JP7105855B2 - 電磁特性測定装置、電磁特性測定システム、および電磁特性測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置、測定システム、および測定方法に関するものであり、特に、電磁特性測定装置、電磁特性測定システム、および電磁特性測定方法に関するものである。

通信、半導体技術の急速な発展に伴い、素子、メモリ等に関連するデバイスは、小型化、薄型化、超広帯域、調節可能な損耗等の技術方向に向けて開発された。さらに、磁性材料は、電子デバイス、回路デバイス、メモリ等の使用が多くなるほど、インダクタ、センサ、干渉抑制体、高密度磁気記録再生磁気ヘッド、磁気メモリ、電磁干渉（ＥＭＩ）シールド、スマートサーフェス、部品実装、先進運転支援システム、送受信アンテナ等の磁気デバイスに応用されるようになった。磁性材料の基本的電磁関連特性を正確に知って初めてシミュレーション設計および開発を有効に行うことができるということが、これらの磁性材料を開発応用する前提であるため、ワイドスクリーンにおいて磁性材料の電磁特性を正確に測定することには、重要な意義がある。

現行の電磁特性測定方法は、同軸法、導波管法、空洞共振器摂動法等を含み、測定上、いずれもサンプルのサイズに厳しい制限があるため、材料を特定のサイズのサンプルに作り直さなければならないが、サンプルの電磁特性は、通常、実際の応用サイズに関連し、作り直した材料サンプルは、実際の応用材料の特性と異なる。そのため、現在の方法で測定した電磁特性は、実際の応用と異なり、材料特性を誤って判断しやすいため、シミュレーション設計を有効に行うことができず、その上、現行の技術は、大面積測定を行うことができないため、材料、素子、および関連応用デバイスの開発時間が長くなり、コストが大幅に増加する。

本発明は、実際のサンプルに対して直接電磁特性測定を行うことができ、サンプルの断裁や作り直しをしなくても、材料、素子、および関連応用デバイスの開発検証のニーズを満たすことのできる電磁特性測定装置、電磁特性測定システム、および電磁特性測定方法を提供する。

本発明の電磁特性測定装置は、導磁構造と、コイルと、散乱パラメータ測定器とを含む。導磁構造は、試験サンプルに面した第１側および前記第１側と向かい合う第２側を含み、前記第１側は、磁気ギャップを有する。コイルは、前記導磁構造を取り囲み、前記導磁構造と磁場を生成する。散乱パラメータ測定器は、前記第１側に設置され、前記磁場の範囲内に位置する。

本発明の電磁特性測定システムは、上述した電磁特性測定装置と、分析ユニットと、制御ユニットとを含む。分析ユニットは、前記電磁特性測定装置に接続され、前記試験サンプルの電磁特性を分析する。制御ユニットは、前記電磁特性測定装置、前記分析ユニットに接続され、前記試験サンプルの表面を測定するよう前記電磁特性測定装置を制御する。

本発明の電磁特性測定方法は、以下のステップを含む。上述した電磁特性測定装置を提供する。前記電磁特性測定装置を試験サンプルの表面の第１測定点に接触させる。異なる強度の電流を前記電磁特性測定装置に提供して、異なる強度の磁場を生成し、前記試験サンプルに対応して生成された散乱パラメータを測定する。前記散乱パラメータに基づいて、前記試験サンプルの第１測定点における電磁特性を分析する。前記電磁特性測定装置を前記表面の第２測定点に移動する。

以上のように、本発明の電磁特性測定装置は、試験サンプルに面した第１側に磁気ギャップを設置し、磁場を第１側に導くことができるため、電磁特性測定装置は、その第１側を試験サンプルに向かわせ、さらに、試験サンプルの表面を移動して、大面積の測定を行うことができる。したがって、本発明の電磁特性測定装置は、試験サンプルを特定のサイズに断裁しなくても、２つの磁場構造の間に収容することができ、直接試験サンプルの表面を移動して、元の試験サンプルに対して測定を行うことができるため、形状効果が電磁特性にもたらす影響を減らすことができる。したがって、本発明の電磁特性測定装置は、測定サンプル（特に、大面積サンプルまたはシート状サンプル）の電磁特性の測定精度を有効に上げることができる。

添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。

本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定システムのブロック概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の側面概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の測定概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る導磁構造の磁化曲線概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の電流と磁場強度の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の磁気ギャップ距離と磁場強度の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の磁気ギャップ距離と磁場強度の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の磁気ギャップ距離と磁場強度の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の磁気ギャップ距離と磁場強度の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の磁気ギャップ距離と磁場強度の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の磁気ギャップ距離と磁場強度の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の底面概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の別の角度から見た測定概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の異なる印加磁場における散乱パラメータと周波数の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の異なる印加磁場における散乱パラメータと周波数の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の異なる印加磁場における導磁率と周波数の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の異なる印加磁場における導磁率と周波数の関係概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定方法のフロー概略図である。 本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置を使用して得られた異なる導磁率と周波数の関係概略図である。 周知の電磁特性測定装置を使用して得られた異なる導磁率と周波数の関係概略図である。

本発明の前記および他の技術内容、特徴、および効果は、以下の参考図面と併せた各実施形態の詳細な説明において、明確に提示することができる。以下の実施形態において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等の方向を示すための用語は、単に添付の図面の方向を参考にしたものである。そのため、使用する方向性の用語は、説明のために用いるものであって、本発明を限定するものではない。また、以下の実施形態において、同一の、または類似する参照番号は、同一の、または類似する構成要素を示す。

図１は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の概略図である。図２は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定システムのブロック概略図である。図１および図２を同時に参照すると、いくつかの実施形態において、電磁特性測定システム１０は、電磁特性測定装置１００と、分析ユニット３００と、制御ユニット４００と、電源供給ユニット５００とを含む。いくつかの実施形態において、電磁特性測定装置１００は、試験サンプルＳＰに対して電磁特性測定を行うための測定用プローブであり、試験サンプルＳＰの表面を自由に、またはアレイ走査方式で移動することができる。いくつかの実施形態において、試験サンプルＳＰは、シート状または薄膜状のサンプルであり、比較的大きな面積の主面（major surface）を有することができるが、本発明はこれに限定されない。このように、本実施形態の電磁特性測定装置１００は、この主面の上を自由に移動することができるため、比較的大きな主面（比較的大きな面積）を有する試験サンプルＳＰを測定することができる。いくつかの実施形態において、電磁特性測定システムは、さらに、電磁特性測定装置１００に接続され、試験サンプルＳＰの表面に沿って移動するように電磁特性測定装置１００を動かすことのできる移動ユニットを含むことができる。例を挙げて説明すると、移動ユニットは、例えば、制御ユニット４００に接続され、制御ユニット４００の制御により試験サンプルＳＰの主面を自動的に移動して、試験サンプルＳＰの表面にある複数の測定点に対して電磁特性の測定を行うことのできるロボットアームであってもよい。その他の実施形態において、電磁特性測定装置１００は、オペレータにより手動で試験サンプルＳＰの表面を移動して、測定を行うこともできる。

上述した本発明の実施形態において、制御ユニット４００は、電磁特性測定装置１００、分析ユニット３００、電源供給ユニット５００、および移動ユニット（ある場合）に接続され、電磁特性測定装置１００および分析ユニット３００を制御して試験サンプルＳＰの表面を測定するよう配置される。例を挙げて説明すると、制御ユニット４００は、デスクトップパソコン、サーバー、ポータブル電子デバイス、またはその他の適合する電子デバイスであってもよいが、本発明はこれに限定されない。電源供給ユニット５００は、電磁特性測定装置１００および制御ユニット４００に接続され、制御ユニット４００で制御されて、電磁特性測定装置１００に電源を提供し、磁場を生成するよう配置される。

いくつかの実施形態において、電磁特性測定装置１００は、導磁構造１１０と、コイル１２０と、散乱パラメータ測定器１５０とを含む。導磁構造１１０は、互いに向かい合う第１側Ｓ１および第２側Ｓ２を含み、前記第１側Ｓ１は、試験サンプルＳＰに面するために使用される。コイル１２０は、少なくとも一部分の導磁構造１１０を取り囲み、導磁構造１１０と環電流の磁場を生成する。つまり、上述した本発明の実施形態は、コイル１２０に電流が流れていることを利用して、コイル１２０の周囲に磁場を生成する。一般的に、コイル１２０を通過する電流が大きければ大きいほど、生成される磁場は強くなり、そうでなければ弱くなる。また、コイル１２０の巻き数が多ければ多いほど、生成される磁場も強くなる。いくつかの実施形態において、コイル１２０は、単芯金属線、多芯金属線、単層金属管、または多層金属管を含むことができるが、本発明はこれに限定されない。

詳しく説明すると、導磁構造１１０は、複数の導磁柱１１２（２個図示したが、これに限定されない）、第１導磁体１１４、および第２導磁体１１６を含むことができる。複数の導磁柱１１２は、互いに平行であり、且つ第１側Ｓ１と第２側Ｓ２の間に接続される。第１導磁体１１４は、第１側Ｓ１において導磁柱１１２に接続され、第２導磁体１１６は、第２側Ｓ２において導磁柱１１２に接続される。さらに説明すると、複数の導磁柱１１２の間は、互いに平行に設置して、電磁特性測定装置１００の第１側Ｓ１（下側）および第２側Ｓ２を定義することができ、第１導磁体１１４は、導磁柱１１２の下方に設置して、それぞれ複数の導磁柱１１２の第１側Ｓ１に接続することができ、第２導磁体１１６は、導磁柱１１２の上方に設置して、それぞれ複数の導磁柱１１２の第２側Ｓ２に接続することができる。コイル１２０は、それぞれ導磁柱１１２を取り囲むことができる。つまり、コイル１２０を巻いて中空部を形成し、導磁柱１１２を収容することにより、コイル１２０を導磁柱１１２に巻きつけることができる。

いくつかの実施形態において、導磁構造１１０は、磁性材料（例えば、フェライト）で形成され、様々な形状を有することができる。例を挙げて説明すると、導磁構造１１０の材料は、ニッケル亜鉛（ＮｉＺｎ）またはマンガン亜鉛（ＭｎＺｎ）等のフェライト化合物、あるいはその他の保磁力（coercivity）の低い軟強磁性材料を含むことができるが、本発明はこれに限定されない。導磁材料の保磁力は、抗磁力ともいい、導磁材料を磁気飽和状態になるまで磁化した後、磁化強度（magnetization）を磁化されていない状態に戻すために必要な磁場強度を指す。保磁力が低ければ低いほど、抗消磁能力が低いことを表し、ヒステリシス損失が小さいことも意味する。もちろん、上述した実施形態は、単なる例として説明しただけであり、本発明はこれに限定されない。また、図面に示した電磁特性測定装置１００に用いることのできる円柱状の導磁柱１１２および導磁柱１１２に巻きつけるコイル１２０は、本発明における１つの具体的な実施形態であり、当業者であれば、本発明がその他の適切な形状を有する導磁柱１１２も使用できることを理解することができる。

図３は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の側面概略図である。図４は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の測定概略図である。図５は、本発明の１つの実施形態に係る導磁構造の磁化曲線概略図である。図３～図５を同時に参照すると、一般的に、導磁構造１１０の導磁材料の高導磁特性は、一定の体積においてコンダクタンスをより高くすることができるが、許容できる飽和電流は低く、一旦磁気飽和に達すると、導磁構造１１０の導磁率は、急激に下降する。いわゆる磁気飽和とは、導磁材料（例えば、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、およびその合金等の強磁性またはフェリ磁性材料）のうちの１つの特性である。磁気飽和の前に（例えば、図５の左半分の曲線に示す）、印加磁場Ｈの強度が増大すると、材料が磁化し、磁束密度Ｂも対応して増加する。磁場強度Ｈが一定レベルよりも大きい場合（例えば、図５の右半分の曲線に示す）、磁束密度Ｂは、真空導磁率によりゆっくりと増加し、磁気飽和になる。磁場強度Ｈと磁束密度Ｂの関係は、以下の導磁率式（ａ）で表すことができる。

[数１]
μ＝ｄＢ/ｄＨ （ａ）

式中、μは、導磁率である。図５および導磁率式（ａ）からわかるように、材料の導磁率は、１つの不変の量ではなく、磁場強度Ｈにより決まる。磁気飽和した材料において、導磁率は、磁場強度Ｈが増加すると最大値に達し、その後、飽和が発生すると減少に転じて、最後に、１に近づく。１に近づいた時の磁場を臨界磁場強度Ｈｃと定義する。いくつかの実施形態において、臨界磁場強度Ｈｃは、１０エルステッド（Ｏｅ）よりも大きいか、それに等しい。

上述した実施形態において、電磁特性測定装置１００が生成する印加磁場強度は、試験サンプルＳＰの導磁率を１に近づけなければならないため、電磁特性測定装置１００が生成するのに必要とされる印加磁場は、十分な強度を持つ必要がある。しかしながら、磁気飽和の特性は、導磁構造１１０が達することのできる最大磁場に制限される。これを考慮して、本実施形態の導磁構造１１０は、磁気ギャップＧ１（magnetic gap）を設置する。１つの実施形態において、磁気ギャップＧ１が指すのは、磁気回路におけるエアギャップ（air gap）である。つまり、導磁構造１１０の磁気回路は、完全に密閉せずに、中間に空隙を残すことができる。いくつかの実施形態において、磁気ギャップＧ１の中に、非導磁材料、例えば、樹脂、ゴム、セラミック、またはその任意の組み合わせ等を充填してもよいが、本発明はこれに限定されない。本実施形態は、導磁構造の主磁気回路（第１側Ｓ１の第１導磁体１１４）に磁気ギャップＧ１を設置することにより、導磁構造１１０の導磁率を下げることができるため、磁気飽和を回避し、比較的多いエネルギーを保存することができる（エネルギーの大部分は、磁気ギャップＧ１の中に保存される）。

詳しく説明すると、いくつかの実施形態において、電磁特性測定装置１００の第１側Ｓ１は、磁気ギャップＧ１を有し、この磁気ギャップＧ１は、試験サンプルＳＰの表面の上方にあり、且つ導磁柱１１２の間にある。さらに説明すると、本実施形態において、導磁柱１１２の第１側Ｓ１に接続される第１導磁体１１４は、この磁気ギャップＧ１を含む。つまり、第１導磁体１１４は、それぞれ導磁柱１１２に接続され、且つ２つの導磁柱１１２の中間方向に向かって延伸する複数（例えば、２つ）の導磁部１１４１、１１４２を含むことができ、導磁部１１４１、１１４２の末端の間は、１つの間隔を維持することができる。この間隔が、磁気ギャップＧ１である。

図６は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の電流と磁場強度の関係概略図である。図６からわかるように、磁気ギャップＧ１の距離（サイズ）の大きさは、生成される磁場の強度と非常に緊密な関係がある。大まかに言うと、磁気ギャップＧ１の距離が小さくなればなるほど、導磁構造１１０とコイル１２０が生成する磁場の強度は大きくなる。例を挙げて説明すると、磁気ギャップＧ１の距離は、約０．１ｍｍ～１２ｍｍであってもよく、例えば、約０．２ｍｍ～１０ｍｍ、約０．５ｍｍ～８ｍｍ、約０．８ｍｍ～５ｍｍ、約０．１ｍｍ～１ｍｍ、約０．５ｍｍ～３ｍｍ、約０．７５ｍｍ～４．５ｍｍ、約１ｍｍ～５．５ｍｍ、約２ｍｍ～６ｍｍ、約３ｍｍ～７ｍｍ、約４ｍｍ～８ｍｍ、約５ｍｍ～１０ｍｍ、約６ｍｍ～１２ｍｍ、約１ｍｍ、約３ｍｍ、約５ｍｍ、約６ｍｍ、約８ｍｍ、約９ｍｍ等であってもよいが、本発明はこれに限定されない。さらに、印加電流を入力する時、この印加電流を約０～３０アンペア（Ａ）に制御することができ、例えば、入力される電流は、０（無電流状態）であってもよく、且つ約０．０１～３０アンペア、約０．１～２５アンペア、約０．５～２０アンペア、約１～１８アンペア、約２～１５アンペア、約２アンペア、約３アンペア、約５アンペア、約８アンペア、約１０アンペア、約１２アンペア、約１５アンペア、約２０アンペア、約２５アンペア等であってもよいが、本発明はこれに限定されない。本実施形態において、電磁特性測定装置１００が生成する磁場の磁場強度Ｈは、実質的に、０～臨界磁場強度Ｈｃの間に制御できるようにしなければならない。もちろん、本実施形態の数値は、単なる例として説明しただけであり、実際の数値は、その他の素子のサイズまたは環境要因により変更可能であるため、本発明はこれに限定されない。

図７～図１２は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の磁気ギャップ距離と磁場強度の関係概略図である。説明すべきこととして、図７は、磁気ギャップＧ１の距離が約３ミリ（ｍｍ）の条件において異なる電流（２、５、１０、１５アンペア）を入力し、磁気ギャップＧ１のＸ方向（図１３に示したＸ方向）における磁場強度と周波数の関係を示したものである。図８は、磁気ギャップＧ１の距離が約３ミリ（ｍｍ）の条件において異なる電流（２、５、１０、１５アンペア）を入力し、磁気ギャップＧ１のＹ方向（図１３に示したＹ方向）における磁場強度と周波数の関係を示したものである。同様に、図９は、磁気ギャップＧ１の距離が約６ミリ（ｍｍ）の条件において異なる電流（２、５、１０、１５アンペア）を入力し、磁気ギャップＧ１のＸ方向（図１３に示したＸ方向）における磁場強度と周波数の関係を示したものである。図１０は、磁気ギャップＧ１の距離が約６ミリ（ｍｍ）の条件において異なる電流（２、５、１０、１５アンペア）を入力し、磁気ギャップＧ１のＹ方向（図１３に示したＹ方向）における磁場強度と周波数の関係を示したものである。図１１は、磁気ギャップＧ１の距離が約９ミリ（ｍｍ）の条件において異なる電流（２、５、１０、１５アンペア）を入力し、磁気ギャップＧ１のＸ方向（図１３に示したＸ方向）における磁場強度と周波数の関係を示したものである。図１２は、磁気ギャップＧ１の距離が約９ミリ（ｍｍ）の条件において異なる電流（２、５、１０、１５アンペア）を入力し、磁気ギャップＧ１のＹ方向（図１３に示したＹ方向）における磁場強度と周波数の関係を示したものである。

上述した図表の関係からわかるように、磁気ギャップＧ１の距離が大きくなればなるほど、磁気ギャップＧ１における磁場強度は小さくなる。しかしながら、上述した図表の関係から発見できるように、磁気ギャップＧ１の距離が同じ状況において、磁気ギャップＧ１における磁場強度の分布は、電流が大きくなるにつれて強くなる。したがって、磁気ギャップＧ１が比較的大きな状況においては、印加電流を増やすことによっても、磁場強度の要求を満たすことができる。

図１および図３を参照すると、いくつかの実施形態において、散乱パラメータ測定器１５０を第１側Ｓ１に設置して、電磁特性測定装置１００が生成する磁場の範囲内に配置することにより、試験サンプルＳＰの散乱パラメータ（scattering parameter）を測定し、それに基づいて、試験サンプルＳＰの導磁率を求める。具体的に説明すると、電磁特性測定装置１００は、さらに、第２側Ｓ２に設置（例えば、固定）され、第１側Ｓ１に向かって磁気ギャップＧ１の上方に延伸する支柱１４０を含むことができる。そのため、散乱パラメータ測定器１５０を支柱１４０の上（例えば、支柱１４０の第１側Ｓ１の端点）に設置して、磁気ギャップＧ１の上方に配置することができる。詳しく説明すると、支柱１４０は、固定端１４２および延伸端１４４を含むことができる。固定端１４２は、導磁構造１１０の第２側Ｓ２に固定され、延伸端１４４は、固定端１４２に接続されて、第１側Ｓ１に向かって磁気ギャップＧ１の上方に延伸する。１つの実施形態において、散乱パラメータ測定器１５０は、延伸端１４４の端点に設置されてもよく、理解すべきこととして、設置位置は、必要に応じて変更することができるため、本発明はこれに限定されない。１つの実施形態において、支柱１４０の材料は、非導磁材料、例えば、樹脂類、アルミニウム、銅等であってもよいが、本発明はこれに限定されない。

上述した実施形態において、このような構造配置にすることにより、電磁特性測定装置１００は、第１側Ｓ１に磁気ギャップＧ１を設置して、最大の磁場を第１側Ｓ１に導くことができるため、電磁特性測定装置１００は、その第１側Ｓ１を試験サンプルＳＰに向かわせ、さらに、試験サンプルＳＰの表面を移動して、大面積の測定を行うことができる。したがって、本発明の電磁特性測定装置１００は、試験サンプルＳＰを特定のサイズに断裁しなくても、２つの磁場構造の間に収容することができ、直接試験サンプルＳＰの表面で移動して、元の試験サンプルＳＰを測定することができるため、形状効果が電磁特性にもたらす影響を減らすことができる。したがって、本発明の電磁特性測定装置１００は、測定サンプルＳＰ（特に、大面積サンプルまたはシート状サンプル）の電磁特性の測定精度を有効に上げることができる。

図１３は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の底面概略図である。図１４は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の別の角度から見た測定概略図である。図１３および図１４を同時に参照すると、いくつかの実施形態において、散乱パラメータ測定器１５０は、互いに重なり合った導線層１５２および誘電体層１５４を含み、散乱パラメータ測定器１５０の試験サンプルＳＰに最も近い導線層１５２は、マイクロストリップ（micro-strip）、コプレーナ導波路（coplanar waveguide, CPWまたはCPWG）、あるいはその他のストリップ構造を含む。１つの実施形態において、散乱パラメータ測定器１５０は、マイクロストリップを使用して散乱パラメータの測定を行うが、もちろん、本発明はこれに限定されない。１つの実施形態において、散乱パラメータ測定器１５０と第１側Ｓ１の距離は、実質的に、７．５ｃｍに等しいか、それよりも小さくてもよく、例えば、約７ｃｍ、約６．５ｃｍ、約６ｃｍ、約５．５ｃｍ、約５ｃｍ、約４．５ｃｍ、約４ｃｍ、約３．５ｃｍ、約３ｃｍ、約２．５ｃｍ、約２ｃｍであってもよいが、本発明はこれに限定されない。具体的に説明すると、マイクロストリップは、１種の伝送線路であり、導線、接地、および誘電体層で構成される。分析ユニット３００は、例えば、電磁特性測定装置１００の散乱パラメータ測定器１５０に接続され、試験サンプルＳＰの電磁特性を分析することができる。例を挙げて説明すると、分析ユニット３００は、ポート１３０によりそれぞれ散乱パラメータ測定器１５０のマイクロストリップ（導線層１５２）の向かい合う両端に接続されたネットワーク・アナライザを含むことができる。

いくつかの実施形態において、散乱パラメータの測定方法は、散乱パラメータ測定器１５０を利用して、電磁特性測定装置１００自身の第１散乱パラメータを測定してから、散乱パラメータ測定器１５０を利用して、電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰの上に置いているが磁場を印加していない時の第２散乱パラメータを測定し、最後に、再度散乱パラメータ測定器１５０を利用して、電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰの上に置いて磁場を印加した時の第３散乱パラメータを測定することを含み、分析ユニット３００は、等価回路モデルおよび上述した３つの散乱パラメータを利用して、試験サンプルＳＰの電磁特性、例えば、（複数の）導磁率を分析することができる。

図１５～図１６は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の異なる印加磁場における散乱パラメータと周波数の関係概略図である。図１７～図１８は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置の異なる印加磁場における導磁率と周波数の関係概略図である。一般的に、実部は吸収を表し、虚部は損耗を表す。図１５は、散乱パラメータ測定器１５０が電磁特性測定装置１００自身のみを有する場合（「治具」で示す）、装置１００を試験サンプルＳＰの上に置いているが磁場を印加していない場合（「治具＋サンプル」で示す）、装置１００を試験サンプルＳＰの上に置いて磁場１００Ｏｅを印加した場合（「１００」で示す）、装置１００を試験サンプルＳＰの上に置いて磁場２００Ｏｅを印加した場合（「２００」で示す）、装置１００を試験サンプルＳＰの上に置いて磁場１８００Ｏｅを印加した場合（「１８００」で示す）等の５種類の条件で測定した散乱パラメータの実部と周波数の間の関係図を示したものである。同様に、図１６は、散乱パラメータ測定器１５０が上述した５種類の条件で測定した散乱パラメータの虚部と周波数の間の関係図を示したものである。

続いて、上記の結果を利用して、試験サンプルＳＰの電磁特性（例えば、導磁率）を抽出し、図１７および図１８に示した電磁特性測定装置の異なる印加磁場における導磁率実部（μS’ ） 、導磁率虚部（μS” ）と周波数の関係図表を得ることができる。図１７および図１８からわかるように、応答周波数は、磁場が強くなるにつれ上昇するため、試験サンプルＳＰが強磁性共鳴特性を有することがわかる。

図１９は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定方法のフロー概略図である。図１および図３を同時に参照すると、上述した電磁特性測定装置１００および／または電磁特性測定システム１０の方法は、以下のステップを含むことができる。まず、ステップＳ１１０を実行して、上述した電磁特性測定装置１００を含む電磁特性測定システム１０を提供する。続いて、ステップＳ１２０を実行して、電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰの表面の第１測定点Ｐ１に置く。いくつかの実施形態において、電磁特性測定装置１００の数は、複数であってもよい。つまり、本実施形態は、複数の電磁特性測定装置１００を同時に試験サンプルＳＰの表面に提供して、測定を行うことができる。

続いて、ステップＳ１３０を実行し、電磁特性測定装置１００に電流を提供して磁場を生成し、電磁特性測定装置１００を利用して対応する散乱パラメータを測定する。具体的に説明すると、制御ユニット４００は、電源供給ユニット５００が電磁特性測定装置１００に提供した電流を制御して、磁場を生成することができる。分析ユニット３００を配置することにより、マイクロストリップ（導線層１５２）の両端の散乱パラメータを測定することができる。続いて、ステップＳ１４０を実行し、上記の散乱パラメータに基づいて、試験サンプルＳＰの第１測定点Ｐ１における電磁特性を分析する。本実施形態において、電磁特性は、例えば、複数の導磁率であってもよいが、本発明はこれに限定されない。

詳しく説明すると、測定を行う時、電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰの表面に置くが、この時、電磁特性測定装置１００のマイクロストリップ（導線層１５２）の両端は、１つの２端子対回路を構成するため、散乱パラメータ測定器１５０は、例えば、掃引周波数の方法を採用して、マイクロストリップの両端において散乱パラメータを測定し、透過反射法に基づいて、導線層１５２（マイクロストリップ）の相対する両端の端末ポート特性インピーダンスを計算し、それに基づいて、試験サンプルＳＰの複数の導磁率を計算することができる。

さらに説明すると、試験サンプルＳＰの複数の導磁率を計算するステップは、以下のステップを含むことができる。まず、電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰに置いていない時に、マイクロストリップの第１散乱パラメータを測定し、それに基づいて、対応する第１端末ポート特性インピーダンスを計算する。続いて、電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰに置き、コイル１２０にかなりの電流を印加して、試験サンプルＳＰの表面に印加磁場（例えば、０～臨界磁場強度Ｈｃの間に制御することのできる磁場）を形成するとともに、試験サンプルＳＰにおいて、印加磁場のマイクロストリップの第２散乱パラメータを測定し、それに基づいて、対応する第２端末ポート特性インピーダンスを計算する。続いて、電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰに置いた時のマイクロストリップの第３散乱パラメータを測定し、それに基づいて、対応する第３端末ポート特性インピーダンスを計算する。最後に、再度上述した数値に基づいて、等価回路を利用してモデルを抽出し、試験サンプルＳＰの第１測定点Ｐ１における電磁特性（例えば、複数の導磁率）を分析する。

その後、（例えば、移動方向Ｄ１に沿って）電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰの表面の第２測定点Ｐ２に移動して、後続の測定を行うことができる。後続の測定は、例えば、試験サンプルＳＰ上の全ての測定点を測定し終わるまで、ステップＳ１３０～ステップＳ１４０を繰り返すことができる。重複または類似する技術内容については、本実施形態において説明を省略する。いくつかの実施形態において、電磁特性測定装置１００は、オペレータにより手動で第２測定点Ｐ２に移動してもよく、制御ユニット４００において制御される移動ユニットにより、第２測定点Ｐ２に移動するように電磁特性測定装置１００を動かしてもよい。

いくつかの実施形態において、電磁特性測定装置１００を移動する方法は、上述した試験サンプルＳＰの表面を自由に移動する、またはアレイ走査方式で移動することを含むことができる。また、電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰの測定点に置く方法は、直接接触させることを含むことができる。つまり、電磁特性測定装置１００は、試験サンプルＳＰの表面に直接接触することができる。しかしながら、その他の実施形態において、電磁特性測定装置１００を試験サンプルＳＰの測定点に置く方法は、直接接触させない方法であってもよく、つまり、電磁特性測定装置１００は、試験サンプルＳＰの表面と特定の距離を維持してもよい（例えば、試験サンプルＳＰの表面を浮遊して移動する）。

図２０は、本発明の１つの実施形態に係る電磁特性測定装置を使用して得られた異なる導磁率と周波数の関係概略図である。図２１は、周知の電磁特性測定装置を使用して得られた異なる導磁率と周波数の関係概略図である。具体的に説明すると、図２０および図２１は、それぞれ本発明の電磁特性測定装置１００および伝統的な巻き取り方法を使用して試験サンプルの導磁率を測定することにより得られた異なる導磁率と周波数の関係概略図である。本発明の電磁特性測定装置１００は、元の（シート状の）試験サンプルＳＰの表面を直接移動して、大面積の測定を行うことができるため、試験サンプルＳＰを特定のサイズに断裁（例えば、図２１に示した中空円柱の形状に断裁）しなくても、２つの磁場構造の間に収容することができ、形状効果が電磁特性にもたらす影響を減らすことができる。図２０および図２１の２つの表の比較からわかるように、図２０で測定した断裁していない試験サンプルの導磁率は、周波数が１０ＭＨｚの時に約１２．６であるが、図２１で測定した断裁した試験サンプルの導磁率は、周波数が１０ＭＨｚの時に約１３．２３であり、両者の差は７％に達する。さらに、図２０で測定した断裁していない試験サンプルの応答周波数は、約２．７１ＧＨｚであり、図２１で測定した断裁した試験サンプルの応答周波数（約０．０３ＧＨｚ）よりもはるかに高い。上述した差は、主に試験サンプルの形状によりもたらされる形状効果によって生じた結果であると考えられる。これにより、本発明の電磁特性測定装置１００が測定サンプルＳＰ（特に、大面積サンプルまたはシート状サンプル）の電磁特性の測定精度および正確率を有効に上げることを証明することができる。

以上のように、本発明の電磁特性測定装置は、試験サンプルに面した第１側に磁気ギャップを設置し、磁場を第１側に導くことができるため、電磁特性測定装置は、その第１側を試験サンプルに向かわせ、さらに、試験サンプルの表面を移動して、大面積の測定を行うことができる。したがって、本発明の電磁特性測定装置は、試験サンプルを特定のサイズに断裁しなくても、２つの磁場構造の間に収容することができ、直接試験サンプルの表面を移動して、元の試験サンプルに対して測定を行うことができるため、形状効果が電磁特性にもたらす影響を減らすことができる。したがって、本発明の電磁特性測定装置は、測定サンプル（特に、大面積サンプルまたはシート状サンプル）の電磁特性の測定精度を有効に上げることができる。

本発明は、実際のサンプルに対して直接電磁特性測定を行うことができ、サンプルの断裁や作り直しをしなくても、材料、素子、および関連応用デバイスの開発検証のニーズを満たすことのできる電磁特性測定装置、電磁特性測定システム、および電磁特性測定方法を提供する。

１０ 電磁特性測定システム
１００ 電磁特性測定装置
１１０ 導磁構造
１１２ 導磁柱
１１４ 第１導磁体
１１６ 第２導磁体
１１４１、１１４２ 導磁部
１２０ コイル
１４０ 支柱
１４２ 固定端
１４４ 延伸端
１５０ 散乱パラメータ測定器
１５２ 導線層
１５４ 誘電体層
３００ 分析ユニット
４００ 制御ユニット
５００ 電源供給ユニット
Ｄ１ 移動方向
Ｇ１ 磁気ギャップ
Ｐ１ 第一測定点
Ｐ２ 第二測定点
ＳＰ 測定サンプル
Ｓ１ 第１側
Ｓ２ 第２側

Claims (15)

1. 試験サンプルに面した第１側および前記第１側と向かい合う第２側を含み、前記第１側が、磁気ギャップを有する導磁構造と、
   前記導磁構造を取り囲み、前記導磁構造と磁場を生成するコイルと、
   前記第１側に設置され、前記磁場の範囲内に位置し、散乱パラメータを測定する散乱パラメータ測定器と、
   を含む電磁特性測定装置。
2. 前記電磁特性測定装置が、前記試験サンプルの表面に沿って移動するように配置された請求項１に記載の電磁特性測定装置。
3. 前記導磁構造が、互いに平行であり、且つ前記第１側および前記第２側に接続された複数の導磁柱と、前記第１側において前記複数の導磁柱に接続された第１導磁体と、および前記第２側において前記複数の導磁柱に接続された第２導磁体とを含み、
   前記コイルが、それぞれ前記複数の導磁柱を取り囲み、
   前記第１導磁体が、前記磁気ギャップを含む請求項１または２に記載の電磁特性測定装置。
4. 前記コイルに入力する電流が、０～３０アンペア（Ａ）である請求項１～３のいずれか１項に記載の電磁特性測定装置。
5. 前記試験サンプルの導磁率が実質的に１に等しい時に、対応する磁場の強度が臨界磁場強度であり、前記コイルと前記導磁構造が生成する前記磁場の強度が、実質的に、０～前記臨界磁場強度である請求項１～４のいずれか１項に記載の電磁特性測定装置。
6. 前記磁気ギャップの距離が、実質的に、０．１～１２ミリ（ｍｍ）である請求項１～５のいずれか１項に記載の電磁特性測定装置。
7. 前記第２側に設置され、前記第１側に向かって前記磁気ギャップの上方に延伸する支柱をさらに含み、
   前記散乱パラメータ測定器が、前記支柱の上に設置され、且つ前記支柱の材料が、非導磁材料である請求項１～６のいずれか１項に記載の電磁特性測定装置。
8. 前記コイルが、単芯金属線、多芯金属線、単層金属管、または多層金属管を含む請求項１～７のいずれか１項に記載の電磁特性測定装置。
9. 前記散乱パラメータ測定器が、互いに重なり合った導線層および誘電体層を含み、
   前記散乱パラメータ測定器の前記試験サンプルに最も近い導線層が、マイクロストリップまたはコプレーナ導波路を含む請求項１～８のいずれか１項に記載の電磁特性測定装置。
10. 前記散乱パラメータ測定器と前記第１側の距離が、実質的に、７．５ｃｍに等しいか、それよりも小さい請求項１～９のいずれか１項に記載の電磁特性測定装置。
11. 請求項１～１０のいずれか１項に記載の電磁特性測定装置と、
    前記電磁特性測定装置に接続され、前記試験サンプルの電磁特性を分析する分析ユニットと、
    前記電磁特性測定装置および前記分析ユニットに接続され、前記試験サンプルの表面を測定するよう前記電磁特性測定装置および前記分析ユニットを制御する制御ユニットと、を含む電磁特性測定システム。
12. 前記分析ユニットが、ネットワーク・アナライザを含む請求項１１に記載の電磁特性測定システム。
13. 前記分析ユニットが、前記散乱パラメータ測定器のマイクロストリップの両端に接続された請求項１１または１２に記載の電磁特性測定システム。
14. 請求項１～１０のいずれか１項に記載の電磁特性測定装置を提供することと、
    前記電磁特性測定装置を試験サンプルの表面の第１測定点に置くことと、
    電流を前記電磁特性測定装置に提供して磁場を生成し、前記電磁特性測定装置を利用して対応する散乱パラメータを測定することと、
    前記散乱パラメータに基づいて、前記試験サンプルの第１測定点における電磁特性を分析することと、
    前記電磁特性測定装置を前記表面の第２測定点に移動することと、
    を含む電磁特性測定方法。
15. 前記電磁特性測定装置を移動する方法が、前記試験サンプルの表面を自由に移動すること、またはアレイ走査方式で移動することを含む請求項１４に記載の電磁特性測定方法。

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