JP2019158652A - 誘電体材料評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で比誘電率が高い計測対象物であっても、実効比誘電率、比誘電率を正確かつ簡便に計測可能にする。【解決手段】誘電体材料の評価装置は、評価対象である誘電体材料３を載置するサンプルステージ６と、ベクトルネットワークアナライザ５に付属し、誘電体材料３のＸ軸方向に離隔した位置において誘電体材料３に接触する一対のプローブと、一対のプローブ２ａ、２ｂのそれぞれについて誘電体材料３に対するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の位置決めを独立して行う移動機構とを備えている。プローブ２ａ、２ｂのうち、一方のプローブに対する他方のプローブの誘電体材料３に対するＸ軸方向の位置を所定の距離ずつシフトさせるたびに、ベクトルネットワークアナライザ５が複素電力比の周波数特性を計測測定し、その振幅が極値となる共振周波数に基づいて、誘電体材料３の比誘電率εeffを求める。【選択図】 図３

Description

本発明は、チタン酸バリウムに代表される半導体セラミックス等、誘電体材料の誘電特性を計測するための誘電体材料評価装置に関する。

スマートフォンのような移動体通信機器の小型化、高性能化に伴い、マイクロ波回路構成用の誘電体基板の物性値、特に比誘電率といった誘電定数の高精度な計測の必要性が急速に高まっている。
特許文献１には、第１、第２の誘電体基板にリング状の共振器を一体的に形成し、両者の共振周波数、無負荷Ｑ値を計測することにより、誘導体基板の電磁気的物性値を求めることが記載されている。
特許文献２には、誘導体支持基板上にリング状の間隙により内側導体と外側導体に分割された導体膜と、この導体膜の上面、下面に積層された誘導体薄膜を設け、内側導体、外側導体の一方から他方に向けて電界を発生する共振モードを得ることにより比誘電率や誘導正接の計測を高精度化することが記載されている。

特許第４３７３９０２号公報 特許第４５４０５９６公報

しかし、特許文献１、２の計測装置では、予め、専用のリング状共振器を備えた計測対象を作成し、リング共振を発生させるための実験条件を模索する必要があり、時間やコストを要するばかりでなく、高精度な計測結果を得ることができないといった問題があった。

これに対する解決手段として、リング共振器ａの上に計測対象物である誘電体材料（ＤＵＴ）を設置することで、実効比誘電率を変化させ、共振周波数の変化をみる手法が考えられる。
しかしながら、計測対象物の誘電率が高い場合、特に比誘電率が２０以上の場合には、リング共振器ａのリング回路における実効比誘電率が大きく変化するため、特性インピーダンスのずれによって、式（１）に従って回路での反射の影響が大きくなり、精度の高い計測ができず、比誘電率の評価値に５０％程度の誤差が発生する場合もあった。

なお、Γは反射係数、Ｚ₀は線路の特性インピーダンス（通常５０Ω）、Ｚは誘電体設置部の特性インピーダンスである。

そこで、本発明の目的は、小型で、しかも比誘電率が高い計測対象物であっても、その実効比誘電率、比誘電率を正確かつ簡便に計測可能とすることにある。

本発明では、プローブを伝送路中にコンタクトさせ、その後方での反射波との共振を利用して、計測対象物である基板の誘電特性を計測・評価するものである。

より具体的には、本発明の誘電体材料の評価装置は、評価対象である誘電体材料を載置するサンプルステージと、ベクトルネットワークアナライザに付属するプローブであって、前記誘電体材料のＸ軸方向に離隔した位置において前記誘電体材料に接触する一対のプローブと、前記一対のプローブのそれぞれについて前記誘電体材料に対するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の位置決めを独立して行う移動機構と、前記一対のプローブのうち、一方のプローブに対する他方のプローブの前記誘電体材料に対するＸ軸方向の位置を所定の距離ずつシフトさせるたびに、前記ベクトルネットワークアナライザが複素電力比の周波数特性を計測し、その振幅が極値となる共振周波数に基づいて、前記誘電体材料の比誘電率ε_rを求めようにした。

本発明によれば、リング共振器のような特殊なデバイスは不要であるため、例えば屈曲した伝送線路や抵抗体、その他さまざまなデバイスを接続する伝送線路を利用してその誘電特性を評価することが可能となる。

図１は本発明の基本原理を示す図である。 図２は周波数測定装置が計測し得る最大測定周波数f_max（GHz）に対する最低ライン長の関係を示す図である。 図３は本発明による誘電体材料評価装置の実施例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の基本原理を示すもので、計測対象物の誘電体材料である誘電体材料３（図３参照）上の導体パターン１の表面には、その一方の端部（図１における左端）から他方に端部（図１における右端）に向けて移動する可動高周波プローブ２ａと、他方の端部に固定された固定高周波プローブ２ｂが電気的に接触している。
図１において、長さＬのパターン１の左端を原点とし、長手方向をＸ軸としたとき、Ｘ＝Ｘ_mのとき、可動高周波プローブ２ａの基板左端までの距離（ライン長）はＸ_m、可動高周波プローブ２ａと固定高周波プローブ２ｂまでの距離は、Ｌ−Ｘ_mとなる。

ここで、周波数測定装置が計測し得る最大測定周波数f_maxに対する波長λ_r,e,0を式（２）で定義し（C_oは定数）、実効比誘電率をε_eff、共振を発生させるための最低ライン長をl_r,minとしたとき、式（３）を満たすこと、すなわち、フィードライン長（給電線路長）l_feedが、最低ライン長l_r,minより長いことが必要である。

図２は、計測対象物である基板がCPW⇔MSTL変換素子の場合（ａ）、ベンド式の場合（ｂ）、デバイス接続の場合(ｃ）を例に、周波数測定装置が計測し得る最大測定周波数ｆ_max（ＧＨｚ）に対する最低ライン長の関係を示すものである。なお、図２下方のグラフにおいて、上から順に比誘電率が1,4,9.8,40の基板の場合を示している。

図３に本発明による誘電体材料評価装置の実施例を示す。
本実施例では、可動高周波プローブ２ａは、本体２０ａと、その左右両側に配置された２個のグランド端子２１ａ、中央に配置されたシグナル端子２２ａを備えている。同様に、固定高周波プローブ２ｂは、本体２０ｂと、その左右両側に配置された２個のグランド端子２１ｂ、中央に配置されたシグナル端子２２ｂを備えている。可動高周波プローブ２ａ、固定高周波プローブ２ｂからなる一対の高周波プローブの各端子が、プローブステーションのサンプルステージ６上に載置された評価対象である誘電体材料３上のパターン１の左右両サイドにそれぞれ接触するよう配備されている。なお、本実施例では、パターン１は、電気的に３分割されており、可動高周波プローブ２ａの左右両側に配置された２個のグランド端子２１ａが接触する両サイド部分がそれぞれグランドラインを、中央のシグナル端子２２ａが接触する中央部がシグナルラインを構成している。

各端子から延びる信号ラインは、それぞれ同軸ケーブル４ａ、４ｂを形成し、ベクトルネットワークアナライザ５の両接続端子に接続されている。なお、誘電体材料３は、可動高周波プローブ２ａ、固定高周波プローブ２ｂを支持するプローブステーションのサンプルステージ６上に位置決めされている。また、本実施例で使用するプローブは、グランド-シグナル-グランド(GSG)プローブであるが、原理的にはGS、GSGSGタイプ、SGSGSタイプのプローブでも同様に動作する。
こうしたプローブに関しては、50、75、100、150、250ミクロンなど、様々なピッチのものが市販されており、パターン１の線路幅等に合わせて、最適なピッチのプローブを選択する。

プローブステーション６には、可動高周波プローブ２ａを支持し、図３に示す、パターン１に対するＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置決めを行うプローブステージ（図示せず）が設けられている。可動高周波プローブ２ａのＸ軸方向、Ｙ軸方向の位置決めについては、後述する比誘電率を演算により求める際、順路と復路で誤差が相殺されるため、必ずしも高精度である必要なく、工作機械などで使用されている位置決め機構を利用すればよい。可動高周波プローブ２ａ、固定高周波プローブ２ｂのＺ軸方向の位置については、発明者らが先に提案した位置決め機構（WO2017/203876参照）を用いて、プローブステージをＺ軸に沿って少しずつ下降させてパターン１に接近させ、プローブからの入出力信号から算出される反射係数によりＺ軸方向の最適位置を求めるようにする。

以下、本実施例による誘電特性の計測について説明する。
図３において、可動高周波プローブ２ａ用のプローブステージのＸ軸移動機構を用いて、評価対象である誘電体材料に対し、ΔＸずつ、０，Ｘ₁，・・・・Ｘ_m-1，Ｘ_mと順次移動させる。
ベクトルネットワークアナライザ５は、その片側ポートからの入射波に対するそれぞれのポートへの出射波の複素電力比（透過特性を示すS21あるいは反射特性を示すS11）、すなわち、伝送波電力／入射波電力（順方向の伝送係数）の周波数特性を測定する。入力する信号は何らかのパルスであればよく、特に制限はない。
すなわち、可動高周波プローブ２ａのシグナル端子２２ａから固定高周波プローブ２ｂのシグナル端子２２ｂに直接伝搬するパルスと、可動高周波プローブ２ａのシグナル端子２２ａから基板１の左側端面に向かい反射して固定高周波プローブ２ｂのシグナル端子２２ｂに向かう反射パルスが発生する。ここで、可動高周波プローブ２ａのＸ軸方向の座標がＸｍのとき、両者間の経路差は、
（Ｌ―Ｘ_m）−（（Ｌ−Ｘ_m）＋２Ｘ_m）＝−２Ｘｍとなる。
この差が伝搬するパルスの波長（２ｎ−１）λ/２となるとき、一次共振が発生するので、S21の振幅が極小値となる時の周波数（すなわち、共振周波数：f_r）を評価する。
frは比誘電率によって変化する。また、−２Ｘ_mがλ／２に等しくなる一次共振（n=1）だけではなく、（２ｎ−１）λ/２（ｎ＞１）となる場合にも共振が発生するため、これらも解析に利用できる。

次に本発明の実験結果を説明する。
実験では、通常の伝送線路（インピーダンス基準基板１０１−１９０（カスケードマイクロテック製）上の５．２５ｍｍのＬｉｎｅ基準器）を用いて検証を行なった。図３において、片側のプローブ位置をＸ軸方向に５００μｍずつ右側にシフトし、各位置（Ｘ_m）でＳ２１を取得する。そのＳ２１で特定された共振点におけるn次の共振周波数をｆｒ（Ｘ_m，ｎ）とする。なお、Ｘ_mは、プローブの座標から取得する。
以上により求めたパラメータに基づいて、下記の（４）、（５）に基づいて、実効比誘電率ε_eff（Ｘ_m，ｎ）を求める。

基板の比誘電率ε_r（Ｘ_m，ｎ）は、式（４）、（５）で求めたε_eff（Ｘ_m，ｎ）を用いて、
ε_r（Ｘ_m、ｎ）＝（ε_eff（Ｘ_m，ｎ）＋１）／２
により求めることができる。

今回はプローブのシフトは１０回行い、得られたε_r（Ｘ_m，ｎ）から、３３、６７、９７ＧＨｚでのε_r（Ｘ_m，ｎ）の評価結果の平均値と標準偏差を算出した。
なお、比誘電率ε_rの評価精度を向上するため、ΔＸ、すなわち１回のシフト量（実験では５００μｍずつ）をより小さくしてデータサンプリング数を増やすのが有効である。
また、計測ラインの端部のデータがノイズの原因となる場合は、評価対象である誘電体材料の端面（図では左側端面）から少なくとも１００μｍ程度離れた位置からのデータを採用する。

以上説明したように、本発明によれば、特殊なデバイスを用いることなく、さまざまなデバイスを接続する伝送線路を利用してその誘電特性を正確に評価することが可能となり、誘電体材料の評価装置として広く採用されることが期待できる。

１・・・・・・導体パターン
２ａ・・・可動高周波プローブ
２ｂ・・・・・固定高周波プローブ
３・・・誘電体材料（評価対象）
４ａ、４ｂ・・同軸ケーブル
５・・・ベクトルネットワークアナライザ
６・・・・・・プローブステーションのサンプルステージ

Claims (4)

1. 評価対象である誘電体材料を載置するサンプルステージと、
   高周波電気特性評価装置に付属するプローブであって、前記誘電体材料のＸ軸方向に離隔した位置において前記誘電体材料に接触する一対のプローブと、
   前記一対のプローブのそれぞれについて前記誘電体材料に対するＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の位置決めを独立して行う移動機構と、
   前記一対のプローブのうち、一方のプローブに対する他方のプローブの前記誘電体材料に対するＸ軸方向の位置を所定の距離ずつシフトさせるたびに、前記高周波電気特性評価装置が複素電力比の周波数特性を計測し、その振幅が極値となる共振周波数に基づいて、前記誘電体材料の比誘電率ε_effを求めることを特徴とする誘電体材料の評価装置。
2. 前記高周波電気特性評価装置はベクトルネットワークアナライザーであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記一対のプローブのうち、シフトさせるプローブと前記誘電体材料の線路との接触位置と前記線路の端部までの距離l_feedが下記式（３）を満たす位置であることを特徴とする請求項１に記載された誘電体材料の評価装置。
   

   

   ただし、前記ベクトルネットワークアナライザが計測し得る最大測定周波数f_maxに対する波長λ_r,e,0を下記式（２）で定義し（C_oは定数）、実効比誘電率をε_eff、共振を発生させるための最低ライン長をl_r,minとする。
   

   
4. 下記の（４）、（５）を用いて、比誘電率ε_eff（Ｘ_m，ｎ）を求める請求項１に記載された誘電体材料の評価装置。
   

   

   

   ただし、ｆ_r（Ｘ_m，ｎ）は、Ｘ軸座標がＸ_mにおけるｎ次の波形の共振周波数、λ_e（Ｘ_m，ｎ）はその波長で、Ｘ_m、Ｘ_m-1は、前記移動機構から取得したプローブ座標である。

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