基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及薄膜表面电导率测试技术，旨在提供一种基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率测试装置及方法。该装置是在导电薄膜的一侧设置电磁发射源，发射电磁波的方向朝向且垂直于导电薄膜；在水平的导电薄膜上下两侧分别放置磁场近场探头和电场近场探头，两个探头与导电薄膜保持相同间距，两者的连线垂直于导电薄膜。本发明专利技术对导电薄膜的形状、大小并无严苛要求，可以解决在同轴、波导中进行高频测试时，导电薄膜形状加工精度要求较高、误差较大的问题。同时，本发明专利技术可以测量导电薄膜任意位置、任意频率、任意时刻的表面电导率，得到薄膜的表面电导率随位置、频率、时间的分布情况，有利于提高薄膜应用的可靠性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率测试装置及方法
本专利技术涉及一种薄膜表面电导率测试技术，具体涉及一种基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率的测试装置及方法，是采用电磁场近场测试来精确测定薄膜表面与位置和频率相关的局部电导率。
技术介绍
导电薄膜在柔性电子产业领域应用广泛、需求迫切。目前工业界最常用的导电薄膜有氧化铟锡(ITO)薄膜、氟掺杂氧化锡(FTO)薄膜以及石墨烯等二维材料薄膜，它们的电导率是其应用于屏幕显示、屏幕触控、太阳能电池等产品的关键影响因素之一。大规模生产高质量的电子薄膜，不仅需要在生产时进行精密的流程控制，更需要对不同产品、不同批次进行高效的定量测试。目前的测试方法包括在同轴、波导等腔体内测试，对导电薄膜形状加工精度要求较高、加工误差度测试结果影响较大。在电磁场与电磁波的前沿研究领域，有大量关于新型二维导电薄膜的理论研究，这些薄膜包括石墨烯、二硫化钼、六方氮化硼等，它们在理论上被广泛用于新型波导、新型天线、新型滤波器等无源器件的设计。目前，这些新型薄膜的生产质量不稳定、生产规模较小，因而更需要在生产和设计中对它们的电导率进行严格地调控，并进行精细地测定。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率的测试装置及方法。为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：提供一种基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率的测试装置，是在导电薄膜的一侧设置电磁发射源，其发射电磁波的方向朝向且垂直于导电薄膜；电磁发射源与导电薄膜的间距大于2λ，λ为发射电磁波的波长；在水平的导电薄膜上下两侧分别放置磁场近场探头和电场近场探头，两个探头与导电薄膜保持相同间距，两者的连线垂直于导电薄膜。本专利技术中，是以兼具磁场近场探测与电场近场探测功能的探头替代所述磁场近场探头和/或电场近场探头。本专利技术中，两个探头之间的连线与导电薄膜相交，电磁发射源的发射方向与导电薄膜相交，两个相交点之间的距离不大于DMAX/2，DMAX为发射源的最大口径。本专利技术中，所述电磁发射源是喇叭天线。本专利技术中，所述两个探头与导电薄膜的间距小于电磁发射源与导电薄膜的距离。本专利技术中，所述两个探头分别通过信号线接至工控机，所述电磁发射源通过信号线接至控制器。本专利技术进一步提供了利用前述装置实现基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率的测试方法，是利用电磁发射源发出的电磁波照射导电薄膜，使其表面产生感应电流，通过磁场近场探头和电场近场探头测量导电薄膜两侧由感应电流形成的水平磁场和水平电场的幅度与相位；最后，利用测量数据计算得到导电薄膜的表面电导率；该方法具体包括：(1)利用电磁发射源在2λ距离外向导电薄膜发射电磁波，保证电磁波照射至导电薄膜时等效为平面波；(2)利用探头分别测出薄膜两侧等距离处水平磁场的幅度与相位、水平电场的幅度与相位；通过传输线理论和边界条件，利用水平磁场的幅度与相位计算得到薄膜的表面电流，利用水平电场的幅度与相位计算得到表面电场；进而通过表面电场和表面电流获得两个探头之间连线与导电薄膜相交点处的表面电导率；(3)同步改变两个探头的位置，重复步骤(1)和(2)的操作，从而获得导电薄膜不同位置处的表面电导率。本专利技术中，在测试工作开始之前，先利用矢量网络分析仪和标准件对两个探头进行校准，以便能够准确测量电场和磁场的相应数据。本专利技术中，所述通过传输线理论和边界条件计算得到薄膜的表面电流和表面电场，具体是指：将两个探头分别置于导电薄膜上方和下方，各自距离薄膜位置分别为d1和d2；两个探头测试出的水平电场、磁场分别记为(EI、HI)和(EII、HII)；在垂直于导电薄膜的方向，导电薄膜用一个电阻等效，其阻值为Req＝1/σ，Req为待测导电薄膜的表面电导率，σ为待测导电薄膜的表面电导率；在导电薄膜两侧，探头与导电薄膜之间的垂直空间用两段空气传输线等效，其传播常数与特征阻抗分别为kz0＝ω/c、Zc0＝(μ0/ε0)0.5；式中，ω＝2πf为角频率，f为发射电磁波频率，c为真空中的光速，μ0为真空磁导率，ε0为真空介电常数。根据ABCD矩阵的定义：上式中，由于电场平行分量处处相等，有EI＝EII；其中，EII、HI、HII为探头实测值，Zc0、kz0、d1、d2为已知量；j为虚数单位符号。通过对以上矩阵进行逆运算，求解得到薄膜表面电导率σ。本专利技术中，当探头与导电薄膜的距离小于λ/20时，将所述矩阵进一步化简为即根据公式(3)求解得到薄膜表面电导率σ。专利技术实现原理描述：导电薄膜材料放置在自由空间中，激励源从薄膜上方发射平面波，当平面波照射至薄膜材料表面时，由于电场在薄膜表面的反射和透射，会在薄膜上下形成一定强度的水平电场；其水平电场会激励起薄膜材料的表面电流，表面电流的幅度和相位取决于材料的表面电导率；该表面电流会导致薄膜上、下表面磁场的突变；因而，在一定平面波照射下，不同表面电导率的薄膜，其对应的表面水平电场和水平磁场信息均不同，通过测试电场和磁场，就可以反推出薄膜的表面电导率。本专利技术的测试步骤如下：首先，利用矢量网络分析仪和标准件对磁场近场探头和电场近场探头进行校准，以便可以测出电场和磁场真实值；之后，利用电磁发射源(如喇叭天线等)在几个波长以外发射电磁波，从而保证当电磁波照射至薄膜时可等效为平面波；进而，在薄膜上下、垂直距离薄膜一定位置处，利用磁场近场探头分别测试出水平磁场的幅度和相位，并在薄膜下方同样的位置，利用电场近场探头测试出水平电场的幅度和相位。最后，通过传输线理论和边界条件，可以推得薄膜的表面电流和表面电场，进而求解出薄膜的表面电导率。该测试得到的表面电导率为薄膜上的一个点处的电导率，该点位于探头的正上方/正下方。通过改变探头的测试位置，可以得到薄膜不同位置处的表面电导率。同时，该测试得到的表面电导率为电磁发射源发射频率处的电导率。通过改变电磁发射源的发射频率，同时用近场探头测试对应频率下的水平磁场和水平电场的幅度和相位，可以推得不同频率下薄膜的表面电导率。利用多分量探头，可以同时测出薄膜上下的水平电场、水平磁场，从而获取某一时刻的薄膜表面电导率，改变测试时刻即可得到不同时刻下薄膜的表面电导率。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术对导电薄膜的形状、大小并无严苛要求，可以解决在同轴、波导中进行高频测试时，导电薄膜形状加工精度要求较高、误差较大的问题。同时，本专利技术可以测量导电薄膜任意位置、任意频率、任意时刻的表面电导率，可以得到薄膜的表面电导率随位置、频率、时间的分布情况，有利于提高薄膜应用的可靠性和稳定性。附图说明图1是本专利技术中测试装置的结构示意图。图2是本专利技术电磁原理图。图3是实施例探头距离待测导电薄膜1mm的示意图。图4是实施例探头距离待测导电薄膜0.2mm的示意图。图5是实施例探头距离待测导电薄膜1mm时得到的表面电导率。图6是实施例探头距离待测导电薄膜0.2mm时得到的表面电导率。图1中的附图标记：1电磁发射源；2薄膜上方的近场探头(用于测试薄膜上方的水平电场和水平磁场的幅度和相位)；3导电薄膜；4薄膜下方的近场探头(用于测试薄膜下方的水平电场和水平磁场的幅度和相位)。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术中基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率的测试装置，其特征在于，是在导电薄膜的一侧设置电磁发射源，其发射电磁波的方向朝向且垂直于导电薄膜；电磁发射源与导电薄膜的间距大于2λ，λ为发射电磁波的波长；在水平的导电薄膜上下两侧分别放置磁场近场探头和电场近场探头，两个探头与导电薄膜保持相同间距，两者的连线垂直于导电薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率的测试装置，其特征在于，是在导电薄膜的一侧设置电磁发射源，其发射电磁波的方向朝向且垂直于导电薄膜；电磁发射源与导电薄膜的间距大于2λ，λ为发射电磁波的波长；在水平的导电薄膜上下两侧分别放置磁场近场探头和电场近场探头，两个探头与导电薄膜保持相同间距，两者的连线垂直于导电薄膜。2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，是以兼具磁场近场探测与电场近场探测功能的探头替代所述磁场近场探头和/或电场近场探头。3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，两个探头之间的连线与导电薄膜相交，电磁发射源的发射方向与导电薄膜相交，两个相交点之间的距离不大于DMAX/2，DMAX为发射源的最大口径。4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述电磁发射源是喇叭天线。5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述两个探头与导电薄膜的间距小于电磁发射源与导电薄膜的距离。6.根据权利要求1至5任意一项中所述的测试装置，其特征在于，所述两个探头分别通过信号线接至工控机，所述电磁发射源通过信号线接至控制器。7.利用权利要求1所述装置实现基于电磁场近场提取导电薄膜表面电导率的测试方法，其特征在于，是利用电磁发射源发出的电磁波照射导电薄膜，使其表面产生感应电流，通过磁场近场探头和电场近场探头测量导电薄膜两侧由感应电流形成的水平磁场和水平电场的幅度与相位；最后，利用测量数据计算得到导电薄膜的表面电导率；该方法具体包括：(1)利用电磁发射源在2λ距离外向导电薄膜发射电磁波，保证电磁波照射至导电薄膜时等效为平面波；(2)利用探头分别测出薄膜两侧等距离处水平磁场的幅度与相位、水平电场的幅度与相位；通过传...

【专利技术属性】
技术研发人员：易达，魏兴昌，杨彦彬，
申请(专利权)人：浙江大学，浙江大学自贡创新中心，
类型：发明
国别省市：浙江,33