微波介电材料的电学表征方法与器件设计的研究

Microwave dielectric materials are widely used in microwave devices. The method of characterization research for electrical properties is an important research direction. The project to be adopted three typical microwave dielectric materials as the research object, the design of circular capacitors, coplanar waveguide and square pads will be characterized. To investigate different test structures and design different metal electrodes for each structure, the electrode structure and the electrode size, the analysis of structures and structural parameters on the electrical properties, and to analyze in the mechanism of the electrical response of high-frequency range of microwave dielectric material to obtain complex permittivity characterization methodology. Using De-embedding measurement method for electromagnetic simulation devices in unit length resistance, inductance, capacitance and conductance analysis of different structure and electrical properties of the structural parameters of the mechanism in high-frequency environment, combining with the experimental study structure, the optimization program for extracting the structural parameters will be predicted. To optimize capacitance-voltage and current-voltage, capacitance-frequency, loss factor-frequency, complex impedance-frequency of the test structure, research and exploration for microwave dielectric materials electrical characterization of the new method will be studied. To provide the experimental basis and theoretical reference for the microwave and other electrical properties of the dielectric material will be characterized.

微波介电材料在微波器件中获得了广泛应用，其电学性能表征方法研究是重要的研究方向。项目拟采用三种典型微波介电材料作为研究对象，设计圆形电容器、共面波导和方垫三种微波测试结构，对电学性能进行表征。研究不同测试结构，以及对每种结构设计不同金属电极、电极结构和电极尺寸，分析结构与结构参数对电学性能的影响规律，分析在微波介电材料高频范围内的电学响应机制，得出复介电常数的表征方法。通过电磁仿真模拟，用去嵌入测量法获取器件的单位长度电阻、电感、电容和电导，分析不同结构与结构参数的电学性能在高频环境下作用机理，并结合实验研究结构，提出测试结构与结构参数的优化方案。优化电容-电压，电流-电压，电容-频率，损耗因子-频率，复阻抗-频率的测试结构，研究探索出适用于微波介电材料电学性能表征的新方法，为微波及其他介电材料的电学性能表征提供实验依据和理论参考。

电子器件小型化、高频化、低功耗的发展趋势使得微波介电薄膜得到广泛应用。准确表征薄膜的介电特性是其被应用的前提，也为薄膜新工艺的研发、电子器件与电路的设计提供了重要技术支持。本项目展开了以下研究：（1）设计、制备了多种结构的圆形电容器，对其表征方法进行深入探究。重点研究了器件物理参数对电学参数提取的影响，结果表明：1）组合DM65-55提取SiO2薄膜介电常数值为3.85，其表征精度高达98.7%；2）频率高于100MH后，损耗角正切tanδ随着底部电极厚度的增加而减小、电阻率增加而增加；3)寄生电容值CP对介电常数εr的影响远高于寄生电感L。（2）设计、制备了多种结构的共面波导传输线，对其表征方法进行深入探究。以回波损耗S11和插入损耗S21作为研究指标，探究出传输损耗的产生机理。结果表明：1）高导电性顶部电极能有效改善测试器件传输特性，有效降低S11；2）加入缓冲层，可明显降低损耗，优化器件传输性能。S11随着中心导体宽度增加而增大，S21反而呈现减小趋势，综合分析，确立中心导体最优尺寸10 um；3）采用S21表征法，单线表征法，双线表征法提取了薄膜介电特性，平均误差仅分别为：1.435%、0.483%和0.448%。（3）应用多种去嵌入技术剥离出测试结果中寄生效应的影响，建立了器件等效物理电路模型，精确表征了微波介电薄膜的电学参数。与“理想”模型对比，结果表明: “混合”去嵌入法提取的S参数吻合程度最高（ΔS11≤4.400%，ΔS21≤5.184%），在有效剥离寄生效应的同时，能消除一部分测量误差，使分布参数随频率呈现出较好的线性。（4）研究了Pt/TiO2/SiO2/Si衬底介电薄膜的溶胶-凝胶制备工艺，探究了不同制造参数下薄膜材料的电气特性，总结了退火温度、纳米粒子、环境温度等工艺参数对介电薄膜生长质量、微观结构以及薄膜特性的影响规律。课题已出版专著1部、学术论文10篇（其中3篇SCI收录，3篇EI收录，中文核心4篇）、申请10项专利（其中3项发明专利已授权，7项发明专利已受理）。课题成果对发展微波介电薄膜表征技术、开发新材料具有重要的科学意义。