一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置及其測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置及其測(cè)量方法，包括裝置探頭主體短路微帶線微波PCB板，在所述探頭主體的背面完全由Cu覆蓋，所述裝置主體的正面印制電路工藝刻出一條微波傳輸線，所述傳輸線與背面的Cu通過側(cè)面電鍍Cu連接到一起，即與接地端短路。本發(fā)明中（一）磁性薄膜不需要與探頭接觸；（二）此測(cè)試方法對(duì)樣品的尺寸沒有限制；（三）其磁導(dǎo)率測(cè)試精度與傳統(tǒng)短路微帶線夾具的測(cè)試精度一致；（四）此測(cè)試方法可以在室溫到475K內(nèi)進(jìn)行0?10GHz頻段的磁譜測(cè)試；（五）整個(gè)測(cè)試過程與短路微帶線傳輸方法是一致的。本發(fā)明對(duì)于磁性器件在高溫下的高頻應(yīng)用，磁性薄膜的變溫磁導(dǎo)率測(cè)量的發(fā)展是非常重要的。
【專利說明】
一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明專利屬于矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種非接觸式的矢量網(wǎng)絡(luò)測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高共振頻率和高磁導(dǎo)率的磁性薄膜現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用在許多微型器件中，例如:磁傳感器、能量采集器、移相器、可調(diào)濾波器等。正常情況下，由于器件的熱效應(yīng)，微器件的工作溫度要比室溫高。因此，有必要對(duì)磁性薄膜的高溫磁特性進(jìn)行測(cè)試。眾所周知，對(duì)于磁性薄膜靜態(tài)磁特性隨溫度變化的測(cè)試，常用到的儀器有振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)和超導(dǎo)量子干涉儀。而對(duì)于高頻磁特性的研究，由于受到測(cè)量機(jī)制的限制，探測(cè)薄膜磁導(dǎo)率時(shí)需要把樣品放到微波裝置內(nèi)部或者樣品直接接觸微波測(cè)試板。比如目前使用的短路微帶線裝置，一端通過黃銅與地短路連接，另一端通過通過焊接技術(shù)連接到SMA同軸接頭的發(fā)射器上。通過這種方法測(cè)試時(shí)，需要把磁性薄膜推入到微波傳輸線夾具內(nèi)部。在2003年，Ledieu等人發(fā)表一篇文章，基于上述短路微帶線夾具測(cè)試鐵磁薄膜的微波磁譜，通過加熱整個(gè)裝置使得溫度能精確地控制在77-400K的范圍，頻率可以達(dá)到6GHz。然而，為了在更高溫度下探測(cè)磁性薄膜的磁特性，必須研究出一種非接觸式的測(cè)試方法。之后，在2011年，Hung等人發(fā)表了一篇關(guān)于測(cè)試溫度可以高達(dá)423K的新的測(cè)試方法的文章，他們通過使用特定的近場(chǎng)微波探頭來測(cè)量高頻磁特性，其頻率可以高達(dá)5 GHz。然而，這種測(cè)試方法為了得到足夠的信號(hào)，樣品雖然不需要與近場(chǎng)探頭頂端接觸，樣品表面與近場(chǎng)探頭的距離必須非常小，通常情況下此距離小于20 Mi。這就必然導(dǎo)致這種測(cè)量方法的測(cè)試溫度不能進(jìn)一步提高，只能達(dá)到423 K。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)而提供了一種全新的非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率裝置，本發(fā)明裝置操作方便、精度高、效率高。
[0004]本發(fā)明的另一目的為提供上述非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率裝置的測(cè)量方法。
[0005]為解決本發(fā)明的技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置，包括裝置探頭主體短路微帶線微波PCB板，其中裝置主體短路微帶線微波PCB板是Rogers公司生產(chǎn)的R04003C型號(hào)微波PCB板，所述裝置主體短路微帶線微波PCB板與插入式的SMA接頭連接，所述SMA接頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，所述裝置主體的背面完全覆蓋Cu，其厚度為35μπι，所述探頭主體的正面應(yīng)用印制電路工藝刻出一條微波傳輸線，其寬度為1.9mm，厚度為35μπι，所述微波傳輸線與裝置主體的背面完全覆蓋的Cu通過側(cè)面電鍍Cu連接到一起，即與接地端短路。
[0006]所述裝置探頭主體短路微帶線微波PCB板的特征阻抗與50Ω相匹配。
[0007]—種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置的測(cè)量方法，在非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置的微波傳輸線的正下方放置薄膜樣品，薄膜樣品放置在加熱平臺(tái)上，然后通過一個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái)調(diào)整加熱平臺(tái)的加熱平面的位置和高度，使薄膜樣品的邊緣剛好位于微波傳輸線的末端，加熱裝置的傳感器放置在薄膜樣品表面以便精確地檢測(cè)溫度變化，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可得到不同溫度下的薄膜磁導(dǎo)率。
[0008]為了得到高精度的測(cè)試結(jié)果使薄膜和微帶線之間間隙小于0.5_。
[0009]為了保證溫度的誤差范圍不大于0.5K，整個(gè)非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置放置在減振臺(tái)上，以減少環(huán)境振動(dòng)的影響。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:(一)磁性薄膜樣品不需要與探頭接觸；(二)此裝置測(cè)試方法對(duì)樣品的尺寸沒有限制；(三)其磁導(dǎo)率測(cè)試精度與傳統(tǒng)短路微帶線夾具的測(cè)試精度是一樣的；(四)此裝置的測(cè)試方法可以在室溫到475K內(nèi)進(jìn)行O-1OGHz的磁譜測(cè)試；(五)整個(gè)測(cè)試過程與短路微帶線傳輸方法是一致的。本發(fā)明專利中，我們研發(fā)了一種非接觸式測(cè)試磁性薄膜高頻磁導(dǎo)率的裝置及其測(cè)試方法，本方法中我們用到了自己設(shè)計(jì)的單端短路微帶線探頭，此方法的測(cè)試原理跟短路微帶線傳輸理論是一致的。應(yīng)用我們?cè)O(shè)計(jì)的探頭，測(cè)試頻率最高可以加到7GHz測(cè)試溫度可以從室溫加到475 K。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明測(cè)試薄膜的示意圖；
圖3為本發(fā)明測(cè)試樣品CoZr薄膜的室溫磁導(dǎo)率譜線分別用微帶線裝置和微帶線探頭測(cè)試譜線圖；
圖4為本發(fā)明測(cè)試樣品通過VSM研究薄膜的靜態(tài)磁性與溫度的關(guān)系圖；
圖5為本發(fā)明測(cè)試樣品CoZr變化關(guān)系薄膜的實(shí)部與虛部隨溫度的變化關(guān)系圖；
圖中:I裝置主體微波PCB板，2裝置主體背面的Cu覆蓋層，3微波傳輸線，4電鍍Cu，5插入式SMA接頭，6同軸電纜，7矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，8薄膜樣品，9薄膜樣品的右側(cè)邊緣，10加熱裝置。
[0012]具體實(shí)施方法
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0013]—種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置，包括裝置主體是加工過的Rogers公司生產(chǎn)的R04003C型號(hào)微波PCB板，裝置主體微波PCB板與插入式的SMA接頭連接，所述SMA接頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，在所述裝置主體的背面完全由Cu覆蓋，所述裝置主體的正面應(yīng)用印制電路工藝刻蝕出一條微波傳輸線，所述傳輸線與背面的Cu通過側(cè)面電鍍Cu連接到一起，即與接地端短路。微帶線裝置的特征阻抗與50 Ω相匹配。
[0014]如圖1所示，一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置，裝置主體是Rogers公司生產(chǎn)的R04003C型號(hào)微波PCB板I，其尺寸為寬度10mm，長(zhǎng)度18mm，厚度0.813mm。在所述裝置主體的背面完全由Cu覆蓋2，其尺寸為寬度1mm，長(zhǎng)度18_，厚度35μπι。在所述裝置主體的正面應(yīng)用印制電路工藝刻蝕出一條微波傳輸線3其尺寸為寬度1.9mm，長(zhǎng)度18mm，厚度35μπι。在所述傳輸線與背面的Cu通過側(cè)面電鍍Cu4連接到一起，即與接地端短路，其尺寸為寬度10mm，長(zhǎng)度0.813mm，厚度35ymmm。將非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置I與插入式的SMA接頭5連接到一起，SMA接頭5與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀7通過同軸電纜6連接到一起。如圖2所示，上述非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置的測(cè)量方法，將薄膜樣品8放置在微波傳輸線3的正下方，并且保證薄膜樣品8的右側(cè)邊緣9剛好位于微波傳輸線3的末端4，為了得到高精度的測(cè)試結(jié)果必須保證薄膜樣品8的表面和微帶線3之間的間隙小于0.5 mm。薄膜放置8在加熱裝置10的平臺(tái)上面。然后通過一個(gè)三維平臺(tái)控制器調(diào)整加熱平臺(tái)的加熱平面的位置和高度，從而調(diào)整薄膜樣品8的位置和高度。加熱裝置10的傳感器放置在薄膜樣品8表面以便精確地檢測(cè)溫度變化，從而保證溫度的誤差范圍不大于0.5 K。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)放置在減振臺(tái)上，以減少環(huán)境振動(dòng)的影響，可以保證測(cè)試過程中薄膜樣品8與探頭微波傳輸線3的距離保持不變。接下來就可以開始測(cè)試了。
[0015]根據(jù)傳輸線中的電磁波傳輸理論，可以得到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Sn參數(shù)與等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的關(guān)系，扣除介電常數(shù)信號(hào)后可得到磁導(dǎo)率的數(shù)值，即磁導(dǎo)率通過計(jì)算不同步驟下的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Sn參數(shù)而得到。首先，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀空載時(shí)測(cè)得整個(gè)系統(tǒng)的Sn，即只有探頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接。第二步，放置上樣品得到一個(gè)Sn。有效磁導(dǎo)率和介電常數(shù)都被改變了。第三步，為了剝離襯底介電常數(shù)的影響，在垂直于微帶線的方向施加一個(gè)大于薄膜飽和場(chǎng)的磁場(chǎng)。這時(shí)，磁性薄膜沒有高頻響應(yīng)。第四步，測(cè)量是加磁場(chǎng)后的空載微波探頭的Sn，磁場(chǎng)施加的方式與第三步完全一致。磁導(dǎo)率可以通過這四個(gè)Sn推導(dǎo)出來。
[0016]CoZr薄膜由于具有好的面內(nèi)單軸磁各向異性所以在本專利中被用來測(cè)試新的微帶線探頭，其中CoZr薄膜通過斜濺射的方法濺射到晶向?yàn)?00的Si襯底上。通過VSM測(cè)試薄膜的飽和磁化強(qiáng)度為1.40T。薄膜的厚度大約為50 nm左右。CoZr薄膜的室溫磁導(dǎo)率譜線分別用微帶線裝置和微帶線探頭測(cè)試，譜線圖如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)測(cè)試譜線都與LLG方程擬合的非常好。應(yīng)用LLG方程通過擬合，可以得到低頻下磁導(dǎo)率的實(shí)部是207，共振頻率是2.92 GHz。通過VSM研究薄膜的靜態(tài)磁性與溫度的關(guān)系如圖4所示。4a和4b分別為斜濺射的CoZr薄膜在易軸和難軸方向的隨溫度變化(25-200°C)磁滯回線。可以看出當(dāng)溫度達(dá)至|J200°C時(shí)，CoZr薄膜仍具有很好的面內(nèi)單軸各向異性。當(dāng)樣品溫度從25 V增加到200 V時(shí)，各向異性場(chǎng)從77 Oe降低到了58 OeXoZr薄膜在不同溫度下的靜態(tài)各向異性場(chǎng)可以通過計(jì)算約化磁化強(qiáng)度的易軸和難軸的即可得到，如4c所示。當(dāng)溫度從25°C變到200°C時(shí)，飽和磁化強(qiáng)度也從私ο逐漸降低。
[0017]圖5a和b分別顯示了CoZr變化關(guān)系薄膜的實(shí)部與虛部隨溫度的變化關(guān)系圖。實(shí)部的線性特性是非常典型的色散型譜線圖，虛部是洛倫茲線性譜圖。隨著溫度的升高磁導(dǎo)率虛部的峰位逐漸向低頻移動(dòng)，也就是說薄膜的共振頻率逐漸降低。在共振頻率以下，磁導(dǎo)率的實(shí)部的值隨著溫度的增加而增加。
[0018]總之，本專利中設(shè)計(jì)的微帶線探頭測(cè)試薄膜變溫磁導(dǎo)率譜是非常成功的。為了確定其有效性，一個(gè)厚度為50nm的斜濺射CoZr薄膜的性質(zhì)用此探頭進(jìn)行了測(cè)試。室溫下的結(jié)果顯示了磁導(dǎo)率和鐵磁共振頻率的值與應(yīng)用傳輸線微擾理論的短路微帶線裝置測(cè)得的值吻合的非常好。CoZr薄膜的動(dòng)態(tài)特性與溫度的依賴關(guān)系應(yīng)用理論方程通過擬合磁導(dǎo)率譜得到的值與測(cè)量得到的靜態(tài)參數(shù)值是一致的。本發(fā)明專利中提到的探頭和測(cè)試方法是非常有用的對(duì)于探測(cè)薄膜器件高頻應(yīng)用的熱穩(wěn)定性。另外如果探頭的PCB版換成更高溫度的S12襯底以及微帶線換成更高溫度的材料，測(cè)試溫度還可以再提高。
[0019]在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯然仍可以做出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置，其特征在于:包括裝置探頭主體短路微帶線微波PCB板，所述裝置主體短路微帶線微波PCB板與插入式的SMA接頭連接，所述SMA接頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，所述裝置主體的背面完全覆蓋Cu，其厚度為35μπι，所述探頭主體的正面應(yīng)用印制電路工藝刻出一條微波傳輸線，其寬度為1.9mm，厚度為35μπι，所述微波傳輸線與裝置主體的背面完全覆蓋的Cu通過側(cè)面電鍍Cu連接到一起，即與接地端短路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置，其特征在于:所述裝置探頭主體短路微帶線微波PCB板的特征阻抗與50 Ω相匹配。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置的測(cè)量方法，其特征在于:在非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置的微波傳輸線的正下方放置薄膜樣品，薄膜樣品放置在加熱平臺(tái)上，然后通過一個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái)調(diào)整加熱平臺(tái)的加熱平面的位置和高度，使薄膜樣品的邊緣剛好位于微波傳輸線的末端，加熱裝置的傳感器放置在薄膜樣品表面以便精確地檢測(cè)溫度變化，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可得到不同溫度下的薄膜磁導(dǎo)率。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置的測(cè)量方法，其特征在于:使薄膜和微帶線之間間隙小于0.5 _。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置的測(cè)量方法，其特征在于:所述的非接觸式矢量網(wǎng)絡(luò)高溫測(cè)試薄膜磁導(dǎo)率的裝置放置在減振臺(tái)上，以減少環(huán)境振動(dòng)的影響。
【文檔編號(hào)】G01R33/12GK105929346SQ201610537853
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】李喜玲, 柴國(guó)志, 李成毅
【申請(qǐng)人】蘭州大學(xué)