一种倒置扫描微波显微成像系统及成像方法

本发明涉及微波近场显微成像与微纳尺度电学表征，尤其涉及一种倒置扫描微波显微成像系统及成像方法。

背景技术：

1、扫描微波显微成像技术通常基于扫描探针平台与微波测量单元的耦合。在传统扫描微波显微成像中，微波信号经同轴线、探针夹持结构及导电探针耦合至样品表面局部区域，探针既承担形貌跟踪功能，又承担高频激励和信号耦合功能。该结构能够在纳米至微米尺度上获得样品的局域微波响应，因此在半导体器件、二维材料、薄膜材料、介质样品和微纳结构表征领域得到了广泛关注。

2、然而，传统扫描微波显微成像在实际应用中仍存在较为明显的局限。其一，高频微波信号需要经过探针悬臂、探针座以及相关连接结构传输，高频损耗和阻抗失配较为突出，容易导致激励信号有效幅值降低，进而影响成像灵敏度。其二，探针同时承担形貌扫描与高频激励双重功能，使得寄生电容、寄生电感及环境电磁扰动对有效测量信号的影响更加显著，进而造成基线漂移、相位噪声增大和重复性下降。其三，对于柔性样品、大面积薄膜、预制电极器件以及需要外场耦合的样品，传统结构在样品制备、固定和电连接方面限制较多，难以满足复杂器件平台的直接测量需求。其四，传统方案中探针侧高频传输链路较长，探针磨损、涂层状态变化及探针更换均可能引起测量结果明显波动，不利于批量化上产和工程化应用。

3、近年来，倒置扫描微波显微成像思路逐渐受到关注。该思路不再由探针端直接注入微波激励，而是将微波信号加载于样品侧激励电极、样品载台或与样品耦合的平面传输结构，使扫描探针主要作为近场扰动单元和局域检测单元参与成像过程。与传统扫描微波显微成像相比，倒置结构的核心并不在于简单改变接线方式，而在于将“探针激励”改为“样品侧激励”，从而重构微波信号耦合路径，降低探针侧高频传输损耗，提高系统稳定性，并增强系统与器件结构的兼容性。

4、现有技术中虽已出现倒置扫描微波测量成像的相关研究报道，但多集中于原理验证和实验实现，对倒置结构的系统设计、成像方法及其相较于传统扫描微波显微成像的技术效果论述仍不完整。尤其在高频损耗抑制、系统稳定性提高、复杂样品兼容性增强以及扩展应用能力等方面，仍缺少较为系统的技术方案。基于此，有必要提出一种倒置扫描微波显微成像系统及成像方法。

技术实现思路

1、为克服传统扫描微波显微成像中存在的探针侧高频损耗大、寄生参数影响显著、重复性不足以及对器件样品兼容性较差等的技术缺陷，本发明提供了一种倒置扫描微波显微成像系统及成像方法。

2、本发明提供了一种倒置扫描微波显微成像系统，包括微波激励与响应采集模块、样品侧激励电极、导电探针、扫描平台以及数据处理模块；微波激励与响应采集模块通过微波传输线与样品侧激励电极相连，用于传输微波信号以及采集微波响应信号；待测样品置于样品侧激励电极上，样品侧激励电极置于扫描平台上，导电探针位于待测样品正上方用于扫描待测样品；数据处理模块与微波激励与响应采集模块电连接，用于处理微波响应信号，以生成局域微波响应图像。

3、待测样品可为半导体薄膜、二维层状材料、钙钛矿薄膜、微纳器件、柔性器件以及有源或无源电极结构样品。待测样品与样品侧激励电极之间可直接接触，也可通过绝缘层、衬底层或封装层实现近场耦合。该系统通过将微波激励加载于待测样品，并利用导电探针对样品局域微波响应进行扰动检测，实现了不同于传统扫描微波显微成像的成像结构与信号路径设计，从而提升了系统稳定性、样品兼容性及成像应用的扩展能力。

4、优选的，样品侧激励电极为微带线电极。微带线电极的线宽、传输长度及耦合区域可依据工作频率范围和待测样品尺寸进行设计。

5、优选的，导电探针为金属镀层探针。导电探针不作为微波主激励通路，仅作为局域电场扰动单元和检测单元。与传统扫描微波显微成像中“探针激励+探针检测”的复合结构相比，本发明中导电探针的高频传输负担显著减轻。

6、本发明还公开了一种倒置扫描微波显微成像方法，是基于本发明的一种倒置扫描微波显微成像系统实现的，其步骤为：

7、s1、系统初始化：接通微波激励与响应采集模块，对微波传输线进行阻抗匹配，对样品侧激励电极进行工作频率范围设定，对扫描平台进行参考平面校准；

8、s2、样品安装：将待测样品置于样品侧激励电极的上表面；

9、s3、样品侧激励：微波激励与响应采集模块输出扫频微波信号或定频微波信号，经微波传输线传输至样品侧激励电极，在待测样品附近形成可控的微波电场分布；

10、s4、探针扫描：控制导电探针在待测样品表面上方以预设步距逐点扫描；

11、s5、信号采集与保存：微波激励与响应采集模块记录待测样品各扫描点处的反射参数s11，并提取反射参数s11的幅值a(x,y,f)、相位φ（x,y,f）、实部re[s(x,y,f)]和虚部im[s(x,y,f)]信息作为微波响应数据，并将微波响应数据按扫描位置对应关系进行保存；

12、s6、数据处理与成像：微波激励与响应采集模块将保存的微波响应数据输入数据处理模块，数据处理模块进行数据读取、坐标映射和成像显示处理，并根据各扫描位置的坐标关系生成局域微波响应图像。

13、优选的，s1中，样品侧激励电极的工作频率范围设定为1~20ghz。对于不同材料体系，也可根据测试需求选择其他频段。

14、优选的，s4中导电探针的扫描模式为接触模式、轻敲模式或非接触模式。导电探针与样品局域区域形成近场耦合，并引起相应微波响应变化。

15、优选的，s6中，还生成待测样品表面的幅值图和相位图。

16、本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下技术效果：本发明中微波激励不再通过导电探针主链路传输，有利于减小高频损耗、阻抗失配及探针个体差异对成像结果的影响；导电探针的机械扫描功能与微波激励功能分离，减小了寄生电容和寄生耦合对测量信号的影响，并提高重复扫描的一致性；样品侧激励电极适用于薄膜、二维材料、柔性器件和预制电极样品等多种样品类型，增强了系统的样品兼容性；本发明所述系统可扩展至低温、磁场、偏压调制及多频检测场景，有利于构建多物理场耦合的微波显微成像平台；本发明系统结构相对简化，便于系统集成与实施，有利于形成稳定的测试平台及可重复的成像流程。

1.一种倒置扫描微波显微成像系统，其特征在于，包括微波激励与响应采集模块（1）、样品侧激励电极（2）、导电探针（3）、扫描平台（4）以及数据处理模块（5）；微波激励与响应采集模块（1）通过微波传输线（6）与样品侧激励电极（2）相连，用于传输微波信号以及采集微波响应信号；待测样品（7）置于样品侧激励电极（2）上，样品侧激励电极（2）置于扫描平台（4）上，导电探针（3）位于待测样品（7）正上方用于扫描待测样品（7）；数据处理模块（5）与微波激励与响应采集模块（1）电连接，用于处理微波响应信号，以生成局域微波响应图像。

2.根据权利要求1所述的一种倒置扫描微波显微成像系统，其特征在于，样品侧激励电极（2）为微带线电极。

3.根据权利要求2所述的一种倒置扫描微波显微成像系统，其特征在于，导电探针（3）为金属镀层探针。

4.一种倒置扫描微波显微成像方法，其特征在于，是基于权利要求1~3所述的一种倒置扫描微波显微成像系统实现的，其步骤为：

5.根据权利要求4所述的一种倒置扫描微波显微成像方法，其特征在于，s1中，样品侧激励电极（2）的工作频率范围设定为1~20ghz。

6.根据权利要求5所述的一种倒置扫描微波显微成像方法，其特征在于，s4中导电探针（3）的扫描模式为接触模式、轻敲模式或非接触模式。

7.根据权利要求6所述的一种倒置扫描微波显微成像方法，其特征在于，s6中，还生成待测样品（7）表面的幅值图和相位图。