一种抑制微波器件微放电阈值的方法、结构及其测试装置与流程

1.本发明属于电子信息技术领域，涉及一种抑制微波器件微放电阈值的方法、结构及其测试装置。


背景技术：

2.二次电子发射是指具有一定初始能量的电子轰击材料时，材料表面有电子逸出的现象。二次电子发射系数(sey)是衡量二次电子发射现象的重要物理参数之一，定义为材料发射的二次电子数与轰击材料表面的电子数之比。sey曲线是表征材料表面二次电子发射性质的主要方式，不同入射电子能量有着不同的sey，sey峰值是衡量材料sey高低的关键因素。
3.微放电现象是指在气压小于6.65
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pa的真空条件下，电子在外加电磁场的加速下，在两金属表面或单个介质表面上激发的二次电子发射与倍增的效应，又称二次电子倍增效应。微放电现象易发生于空间环境中的大功率微波器件，对器件的工作性能、甚至航天器的安全可能带来不利影响。器件内微放电的发生需要满足合适的微波频率、表面间隙距离等条件。微波器件工作功率的提升，意味着发生微放电的可能性的增加。微放电阈值是指，能使微波器件在不发生微放电情况下的最大工作功率。随着功率的上升，微波器件内最先易发生微放电的区域称为微放电敏感区域。敏感区域内材料表面sey过高，往往意味着微放电阈值较低，工作场景受限。
4.氧化铝是一种应用广泛的陶瓷材料，具有介电性好、硬度高、隔热性好、介质损耗低、击穿电压高等优点，在航天器高功率微波部件中有着广泛应用。然而，氧化铝有着较高的二次电子发射系数，其sey峰值δm一般可以达到3至9。这意味着在一定的入射能量下，每1个电子碰撞氧化铝表面，平均将会引起3至9个的二次电子出射。这些电子将在器件腔内与变化的微波电场发生谐振，电子不断碰撞材料表面并快速倍增，导致微放电现象的发生。有必要通过一些表面处理工艺降低氧化铝的sey，从而提升氧化铝填充的器件的微放电阈值。
5.随着航天通信技术的发展，大功率微波器件的需求逐渐提升。通过表面处理工艺降低材料的二次电子发射系数，使得器件的微放电阈值提高，是航天领域的重要研究课题。目前主流的表面处理工艺有两种：一是在材料表面构建周期性的多孔微陷阱结构，这些单个尺度在几百微米的微陷阱结构可以阻断电子的运动路径，抑制二次电子的出射，从而提高微放电的阈值；二是通过在材料表面镀覆一层薄膜，这些薄膜材料有着较低的sey。然而，这些方法在氧化铝表面的应用较少，相关验证流程不成熟，技术潜力仍有待进一步发掘。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有技术中不能够有效抑制氧化铝填充微波器件表面微放电阈值的问题，提供一种抑制微波器件微放电阈值的方法、结构及其测试装置。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.一种抑制微波器件微放电阈值的方法，包括通过机加工方式在氧化铝表面上制造
微陷阱结构，在加工单元上制造周期性圆孔，得到具备多孔的氧化铝表面结构；采用直流磁控溅射法，在具备多孔的氧化铝表面结构上进行溅射反应，得到镀覆tin薄膜的多孔氧化铝片。
9.本发明的进一步改进在于：
10.所述在具备多孔的氧化铝表面结构上制备tin薄膜具体包括以下步骤：
11.将反应腔内气压抽至3
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pa以下；
12.选取tin陶瓷靶材作为溅射源；
13.设置反应腔内的工作环境气体为氩气和氮气，设置氩气和氮气的流量比为2:1；
14.在反应腔内进行溅射反应，得到镀覆tin薄膜的多孔氧化铝片。
15.所述溅射源tin陶瓷靶材的纯度为99.99％，直径为76.2mm，厚度为5mm。
16.所述进行溅射反应时，其反应时长为60min。
17.所述进行溅射反应时，其溅射电流为0.25a。
18.所述工作环境气体中，氩气的纯度为99.999％，氮气的纯度为99.999％。
19.所述圆孔的直径为285μm，深度为250μm。
20.一种抑制微波器件微放电阈值的结构，其特征在于，采用如前项任一项所述的抑制微波器件微放电阈值的方法制成，包括氧化铝衬底，所述氧化铝衬底上设置有周期性圆孔，在圆孔及氧化铝衬底的表面上覆盖有tin薄膜。
21.一种抑制微波器件微放电阈值的测试装置，其特征在于，采用如前项所述的抑制微波器件微放电阈值的结构，所述装置为采用方同轴结构的低通滤波器，包括外导体和内导体，所述内导体的横截面为不同边长的长方形，内导体通过交替级联同轴设置，将氧化铝片设置在中央低阻抗区的内导体和外导体之间，其余低阻抗区中填充聚四氟乙烯。
22.所述低通滤波器的内导体和外导体均为铜材料制成。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明提出了一种抑制氧化铝填充微波器件微放电阈值的方法，首先在氧化铝表面上制备周期性微陷阱结构，再在制得的多孔氧化铝表面上镀覆一层氮化钛薄膜，结合了微陷阱结构和镀覆薄膜的方法，能够抑制氧化铝表面的二次电子发射，所得到的氧化铝结构能够通用在空间高功率微波器件中的多种应用场景，实现对微放电现象的有效抑制。
25.通过提出一种抑制微波器件微放电阈值的测试装置，基于等纹波低通滤波器原型，通过交替级联高低阻抗同轴线实现滤波功能，在方同轴低通滤波器敏感区域进行微放电测试，适用于多种金属与介质材料。
附图说明
26.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
27.图1为本发明的抑制氧化铝填充微波器件微放电阈值的方法流程图；
28.图2为本发明的通过机加工形成周期性多孔微结构与加工单元示意图；
29.图3为本发明的用于验证微放电阈值提升的方同轴低通滤波器透视图；
30.图4为本发明的用于验证微放电阈值提升的方同轴低通滤波器侧视图；
31.图5为未处理氧化铝与微陷阱结构镀覆tin氧化铝的sey曲线图。
32.其中：a-氮化钛靶，b-氮化钛薄膜，c-微放电敏感区域，1-外导体，2-内导体，3-聚四氟乙烯，4-氧化铝片。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
36.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
38.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
40.参见图1，为本发明中抑制氧化铝填充微波器件微放电阈值的方法流程图，具体包括以下步骤：
41.步骤一，通过机加工方式在氧化铝表面上制造微陷阱结构。如图2所示，在400
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400μm2的加工单元上制造周期性圆孔。由于圆孔的平均直径与深度都能直接影响到材料表面的sey水平，所以将周期性圆孔的直径设置为285μm，圆孔的深度设置为250μm。
42.步骤二，采用直流磁控溅射法，在制得的多孔氧化铝表面上制备tin薄膜以进一步抑制sey。选取纯度为99.99％、直径为76.2mm与厚度为5mm的tin陶瓷靶材作为溅射源。溅射前先将反应腔内气压抽至3
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10-4pa。工作环境气体为纯度99.999％的氩气ar，反应气体为纯度99.999％的氮气n2。利用气体流量计控制氩气ar与氮气n2的流量比为2:1，直流溅射电
流为0.25a，工作气压保持在1.2pa，溅射反应时长60分钟。
43.本发明实施例提供了一种抑制微波器件微放电阈值的结构，采用如前项所述的抑制微波器件微放电阈值的方法制成，包括氧化铝衬底，所述氧化铝衬底上设置有周期性圆孔，在圆孔及氧化铝衬底的表面上覆盖有tin薄膜。参见图2，为通过机加工形成周期性多孔微结构示意与加工单元示意图，其中d为圆孔直径，h为圆孔深度。
44.参见图3-图4，本发明实施例提供了一种抑制微波器件微放电阈值的测试装置，通过一种低通滤波器验证工艺对微放电阈值提升的有效性。装置为采用方同轴结构的低通滤波器，基于等纹波低通滤波器原型，通过交替级联高低阻抗同轴线实现滤波功能，工作频率为1至4ghz。该滤波器内、外导体材质为铜。其中滤波器内导体横截面为不同边长的正方形，边长大的位置为低阻抗区，边长小的位置为高阻抗区。微放电易发生于内外导体间隙窄的区域即低阻抗区。在中央低阻抗区内导体的外侧与外导体的内侧填充氧化铝片，保留1mm间隙，在其余低阻抗区填充满聚四氟乙烯，从而确保该器件的微放电敏感区域仅为中央低阻抗区内氧化铝片间隙。替换不同的氧化铝片，测试其抑制微放电效果的差异。微放电阈值测试结果显示，相比于未处理的原始氧化铝片，填充经过表面处理工艺的氧化铝片，方同轴低通滤波器微放电阈值从125w提升到了650w，微放电抑制效果显著增强。在方同轴低通滤波器敏感区域进行微放电测试，能够适用于多种金属与介质材料。
45.参见图5，为未处理氧化铝与微陷阱结构镀覆tin氧化铝的sey曲线，经过本发明中方法处理的氧化铝片，sey水平显著下降，sey峰值由3.58降至0.98，下降幅度达到72.63％。本发明中通过结合构造微陷阱多孔结构与镀覆低sey材料薄膜的方法抑制氧化铝表面二次电子发射，提升氧化铝填充微波器件的微放电阈值。
46.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种抑制微波器件微放电阈值的方法，其特征在于，包括通过机加工方式在氧化铝表面上制造微陷阱结构，在加工单元上制造周期性圆孔，得到具备多孔的氧化铝表面结构；采用直流磁控溅射法，在具备多孔的氧化铝表面结构上进行溅射反应，得到镀覆tin薄膜的多孔氧化铝片。2.如权利要求1所述的一种抑制微波器件微放电阈值的方法，其特征在于，所述在具备多孔的氧化铝表面结构上制备tin薄膜具体包括以下步骤：将反应腔内气压抽至3
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10-4
pa以下；选取tin陶瓷靶材作为溅射源；设置反应腔内的工作环境气体为氩气和氮气，设置氩气和氮气的流量比为2:1；在反应腔内进行溅射反应，得到镀覆tin薄膜的多孔氧化铝片。3.如权利要求2所述的一种抑制微波器件微放电阈值的方法，其特征在于，所述溅射源tin陶瓷靶材的纯度为99.99％，直径为76.2mm，厚度为5mm。4.如权利要求2所述的一种抑制微波器件微放电阈值的方法，其特征在于，所述进行溅射反应时，其反应时长为60min。5.如权利要求2所述的一种抑制微波器件微放电阈值的方法，其特征在于，所述进行溅射反应时，其溅射电流为0.25a。6.如权利要求2所述的一种抑制微波器件微放电阈值的方法，其特征在于，所述工作环境气体中，氩气的纯度为99.999％，氮气的纯度为99.999％。7.如权利要求1所述的一种抑制微波器件微放电阈值的方法，其特征在于，所述圆孔的直径为285μm，深度为250μm。8.一种抑制微波器件微放电阈值的结构，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的抑制微波器件微放电阈值的方法制成，包括氧化铝衬底，所述氧化铝衬底上设置有周期性圆孔，在圆孔及氧化铝衬底的表面上覆盖有tin薄膜。9.一种抑制微波器件微放电阈值的测试装置，其特征在于，采用如权利要求8所述的抑制微波器件微放电阈值的结构，所述装置为采用方同轴结构的低通滤波器，包括外导体和内导体，所述内导体的横截面为不同边长的长方形，内导体通过交替级联同轴设置，将氧化铝片设置在中央低阻抗区的内导体和外导体之间，其余低阻抗区中填充聚四氟乙烯。10.如权利要求9所述的一种抑制氧化铝填充微波器件微放电阈值的验证方法，其特征在于，所述低通滤波器的内导体和外导体均为铜材料制成。

技术总结
本发明公开了一种抑制微波器件微放电阈值的方法、结构及其测试装置，方法包括通过机加工方式在氧化铝表面上制造微陷阱结构，在加工单元上制造周期性圆孔，得到具备多孔的氧化铝表面结构；采用直流磁控溅射法，在具备多孔的氧化铝表面结构上进行溅射反应，得到镀覆TiN薄膜的多孔氧化铝片。首先在氧化铝表面上制备周期性微陷阱结构，再在制得的多孔氧化铝表面上镀覆一层氮化钛薄膜，结合了微陷阱结构和镀覆薄膜的方法，能够抑制氧化铝表面的二次电子发射，所得到的氧化铝结构能够通用在空间高功率微波器件中的多种应用场景，实现对微放电现象的有效抑制。电现象的有效抑制。电现象的有效抑制。


技术研发人员：王丹 孟祥琛 贺永宁 蔡亚辉 朱香平
受保护的技术使用者：西安中科原子精密制造科技有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/9/23