功能薄膜材料微波参数测试理论与技术研究

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电路和元器件正朝着薄膜化和集成化的方向发展,铁磁薄膜材料和铁电薄膜材料作为新型电子功能薄膜材料,正因顺应这一发展趋势而得以广泛地研制和应用,并在隐身、磁记录系统、自旋阀、传感器、相位连续可变的精密移相器、可调频率的振荡器和可调中心频率的滤波器等领域有广泛的应用前景。不同的应用领域要求功能薄膜具有不同的材料特性,而微波复介电常数和复磁导率是基本的重要参数,直接决定材料的应用范围。目前功能薄膜材料的应用己进入微波频段,因此,在微波频段准确地测试功能薄膜材料微波电磁参数对新型薄膜材料的研制和微电子器件和电路的设计是至关重要的。   本文针对功能薄膜材料微波电磁参数的测试方法与测试技术进行研究,取得了一些有益的结论和成果,主要研究工作如下:   1.铁磁薄膜材料复磁导率终端短路测试方法研究:终端反射法采用短路终端微带线作为测试夹具,通过对输入端反射系数进行测试,从而得到被测薄膜的复磁导率。本文利用空气微带制作了终端短路测试夹具,对单端口测试网络进行了分析,研究了单端口网络去嵌入方法,对置入被测样品后的多层微带结构进行了分析,并在100MHz-10GHz频段内对铁磁薄膜复磁导率进行了测试。其中本文首次提出了通过多层微带分析直接确定薄膜复磁导率与被测网络结构尺寸及输入端反射系数的关系,使测试结果不依赖于材料静磁特性测试,也不需要另外制作标准样品进行校准,大大简化了测试过程,降低了测试成本。   2.铁磁薄膜材料复磁导率传输测试方法研究:传输法采用二端口微带线做为测试夹具,通过对二端口S参数进行测试,从而得到被测薄膜的复磁导率。本文利用空气微带制作了传输法测试夹具,对二端口测试网络进行了分析,研究了二端口网络去嵌入方法,对置入被测样品后的多层微带结构进行了分析,并在100MHz-10GHz频段内对铁磁薄膜复磁导率进行了测试。其中本文首次通过空气微带构建了传输法测试夹具,不仅便于将被测样品置入测试夹具,而且降低了微带线衬底材料对结果的影响,提高了测试准确度。   3.铁磁薄膜材料电导率测试方法研究:由于铁磁薄膜为金属薄膜,对其电导率的测试往往需要专用的仪器完成,且测试过程较为复杂。本文首次提出将支持向量机用于电导率测量,通过对单端口反射系数的仿真和测试,建立材料电导率与网络反射系数的关系,从而直接从测得的网络反射系数中提取薄膜的电导率。该方法可采用复磁导率测试所需的仪器和夹具完成,不需要借助专用的阻抗测试仪器,因此测试更加简便、高效。   4.铁电薄膜材料复介电常数测试方法与技术的研究:由于铁电薄膜通常为中低损耗薄膜,且厚度很薄,为兼顾测试灵敏度与准确度,本文提出将共面波导电路制作于陶瓷基片上,加载被测薄膜后,构成多层共面波导谐振器,通过对多层共面波导结构进行分析,推导出薄膜复介电常数与共面波导谐振器尺寸、谐振频率和品质因数的关系,再由测试所得数据提取出被测共面波导复介电常数。由于本文测试方法中,共面波导电路制作于陶瓷基片上而并非被测薄膜上,因此同一基片可对多个薄膜样品进行测试,大大降低了测试成本。   5.误差分析:误差在测试过程中是必然存在的,本文分别对终端短路法、传输法和共面波导谐振法进行了误差分析,重点考虑了尺寸读测误差对测试结果的影响。
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