

探测头100连同三个导体12、14在接地-信号-接地或g-s-g(g＝接地；s＝信号)配置上的图示仅是举例而已。不言而喻，只具有两个导体12、14或者具有三个以上的导体12、14的共面导体结构也是可能的，其信号导体和接地导体的分配按以下方式：g-s-g-s-g-s-g…或g-s-g-g-s-g-g-s-g-g…或相似方式。依此方式，被测电开关也可以同具有多个共面信号导体的单个探测头接触。

图2中所示的按照本发明的探测头200的第二个优选的实施形式，基本上与图1所示的相当，在这里，相同部分均以相同的参考数字代号标出，所以对它们的描述可参阅以上涉及图1所做的说明。与结构形式100的不同之处在于：石英部件28在背向共面导体结构10的一边具有全面积金属化层30。该金属化层一方面可导致对离开所希望的工作频率的非所希望的较高级次的模的抑制，与此同时还可在共面导体结构10的一个预定的范围内创造一个封闭的系统。

图3中所示的按照本发明的探测头300的第三个优选的实施形式，表明按本发明提出的方法在一硅晶片上制成探测头300后的状态。在图3中也一样，相同的部分都用相同参考数字代号标出，所以对它们的解释可参阅以上关于图1和2的描述。在图3所示的探测头300上，共面导体结构10的导体12、14首先在采用一种下面将详细加以说明的石版印刷-电镀法(LiGa法)制成之后，经过一个桥接部分32而彼此机械地连接起来。在桥接部分32上设计了一个整体框架34，该框架将共面导体结构10完全包围在一个平面内。利用该框架34，就可对共面导体结构10实施相应的手工操作，直到最终完成探测头，不必去接触共面导体结构10本身的导体12、14，以避免伤害导体12、14的相应危险。在采用印刷-电镀法在一硅晶片上形成图3中所示带有桥接部分32和框架34的共面导体结构10之后，就可将这一布置10、32、34从硅晶片取下，并在被扩大的间隙16的相应区域上下，例如利用胶合剂将石英部分28固定在共面导体结构10上。从这时起，共面导体结构10通过利用石英部分28提供的支持便具有自身稳定性，所以共面导体结构10和桥接部分32之间同框架34的连接便可加以分离。这一点例如是在一条示意地绘出的线36的范围内实现的。桥接部分32和共面导体结构10之间的分离最好如此实现，使得两个靠外的接地导体14的外端38处在同轴电缆端18的上方，从而实现一条准备与共面导体结构10相连接的同轴电缆的自动定中心。

在接触端20上，共面导体结构10的导体12、14逐渐缩小而形成导体12、14的布置，这种布置相应地符合于一被测电开关的待接触的接触点。为了建立一种恒定的波阻抗，在接触端20上的区域29中，间隙16相应地沿接触端20的方向逐渐变小。

如图1至3所示的本发明提出的探测头的一个特别突出的特性在于：利用间隙16所调定的阻抗在整个共面导体结构10之上基本上都是无扩散的，这就是说，阻抗和相位速度基本上与工作频率无关。

下面将参照图4至7所示意的，对按照本发明的制造本发明的探测头所用的方法做更详细说明。在第一个步骤中，将一硅晶片38蒸镀一金属层40(图4)。金属层40例如包括钛、银、铬或金。在下一步骤中，如图5所示，在金属层40上涂敷一种光敏漆42。该光敏漆通过一掩模而被曝光。为此，该掩模是这样设计的：如图3中所示，该掩模与一定数目的须在硅晶片38上制成的具有各自桥接部分32和各自框架34的共面导体结构10相对应。如图3所示，在此情况下相邻的框架是机械地彼此相连的。于此，特别适宜的是：在硅晶片上并列地和相叠地制出多个具有桥接部分32和框架34的共面导体结构10，如图3所示。这样，利用一种光刻法使漆42获得一种形状，该形状相当于被制取的分别具有桥接部分32和框架34的共面导体结构10的一个负片。于此，该漆以相应方式加以显影。在下一步骤中，在该漆上如图5所示地制成的沟槽43用一种导电材料44例如镍以电镀法加以填充，见图6所示。对图6所示的这种构造进行磨削，除去漆42，从而得到图7所示的一种结构。于此，导电材料44形成所希望的共面导体结构10的结构，连同一个相关的桥接部分32和一个相关的框架34，如图3中所示。最后，将在导电材料44和硅晶片38之间起分离层作用的金属层除去，并从硅晶片38上取下由彼此相叠和彼此并列的带有桥接部分和框架的共面导体结构所形成的结构。下一步，将框架34内的各个共面导体结构10在两边相应的部位上配备石英部分28，最后将桥接部分32连同框架34都从共面导体结构10上分离下来。最终，共面导体结构10在同轴电缆端18上与一条同轴电缆相连接。

在实施本发明提出的方法时应特别注意的是：共面导体结构10的各个导体12、14在安装时决不可将之彼此对准。导体12、14的彼此相对布置从制造过程的开始到结束都是预定的和固定的。这样，在按制造工艺进行各单个导体12、14的机械装配时就可避免可能出现的偏差。

如图8所示，本发明的探测头具有特别良好的频率性能。图8表示针对本发明提出的探测头的由模拟计算得出的一条信号参数曲线(S-参数曲线)。在图中的水平轴线46上绘出以GHz为单位的频率，在垂直轴线48上绘出以dB为单位的信号参数(S-参数)。如从图8所示的曲线图中可以直接看出的，根据这一模拟计算，本发明提出的探测头可以应用于高达60GHz的频率。与此同时，还能够以低废品率、低成本实现批量生产。

Claims (19)

1.用于高频测量的探测头(100、200、300)，它具有一个接触端(20)，用于接触平面结构；一个同轴电缆端(18)，用于连接同轴电缆(22)，于此，在接触端(20)和同轴电缆端(18)之间设置了一个至少配有两个导体(12、14)的共面导体结构(10)，

其特征在于：

在共面导体结构(10)上，在同轴电缆端(19)和接触端(20)之间的一个预定的区段上至少在一边，特别在两边，安置了一个支承共面导体结构(10)的介电体(28)，在介电体(28)和接触端(20)之间如此设计了探测头(100、200、300)，使得共面导体结构(10)的导体(12、14)是悬空地、针对起支承作用的介电体(28)有弹力地布置的。

2.按权利要求1所述的探测头(100、200、300)，其特征在于，在共面导体结构(10)的每两个导体(12、14)之间，从同轴电缆端(18)至接触端(20)分别如此设计成形一个间隙(16)，使得从同轴电缆端(18)至接触端(20)能产生一种恒定的波阻抗。

3.按权利要求2所述的探测头(100、200、300)，其特征在于：在介电体(28)的范围中各间隙(16)比在没有介电体(28)的共面导体结构(10)的范围中较宽。

4.按权利要求1至3中的任一项所述的探测头(100、200、300)，其特征在于：介电体是至少作为一个石英部件(28)设计成形的。

5.按以上权利要求中的任一项所述的探测头(100、200、300)，其特征在于：介电体(28)在与共面导体结构(10)相连接的一边，具有一个以后者基本上覆盖的金属层。

6.按以上权利要求中的任一项所述的探测头(200)，其特征在于：介电体(28)在其背向共面导体结构的一个边上是全面积地加以金属化的。

7.按以上权利要求中的任一项所述的探测头，其特征在于：在同轴电缆端(18)上安置了一个平面开关，特别是一个电的、电子的开关或有源开关，或者至少是一个有源开关元件。

8.高频测量用的探测头的制造方法，该探测头具有一个接触端，用于接触平面结构，还有一同轴电缆端，用于连接同轴电缆，在接触端和同轴电缆端之间设置了至少配备两个导体的一种共面导体结构，

其特征在于：

共面导体结构的导体都是采用石版印刷-电镀法制成的。

9.按权利要求8所述的方法，其特征在于：采用一种光刻法在一硅晶片上制造出至少一个，特别是多个共面导体结构。

10.按权利要求8或9所述的方法，其特征在于：共面导体结构是按石版印刷-电镀法如此制成的，使得在一边的导体彼此连接起来。

11.按以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于以下的步骤：

(a)硅晶片上蒸镀一金属层，

(b)涂敷一种光敏漆，

(c)通过掩模使光敏漆曝光，该掩模基本上相当于结构的至少是一个待制取的共面导体结构的一个负片，

(d)使漆显影成具有沟槽的一种结构，相当于待制取的共面导体结构的结构，

(e)用一种导电材料按电镀法填充那些沟槽，

(f)除去金属层，从硅片上取下共面导体结构，

(g)在一边或两边将各个共面导体结构同处于同轴电缆端和接触端之间的支承部分连接起来，

(h)将共面导体结构与同轴电缆连接起来。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于：步骤(a)中的金属层包括钛、银、铬和/或金。

13.按权利要求11或12所述的方法，其特征在于：步骤(e)中的导电材料是镍。

14.按权利要求11至13中的任一项所述的方法，其特征在于：步骤(g)中的支承部分是一种介电体，特别是一个石英部件。

15.按权利要求11至14中的任一项所述的方法，其特征在于：在下一步骤中，将共面波导体连同一个或多个支承部分安装在一个外壳中。

16.按权利要求11至15中的任一项所述的方法，其特征在于；在步骤(a)至(e)中制成的每个共面导体结构都带有一桥接部分，该桥接部分将一个共面导体结构的所有导体，特别是在同轴电缆端上彼此连接起来。

17.按权利要求16所述的方法，其特征在于：桥接部分附带地还包括一个包围着共面导体结构的框架。

18.按权利要求15或17所述的方法，其特征在于步骤(g)之前的附加步骤，(g0)在与同轴电缆连接之前卸去共面导体结构的导体的桥接部分。

19.按权利要求11至18中的任一项所述的方法，其特征在于：步骤(b)至(d)是采用一种光刻法完成的。

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