CN1834667A - 介质薄膜微波复介电常数的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚度在微米量级的介质薄膜之微波复介电常数的测量装置，它包括谐振腔、网络分析仪和介质基片，其特征在于所述谐振腔的两端设有射频耦合器，其中部设有通孔，所述介质基片用来承载介质薄膜，可插入所述通孔并两端处在谐振腔外，所述网络分析仪的输入、输出端分别与所述谐振腔的两个耦合器相连接；由于本发明在谐振腔的中部开有通孔，故能将未镀介质薄膜的介质基片和镀完介质薄膜的介质基片分别插入所述谐振腔的通孔中，获得两组谐振频率及品质因数值，进而根据所获得的两组数据再结合谐振腔、介质基片以及介质薄膜的几何尺寸，推算出介质薄膜的复介电常数，包括复介电常数的实部和损耗角正切，因此本发明是全面、精确的介质薄膜微波复介电常数的测量装置之一。

Description

介质薄膜微波复介电常数的测量装置

技术领域

本发明涉及一种微波复介电常数的测量装置，特别是涉及一种厚度在微米量级的介质薄膜之微波复介电常数的测量装置。

背景技术

薄膜化、集成化是射频微波器件的发展趋势。精确测量材料的微波复介电常数是精确设计微波器件的关键之一，迄今为止，虽然对于块状材料微波复介电常数的测量已早有国家标准可循(GB5597-85等)，但对于厚度在微米量级的薄膜材料，其微波复介电常数的测量仍是一个未解决的难题。

复介电常数定义为ε％＝ε₀·ε_r＝ε₀·(ε_r′-jε_r″)＝ε₀·ε_r′(1-jtanδ)，其中ε₀是真空中的介电常数，其值为8.854×10^-12F/m，ε_r为复相对介电常数，其实部和虚部分别为ε_r′和ε_r″， $\tan \mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}}$ 是材料的损耗角正切。复介电常数的测量主要是指ε_r′和tanδ的测量。

中华人民共和国国家标准GB5597-85提出了一种测量固体电介质微波复介电常数的方法与装置，其特征在于：测试腔为圆柱形金属谐振腔，其中一个圆形端面为活塞，测试样品为与活塞端面同等大小的圆盘形块状结构，放置在活塞之上；分别测量置入样品前后，在某一确定频率下，工作于TM_01n模式时，圆柱形金属谐振腔的谐振长度和固有品质因数，通过比较两组数据的差别，并结合谐振腔和样品的几何尺寸，可推算出测试样品的微波复介电常数。此方法对于可机械加工成型的固体电介质微波复介电常数的测量提供了一个可供选择的解决方案，但是，它的最大不足之处在于：样品的厚度需在毫米量级，若小于毫米量级，则该方法的测量误差极大。所以，该方法不适合于厚度为微米量级的薄膜材料的微波复介电常数测量。

在现有技术中虽然还有一些测量介质薄膜微波实介电常数的方案，但都无法实现对厚度在微米量级的介质薄膜之微波复介电常数，包括复介电常数实部和损耗角正切，提供精确的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对厚度在微米量级的介质薄膜进行精确测量的介质薄膜微波复介电常数的测量装置。

本发明的目的是采用这样的技术方案实现的：它包括谐振腔、介质基片和网络分析仪，其特征在于所述谐振腔的两端设有射频耦合器，其中部设有通孔，所述介质基片用来承载介质薄膜，可插入所述通孔并两端处在谐振腔外，所述网络分析仪的输入、输出端分别与所述谐振腔的两个耦合器相连接。

由于本发明在谐振腔的中部开有通孔，故能将未镀介质薄膜的介质基片和镀完介质薄膜的介质基片分别插入所述谐振腔的通孔中，获得两组谐振频率及品质因数值，进而根据所获得的两组数据再结合谐振腔、介质基片以及介质薄膜的几何尺寸，推算出介质薄膜的复介电常数，包括复介电常数的实部和损耗角正切。

本发明基于微扰原理，具有很高的灵敏度，与背景技术相比，不仅能够测量介质薄膜的微波复介电常数实部，而且可以测量其损耗角正切，提供了一种全面、精确的介质薄膜微波复介电常数的测量装置。

附图说明

图1是本发明的结构示意图之一

图2是本发明的金属谐振腔示意图之一

图3是本发明的介质基片示意图之一

图4是本发明的结构示意图之二

图5是本发明的金属谐振腔示意图之二

图6是本发明的介质基片示意图之二

附图标号说明：1-网络分析仪、101-射频信号输出端、102-射频信号输入端、2-射频电缆、3-输出耦合器、4-通孔、5-矩形金属谐振腔、6-输入耦合器、7-射频电缆、8-薄片长条形的介质基片、9-介质薄膜、11-网络分析仪、111-射频信号输出端、112-射频信号输入端、12-射频电缆、13-输出耦合器、14-圆形小孔、15-圆柱形金属谐振腔、16-输入耦合器、17-射频电缆、18-圆柱形细杆介质基片、19-介质薄膜、a-矩形金属谐振腔的宽度、b-矩形金属谐振腔的高度、l-矩形金属谐振腔的长度、l₀-薄片长条形介质基片的宽度、d₀-薄片长条形介质基片的厚度、h₀-薄片长条形介质基片的长度、Δd-介质薄膜的厚度、D-圆柱形金属谐振腔的直径、H-圆柱形金属谐振腔的高度、d₁-圆柱形细杆介质基片的直径、h₁-圆柱形细杆介质基片的长度、Δr-介质薄膜的厚度

具体实施方式

参照图1、图2、图3，本发明所述的介质薄膜复介电常数测量装置包括谐振腔5、网络分析仪1和介质基片8，所述谐振腔5的中部设有通孔4，谐振腔5的两端设有射频耦合器3、6，所述通孔4中可设置介质基片8，该介质基片8两端处在谐振腔5外；所述谐振腔5由标准矩形金属波导或内部镀有金、银、铜等良导体膜的矩形塑料波导制成，其内部经过抛光处理以便获得高的空载品质因数Q₀，谐振腔5的长度为l，宽度为a，高度为b，其宽度与高度按国家波导标准制作，所述耦合器3、6可以是通孔耦合器、圆环耦合器、探针耦合器中的任意一种，所述谐振腔5的中部通孔4为细长狭缝；所述介质基片8由石英等低介电常数材料制成，其形状为长条形，介质基片8的厚度d₀与宽度l₀略小于所述通孔4，长度h₀略大于谐振腔5的高度，该介质基片8用以承载介质薄膜9，它能垂直插入通孔4、贯穿谐振腔5并两端露出谐振腔5，所述介质基片8表面用以承载所需测量的介质薄膜9，所述介质薄膜9的介电常数一般要大于介质基片8的介电常数，该介质薄膜9可以是蒸发沉积薄膜，也可以是溅射、电泳、溶胶-凝胶等工艺形成的薄膜，膜层可以是单层膜、多层膜或复合膜中的一种，对于多层膜或复合膜，测得的复介电常数为等效复介电常数。所述网络分析仪1由市场购得，其射频信号输出端101和输入端102分别通过射频电缆7和2与所述谐振腔5的耦合器6和3相连接。

参照图4、图5和图6，本发明所述的介质薄膜复介电常数的测量装置包括圆柱形的谐振腔15、细杆形的介质基片18和网络分析仪11，所述谐振腔15的中部开有通孔14，谐振腔15的两端设有射频耦合器13、16，所述谐振腔15呈圆柱形，圆柱形谐振腔15的两侧设有相对应的耦合器16和耦合器13，所述谐振腔15由圆筒形金属波导或内表面镀有金、银、铜等良导体膜并抛光处理的圆筒形塑料制成，其内部经过抛光处理以便获得高的空载品质因数Q₀，该谐振腔15的直径为D，高度为H，圆柱形谐振腔15的中部轴心处的通孔14为圆形孔，通孔14的直径与细杆形介质基片18相适匹；所述细杆形介质基片18由石英等低介电常数的材料制成，其长度h₁略大于圆柱形谐振腔15的高度H，其直径d₁略小于所述通孔14的直径，它能垂直插入通孔14、贯穿谐振腔8并两端露出谐振腔8；所述细杆的介质基片表面用以承载所需测量的介质薄膜19，所述介质薄膜的介电常数一般要大于介质基片的介电常数，该薄膜可以是蒸发沉积薄膜，也可以是溅射、电泳、溶胶-凝胶等工艺形成的薄膜，膜层可以是单层膜、多层膜或复合膜，对于多层膜或复合膜，测得的复介电常数为等效复介电常数。所述网络分析仪由市场购得，其射频信号输出端111与输入端112分别与所述耦合器16、13相连接。

本发明使用本装置时，调节网络分析仪的频率范围及幅度标尺至适当值，以捕捉谐振腔中心电场强度为最大值的谐振模式，测得此谐振模式的谐振频率f₀和品质因数Q₀，先插入未镀膜的介质基片8或18，测得同一模式下的谐振频率f₁和品质因数Q₁，再取出介质基片，用溅射、电泳或溶胶-凝胶等工艺在其上镀覆所需测量的介质薄膜9或19，其厚度在50纳米-10之间，用测厚仪测得所述介质薄膜的厚度Δd或Δr，再次将镀了膜的介质基片以同样的方式插入谐振腔中，测得二次微扰后同一模式下的谐振频率f₂和品质因数Q₂。

采用矩形波导装置测量时，根据公式(1)和公式(2)计算得到介质薄膜的微波复介电常数，包括复介电常数实部ε_r′和损耗角正切tanδ：

${\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}=1+\frac{f_1-f_2}{f_2}\·\frac{\mathrm{al}}{2\mathrm{\Δd}\·l_0}---\left(1\right)$

$\tan \mathrm{\δ}=\frac{(\frac{1}{Q_2}-\frac{1}{Q_1})\·\frac{f_1\·\mathrm{al}}{4\mathrm{\Δd}\·l_0}}{f_2+(f_1-f_2)\frac{\mathrm{al}}{2\mathrm{\Δd}\·l_0}}---\left(2\right)$

采用圆形波导装置测量时，根据公式(3)和公式(4)计算得到介质薄膜的微波复介电常数，包括复介电常数实部ε_r′和损耗角正切tanδ：

${\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}=1+\frac{f_1-f_2}{f_2}\·\frac{D^2}{8(d_1+\mathrm{\Δr})\·\mathrm{\Δr}}---\left(3\right)$

$\tan \mathrm{\δ}=\frac{(\frac{1}{Q_2}-\frac{1}{Q_1})\·\frac{f_1{\·D}^2}{16(d_1+\mathrm{\Δr})\·\mathrm{\Δr}}}{f_2+(f_1-f_2)\frac{D^2}{8(d_1+\mathrm{\Δr})\·\mathrm{\Δr}}}---\left(4\right)$

本发明基于微扰原理，具有极高的灵明度、因此能对厚度为50纳米-10之间的介质薄膜进行精确的测量。

实施例

一种用以测量介质薄膜微波复介电常数的装置，其金属谐振腔5由型号为153IEC-R32的标准矩形波导制成，宽a、高b、长l分别为72.14mm、34.04mm和138.52mm，谐振腔上下两个平面正中分别开有10mm长0.5mm宽的细槽4；介质基片8采用石英材质，其厚度d₀和宽度l₀分别为0.46mm和9.89mm；网络分析仪1型号为Agilent 8714ET，通过圆环耦合器与矩形金属谐振腔5相连，所测介质薄膜是型号为MC-91[BaO-(SmNdLa)₂O₃-Bi₂O₃-TiO₂]的介质陶瓷薄膜，其厚度Δd用α台阶仪测得，为810nm，按本发明所述步骤，调节网络分析仪的频率范围及幅度标尺至适当值，捕捉谐振腔中心电场强度为最大值的谐振模式，分别测得插入未镀覆介质薄膜基片时的谐振频率f₁(2337.44MHz)和品质因数Q₁(389.10)与插入镀覆着MC-91介质薄膜的基片后的谐振频率f₂(2337.11MHz)和品质因数Q₂(388.95)，根据式(1)和(2)，计算得出厚度为810nm的MC-91薄膜的复相对介电常数实部ε_r′和损耗角正切tanδ分别为：89.07和0.0035。

Claims (8)

1、介质薄膜微波复介电常数的测量装置，包括谐振腔、网络分析仪和介质基片，其特征在于所述谐振腔的两端设有射频耦合器，其中部设有通孔，所述介质基片用来承载介质薄膜，可插入所述通孔并两端处在谐振腔外，所述网络分析仪的输入、输出端分别与所述谐振腔的两个耦合器相连接。

2、根据权利要求1所述的介质薄膜微波复介电常数的测量装置，其特征在于所述谐振腔由内部经过抛光处理的标准矩形金属波导或内表面镀有金、银、铜等良导体薄膜的塑料矩形波导所构成，谐振腔的通孔为细长狭缝形。

3、根据权利要求1所述的介质薄膜微波复介电常数的测量装置，其特征在于所述谐振腔为内部经过抛光处理的圆柱形金属波导或内表面镀有金、银、铜等良导体薄膜的塑料圆柱形波导所构成，谐振腔的中部轴心处所的通孔为圆形孔。

4、根据权利要求1所述的介质薄膜微波复介电常数的测量装置，其特征在于所述的耦合器是通孔耦合器、圆环形耦合器、探针耦合器的一种。

5、根据权利要求1所述的介质薄膜微波复介电常数的测量装置，其特征在于所述的介质基片为石英等低介电常数材料制成的片状基片或细杆状基片。

6、根据权利要求1所述的介质薄膜微波复介电常数的测量装置，其特征在于所述介质基片的侧面镀覆有介质薄膜，所述介质薄膜是单层膜、多层膜或复合膜中的一种。

7、根据权利要求1所述的介质薄膜微波复介电常数的测量装置，其特征在于所述介质薄膜厚度为50纳米-10之间。

8、根据权利要求6所述的介质薄膜微波复介电常数的测量装置，其特征在于所述介质薄膜是蒸发、溅射、电泳、溶胶-凝胶法等工艺形成的薄膜。

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