專利名稱：一種檢測鐵電薄膜微波介電特性的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波工程領域，具體涉及一種檢測鐵電薄膜微波介電特性的方法和裝置。
背景技術：
從二十世紀六十年代以來，鐵電材料已被研究應用于微波器件，包括電調制變容器、電調諧振器、移相器、濾波器、功分器及振蕩器等，這些器件在通信及雷達系統(tǒng)中有著廣泛的應用。和鐵磁調制器件及PIN二極管調制器件相比，鐵電調制器件具有調制速度快，體積小及重量輕等優(yōu)點。此外它們利用外加電場改變其介電常數，所以功率損耗也很低。
到目前為止，在微波應用領域研究的最為廣泛的鐵電材料是鈦酸鍶鋇薄膜(BaxSr1-xTiO3)，分子式中x/(1-x)是鋇與鍶的比例，其中x值可從0變到1，相應的鈦酸鍶鋇薄膜的居里溫度點可以從純鈦酸鍶薄膜的居里溫度點(小于0K)到鈦酸鋇薄膜的居里溫度點(400K)。通過調整鋇鍶組份的方法可以選擇鈦酸鍶鋇薄膜的工作溫區(qū)。x取0.5時，鈦酸鍶鋇薄膜常被用來制作在室溫下工作的器件。
目前，通常采用兩種結構來測量鈦酸鍶鋇薄膜在低頻下的介電特性，即共面電容結構和平行板電容結構，鈦酸鍶鋇薄膜的介電特性可以從測得的電容值及損耗值來求出，這通常采用保角變換的方法來實現。在微波頻段下，常用微帶諧振器或共面?zhèn)鬏斁€的結構來測量鈦酸鍶鋇薄膜的介電特性。前者通過諧振頻率和品質因子來分別計算鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數和介電損耗值；后者通過測量延遲及衰減來分別求出其介電常數和介電損耗值。前一種方法的缺點是需要設計偏置電路，來隔斷直流與微波間的干擾。在裝配器件時，存在共面電容與諧振器之間耦合電容的對準問題，使得制作過程變得復雜。另外此方法借助共面電容來改變諧振器之間的耦合，本質上是基于電容法，因此在檢測頻率高到一定程度時，精確度降低。后一種方法中，由于采用了共面波導電路，外加偏壓可以通過共面電路的端口加在中心導體和兩側的接地面之間，因此偏置電路可以省略。但是通過延遲及衰減來計算介電常數和介電損耗在分辨精度上存在不足。

發(fā)明內容
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單、制作及裝配容易、方便實用的檢測鐵電薄膜微波介電特性的方法和裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為一種檢測鐵電薄膜微波介電特性的方法，該方法包括以下步驟(一)在基片表面沉積待測鐵電薄膜；(二)用磁控濺射的方法在待測鐵電薄膜上鍍金屬薄膜，該金屬薄膜形成共面波導線和1/4波長共面開路線，該1/4波長共面開路線包括傳輸線和傳輸線兩側被縫隙隔開的接地面，傳輸線末端為開路端，該傳輸線與所述共面波導線上的主傳輸線相連接；(三)在待測鐵電薄膜上加電壓，改變待測薄膜的介電常數和介電損耗，并利用網絡分析儀對待測薄膜的介電常數、介電損耗取等差數列的形式進行仿真；(四)從仿真得到的諧振曲線上得出不同的介電常數對應不同的諧振頻率值，介電常數與諧振頻率值之間遵從線性關系，把測量得到的諧振頻率值代入所求得的介電常數與諧振頻率的關系曲線中，即可得到待測的鐵電薄膜的介電常數值；從仿真得到的諧振曲線上得出不同的介電損耗對應不同諧振曲線的Q值，介電損耗與諧振曲線的Q值之間遵從一定的函數關系，把測量得到的諧振曲線的Q值代入通過仿真得到的介電損耗與諧振曲線的Q值之間的關系曲線中，即可得到待測鐵電薄膜的介電損耗值。
進一步，所述1/4波長共面開路線由常規(guī)金屬或超導薄膜構成。
進一步，所述1/4波長共面開路線為直線或折線或多次打折線或曲線。
進一步，所述1/4波長共面開路線上的縫寬不大于20微米。
一種實現上述方法的裝置，該裝置包括基片，基片上覆蓋有待測鐵電薄膜，待測鐵電薄膜上設有共面波導線，該共面波導線包括主傳輸線和主傳輸線兩側被縫隙隔開的接地面，所述待測鐵電薄膜上還設有1/4波長共面開路線，該1/4波長共面開路線包括傳輸線和傳輸線兩側被縫隙隔開的接地面，傳輸線末端是開路的，該傳輸線與所述共面波導線上的主傳輸線相連接。
進一步，所述1/4波長共面開路線由常規(guī)金屬薄膜構成。
進一步，所述1/4波長共面開路線由超導薄膜構成。
進一步，所述1/4波長共面開路線上的縫寬不大于20微米。
進一步，所述1/4波長共面開路線為直線或折線或多次打折線或曲線。
進一步，所述共面波導線上的縫隙寬度比1/4波長共面開路線上的縫隙寬度大至少10倍。
與現有技術相比，由于本發(fā)明的共面波導線上連接有1/4波長共面開路線，1/4波長共面開路線的末端為開路端，經過1/4波長變換后，連接到共面波導線處是短路狀態(tài)，具有待測頻率的信號不能傳輸到共面波導線的輸出端，這樣在器件的傳輸特性曲線上就會形成一個槽，從槽的中心位置及形狀可以得出其諧振頻率和Q值，進一步，利用計算機仿真技術得到待測鐵電薄膜的介電特性。在本發(fā)明的技術方案中，利用平面工藝可以一次形成檢測鐵電薄膜時所需要的圖形，因此，與現有技術相比，本發(fā)明提供的技術方案結構原理簡單、器件制作及裝配容易、方便實用。此外，本發(fā)明技術方案是基于分布電路，因此不受測試頻率的限制，為了測量高頻下的介電特性，僅僅把1/4波長共面開路線縮短即可。而且，在本發(fā)明提供的技術方案中，1/4波長開路線處的縫隙寬度比較小，所以僅僅利用網絡分析儀自身提供的直流電壓即可滿足鐵電薄膜表征對外加電場的要求，這可以減小檢測裝置的尺寸，有利于器件的小型化。


圖1為共面波導線的截面圖；圖2a是本發(fā)明檢測鐵電薄膜微波介電特性的一種幾何結構示意圖；圖2b是本發(fā)明檢測鐵電薄膜微波介電特性的另一種幾何結構示意圖；圖2c是本發(fā)明檢測鐵電薄膜微波介電特性的又一種幾何結構示意圖；圖2d是本發(fā)明檢測鐵電薄膜微波介電特性的再一種幾何結構示意圖；圖3是鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數取不同值時，經計算機仿真得到的諧振曲線；圖4是鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數取不同值時，利用計算機仿真得到的諧振頻率與鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數之間的關系曲線；圖5是鈦酸鍶鋇薄膜的介電損耗取不同值時，經計算機仿真得到的諧振曲線；圖6是鈦酸鍶鋇薄膜的介電損耗取不同值時，利用計算機仿真得到的諧振曲線的Q值與鈦酸鍶鋇薄膜的介電損耗之間的關系曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步描述。
實施例1利用一塊方形的表面沉積有鈦酸鍶鋇薄膜1的氧化鎂基片2，用磁控濺射的方法鍍超過2.5μm厚的金薄膜，該金薄膜形成共面波導線3和共面開路線4，其形狀如圖2a所示，該共面波導線3包括一條主傳輸線31和兩個分別位于主傳輸線兩側的接地面32，該共面波導線3的截面圖如圖1所示，兩個接地面32和主傳輸線31之間分別有一條等寬度的縫33，該1/4波長共面開路線4為直線，該共面開路線4包括傳輸線41和傳輸線兩側分別被兩個縫隙42隔開的接地面43，傳輸線41末端為開路端；共面波導線3上的主傳輸線31與傳輸線41相連接，并且接地面32、主傳輸線31、傳輸線41、接地面43共同附著在鈦酸鍶鋇薄膜1的同一平面上；鈦酸鍶鋇薄膜1的厚度為0.3μm，1/4波長共面開路線4的縫隙42的寬度為20μm，其傳輸線部分總長為3460μm，寬為80μm，開路端處的長為260μm，共面波導線3上的縫33寬度為200μm。當外加電壓通過器件端口加到鈦酸鍶鋇薄膜1上時，1/4波長共面開路線上縫隙42處的電場強度比共面波導線上縫33處的電場強度高10倍，這樣利用網絡分析儀(如Agilent8510C)自身提供的40V直流電壓就足以改變鈦酸鍶薄膜的介電常數和介電損耗。為了產生更強的電場，1/4波長共面開路線上縫隙42寬度可以進一步減小，可為5μm，2μm和1μm等。
使用上述裝置、利用計算機仿真技術比較仿真與測試制作器件的傳輸特性曲線，推斷出待測鈦酸鍶鋇薄膜在外加電場下的介電特性值，其具體實施過程如下在利用諧振法測量介質的介電常數及介電損耗時，通常認為其諧振頻率僅僅與介質的介電常數有關，諧振曲線的Q值僅僅由介質的介電損耗決定。所以在進行計算機仿真求解鐵電薄膜的介電常數時，可以設定鐵電薄膜的介電損耗為一個合適的值，僅僅改變鐵電薄膜的介電常數，通常鐵電薄膜的介電常數取等差數列的形式進行仿真，從仿真得到的諧振曲線上可以得出不同的介電常數對應不同的諧振頻率值，它們之間遵從簡單的線性關系。把測量得到的諧振頻率值代入所求得的介電常數與諧振頻率的關系曲線中，即可得到待檢測的鐵電薄膜的介電常數值。圖3是鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數取不同值時，經計算機仿真得到的諧振曲線，從諧振曲線上可以得出諧振頻率與設定的鈦酸鍶鋇薄膜介電常數的對應關系，如圖4所示，二者之間遵從下述擬和公式εBST＝1713.9-151.3×f0，把測試得到的諧振頻率代入上式，即可得出鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數值。
在求解鐵電薄膜的介電損耗時，其過程與求介電常數的過程一樣，即選取鐵電薄膜的介電常數為一合適的值，在仿真過程中，僅僅改變其介電損耗值，通常鐵電薄膜的介電損耗取等差數列的形式進行仿真，從仿真得到的諧振曲線上可以得出不同的介電損耗對應不同諧振曲線的Q值，它們之間遵從一定的函數關系。把測量得到的諧振曲線的Q值代入通過仿真得到的介電損耗與諧振曲線的Q值之間的關系曲線中，即可得到待檢測的鐵電薄膜的介電損耗值。圖5是鈦酸鍶鋇薄膜的介電損耗取不同值時，經計算機仿真得到的諧振曲線。從諧振曲線上可以得出諧振曲線的Q值與設定的鈦酸鍶鋇薄膜介電損耗的對應關系，如圖6所示，其Q值和鈦酸鍶鋇薄膜介電損耗的擬和公式為tanδBST＝0.5946-0.0592×Q+0.0014×Q2，把測試得到的Q值代入上述擬和公式，即可得出鈦酸鍶鋇薄膜介電損耗值。
實施例2利用一塊方形的表面沉積有鈦酸鋇薄膜的鋁酸鑭(LaAlO3)基片，用磁控濺射的方法鍍超過2.5μm厚的金薄膜，金薄膜形成共面波導線5和1/4波長共面開路線6，其形狀如圖2b所示，共面波導線5上的主傳輸線51和1/4波長共面開路線6上的傳輸線61相連接，傳輸線61末端為開路端，該1/4波長共面開路線6為折線，其上的縫隙62寬度不大于10μm，共面波導線5上的主傳輸線51兩邊的縫隙寬度52為200μm。鈦酸鋇薄膜的厚度為0.3μm，當外加電壓通過器件端口加到鈦酸鋇薄膜上時，1/4波長共面開路線上縫隙62處的電場強度比共面波導線上縫隙52處的電場強度高20倍，這樣利用網絡分析儀(如Agilent8510C)自身提供的40V直流電壓就足以改變鈦酸鋇薄膜的介電常數和介電損耗。
利用計算機仿真技術比較仿真與測試制作器件的傳輸特性，推斷出待測鈦酸鋇薄膜在外加電場下的介電特性值，其原理、方法與實施例1相同。
實施例3利用一塊方形的表面沉積有鈦酸鍶鋇薄膜的氧化鋁基片，用磁控濺射的方法鍍超過2.5μm厚的銅薄膜，該銅薄膜形成共面波導線7和1/4波長共面開路線8，該1/4波長共面開路線8為多次打折線，其形狀如圖2c所示，共面波導線7上的主傳輸線71與1/4波長共面開路線8上的傳輸線81相連接，傳輸線81末端為開路端，鈦酸鍶鋇薄膜的厚度為0.3μm，1/4波長共面開路線8上的縫隙82的寬度不大于5μm，共面波導線7的主傳輸線71兩邊的縫隙72寬度為200μm。當外加電壓通過器件端口加到鈦酸鍶鋇薄膜上時，1/4波長共面開路線上縫隙82處的電場強度比共面波導線上縫隙72處的電場強度高40倍，這樣利用網絡分析儀(如Agilent8510C)自身提供的40V直流電壓就足以改變鈦酸鍶鋇薄膜的介電常數和介電損耗，采用與實施例1相同的方法即可推斷出其介電特性。
實施例4利用一塊方形的表面沉積有鈦酸鍶薄膜的鋁酸鑭(LaAlO3)基片，用磁控濺射的方法鍍超過2.5μm厚的鉑薄膜，該鉑薄膜形成共面波導線9和1/4波長共面開路線10，其中1/4波長共面開路線10為曲線，其形狀如圖2d所示，共面波導線9上的主傳輸線91與1/4波長共面開路線10上的傳輸線101相連接，傳輸線101末端為開路端，鈦酸鍶薄膜的厚度為0.3μm，1/4波長共面開路線10上的縫隙102寬度不大于2μm，共面波導線9上主傳輸線91兩邊的縫隙92寬度為200μm。當外加電壓通過器件端口加到鈦酸鍶薄膜上時，1/4波長共面開路線上縫隙102處的電場強度比共面波導線上縫隙92處的電場強度高100倍，這樣利用網絡分析儀(如Agilent8510C)自身提供的40V直流電壓就足以改變鈦酸鍶薄膜的介電常數和介電損耗。
利用計算機仿真技術比較仿真與測試制作器件的傳輸特性，推斷出待測鈦酸鍶薄膜在外加電場下的介電特性值，其原理、方法與實施例1相同。
上述實施例中的設計工作是利用微波仿真軟件(如sonnet)在計算機上進行的，上述實施例中共面波導線及共面開路線均按常用工藝制作，如光刻、干法刻蝕、切割、組裝等工藝步驟制作，并且上述基片還可選擇其它已知介電特性的常用襯底材料。
權利要求
1.一種檢測鐵電薄膜微波介電特性的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(一)在基片表面沉積待測鐵電薄膜；(二)用磁控濺射的方法在待測鐵電薄膜上鍍金屬薄膜，該金屬薄膜形成共面波導線和1/4波長共面開路線，該1/4波長共面開路線包括傳輸線和傳輸線兩側被縫隙隔開的接地面，傳輸線末端為開路端，該傳輸線與所述共面波導線上的主傳輸線相連接；(三)在待測鐵電薄膜上加電壓，改變待測薄膜的介電常數和介電損耗，并利用網絡分析儀對待測薄膜的介電常數、介電損耗取等差數列的形式進行仿真；(四)從仿真得到的諧振曲線上得出不同的介電常數對應不同的諧振頻率值，介電常數與諧振頻率值之間遵從線性關系，把測量得到的諧振頻率值代入所求得的介電常數與諧振頻率的關系曲線中，即可得到待測的鐵電薄膜的介電常數值；從仿真得到的諧振曲線上得出不同的介電損耗對應不同諧振曲線的Q值，介電損耗與諧振曲線的Q值之間遵從一定的函數關系，把測量得到的諧振曲線的Q值代入通過仿真得到的介電損耗與諧振曲線的Q值之間的關系曲線中，即可得到待測鐵電薄膜的介電損耗值。
2.如權利要求1所述的一種檢測鐵電薄膜微波介電特性的方法，其特征在于所述1/4波長共面開路線由常規(guī)金屬或超導薄膜構成。
3.如權利要求1所述的一種檢測鐵電薄膜微波介電特性的方法，其特征在于所述1/4波長共面開路線為直線或折線或多次打折線或曲線。
4.如權利要求1所述的一種檢測鐵電薄膜微波介電特性的方法，其特征在于所述1/4波長共面開路線上的縫寬不大于20微米。
5.一種實現上述方法的裝置，該裝置包括基片，基片上覆蓋有待測鐵電薄膜，待測鐵電薄膜上設有共面波導線，該共面波導線包括主傳輸線和主傳輸線兩側被縫隙隔開的接地面，其特征在于所述待測鐵電薄膜上還設有1/4波長共面開路線，該1/4波長共面開路線包括傳輸線和傳輸線兩側被縫隙隔開的接地面，傳輸線末端為開路端，該傳輸線與所述共面波導線上的主傳輸線相連接。
6.如權利要求1所述的一種實現上述方法的裝置，其特征在于所述1/4波長共面開路線由常規(guī)金屬構成。
7.如權利要求1所述的一種實現上述方法的裝置，其特征在于所述1/4波長共面開路線由超導薄膜構成。
8.如權利要求1所述的一種實現上述方法的裝置，其特征在于所述1/4波長共面開路線上的縫寬不大于20微米。
9.如權利要求1所述的一種實現上述方法的裝置，其特征在于所述1/4波長共面開路線為直線或折線或多次打折線或曲線。
10.如權利要求1所述的一種實現上述方法的裝置，其特征在于所述共面波導線上的縫隙寬度比1/4波長共面開路線上的縫隙寬度大至少10倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測鐵電薄膜微波介電特性的方法和裝置，該裝置包括基片，基片上覆蓋有待測鐵電薄膜，待測鐵電薄膜上設有共面波導線，該共面波導線包括主傳輸線和主傳輸線兩側被縫隙隔開的接地面，所述待測鐵電薄膜上還設有1/4波長共面開路線，該1/4波長共面開路線包括傳輸線和傳輸線兩側被縫隙隔開的接地面，傳輸線末端為開路端，該傳輸線與所述共面波導線上的主傳輸線相連接。由于本發(fā)明的共面波導線上連接有1/4波長共面開路線，利用1/4波長共面開路線所形成的諧振峰可方便地得到待測薄膜的介電特性，并且利用平面工藝可以一次形成檢測鐵電薄膜時所需要的圖形。因此，與現有技術相比，本發(fā)明的技術方案結構原理簡單、器件制作及裝配容易、方便實用。
文檔編號G01R31/12GK1749767SQ200510108300
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月11日 優(yōu)先權日2005年10月11日
發(fā)明者孟慶端, 張雪強, 李翡, 孫亮, 黃建冬, 張強, 李春光, 黎紅, 何豫生, 何艾生 申請人:中國科學院物理研究所