高通量筛选软磁材料磁导率的装置及方法

1.本发明涉及一种磁导率测试装置，特别涉及一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置及方法，属于测试设备技术领域。


背景技术：

2.磁性薄膜材料由于其尺寸小、频率响应高等特点，而被广泛应用在信息存储、电磁兼容、磁传感器和微波通讯等领域。磁导率是磁性薄膜材料重要的技术指标之一，对于设计和研制高性能的磁性器件非常关键。基于磁导率的有效检测，会直接关系到产品性能、成本、使用寿命、甚至产品安全。因此，准确可靠地测量磁导率具有重要意义。
3.目前，测量磁性薄膜材料磁导率的方法大致可以分为三类：谐振腔法、感应线圈法和传输/反射法。谐振腔法是将样品置于密闭谐振腔体中的电场最小和磁场最大处，根据放入前后其谐振频率f和品质因数q值的变化来确定磁导率。谐振腔是由传输线闭合而构成。感应线圈法的测试装置由一个驱动线圈和一个感应线圈组成，基于法拉第电磁感应定律，磁性样品的插入会引起磁通量的变化导致感应电压发生变化，感应电压大小与材料性能密切相关，从而可推算出材料的磁导率。传输/反射法是一种单端口反射或双端口传输线法，将样品及其传感器视为单口或双口网络，通过提取样品插入前后，反射系数或散射参数的变化，反推出样品的磁导率。
4.上述三种方法，都是将样品插入测量夹具的内部，视为传输线的一部分来测量磁导率，这就严重限制了样品的形状和大小，且不适用于梯度薄膜的测量。由于谐振腔法具有高精度、高灵敏度和低成本的优势，通常是优选的。但是，谐振腔法只能用于点频测量，要测量多频点则必须制作多个不同的腔体，且操作和分析都比较复杂，不能用于高通量。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置及方法，以克服现有技术中的不足。
6.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
7.本发明实施例提供了一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置，包括：
8.测试探头，所述测试探头包括谐振电路，所述谐振电路具有指定的谐振频率和反射参数，而当待测样品靠近所述测试探头且所述待测样品与测试探头之间具有指定距离时，所述谐振电路的谐振频率和反射参数能够被待测样品影响而发生变化；
9.矢量网络分析仪，其与所述测试探头电连接，并用于测量所述谐振电路的谐振频率和反射参数，并将测量的谐振频率和反射参数发送至数据处理机构；
10.数据处理机构，其与所述矢量网络分析仪电连接，并至少用于对接收的多组谐振频率和反射参数进行处理，并获得待测样品的磁导率；
11.三维移动平台，其至少用于放置待测样品，并以指定姿态将待测样品移动至指定的测试位置，同时测量所述待测样品与测试探头之间的距离。
12.本发明实施例提供了一种高通量筛选软磁材料磁导率的方法，其包括：
13.提供所述高通量筛选软磁材料磁导率的装置，调节电容使谐振电路的谐振频率和反射参数调节为预设值；
14.将高通量样品库放在三维移动平台上，通过移动样品台而依次将样品库位于测试探头下方的预设位置处，以矢量网络分析仪采集样品库不同测试区域谐振电路的谐振频率和反射参数；
15.以数据处理机构对矢量网络分析仪采集的谐振频率和反射参数进行处理，从而获得样品库不同测试区域的磁导率，绘制出磁导率性能图；
16.对样品库不同测试区域进行成分测试，得到高通量样品库的成分图；
17.将磁导率性能图与成分图进行比对，筛选出高磁导率对应的成分。
18.与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
19.1)本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置，结构简单，使用和操作方便；
20.2)本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置，可以实现待测样品的高通量实时测量，对于多个样品或高通量制备的梯度薄膜可以实现连续、无损的快速检测，且具有较高的分辨率与灵敏度；
21.3)本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置的测量频率范围大，可以测量任意频率(高频和低频)下的磁导率；
22.4)本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置可以适配不同形状和大小的待测样品，制样要求简单。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本发明一典型实施案例中提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置的结构示意图；
25.图2是本发明一典型实施案例中提供的一种测试探头的谐振电路的原理结构示意图；
26.图3是本发明实施例1中两种不同磁导率的铁氧体片的测试结果；
27.图4是本发明实施例2中一种fecob梯度膜的fe含量分布；
28.图5是本发明实施例2中磁导率μ和谐振频率f的关系；
29.图6是本发明实施例2中一种fecob多组元梯度薄膜测试结果。
具体实施方式
30.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
31.本发明实施例提供了一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置，包括：
32.测试探头，所述测试探头包括谐振电路，所述谐振电路具有指定的谐振频率和反射参数，而当待测样品靠近所述测试探头且所述待测样品与测试探头之间具有指定距离时，所述谐振电路的谐振频率和反射参数能够被待测样品影响而发生变化；
33.矢量网络分析仪，其与所述测试探头电连接，并用于测量所述谐振电路的谐振频率和反射参数，并将测量的谐振频率和反射参数发送至数据处理机构；
34.数据处理机构，其与所述矢量网络分析仪电连接，并至少用于对接收的多组谐振频率和反射参数进行处理，并获得待测样品的磁导率；
35.三维移动平台，其至少用于放置待测样品，并以指定姿态将待测样品移动至指定的测试位置，同时测量所述待测样品与测试探头之间的距离。
36.在一具体实施方式中，所述谐振电路包括第一电容、第二电容和电感线圈，其中，所述第一电容和第二电容串联连接，所述电感线圈与所述第一电容、第二电容中的一者并联。
37.在一具体实施方式中，所述第一电容和第二电容均为可调电容。
38.在一具体实施方式中，所述第一电容和第二电容的电容量相同或不同。
39.在一具体实施方式中，所述电感线圈包括直线、平面线圈、微带线中的任意一种，但不限于此。
40.在一具体实施方式中，所述谐振电路的一端与矢量网络分析仪连接，另一端接地。
41.本发明实施例提供了一种高通量筛选软磁材料磁导率的方法，其包括：
42.提供所述高通量筛选软磁材料磁导率的装置，调节电容使谐振电路的谐振频率和反射参数调节为预设值；
43.将高通量样品库放在三维移动平台上，通过移动样品台而依次将样品库位于测试探头下方的预设位置处，以矢量网络分析仪采集样品库不同测试区域谐振电路的谐振频率和反射参数；
44.以数据处理机构对矢量网络分析仪采集的谐振频率和反射参数进行处理，从而获得样品库不同测试区域的磁导率，绘制出磁导率性能图；
45.对样品库不同测试区域进行成分测试，得到高通量样品库的成分图；
46.将磁导率性能图与成分图进行比对，筛选出高磁导率对应的成分。
47.在一具体实施方式中，所述高通量筛选软磁材料磁导率的方法具体包括：在使测试探头靠近待测样品时，保持测试探头内的电感线圈与待测样品的测试区域表面平行，且使所述测试探头不与所述待测样品接触。进一步的，所述待测样品包括形状规则或不规则的磁性样品。
48.在一具体实施方式中，所述待测样品包括薄膜样品和条带样品。
49.在一具体实施方式中，所述待测样品为多组分梯度磁性样品，例如，所述待测样品可以是梯度膜。
50.本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的方法的原理为：
51.一个谐振电路的谐振频率为：
52.53.根据微扰理论，当样品放入谐振腔时，会引起腔内电磁场的变化，导致谐振频率和品质因数发生变化。谐振频率的偏移和材料特性之间的关系可以表示为：
[0054][0055]
式中，f是空腔的谐振频率，δf是插入样品后频率的偏移，ε0、μ0是真空介电常数和真空磁导率，δε＝ε0(ε-1)、δμ＝μ0(μ-1)，ε、μ是样品的介电常数和磁导率，e0、h0是空腔的电场和磁场，e1、h1、是插入样品后谐振腔的电场和磁场，v是谐振腔的体积。
[0056]
所以当样品靠近测试探头时，由于谐振电路中电感的改变，引起谐振频率的偏移，从而将谐振频率的偏移与材料的磁导率建立起联系。
[0057]
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例所采用的电容、电感线圈以及矢量网络分析仪等均可以是本领域技术人员已知的，其均可以通过市购获得。
[0058]
请参阅图1，一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置，包括测试探头1、矢量网络分析仪2、数据处理机构3以及三维移动平台5，其中，所述矢量网络分析仪2分别通过电缆4与测试探头1、数据处理机构3电连接，所述三维移动平台5与所述测试探头1分离设置。
[0059]
在本实施例中，所述三维移动平台5至少用于放置待测样品，并可以根据需要将待测样品以指定姿态移动至指定的测试探头1的下方，以测试待测样品不同位置的信号，且当待测样品放置在三维移动平台5上时，三维移动平台5还可以测量所述待测样品与测试探头1之间的距离。
[0060]
在本实施例中，请参阅图2，所述测试探头1包括谐振电路，所述谐振电路的一端与所述矢量网络分析仪2连接，另一端接地，其中，所述谐振电路包括第一电容12、第二电容13和电感线圈11，所述第一电容12和第二电容13串联连接，所述电感线圈11与所述第一电容12并联。
[0061]
在本实施例中，所述高通量筛选软磁材料磁导率的装置还可以包括屏蔽罩，所述屏蔽罩套设在测试探头上，其中，所述电感线圈11暴露在所述屏蔽罩外部，所述屏蔽罩主要用于排除周围环境物体对测试探头的影响，需要说明的是，所述屏蔽罩的形状和结构与所述测试探头的形状和结构相适配，例如可以是筒状结构等，所述屏蔽罩的厚度等参数可以根据具体需求进行调整，其材质可以采用本领域技术人员已知的，在此不做具体的限定。
[0062]
在本实施例中，所述谐振电路具有指定的谐振频率和反射参数，而当待测样品靠近所述测试探头1且所述待测样品与测试探头之间具有指定距离时，所述谐振电路的谐振频率和反射参数能够被待测样品影响而发生变化。
[0063]
在本实施例中，所述第一电容12和第二电容13均为可调电容，所述第一电容12和第二电容13的电容量相同或不同，例如，所述第一电容12和第二电容13的电容量均为1-15pf，所述电感线圈11可以是直线、平面线圈、微带线中的任意一种，例如，所述电感线圈11可以是一段铜导线。
[0064]
在本实施例中，所述待测样品包括形状规则或不规则的磁性样品，例如可以是薄膜样品和条带样品。
[0065]
在本实施例中，所述待测样品可以是多组分梯度磁性样品。
[0066]
在本实施例中，当测试探头1的谐振电路联通后，可以调节第一电容12使谐振电路达到所需的谐振频率f(0-18ghz)，再调节第二电容13使谐振电路的信号幅值最大，这里的信号幅值最大是指反射参数s
11
达到最大，以增强测试的灵敏度；谐振电路的谐振频率f和反射参数s
11
由矢量网络分析仪2测得，并通过数据处理机构(例如计算机等)3依据μ＝g(f,s
11
)进行处理并直接输出待测样品不同位置对应的磁导率。
[0067]
在本实施例中，以本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置测试待测样品的磁导率的测试过程可以包括：
[0068]
1)调节第一电容12和第二电容13，使谐振电路达到所需的谐振频率f0和最大的反射参数s
11
，存储在计算机3内，记为f0(f0，)；
[0069]
2)将多个待测样品依次放在三维移动平台上，并将待测样品移动至测试探头1下方的最佳位置，以矢量网络分析仪2测试测试探头谐振电路的对应不同待测样品的测试参数(谐振频率和反射参数)，并将数据依次存储在数据处理机构3内，并分别记为f1(f1，)、f2(f2，)、f3(f3，)
……fi
(fi，)；
[0070]
3)步骤2)、3)存储在数据处理机构3内的数据经处理后，实时显示不同待测样品的磁导率μ，处理公式为μ＝g(fi)。
[0071]
如下将结合具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0072]
实施例1：以图1和图2所示的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置对两种不同磁导率的铁氧体进行测量，
[0073]
测试探头1谐振电路中的第一电容12的电容量为1-10pf，第二电容13的电容量为1-10pf，电感线圈11为一根长5mm、直径1mm的铜导线；
[0074]
通过调节第一电容12、第二电容13使电路的谐振点达到(767mhz，-13.78db)，将已知磁导率不同的两种铁氧体片放在三维移动平台上，调节三维移动平台的位置使两种铁氧体片依次通过测试探头1，并以矢量网络分析仪2测得两种铁氧体片通过测试探头1时谐振电路的谐振频率和反射参数，并以数据处理机构3进行处理并获得两种铁氧体片的磁导率，结果如图3所示，其中，μ为磁导率，none代表未放置样品，磁导率为150的铁氧体片对应的谐振点为(749mhz，-9.4db)，δf＝18mhz，磁导率为110的铁氧体片对应的谐振点为(762mhz，-12.3db)，δf＝5mhz，谐振频率减小，且变化不同，以所述高通量筛选软磁材料磁导率的装置成功检测出磁导率不同的两种铁氧体片。
[0075]
实施例2：以图1和图2所示的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置对磁控溅射法制备的fecob梯度薄膜进行测量，该梯度膜的fe含量分布如图4所示；
[0076]
测试探头1谐振电路中采用的第一电容12的电容量为3-10pf，第二电容13的电容量为3-10pf，电感线圈11是一个4匝圆形平面线圈；导线宽度0.5mm，间距0.2mm，内径2mm，测得平面线圈的电感为0.25uh。根据公式，该谐振电路的谐振频率范围是f＝86.5mhz～159mhz。
[0077]
对该谐振电路用电磁仿真软件进行模拟，得出谐振频率与磁导率的关系如图5所示，具体定量关系为：
[0078][0079]
式中δf＝(f0-f)/f0*100％。
[0080]
通过调节第一电容12、第二电容13使谐振电路的谐振点达到(134.15mhz，-42.65db)，提前将制备的fecob多组元梯度薄膜划分成大小相等的网格，然后放在三维移动平台上，样品和探头间距为0.5mm，调节三维移动平台位置，并分别使fecob多组元梯度薄膜的不同区域通过测试探头1的下方，分别测量fecob多组元梯度薄膜不同位置网格处对应的谐振电路谐振频率的变化，以数据处理机构3进行处理并获得梯度膜的磁导率，结果如图6所示，结合图4可知，磁导率较高的区域对应的fe含量约为89.6％。该高通量筛选软磁材料磁导率的装置可根据谐振电路内谐振频率的变化成功测试不同成分材料的性能。
[0081]
本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置，结构简单，使用和操作方便，并且，本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置，可以实现待测样品的高通量实时测量，对于多个样品可以实现连续、无损的快速检测，且具有较高的分辨率与灵敏度；以及，本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置的测量频率范围大，可以测量任意频率(高频和低频)下的磁导率；另外，本发明实施例提供的一种高通量筛选软磁材料磁导率的装置可以适配不同形状和大小的待测样品，制样要求简单。
[0082]
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。