基于传输反射法的薄膜材料复介电常数的测量装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于传输反射法的薄膜材料复介电常数的测量装置及方法。装置包括网络分析仪、微带线和介质基片，微带线的两端设有高频SMA接头，网络分析仪的端口分别与微带线的高频SMA接头连接；微带线的填充介质为空气，介质基片竖直放置在微带线的中部；介质基片的表面镀覆有薄膜材料。测量时先将未镀覆薄膜与镀覆有薄膜的介质基片分别竖直放置在微带线中部，获得两组S11和S21参数，进而根据获得的两组数据再结合传输反射法，推算出未镀覆薄膜和镀覆有薄膜的介质基片的有效介电常数，再通过确定填充因子，将薄膜材料的真实介电常数从有效介电常数中分离出来。本发明测试频带宽、结构简单、重复性强、在GHz频段范围内测试精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料复介电常数的测量应用技术领域，具体涉及一种基于传输反射法的薄膜材料复介电常数的扫频测量装置及其测量方法。

背景技术

随着科技的进步，薄膜材料已经广泛应用于高速电子工业的各个领域，比如：信息存储、电磁兼容、磁场传感器、微波通讯器件等。众所周知，现代文明离不开高性能的电磁器件，而设计和研制这些器件的基本前提是准确的知道所用材料的基本电磁参数，当器件向更小的尺寸方向发展时，要求器件所用的电子材料薄膜化，因此，如何测量出介质薄膜的高频电磁参数显得尤为重要。迄今为止，虽然对于块状材料的复介电常数的测量早已有国家标准可循(GB5597-85等)，但对于厚度在微米量级的薄膜材料，其复介电常数的扫频测量仍是一个未解的难题。

复介电常数的定义为ε＝ε₀·ε_r＝ε₀(ε′_r-ε″_r)，其中ε₀是真空中的介电常数，其值为8.854×10^-12F/m，ε_r为复介电常数，其实部和虚部分别为ε′_r和ε″_r。复介电常数的测量主要指ε′_r和ε″_r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复介电常数的方法与装置，其方案为：测量腔为圆柱形金属谐振腔，其中一个圆形端面为活塞，测量样品为与活塞端面同等大小的圆盘形状结构，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，可推算出测量样品的复介电常数。此方法对于可机械加工成型的固体电介质复介电常数的测量提供了一个可供选择的解决方案，但是，它的不足之处在于：样品的厚度需要在毫米量级，且谐振腔的测试模式为点频法，测试频带窄。所以，该方法不适用于厚度为微米量级的薄膜材料的复介电常数的宽频带测量。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于传输反射法的薄膜材料复介电常数的扫频测量装置及其测量方法。

本发明的目的是采用这样的技术方案实现的：

基于传输反射法的薄膜材料复介电常数的测量装置，包括网络分析仪、微带线和介质基片，微带线的两端设有高频SMA接头，网络分析仪的输入端和输出端分别与微带线的两个高频SMA接头相连接；所述微带线的填充介质为空气，介质基片竖直放置在所述微带线的中部；所述介质基片的表面镀覆有待测的薄膜材料。

利用上述测量装置的测量方法，具体过程如下：

(1)先将未镀覆薄膜材料的介质基片竖直放置在微带线中部，网络分析仪采用扫频方式在微带线的端口测得输入反射系数S₁₁和正向传输系数S₂₁，再将镀覆有薄膜材料的介质基片以同样的方式竖直放置在微带线中部，测得输入反射系数S₁₁和正向传输系数S₂₁；

(2)根据步骤(1)获得的两组系数数据再结合传输反射法，推算出未镀覆薄膜材料的介质基片的有效介电常数ε_Rh与镀覆有薄膜材料的介质基片的有效介电常数ε_Rs；

(3)利用以下公式计算薄膜材料的真实介电常数ε_rs：

其中，p为填充因子，是将电容转换为介电常数的系数，ε_rh是未镀覆薄膜材料的介质基片的真实介电常数。

本发明基于传输反射法，具有很高的灵敏度，与现有技术相比，能够很好地测量薄膜材料的复介电常数，提供了一种测试频带宽、结构简单、重复性强、在GHz频段范围内测试精度高的薄膜材料复介电常数的测量装置及其测量方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的微带线集总电容模型示意图，(a)是镀覆有薄膜材料的介质基片的微带线集总电容模型，(b)是未镀覆薄膜材料的介质基片的微带线集总电容模型；

图3是本发明的填充因子p的仿真结果；

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-微带线、3-微带线导体带、4-高频SMA接头、5-高频SMA接头、6-薄膜材料、7-介质基片、8-射频电缆、9-射频电缆。

具体实施方式

参照图1，本发明涉及的扫频测量装置，包括网络分析仪1、微带线2、介质基片7，其中，微带线2的两端设有高频SMA接头4和5，微带线2的导体带3由铜制成，宽度为1.5毫米，高度为10毫米，填充介质是空气。薄膜材料6镀覆在介质基片7的表面，竖直放置在微带线2的中部，介质基片7为石英等低介电常数材料制成的片状基片，其长度为10毫米，高度为10毫米，厚度为0.5毫米；薄膜材料6的厚度为1-100微米，其介电常数一般要大于介质基片7的介电常数，该薄膜材料6可以是沉积薄膜，也可以是溅射、电泳、溶胶-凝胶法等工艺形成的薄膜，膜层可以是单层膜、多层膜或复合膜的一种，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。本实施例的网络分析仪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8、9与微带线2的高频SMA接头4、5相连接。

由于本发明的微带线2的填充介质是空气，故能将未镀薄膜材料的介质基片和镀覆有薄膜材料的介质基片分别竖直放置在微带线中部，获得两组S₁₁和S₂₁参数，进而根据获得的两组数据再结合传输反射法，推算出介质基片的有效介电常数与镀覆有薄膜材料的介质基片的有效介电常数，由于介质基片的真实介电常数已知，可以通过确定填充因子，进而将薄膜材料的真实介电常数从有效介电常数中分离出来。具体过程如下：

先将未镀覆薄膜材料的介质基片7放置在微带线2中部，测得S₁₁和S₂₁参数，再取另一片相同的介质基片7，用溅射、电泳、溶胶-凝胶法等工艺在其上镀覆所需测量的薄膜材料6，其厚度为1-100微米，再次将镀覆有薄膜材料6的介质基片7以同样的方式竖直放置在微带线2中部，测得S₁₁和S₂₁参数。

网络分析仪1采用扫频方式在微带线2两端口测得的S₁₁和S₂₁参数是电磁波经多次反射(Γ₁、Γ₂、Γ₃…Γ_n)和透射(T₁、T₂、T₃…T_n)后的叠加，由电磁场基础理论可以推出，两端口的S参数与反射系数Γ及传输系数T之间的关系是：

其中，传输系数为

其中，ω为角频率，μ为真空磁导率，ε为真空介电常数，d为薄膜的长度。

根据Nicolson算法，令

V₁＝S₂₁+S₁₁(4)

V₁＝S₂₁-S₁₁(5)

则

此外，

如果

于是

其中，c为光速，μ_r为相对复磁导率，ε_r为相对复介电常数。

进而根据获得的两组S₁₁和S₂₁参数再结合上述传输反射法的公式，推算出介质基片的有效介电常数ε_Rh与镀有薄膜材料的介质基片的有效介电常数ε_Rs，由于介质基片的真实介电常数ε_rh已知，可以通过确定填充因子p，进而将薄膜材料的真实介电常数ε_rs从有效介电常数中分离出来，具体分离方法如图2所示，将电场线等效成相应的电容，C_s为镀有薄膜材料的介质基片的等效电容，C_h为只含有介质基片的等效电容，则图2中左右两侧各自总等效电容为：

其中，C₁，C₂，…，C_n是其他电场线的等效电容，将式(13)减去式(14)得：

由于介电常数正比于等效电容，可得：

ε_Rs-ε_Rh＝p(ε_rs-ε_rh)(16)

其中，p是将电容转换为介电常数的系数，可以通过全波仿真软件HFSS计算出系数p的值，图3是本发明的填充因子p的仿真结果，然后利用获得的p进行薄膜材料真实介电常数ε_rs的计算，如下：

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实例的示意图，并非用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。