專利名稱：介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，特別是涉及一種厚度在微米量級的介質(zhì)薄膜之微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置。
背景技術(shù)：
薄膜化、集成化是射頻微波器件的發(fā)展趨勢。精確測量材料的微波復(fù)介電常數(shù)是精確設(shè)計(jì)微波器件的關(guān)鍵之一，迄今為止，雖然對于塊狀材料微波復(fù)介電常數(shù)的測量已早有國家標(biāo)準(zhǔn)可循(GB5597-85等)，但對于厚度在微米量級的薄膜材料，其微波復(fù)介電常數(shù)的測量仍是一個(gè)未解決的難題。
復(fù)介電常數(shù)定義為ε％＝ε0·εr＝ε0·(εr′-jεr″)＝ε0·εr′(1-jtanδ)，其中ε0是真空中的介電常數(shù)，其值為8.854×10-12F/m，εr為復(fù)相對介電常數(shù)，其實(shí)部和虛部分別為εr′和εr″，tanδ=ϵr′′ϵr′]]>是材料的損耗角正切。復(fù)介電常數(shù)的測量主要是指εr′和tanδ的測量。
中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB5597-85提出了一種測量固體電介質(zhì)微波復(fù)介電常數(shù)的方法與裝置，其特征在于測試腔為圓柱形金屬諧振腔，其中一個(gè)圓形端面為活塞，測試樣品為與活塞端面同等大小的圓盤形塊狀結(jié)構(gòu)，放置在活塞之上；分別測量置入樣品前后，在某一確定頻率下，工作于TM01n模式時(shí)，圓柱形金屬諧振腔的諧振長度和固有品質(zhì)因數(shù)，通過比較兩組數(shù)據(jù)的差別，并結(jié)合諧振腔和樣品的幾何尺寸，可推算出測試樣品的微波復(fù)介電常數(shù)。此方法對于可機(jī)械加工成型的固體電介質(zhì)微波復(fù)介電常數(shù)的測量提供了一個(gè)可供選擇的解決方案，但是，它的最大不足之處在于樣品的厚度需在毫米量級，若小于毫米量級，則該方法的測量誤差極大。所以，該方法不適合于厚度為微米量級的薄膜材料的微波復(fù)介電常數(shù)測量。
在現(xiàn)有技術(shù)中雖然還有一些測量介質(zhì)薄膜微波實(shí)介電常數(shù)的方案，但都無法實(shí)現(xiàn)對厚度在微米量級的介質(zhì)薄膜之微波復(fù)介電常數(shù)，包括復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和損耗角正切，提供精確的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)穸仍谖⒚琢考壍慕橘|(zhì)薄膜進(jìn)行精確測量的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置。
本發(fā)明的目的是采用這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的它包括諧振腔、介質(zhì)基片和網(wǎng)絡(luò)分析儀，其特征在于所述諧振腔的兩端設(shè)有射頻耦合器，其中部設(shè)有通孔，所述介質(zhì)基片用來承載介質(zhì)薄膜，可插入所述通孔并兩端處在諧振腔外，所述網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入、輸出端分別與所述諧振腔的兩個(gè)耦合器相連接。
由于本發(fā)明在諧振腔的中部開有通孔，故能將未鍍介質(zhì)薄膜的介質(zhì)基片和鍍完介質(zhì)薄膜的介質(zhì)基片分別插入所述諧振腔的通孔中，獲得兩組諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)值，進(jìn)而根據(jù)所獲得的兩組數(shù)據(jù)再結(jié)合諧振腔、介質(zhì)基片以及介質(zhì)薄膜的幾何尺寸，推算出介質(zhì)薄膜的復(fù)介電常數(shù)，包括復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和損耗角正切。
本發(fā)明基于微擾原理，具有很高的靈敏度，與背景技術(shù)相比，不僅能夠測量介質(zhì)薄膜的微波復(fù)介電常數(shù)實(shí)部，而且可以測量其損耗角正切，提供了一種全面、精確的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之一圖2是本發(fā)明的金屬諧振腔示意圖之一圖3是本發(fā)明的介質(zhì)基片示意圖之一圖4是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之二圖5是本發(fā)明的金屬諧振腔示意圖之二圖6是本發(fā)明的介質(zhì)基片示意圖之二附圖標(biāo)號說明1-網(wǎng)絡(luò)分析儀、101-射頻信號輸出端、102-射頻信號輸入端、2-射頻電纜、3-輸出耦合器、4-通孔、5-矩形金屬諧振腔、6-輸入耦合器、7-射頻電纜、8-薄片長條形的介質(zhì)基片、9-介質(zhì)薄膜、11-網(wǎng)絡(luò)分析儀、111-射頻信號輸出端、112-射頻信號輸入端、12-射頻電纜、13-輸出耦合器、14-圓形小孔、15-圓柱形金屬諧振腔、16-輸入耦合器、17-射頻電纜、18-圓柱形細(xì)桿介質(zhì)基片、19-介質(zhì)薄膜、a-矩形金屬諧振腔的寬度、b-矩形金屬諧振腔的高度、l-矩形金屬諧振腔的長度、l0-薄片長條形介質(zhì)基片的寬度、d0-薄片長條形介質(zhì)基片的厚度、h0-薄片長條形介質(zhì)基片的長度、Δd-介質(zhì)薄膜的厚度、D-圓柱形金屬諧振腔的直徑、H-圓柱形金屬諧振腔的高度、d1-圓柱形細(xì)桿介質(zhì)基片的直徑、h1-圓柱形細(xì)桿介質(zhì)基片的長度、Δr-介質(zhì)薄膜的厚度具體實(shí)施方式
參照圖1、圖2、圖3，本發(fā)明所述的介質(zhì)薄膜復(fù)介電常數(shù)測量裝置包括諧振腔5、網(wǎng)絡(luò)分析儀1和介質(zhì)基片8，所述諧振腔5的中部設(shè)有通孔4，諧振腔5的兩端設(shè)有射頻耦合器3、6，所述通孔4中可設(shè)置介質(zhì)基片8，該介質(zhì)基片8兩端處在諧振腔5外；所述諧振腔5由標(biāo)準(zhǔn)矩形金屬波導(dǎo)或內(nèi)部鍍有金、銀、銅等良導(dǎo)體膜的矩形塑料波導(dǎo)制成，其內(nèi)部經(jīng)過拋光處理以便獲得高的空載品質(zhì)因數(shù)Q0，諧振腔5的長度為l，寬度為a，高度為b，其寬度與高度按國家波導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)制作，所述耦合器3、6可以是通孔耦合器、圓環(huán)耦合器、探針耦合器中的任意一種，所述諧振腔5的中部通孔4為細(xì)長狹縫；所述介質(zhì)基片8由石英等低介電常數(shù)材料制成，其形狀為長條形，介質(zhì)基片8的厚度d0與寬度l0略小于所述通孔4，長度h0略大于諧振腔5的高度，該介質(zhì)基片8用以承載介質(zhì)薄膜9，它能垂直插入通孔4、貫穿諧振腔5并兩端露出諧振腔5，所述介質(zhì)基片8表面用以承載所需測量的介質(zhì)薄膜9，所述介質(zhì)薄膜9的介電常數(shù)一般要大于介質(zhì)基片8的介電常數(shù)，該介質(zhì)薄膜9可以是蒸發(fā)沉積薄膜，也可以是濺射、電泳、溶膠-凝膠等工藝形成的薄膜，膜層可以是單層膜、多層膜或復(fù)合膜中的一種，對于多層膜或復(fù)合膜，測得的復(fù)介電常數(shù)為等效復(fù)介電常數(shù)。所述網(wǎng)絡(luò)分析儀1由市場購得，其射頻信號輸出端101和輸入端102分別通過射頻電纜7和2與所述諧振腔5的耦合器6和3相連接。
參照圖4、圖5和圖6，本發(fā)明所述的介質(zhì)薄膜復(fù)介電常數(shù)的測量裝置包括圓柱形的諧振腔15、細(xì)桿形的介質(zhì)基片18和網(wǎng)絡(luò)分析儀11，所述諧振腔15的中部開有通孔14，諧振腔15的兩端設(shè)有射頻耦合器13、16，所述諧振腔15呈圓柱形，圓柱形諧振腔15的兩側(cè)設(shè)有相對應(yīng)的耦合器16和耦合器13，所述諧振腔15由圓筒形金屬波導(dǎo)或內(nèi)表面鍍有金、銀、銅等良導(dǎo)體膜并拋光處理的圓筒形塑料制成，其內(nèi)部經(jīng)過拋光處理以便獲得高的空載品質(zhì)因數(shù)Q0，該諧振腔15的直徑為D，高度為H，圓柱形諧振腔15的中部軸心處的通孔14為圓形孔，通孔14的直徑與細(xì)桿形介質(zhì)基片18相適匹；所述細(xì)桿形介質(zhì)基片18由石英等低介電常數(shù)的材料制成，其長度h1略大于圓柱形諧振腔15的高度H，其直徑d1略小于所述通孔14的直徑，它能垂直插入通孔14、貫穿諧振腔8并兩端露出諧振腔8；所述細(xì)桿的介質(zhì)基片表面用以承載所需測量的介質(zhì)薄膜19，所述介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)一般要大于介質(zhì)基片的介電常數(shù)，該薄膜可以是蒸發(fā)沉積薄膜，也可以是濺射、電泳、溶膠-凝膠等工藝形成的薄膜，膜層可以是單層膜、多層膜或復(fù)合膜，對于多層膜或復(fù)合膜，測得的復(fù)介電常數(shù)為等效復(fù)介電常數(shù)。所述網(wǎng)絡(luò)分析儀由市場購得，其射頻信號輸出端111與輸入端112分別與所述耦合器16、13相連接。
本發(fā)明使用本裝置時(shí)，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍及幅度標(biāo)尺至適當(dāng)值，以捕捉諧振腔中心電場強(qiáng)度為最大值的諧振模式，測得此諧振模式的諧振頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q0，先插入未鍍膜的介質(zhì)基片8或18，測得同一模式下的諧振頻率f1和品質(zhì)因數(shù)Q1，再取出介質(zhì)基片，用濺射、電泳或溶膠-凝膠等工藝在其上鍍覆所需測量的介質(zhì)薄膜9或19，其厚度在50納米-10之間，用測厚儀測得所述介質(zhì)薄膜的厚度Δd或Δr，再次將鍍了膜的介質(zhì)基片以同樣的方式插入諧振腔中，測得二次微擾后同一模式下的諧振頻率f2和品質(zhì)因數(shù)Q2。
采用矩形波導(dǎo)裝置測量時(shí)，根據(jù)公式(1)和公式(2)計(jì)算得到介質(zhì)薄膜的微波復(fù)介電常數(shù)，包括復(fù)介電常數(shù)實(shí)部εr′和損耗角正切tanδϵr′=1+f1-f2f2·al2Δd·l0---(1)]]>tanδ=(1Q2-1Q1)·f1·al4Δd·l0f2+(f1-f2)al2Δd·l0---(2)]]>采用圓形波導(dǎo)裝置測量時(shí)，根據(jù)公式(3)和公式(4)計(jì)算得到介質(zhì)薄膜的微波復(fù)介電常數(shù)，包括復(fù)介電常數(shù)實(shí)部εr′和損耗角正切tanδ
ϵr′=1+f1-f2f2·D28(d1+Δr)·Δr---(3)]]>tanδ=(1Q2-1Q1)·f1·D216(d1+Δr)·Δrf2+(f1-f2)D28(d1+Δr)·Δr---(4)]]>本發(fā)明基于微擾原理，具有極高的靈明度、因此能對厚度為50納米-10之間的介質(zhì)薄膜進(jìn)行精確的測量。
實(shí)施例一種用以測量介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的裝置，其金屬諧振腔5由型號為153IEC-R32的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)制成，寬a、高b、長l分別為72.14mm、34.04mm和138.52mm，諧振腔上下兩個(gè)平面正中分別開有10mm長0.5mm寬的細(xì)槽4；介質(zhì)基片8采用石英材質(zhì)，其厚度d0和寬度l0分別為0.46mm和9.89mm；網(wǎng)絡(luò)分析儀1型號為Agilent 8714ET，通過圓環(huán)耦合器與矩形金屬諧振腔5相連，所測介質(zhì)薄膜是型號為MC-91[BaO-(SmNdLa)2O3-Bi2O3-TiO2]的介質(zhì)陶瓷薄膜，其厚度Δd用α臺階儀測得，為810nm，按本發(fā)明所述步驟，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍及幅度標(biāo)尺至適當(dāng)值，捕捉諧振腔中心電場強(qiáng)度為最大值的諧振模式，分別測得插入未鍍覆介質(zhì)薄膜基片時(shí)的諧振頻率f1(2337.44MHz)和品質(zhì)因數(shù)Q1(389.10)與插入鍍覆著MC-91介質(zhì)薄膜的基片后的諧振頻率f2(2337.11MHz)和品質(zhì)因數(shù)Q2(388.95)，根據(jù)式(1)和(2)，計(jì)算得出厚度為810nm的MC-91薄膜的復(fù)相對介電常數(shù)實(shí)部εr′和損耗角正切tanδ分別為89.07和0.0035。
權(quán)利要求
1.介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，包括諧振腔、網(wǎng)絡(luò)分析儀和介質(zhì)基片，其特征在于所述諧振腔的兩端設(shè)有射頻耦合器，其中部設(shè)有通孔，所述介質(zhì)基片用來承載介質(zhì)薄膜，可插入所述通孔并兩端處在諧振腔外，所述網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入、輸出端分別與所述諧振腔的兩個(gè)耦合器相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，其特征在于所述諧振腔由內(nèi)部經(jīng)過拋光處理的標(biāo)準(zhǔn)矩形金屬波導(dǎo)或內(nèi)表面鍍有金、銀、銅等良導(dǎo)體薄膜的塑料矩形波導(dǎo)所構(gòu)成，諧振腔的通孔為細(xì)長狹縫形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，其特征在于所述諧振腔為內(nèi)部經(jīng)過拋光處理的圓柱形金屬波導(dǎo)或內(nèi)表面鍍有金、銀、銅等良導(dǎo)體薄膜的塑料圓柱形波導(dǎo)所構(gòu)成，諧振腔的中部軸心處所的通孔為圓形孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，其特征在于所述的耦合器是通孔耦合器、圓環(huán)形耦合器、探針耦合器的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，其特征在于所述的介質(zhì)基片為石英等低介電常數(shù)材料制成的片狀基片或細(xì)桿狀基片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，其特征在于所述介質(zhì)基片的側(cè)面鍍覆有介質(zhì)薄膜，所述介質(zhì)薄膜是單層膜、多層膜或復(fù)合膜中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，其特征在于所述介質(zhì)薄膜厚度為50納米-10之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，其特征在于所述介質(zhì)薄膜是蒸發(fā)、濺射、電泳、溶膠-凝膠法等工藝形成的薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種厚度在微米量級的介質(zhì)薄膜之微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置，它包括諧振腔、網(wǎng)絡(luò)分析儀和介質(zhì)基片，其特征在于所述諧振腔的兩端設(shè)有射頻耦合器，其中部設(shè)有通孔，所述介質(zhì)基片用來承載介質(zhì)薄膜，可插入所述通孔并兩端處在諧振腔外，所述網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入、輸出端分別與所述諧振腔的兩個(gè)耦合器相連接；由于本發(fā)明在諧振腔的中部開有通孔，故能將未鍍介質(zhì)薄膜的介質(zhì)基片和鍍完介質(zhì)薄膜的介質(zhì)基片分別插入所述諧振腔的通孔中，獲得兩組諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)值，進(jìn)而根據(jù)所獲得的兩組數(shù)據(jù)再結(jié)合諧振腔、介質(zhì)基片以及介質(zhì)薄膜的幾何尺寸，推算出介質(zhì)薄膜的復(fù)介電常數(shù)，包括復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和損耗角正切，因此本發(fā)明是全面、精確的介質(zhì)薄膜微波復(fù)介電常數(shù)的測量裝置之一。
文檔編號G01R27/26GK1834667SQ20061004965
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月1日
發(fā)明者王德苗, 金浩, 董樹榮, 謝銀芳 申請人:浙江大學(xué)