介电常数常用测量方法综述
介电常数常用测量方法综述
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摘要：介电常数测量技术在民用，工业以及军事等各个领域应用广泛。本文主要对介电常数测量的常用方法进行了综合论述。首先对国家标准进行了对比总结；然后分别论述了几种常用测量方法的基本原理、适用范围、优缺点及发展近况；最后对几种测量方法进行了对比总结，得出结论。
关键词：介电常数；国家标准；常用方法
1. 引言
介电常数是物体的重要物理性质，对介电常数的研究有重要的理论和应用意义。电气工程中的电介质问题、电磁兼容问题、生物医学、微波、电子技术、食品加工和地质勘探中，无一不利用到物质的电磁特性，对介电常数的测量提出了要求。目前对介电常数测量方法的应用可以说是遍及民用、工业、国防的各个领域。
在食品加工行业当中，储藏、加工、灭菌、分级及质检等方面都广泛采用了介电常数的测量技术。例如，通过测量介电常数的大小，新鲜果蔬品质、含水率、发酵和干燥过程中的一些指标都得到间接体现，此外，根据食品的介电常数、含水率确定杀菌时间和功率密度等工艺参数也是重要的应用之一[1]。
在路基压实质量检测和评价中，如果利用常规的方法，尽管测量结果比较准确，但工作量大、周期长、速度慢且对路面造成破坏。由于土体的含水量、温度及密度都会对其介电特性产生不同程度的影响，因此可以采用雷达对整个区域进行测试以反算出介电常数的数值，通过分析介电性得到路基的密度及压实度等参数，达到快速测量路基的密度及压实度的目的[2]。此外，复介电常数测量技术还在水土污染的监测中得到了应用[3]。并且还可通过对岩石介电常数的测量对地震进行预报[4]。
上面说的是介电常数测量在民用方面的部分应用，其在工业上也有重要的应用。典型的例子有低介电常数材料在超大规模集成电路工艺中的应用以及高介电常数材料在半导体储存器件中的应用。在集成电路工艺中，随着晶体管密度的不断增加和线宽的不断减小，互联中电容和电阻的寄生效应不断增大，传统的绝缘材料二氧化硅被低介电常数材料所代替是必然的。目前Applied Materials的Black Diamond作为低介电常数材料，已经应用于集成电路
的商业化生产[5]。在半导体储存器件中，利用高介电常数材料能够解决半导体器件尺寸缩小而导致的栅氧层厚度极限的问题，同时具备特殊的物理特性，可以实现具有特殊性能的新器件[6]。在军事方面，介电常数测量技术也广泛应用于雷达和各种特殊材料的制造与检测当中。
对介电常数测量技术的应用可以说是不胜枚举。介电常数的测量技术已经广泛应用于民用、工业和国防各个领域，并且有发展的空间和必要性。我们对测量介电常数的方法进行总结，能更清晰的认识测量方法的现状，为某些应用提供一种可能适合的方法，是有一定理论和工程应用意义的。
2. 介电常数测量方法综述
介电常数的测量按材质分类可以分为对固体、液体、气体以及粉末(颗粒)的测量[7]。固体电介质在测量时应用最为广泛，通常可以分为对固定形状大小的固体和对形状不确定的固体的测量。相对于固体，液体和气体的测试方法较少。对于液体，可以采用波导反射法测量其介电常数，误差在5%左右[8]。此外国家标准中给出了在90℃、工频条件下测量液体损耗角正切及介电常数的方法[9]。对于气体，具体测试方法少且精度都不十分高。文献[10]中给出一种测量方法，以测量共振频率为基础，在LC串联谐振电路中产生震荡，利用数字频率计测量谐振频率，不断改变压强和记录当前压强下谐振频率，最后用作图或者一元线性回归法处理数据，得到电容变化率进而计算出相对介电常数。
表1是测量固体介电常数的国家标准方法(不包括废止的方法)及其对频率、介电常数范围、材料等情况的要求。
表1. 测量固体介电常数国家标准方法[9,11-25]
如表1所示，国家标准中已经对微扰法和开式腔法的过程做了详细介绍，然而对适用频率和介电常数的范围都有所限制。所以在不同材料，不同频率的情况下，国家标准也给出了相应的具体测量方法。可见，上面所分析的方法并不是可以随便套用的。在不同的系统、测量不同的材料、所要求的频率不同的情况下，需要对其具体问题具体分析，这样才能得出最准确的方法。国家标准测量方法覆盖的频率为50 MHz以下和100 MHz到30 GHz，可以说是一个较广的频率覆盖范围，但是不同范围适用的材料和环境等都有所不同。介电常数的覆盖范围是2到100，接近1的介电常数和较高介电常数的测量方法比较稀缺，损耗普遍在10-3到10-4的数量级上。
3. 测量介电常数的几种主要方法
从总体来说，目前测量介电常数的方法主要有集中电路法、传输线法、谐振法、自由空间波法等等。其中，传输线法、集中电路法、谐振法等属于实验室测量方法，测量通常是在实验室中进行，要求具有相应的样品采集技术。另外对于已知介电常数材料发泡后的介电常数通常用经验公式得到[26]。下面，分别对这几种方法的原理、特点和发展现状等做分别阐述。
3.1. 集中电路法
集中电路法是一种在低频段将有耗材料填充电容，利用电容各参数以及测量得到的导纳推出介电常数的一种方法。其原理公式为：
(1)
其中，Y为导纳，A为电容面积，d为极板间距离，ε0为空气介电常数，ω为角频率。
为了测量导纳，通常用并联谐振回路测出Q值(品质因数)和频率，进而推出介电常数。由于其最高频率会受到最小电感的限制，这种方法的最高频率一般是100 MHz。最小电感一般为10 nHz左右。如果电感过小，高频段杂散电容影响太大。如果频率过高，则会形成驻波，改变谐振频率同时辐射损耗骤然增加。但这种方法并不适用于低损材料。因为这种方法能测得的Q值只有200左右，使用网络分析仪测得tanδ也只在10-4左右。这种方法不但准确度不高，而且只能测量较低频率，在现有通信应用要求下已不经常应用。
3.2. 传输线法
传输线法是网络法的一种，是将介质置入测试系统适当位置作为单端口或双端口网络。双端口情况下，通过测量网络的s参数来得到微波的电磁参数。图1为双端口传输线法的原理示意图。
图1. 双端口传输线法原理示意图
传输系数用Γs表示，为
(2)
其中，Γ表示空气样品的反射系数，γ为传播系数，l为样品长度。反射系数可以表示为
(3)
其中f0是无样品时传输线的截止频率，对于TEM模传输线，f0=0。γ表示为
(4)
可以求出：
(5)
其中ΓB为反射系数。
同时测量传输系数或者反射系数的相位和幅度，改变样品长度或者测量频率，测出这时的幅度响应，联立方程组就能够求出相对介电常数。
单端口情况下，通过测量复反射系数Γ来得到材料的复介电常数。因此常见的方法有填充样品传输线段法、样品填充同轴线终端法和将样品置于开口传输线终端测量的方法[27]。第一种方法通过改变样品长度及测量频率来测量幅度响应，求出εr。这种方法可以测得传输波和反射波极小点随样品长度及频率的变换，同时能够避免复超越方程和的迭代求解。但这一种方法仅限于低、中损耗介质，对于高损耗介质，样品中没有多次反射。传输线法适用于εr较大的固体及液体，而对于εr比较小的气体不太适用。
早在2002年用传输反射法就能够实现对任意厚度的样品在任意频率上进行复介电常数的稳定测量。NRW T/R法(即基于传输/反射参数的传输线法)的优势是简单、精度高并且适用于波导和同轴系统。但该方法在样品厚度是测量频率对应的半个波导波长的整数倍时并不稳定。同时此方法存在着多值问题，通常选择不同频率或不同厚度的样品进行测量较浪费时间并且不方便。此外就是对于极薄的材料不能进行高精度测量[28]。反射法测量介电常数的
最早应用是Decreton和Gardial在1974年通过测量开口波导系统的反射系数推导出待测样品的介电常数。同轴反射法是反射法的推广和深化，即把待测样品等效为两端口网络，通过网络分析仪测量该网络的散射系数，据此测试出材料的介电常数。结果显示，同轴反射法在测量高损耗材料介电常数上有一定可行性，可以测量和计算大多数高损耗电介质的介电常数，对谐振腔法不能测量高损耗材料介电常数的情况有非常大的补充应用价值[29]。2006年又提出了一种测量低损耗薄膜材料介电常数的标量法。该方法运用了传输线法测量原理，首先测量待测介质损耗，间接得出反射系数，然后由反射系数与介电常数的关系式推出介质的介电常数。其薄膜可以分为低损耗、高损耗和高反射三类，通过实验证明了三种薄膜的损耗随频率改变基本呈相同的变化趋势，高频稍有差别，允许误差范围内可近似。该方法切实可行，但不适用于测量表面粗糙的介质[30]。近几年有人提出了新的确定Ka波段毫米波损耗材料复介电常数的磁导率的测量方法并给出了确定样品的复介电常数及磁导率的散射方程。此方法有下列优点：1) 计算复介电常数及磁导率方程组是去耦合的，不需要迭代；2) 被测量的频率范围比较宽；3) 与传统方法相比消除了介电常数测量对样品长度和参考面的位置的依赖性；4) 消除了NRW方法在某些频点测量的不确定性[31]。还有人将椭圆偏振法的电磁频谱从可见光、红外光扩展到毫米波段。椭圆偏振法用测量样品反射波或者投射波相对于入射波偏振状态的改变来计算光电特性和几何参数。毫米波椭圆偏振法得到的复介电常数的虚部比实部低，即计算得到的虚部有一定误差，但它对椭圆偏振法的进一步研究提供了重要的参考依据[32]。
3.3. 谐振法
谐振法是将样品作为谐振结构的一部分来测量介电常数的方法，分为微扰法、全部填充谐振器空间的方法以及部分填充谐振器空间的方法。全部填充可以用公式(6)来计算
(6)
其中ε’是复介电常数实部，ε’’是复介电常数虚部，Q是品质因数，tanδ是损耗角正切，f0是无样品时的谐振频率。
部分填充主要是为了减小样品尺寸以及材料对于谐振器参数的影响，难以进行精确地计算，一般用于矫正。
微扰法要求相对较小的尺寸，并且相对频偏要小于0.001，这种情况下其具体尺寸形状可用填充因子s表示：
(7)
其中f0是无样品时的谐振频率，Q L是品质因数，εr是相对介电常数，A(εr)是联系相对介电常数以及微扰腔参数的函数。
此时不论形状尺寸如何，只要得到填充因子s即可方便求出相对介电常数。利用此方法可以测量几乎所有的材料的介电常数，但是在校准时要求采用同一形状。在频率上区分，当频率高于1 GHz时，可以用波导腔测量介电常数，但是当频率高于10 GHz时，由于基模腔太小等原因，对于介电常数的测量提出了新的挑战。谐振法的具体方法有很多，如：矩形腔法、谐振腔微扰法、微带线谐振器法、带状线谐振器法、介质谐振器法、高Q腔法等。近年来对于谐振法又有新的方法不断出现和改善。
圆柱腔测量介电常数法是我国在1987年推出的测量介电常数的方法，经过了对测试夹具的研究和开发及对开缝腔体的研究，测试结果更为准确。其频率测试范围大约为1~10 GHz[33]。此外，关于开放腔方法的改进也非常全面和成熟。开放腔方法中广泛应用了两块很大平型金属板中圆柱介质构成截止开腔的方法，其对于相对介电常数εr的测量相对准确，但对于损耗角tanβ的测量误差比较大。2006年有人提出截止波导介质腔测量介电常数，可同时测量微波损耗和介电常数，但只能够用来测量相对介电常数大于10的样品[34]。同时，因为平行板开式腔法会有一部分能量顺着馈线和上下金属板之间的结构传输形成辐射损耗，有人提出通过在馈电侧上下金属板间增加短路板用来阻止辐射损耗，并且设计制作了相应系统，可以通过单端口工作，对圆柱形介质进行测试[35]。近两年出现了很多对于开式腔的改进和发展。由三十八所和东南大学合作的开式腔法自动测量系统，不仅操作简便，而且其测量的相对介电常数以及损耗正切的不确定度小于0.17%和20.4%。此外有人提出准光腔法在毫米波和亚毫米波中的应用有高Q值、使用简便、不损伤薄膜、灵敏度高、样品放置容易、能检测大面积介质复介电常数均匀性等多项优点，但依然只能在若干分离频率点上进行测量[36]。总而言之，谐振法基本可以测量所有频率范围内的材料的介电常数，但是现有方
法中对毫米波范围研究居多；具有单模性能好、Q值高、腔加工和样品准备简单、操作方便以及测量精度高等优点；但是对于损耗正切的测量一直不能十分准确，同时一般只能在几个分离的频率点上进行测量；同时因为谐振频率和固有品质可以较准确测量，非常适用于对低损耗介质材料的测量。谐振法的技术已经比较完善，但是依然有不足之处：如何确保单频点法的腔长精确性长期被忽略；提取相对介电常数的超越方程存在多值解；依然有较多误差源等[37]。
3.4. 自由空间法
自由空间法其实也可算是传输线法。它的原理可参考线路传输法，通过测得传输和反射系数，改变样品数据和频率来得到介电常数的数值。图2为其示意图。
图2. 自由空间法原理示意图
自由空间法与传输线法有所不同。传输线法要求波导壁和被测材料完全接触，而自由空间法克服了这个缺点[38]。自由空间法保存了线路传输法可以测量宽频带范围的优点。自由空间法要求材料要有足够的损耗，否则会在材料中形成驻波并且引起误差。因此，这种方法只适用于高于3 GHz的高频情况。其最高频率可以达到100 GHz。
3.5. 六端口测量技术
另外，还有一种方法为六端口测量技术。其测量系统如图3。
图3. 六端口测量系统
在未填充介质样品时，忽略波导损耗，短路段反射系数Γl0 = -1，参考面反射系数为
(8)
其中β0为空气波导中的传播常数。
将介质紧贴电路板填充，测得反射系数Γ1，有
(9)
由传输线理论可知
(10)
用Z oε表示样品填充波导的特性阻抗，γ为其复传播常数，则样品由终端短路，有
(11)
由(8)-(11)式消去s参数得到
(12)
其中，在波导中对于主模TE10，，带入式整理得到
(13)
其中γ=α+jβ，α是介质填充波导的衰减常数，β是介质填充波导的相位常数，解上述方程(13)得出α、β，代入下列公式。
(14)
(15)
即求出相对介电常数ε以及介质损耗正切tanβ。其中λ0是自由空间的波长，a是波导宽边尺寸[39]。
六端口技术是20世纪70年代发展起来的一项微波自动测量技术，具有造价低廉和结构简单等优点。目前六端口技术广泛应用于安全防护、微波计量和工业在线测量中。六端口技术是一种通过测量标量来替代测量矢量的方法，用对幅度的测量来替代对相位的测量[40]。因此其对设备精度和复杂度的要求都有所下降。同时六端口技术在与计算机控制接口连接的实现上显现出了很大的优势，有利于微波阻抗和网络参数的自动测量。
早在20世纪90年代，我国的学术界就提出了许多校验方法，并设计出了精度较高的自动测量系统，提出了选用测量低损耗介质的微波探头的建议[41,42]。最近几年六端口技术仍在不断地发展和完善。学术界提出了许多新的解超越方程的方法。同时开始采用Matlab 解超越方程，采用Labview做人机界面，将Matlab嵌入其中[43]。总而言之，六端口网络可以在宽频率范围内进行测量，目前NIsT实验室的六端口系统可以测量10 MHz到100 GHz 的频率范围；六端口网络具有较高的精度，对s参数的测量可以达到点频手动测量的水准；与自动网络分析仪比较，结构简单，成本低，体积小；可以通过计算机及其软件对测量进行优化和计算，更利于实现自动化。
3.6. 测量方法总结
将上述方法的适用场合、优缺点可以简单总结成表2。
表2. 测量介电常数方法总结
4. 结论
介电常数的测量技术已经被应用于生产生活的各个方面，其测量的标准也十分明确。国家标准中能够测量的频率范围已经覆盖50 MHz以下及100 M到30 GHz。但是其对测试材料种类以及介电常数和损耗角的数值范围有明确规定，使得各种标准能够应用的范围不是很广泛。而就测量方法而言，几种主要的测量方法各有利弊。集中电路法适用于低频情况；传输线法频率覆盖范围较广，适用于介电常数较大的材料，其多数方法对于高损和薄膜等材料不太适用，方法简单准确；谐振法只能在有限频率点下进行测量，适用于低损材料，方法简单准确、单模性好；自由空间法准确性相对较差，但是可以实现实地测量；六端口网络法精度高，六端口网络造价低廉，频率覆盖范围广，更适用于以后多种多样的测量情况的需要，但是没有具体的标准可以参考。可见，并不存在一种方法可以完全代替其他方法，不同的方法都有自己的优点和缺点，在不同的情况下选择具体的方法是十分有必要的。
5. 结束语
现今介电常数的测量技术现在正在不断进步和日益完善，对于其测量方法的总结是希望读者对其有更加清晰系统的认识并且能遇见未来可能的发展趋势。当然，不同的工程要求和实验环境要有具体的测量方法，不可以照葫芦画瓢，生搬硬套。相信随着电子科技和通信行业的发展，会有更多更好的测量介电常数的方法出现，为我们的日常生活、工业发展和军事进步做出更重大的贡献。
参考文献(References)
[1] 赵婷, 周修理, 李艳军等. 食品物料介电常数的研究与应用[J].农机化研究, 2012,5(5):233-236
[2] 徐平, 蔡迎春, 王复明. 介电常数在路基压实质量检测与评价中的应用[J]. 路基工程, 2008, 2: 26-28.
[3] 刘永成, 李杰, 田跃等. 复介电常数在水土污染监测中的应用研究[J]. 环境科学与技术, 2006, 8(29): 34-36.
[4] 陈有发. 介电常数在地震预报中应用的可能性[J]. 西北地震学报, 1988, 10(4): 94, 95.
[5] 赵智彪, 许志, 利定东. 低介电常数材料在超大规模集成电路工艺中的应用[J]. 半导体技术, 2004,29(2):4-6,45.
[6] 邵天奇, 任天令, 李春晓等. 高介电常数材料在半导体存储器件中的应用[J]. 固体电子学研究与进展, 2002, 22(3):312-317.
[7] 张治文, 任越青, 杨百屯等. 粉末介质介电常数的测量[J]. 绝缘材料通讯, 1989,(2):28-32.
[8] 邓京川, 王魁香, 陆国会. 液体介电常数的微波测量[J]. 物理实验, 1996, 16(3): 104-105.
[9] SJT 1147-1993，电容器用有机薄膜介质损耗角正切值和介电常数试验方法[S]. 1993.
[10] 张皓晶, 石睿, 杨卫国, 谢雪冰, 张雄. 气体相对介电常数r的测量[J]. 云南师范大学学报, 2005,25(1):14-16.
[11] GBT 1693-2007, 硫化橡胶介电常数和介质损耗角正切值的测定方法[S]. 2007.
[12] GBT 5597-1999, 固体电介质微波复介电常数的测试方法[S]. 1999.
[13] GBT 6113.2-1998, 无线电骚扰和抗扰度测量方法[S]. 1998.
[14] GBT 7265.1-1987, 固体电介质微波复介电常数的测试方法微扰法[S]. 1987. GBT 7
[15] 265.2-1987,固体电介质微波复介电常数的测试方法“开式腔”法[S]. 1987.
[16] GBT 11297.11-1989, 热释电材料介电常数的测试方法[S]. 1989.
[17] GBT 11310-1989, 压电陶瓷材料性能测试方法相对自由介电常数温度特性的测试[S].1989.
[18] GBT 12636-1990, 微波介质基片复介电常数带状线测试方法[S]. 1990.
[19] QJ 1990.3-1990, 电绝缘粘合剂电性能测试方法工频、高频下介质损耗角正切及相对介电常数的测量[S]. 1990.
[20] SJ 20512-1995, 微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法[S]. 1995
[21] SJT 10142-1991, 电介质材料微波复介电常数测试方法同轴线终端开路法[S]. 1991.
[22] SJT 10143-1991 固体电介质微波复介电常数测试方法重入腔法[S]. 1991.
[23] SJT 11043-1996, 电子玻璃高频介质损耗和介电常数的测试方法[S]. 1996.
[24] SYT 6528-2002, 岩样介电常数测量方法[S]. 2002.
[25] GB 5654-1985,液体绝缘材料工频相对介电常数、介质损耗因数和体积电阻率的测量[S]. 1985.
[26] 洪伟年(译). 泡沫塑料的相对介电常数[J]. 藤仓电线技报,1984, 12(8): 71-79.
[27] 张晓萍. 测量复介电常数的一种新方法[J]. 测量复介电常数的一种新方法, 1997, 12(4): 60-62.
[28] 田步宁,杨德顺,唐家明等.传输/反射法测量复介电常数的若干问题[J].电波科学学报,2002,17(1):10-15.
[29] 陈维, 姚熹, 魏晓勇. 同轴传输反射法测量高损耗材料微波介电常数[J]. 功能材料, 2005, 9(36):1356-1358.
[30] 栾卉, 赵凯. 测量低损耗薄膜材料介电常数的标量法[J]. 电波科学学报, 2006, 21(5): 777-781.
[31] 薛谦忠, 左元, 韩冰等. 复介电常数和磁导率测量的新方法[J]. 微波学报, 2010, 8: 585-587.
[32] 李素萍, 王子华, 张友俊等. 毫米波椭偏法测量介质的复介电常数[J]. 上海大学
学报(自然科学版), 2010,16(4):371-375.
[33] 徐汝军, 李恩, 周杨等. TM0n0圆柱腔测量介质复介电常数[J]. 宇航材料工艺, 2010, 5: 84-86
[34] 徐江峰, 陈秋灵, 倪尔瑚. 截止波导介质腔介电常数测量理论与方法研究[J]. 仪
器仪表学报, 2006, 27(10): 1322-1325.
[35] 吴昌英, 丁君, 韦高等. 一种微波介质谐振器介电常数测量方法[J]. 测控技术, 2008, 27(6): 95-97.
[36] 于海涛, 吴亮, 李国辉. 测量介质材料复介电常数的准光腔法[J]. 材料开发与应用, 2010, 25(3): 54-56.
[37] 桂勇锋, 窦文斌, 姚武生等. 毫米波段复介电常数测量的开放腔法改进[J]. 微波
学报, 2010, 26(3): 38-43.
[38] 李纪鹏, 龚勋, 蔡树棒. 开口波导法无损测量微波集成电路基片复介电常数[J]. 微波
学报, 1999, 15(4): 317-322.
[39] 彭胜, 许家栋, 韦高等. 六端口反射计测量复介电常数的改进方法[J]. 测量与校准, 2007, 27(2): 27-29.
[40] 孔繁敏, 陈罡午, 李康等. 微带六端口介电常数在线测量系统[J]. 微波学报, 1997, 13(4): 301-306.
[41] 孔繁敏, 陈罡午, 李康等. 用六端口和开口同轴线测量介电常数的一种校准方法[J]. 电子学报, 1996,24(3):74-75.
[42] 孔繁敏, 陈罡午, 李康等. 六端口介电常数测量系统自校正的研究[J]. 山东大学
学报, 1997, 32(4): 425-430.
[43] 曹玉婷, 张安祺, 尹秋艳. 基于Matlab的介电常数测量[J]. 舰船电子工程, 2008, 28(4): 140-143.
介电常数
一些溶剂的介电常数
介电常数(Dielectric constants) 表1列出常见气体在20℃，101 325 Pa条件下的介电常识（ε）。 数据中的有效数字表示测试精度，其中Ar，H2，He，N2，O2，CO2等被推荐为参比数据，其精度为百万分之一或更高。 1 气体的介电常数（Dielectric constants of gases） 表1 气体的介电常数 Table 1 Dielectric constants of gases
2 饱和水蒸气的介电常数（Dielectric constants of saturated water vapor） 表2给出不同温度下的液态水成平衡的水蒸气的介电常数。 表2 饱和水蒸气的介电常数 Table 2 Dielectric constants of saturated water vapor 3 液体的介电常数（Dielectric constants of liquid） 表3给出常见液体在指定温度下的介电常数（ε），测试压力为101325Pa。 加*表示测试压力为液体的饱和蒸气压（该温度下其饱和蒸气压大于101325Pa）。 表3 液体的介电常数 Table3 Dielectric constants of liquid
3 He 氦-269 1.408 I2 碘118 11.1 NH3 氨-77 25 N2氮-195 1.433 N2H4 肼20 52.9 N2O 一氧化二氮0 1.61
CH2Br2 二溴甲烷10 7.77 CH2Cl2二氯甲烷20 9.08 CH2I2二碘甲烷25 5.32 CH2O2甲酸16 58.5 CH3Br 溴甲烷0 9.82 CH3Cl 氯甲烷-20 *12.6 CH3I 碘甲烷20 7.00
电介质的电学性能及测试方法
电介质材料的电性包括介电性、压电性、铁电性和热释电性等。 1介电性、 介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中电场与原外加电场（真空中） 的比值即为相对介电常数，又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。 介电常数又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用ε表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。对介电常数越小即某介质下的电容率越小，应该更不绝缘。来个极限假设，假设该介质为导体，此时电容就联通了，也就没有电容，电容率最小。介电常数是物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量。介电常数随分子偶极矩和可极化性的增大而增大。在化学中，介电常数是溶剂的一个重要性质，它表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离子的能力。介电常数大的溶剂，有较大隔开离子的能力，同时也具有较强的溶剂化能力。 科标检测介电常数检测标准如下： GB11297.11-1989热释电材料介电常数的测试方法 GB11310-1989压电陶瓷材料性能测试方法相对自由介电常数温度特性的测试 GB/T12636-1990微波介质基片复介电常数带状线测试方法 GB/T1693-2007硫化橡胶介电常数和介质损耗角正切值的测定方法 GB/T2951.51-2008电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第51部分：填充膏专用 试验方法滴点油分离低温脆性总酸值腐蚀性23℃时的介电常数23℃和100℃时的直 流电阻率 GB/T5597-1999固体电介质微波复介电常数的测试方法 GB/T7265.1-1987固体电介质微波复介电常数的测试方法微扰法 GB7265.2-1987固体电介质微波复介电常数的测试方法“开式腔”法 SJ/T10142-1991电介质材料微波复介电常数测试方法同轴线终端开路法 SJ/T10143-1991固体电介质微波复介电常数测试方法重入腔法 SJ/T11043-1996电子玻璃高频介质损耗和介电常数的测试方法 SJ/T1147-1993电容器用有机薄膜介质损耗角正切值和介电常数试验方法 SJ20512-1995微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法 SY/T6528-2002岩样介电常数测量方法 服务范围：老化测试、物理性能、电气性能、可靠性测试、阻燃检测等 介电性能 介电材料（又称电介质）是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负 电荷重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用。极化指在外加电场作用下，构成电介质材料的内部微观粒子，如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离，并沿着外部电场的方向在一定的范围内做短距离移动，从而形成偶极子的过程。极化现象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有四种极化机制：电子极化(electronic polarization，1015Hz)，离子极化(ionic polarization，1012～1013Hz)，转向极化(orientation polarization，1011～1012Hz)和 空间电荷极化(space charge polarization，103Hz)。这些极化的基本形式又分为位 移极化和松弛极化，位移极化是弹性的，不需要消耗时间，也无能量消耗，如电子位移极化和离子位移极化。而松弛极化与质点的热运动密切相关，极化的建立
PCB介电常数知识
1、我们常用的PCB介质是FR4材料的，相对空气的介电常数是4.2-4.7。这个介电常数是会随温度变化的，在0-7 0度的温度范围内，其最大变化范围可以达到20%。介电常数的变化会导致线路延时10%的变化，温度越高，延时越大。介电常数还会随信号频率变化，频率越高介电常数越小。100M以下可以用4.5计算板间电容以及延时。 2、一般的FR4材料的PCB板中内层信号的传输速度为180ps/inch(1inch=1000mil=2.54cm)。表层一般要视情况而定，一般介于140与170之间。 3、实际的电容可以简单等效为L、R、C串联，电容有一个谐振点，在高频时(超过这个谐振点)会呈现感性，电容的容值和工艺不同则这个谐振点不同，而且不同厂家生产的也会有很大差异。这个谐振点主要取决于等效串联电感。现在的比如一个100nF的贴片电容等效串联电感大概在0.5nH左右，ESR(等效串联电阻)值为0.1欧，那么在24M 左右时滤波效果最好，对交流阻抗为0.1欧。而一个1nF的贴片电容等效电感也为0.5nH(不同容值差异不太大)，E SR为0.01欧，会在200M左右有最好的滤波效果。为达好较好的滤波效果，我们使用不同容值的电容搭配组合。但是，由于等效串联电感与电容的作用，会在24M与200M之间有一个谐振点，在这个谐振点上有最大阻抗，比单个电容的阻抗还要大。这是我们不希望得到的结果。（在24M到200M这一段，小电容呈容性，大电容已经呈感性。两个电容并联已经相当于LC并联。两个电容的ESR值之和为这个LC回路的串阻。LC并联的话如果串阻为0，那么在谐振点上会有一个无穷大的阻抗，在这个点上有最差的滤波效果。这个串阻反倒会抑制这种并联谐振现象，从而降低LC谐振器在谐振点的阻抗）。为减轻这个影响，可以酌情使用ESR大些的电容。ESR相当于谐振网络里的串阻，可以降低Q值，从而使频率特性平坦一些。增大ESR会使整体阻抗趋于一致。低于24M的频段和高于200M的频段上，阻抗会增加，而在24M与200M频段内，阻抗会降低。所以也要综合考虑板子开关噪声的频带。国外的一些设计有的板子在大小电容并联的时候在小电容(680pF)上串几欧的电阻，很可能是出于这种考虑。(从上面的参数看，1nF的电容Q值是100nF电容Q值的10倍。由于手头没有来自厂商的具体等效串感和ESR的值，所以上面例子的参数是根据以往看到的资料推测的。但是偏差应该不会太大。以往多处看到的资料都是1nF和100nF的瓷片电容的谐振频率分别为100M和10M，考虑贴片电容的L要小得多，而又没有找到可靠的值，为讲着方便就按0.5nH计算。如果大家有具体可靠的值的话，还希望能发上来^_^) 介电常数（Dk, ε，Er）决定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低，信号传送速度越快。我们作个形象的比喻，就好想你在海滩上跑步，水深淹没了你的脚踝，水的粘度就是介电常数，水越粘，代表介电常数越高，你跑的也越慢。 介电常数并不是非常容易测量或定义，它不仅与介质的本身特性有关，还与测试方法，测试频率，测试前以及测试中的材料状态有关。介电常数也会随温度的变化而变化,有些特别的材料在开发中就考虑到温度的因素.湿度也是影响介电常数的一个重要因素,因为水的介电常数是70,很少的水分,会引起显著的变化. 以下是一些典型材料的介电常数(在1Mhz下)：
介电常数的测量
《大学物理》实验报告 学院： 专业： 姓名： 学号： 实验题目：介电常数的测量 实验目的：1．掌握固体、液体电介质相对介电常数的测量原理及方法 2．学习减小系统误差的实验方法 3．学习用线性回归处理数据的方法。 实验原理:用两块平行放置的金属电极构成一个平行板电容器，其电容量为： D S C ε= D 为极板间距，S 为极板面积，ε即为介电常数。材料不同ε也不同。在真空中的介电常数为 0ε，m F /1085.8120-?=ε。 考察一种电介质的介电常数，通常是看相对介电常数，即与真空介电常数相比的比值r ε。 如能测出平行板电容器在真空里的电容量C 1及充满介质时的电容量C 2，则介质的相对介电常数即为 1 2 r C C ε= 然而C 1、C 2的值很小，此时电极的边界效应、测量用的引线等引起的分布电容已不可忽略，这些因素将会引起很大的误差，该误差属系统误差。本实验用电桥法和频率法分别测出固体和液体的相对介电常数，并消除实验中的系统误差。 1． 用电桥法测量固体电介质相对介电常数 将平行板电容器与数字式交流电桥相连接，测出空气中的电容C 1和放入固体电介质后的电容C 2。 1101C C C C 分边++= 222C C C C 分边串++= 其中C 0是电极间以空气为介质、样品的面积为S 而计算出的电容量： D S C 00ε= C 边为样品面积以外电极间的电容量和边界电容之和，C 分为测量引线及测量系统等引起的分
布电容之和，放入样品时，样品没有充满电极之间，样品面积比极板面积小，厚度也比极板的间距小，因此由样品面积内介质层和空气层组成串联电容而成C 串，根据电容串联公式有： (D-t) εt S εεt S εεt D S εt S ε εD-t S εC r r r r +=+-? =0 0000串 当两次测量中电极间距D 为一定值，系统状态保持不变，则有21C C 边边=、21C C 分分=。 得：012C C C C +-=串 最终得固体介质相对介电常数：t) (D C S εt C ε r --?= 串0串 该结果中不再包含分布电容和边缘电容，也就是说运用该实验方法消除了由分布电容和边缘效应引入的系统误差。 2． 线性回归法测真空介电常数0ε 上述测量装置在不考虑边界效应的情况下，系统的总电容为：分0 0C D S εC += 保持系统分布电容不变，改变电容器的极板间距D ，不同的D 值，对应测出两极板间充满空气时的电容量C 。与线性函数的标准式BX A Y +=对比可得：C Y =，分C A =， 00S B ε=，D 1 X = ，其中S 0为平行板电容极板面积。用最小二乘法进行线性回归，求得分布电容C 分和真空介电常数0ε（空εε≈0）。 3．用频率法测定液体电介质的相对介电常数 所用电极是两个容量不相等并组合在一起的空气电容，电极在空气中的电容量分别为C 01和C 02，通过一个开关与测试仪相连，可分别接入电路中。测试仪中的电感L 与电极电容和分布电容等构成LC 振荡回路。振荡频率为： LC 2π1 f =，或 22 2 241f k Lf C ==π 其中分C C C 0+=。测试仪中电感L 一定，即式中k 为常数，则频率仅随电容C 的变 化而变化。当电极在空气中时接入电容C 01，相应的振荡频率为f 01 ，得：2012 01f k C C =+分， 接入电容C 02，相应的振荡频率为f 02 ，得：202 2 02f k C C =+分
材料的介电常数和磁导率的测量
无机材料的介电常数及磁导率的测定 一、实验目的 1. 掌握无机材料介电常数及磁导率的测试原理及测试方法。 2. 学会使用Agilent4991A 射频阻抗分析仪的各种功能及操作方法。 3. 分析影响介电常数和磁导率的的因素。 二、实验原理 1.介电性能 介电材料（又称电介质）是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负电荷重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用。极化指在外加电场作用下，构成电介质材料的内部微观粒子，如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离，并沿着外部电场的方向在一定的范围内做短距离移动，从而形成偶极子的过程。极化现象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有四种极化机制：电子极化 (electronic polarization ，1015Hz)，离子极化 (ionic polarization ，1012～1013Hz)，转向极化 (orientation polarization ，1011～1012Hz)和空间电荷极化 (space charge polarization ，103Hz)。这些极化的基本形式又分为位移极化和松弛极化，位移极化是弹性的，不需要消耗时间，也无能量消耗，如电子位移极化和离子位移极化。而松弛极化与质点的热运动密切相关，极化的建立需要消耗一定的时间，也通常伴随有能量的消耗，如电子松弛极化和离子松弛极化。 相对介电常数（ε），简称为介电常数，是表征电介质材料介电性能的最重要的基本参数，它反映了电介质材料在电场作用下的极化程度。ε的数值等于以该材料为介质所作的电容器的电容量与以真空为介质所作的同样形状的电容器的电容量之比值。表达式如下： A Cd C C ?==001εε （1） 式中C 为含有电介质材料的电容器的电容量；C 0为相同情况下真空电容器的电容量；A 为电极极板面积；d 为电极间距离；ε0为真空介电常数，等于8.85×10-12 F/m 。 另外一个表征材料的介电性能的重要参数是介电损耗，一般用损耗角的正切（tanδ）表示。它是指材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应
介电常数的测定 (4)
介电常数的测定 0419 PB04204051 刘畅畅 实验目的 了解多种测量介电常数的方法及其特点和适用范围，掌握替代法，比较法和谐振法测固体电介质介电常数的原理和方法，用自己设计与制作的介电常数测试仪，测量压电陶瓷的介电常数。 数据处理与分析 （一）原理：介质材料的介电常数一般采用相对介电常数r ε来表示，通常采用测量样品的电容量，经过计算求出r ε，它们满足如下关系： 00r Cd S εεεε= = 式中ε为绝对介电常数，0ε为真空介电常数，12 08.8510/F m ε-=?，S 为样品的有效面积，d 为样品的厚度，C 为被测样品的电容量，通常取频率为1kHz 时的电容量C 。 （二）实验过程及数据处理 压电陶瓷尺寸： 直径： 0.9524.7840.063D mm v mm == 厚度： 0.950.2720.043H mm v mm == 一．根据所给仪器、元件和用具，采用替代法设计一台简易的介电常数测试仪，测量压电陶瓷的介电常数r ε。 在实验中采用预习报告中的图()a 连接电路，该电路为待测电容Cx 、限流电阻0R 、安培计与信号源组成的简单串联电路。接入Cx ，调节信号源频率和电压及限流电阻0R ，使安培计读数在毫安范围内恒定（并保持仪器最高的有效位数），记下Ix 。再换接入Cs ，调节Cs 与Rs ，使Is 接近Ix 。若Cx 上的介电损耗电阻Rx 与标准电容箱的介电损耗电阻Rs 相接近，即Rx Rs ≈，则Cx Cs =。 测得的数据如下： 输出频率 1.0002~1.0003kHz 输出电压 20V
Ix=1.5860mA Is=1.5872mA Cs=0.0367F R=1000μΩ Is Ix ≈。此时Rx Rs ≈，有Cx Cs ≈。所以Cx = Cs = 0.0367 F μ。 63 212 2 2 30012 00.0367100.272102339.264024.784108.8510 3.1422r Cd CH C N m S D εεεεεπ------???=== = =?????????? ? ? ?? ?? 二．用比较法设计一台简易的介电常数测试仪，测量压电陶瓷的介电常数r ε。 在Rx Rs ≈的条件下，测量Cx 与Cs 上的电压比Vs Vx 即可求得Cx ： Vs Cx Cs Vx =? （Vs 可以不等于Vx ） 测得的数据如下： 输出频率 1.0003~1.0004kHz 输出电压 20V Vx = 3.527V Vs = 3.531V Cs = 0.0367F R = 1000μΩ Rx Rs ≈。Cx 与Cs 上的电压比 3.5270.9988673.531 Vs Vx == 683.527 0.036710 3.6658103.531 Vs Cx Cs F Vx --∴=?=??=? 83 212 2 2 30012 0 3.6658100.272102336.586924.784108.8510 3.1422r Cd CH C N m S D εεεεεπ------???=== = =?????? ???? ? ? ?? ?? 三．用谐振法设计一台简易的介电常数测试仪，测量压电陶瓷的介电常数r ε。 由已知电感L （取1H ），电阻R （取1k Ω）和待测电容Cx 组成振荡电路，改变信号源频率使RLC 回路谐振，伏特计上指示最大，则电容可由下式求出： 22 14Cx f L π= 式中f 为频率，L 为已知电感，Cx 为待测电容。
常见物质介电常数汇总知识交流
常见物质介电常数汇 总
精品资料 Sir-20说明书普通材料的介电值和术语集材料介电值速度毫米/纳秒 空气 1 300 水淡81 33 水咸81 33 极地雪 1.4 - 3 194 - 252 极地冰 3 - 3.15 168 温带冰 3.2 167 纯冰 3.2 167 淡水湖冰 4 150 海冰 2.5 - 8 78 - 157 永冻土 1 - 8 106 - 300 沿岸砂干燥10 95 砂干燥 3 - 6 120 - 170 砂湿的25 - 30 55 - 60 粉沙湿的10 95 粘土湿8 - 15 86 - 110 粘土土壤干 3 173 沼泽12 86 农业耕地15 77 畜牧土地13 83 土壤平均16 75 花岗岩 5 - 8 106 - 120 石灰岩7 - 9 100 - 113 白云岩 6.8 - 8 106 - 115 玄武岩湿8 106 泥岩湿7 113 砂岩湿 6 112 煤 4 - 5 134 - 150 石英 4.3 145 混凝土 6 - 8 55 - 112 沥青 3 - 5 134 - 173 聚氯乙烯 pvc 3 173 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
常见物质的相对介电常数值和电磁波传播速度(RIS-K2说明书) 常见介质的相对介电常数—网上搜集
------------------《探地雷达方法与应用》（李大心）
2007第二期勘察科学与技术
电磁波在部分常见介质中的传播参数 （The propagation parameters of the electromagnetic wave in the medium） 地球表面大部分无水的物质(如干燥的土壤和岩石等)的介电常数，实部一般介于1.7-6之间，水的介电常数一般为81，虚部很小，一般可以忽略不计。岩石和土壤的介电常数与其含水量几乎呈线形关系增长，且与水的介电常数特性相同。所以天然材料的电学特性的变化，一般都是由于含水量的变化所致。
大学物理实验-介电常数的测量
大学物理实验-介电常数的测量
介电常数的测定实验报告 数学系 周海明 PB05001015 2006-11-16 实验题目：介电常数的测定 实验目的：了解多种测量介电常数的方法及其特点和适用范围，掌握替代法，比较 法和谐振法测固体电介质介电常数的原理和方法，用自己设计与制作的介电常数测试仪，测量压电陶瓷的介电常数。 实验原理：介质材料的介电常数一般采用相对介电常数r ε来表示，通常采用测量样 品的电容量，经过计算求出r ε，它们满足如下关系：S Cd r 00εεεε== （1）。式中ε为绝对介电常数，0ε为真空介电常数，m F /10 85.812 0-?=ε，S 为样 品的有效面积，d 为样品的厚度，C 为被测样品的电容量，通常取频率为1kHz 时的电容量C 。 一、替代法 替代法参考电路如图1所示，将待测电容C x （图中R x 是待测电容的介电损耗电阻），限流电阻R 0(取1k Ω)、安培计与信号源组成一简单串联电路。合上开关K 1，调节信号源的频率和电压及限流电阻R 0，使安培计的读数在毫安范围恒定（并保持仪器最高的有效位数），记录读数I x 。将开关K 2打到B 点，让标准电容箱C s 和交流电阻箱R s 替代C x 调节C s 和R s 值，使I s 接近I x 。多次变换开关K 2的位置(A,B 位)，反复调节C s 和R s ，使X S I I =。假定C x 上的介电损耗电阻R x 与标准电容箱的介电损耗电阻R s 相接近（s x R R ≈），则有
s x C C =。 另一种参考电路如图2所示，将标准电容箱C s 调到极小值，双刀双掷开关K 2扳到AA ’，测量C x 上的电压V x 值；再将K 2扳到BB ’，调节C s 让C s 上的电压V S 接近V x 。将开关K 2来回扳到AA ’和BB ’位，不断调节C s 和R s 值，使伏特计上的读数不变，即X S V V =，若s x R R ≈，则有 s x C C =。 二、比较法 当待测的电容量较小时，用替代法测量，标准可变电容箱的有效位数损失太大，可采用比较法。此时电路引入的参量少，测量精度与标准电容箱的精度密切相关，考虑到C s 和R s 均是十进制旋钮调节，故无法真正调到 X S V V =，所以用比较法只能部分修正电压差带来的误 差。比较法的参考电路如图3所示，假定C s 上的R x 与R s 接近（s x R R ≈），则测量C x 和C s 上的电压比V s /V x 即可求得C x ：X S s x V V C C /?=。 三、谐振法 谐振法测量电容的原理图见图4，由已知电感L （取1H ），电阻R （取1k Ω）和待测电容C x 组成振荡电路，改变信号 源频率使RLC 回路谐振，伏特计上指示最大，则电容可由下式求出： L f C X 2241 π= （2）。式中f 为频率，L 为已知电感，C x 为待测电容。为减小 误差，这时可采用谐振替代法来解决。 谐振替代法参考电路如图5所示，将电感器的一端与待测电容C x 串联，调节频率f 使电路达到谐振，此时电容上的电压达到极大值，固定频率f 0，用标准电容箱C s 代替C x ，调节C s 使电路达到谐振，电容上的电压再次达到极大值，此时s x C C =。
常见物质介电常数汇总
Sir-20说明书普通材料的介电值和术语集 1
常见物质的相对介电常数值和电磁波传播速度(RIS-K2说明书)
------------------《探地雷达方法与应用》（李大心）
2007第二期勘察科学与技术
电磁波在部分常见介质中的传播参数 （The propagation parameters of the electromagnetic wave in the medium） 地球表面大部分无水的物质(如干燥的土壤和岩石等)的介电常数，实部一般介于1.7-6之间，水的介电常数一般为81，虚部很小，一般可以忽略不计。岩石和土壤的介电常数与其含水量几乎呈线形关系增长，且与水的介电常数特性相同。所以天然材料的电学特性的变化，一般都是由于含水量的变化所致。对于岩石和土壤含水量和介电常数的关系国内外进行了详细研究(P.Hoekstra, 1974; J.E.Hipp,1 974;J .L.Davis,1 976;G A.Poe,1 971;J .R.Wang,1 977;E .G.巧okue tal ,1 977)。在实验室内大量测量了不同粒度的土壤一水混合物介电常数，考虑到束缚水和游离水，提出了经验土壤介电常数混合模型(J.R.Wang, 1985)。实验室内用开路探头技术和自由空间天线技术测量干燥岩石的介电常数(F.TUlaby, 1990)。国内肖金凯等人(1984, 1988)测量了大量的岩石和土壤的介电常数，王湘云、郭华东(1999)研究了三大岩类中所含的矿物对其介电常数的影响。研究表明，土壤中
含水量的变化影响介电常数的实部，水溶液中含盐量的变化影响土壤的导电性，即介电常数的虚部。水与某些铁锰化合物具有高的介电常数，绝大多数矿物的介电常数较低，约为4--12个相对单位，由于主要造岩矿物与水的相对介电常数存在较大差异，所以，具有较大孔隙度岩石的介电常数主要取决于它的含水量，泥岩由于含有大量的弱束缚水，所以其相对介电常数可高达50--60,岩石含泥质较多时，它们的介电常数与泥质含量有明显的关系，很多火成岩的孔隙度只有千分之几，其相对介电常数主要取决于造岩矿物，一般变化范围为6--12，水的介电常数与其矿化度的关系较弱，与此相应，岩石孔隙中所含水的矿化度同样对其介电常数不应有大的影响，水的矿化度的增大只导致岩石介电常数的少许增加。 表1 常见介质的电性参数值 媒质电导率 / （S/m） 介电常 数（相对 值） 电磁波速度/ （m/ns） 空气0 1 0.3 水10-4～3х10-281 0.033 花岗岩（干）10-8 5 0.15 灰岩（干）10-97 0.11 灰岩（湿） 2.5х10-28～10 0.11～0.095 粘土（湿）10-1～1 8～12 0.11～0.087 混凝土10-9～10-86～15 0.12～0.077 钢筋∞∞
大学物理实验-介电常数的测量
介电常数的测定实验报告 数学系 周海明 PB05001015 2006-11-16 实验题目：介电常数的测定 实验目的：了解多种测量介电常数的方法及其特点和适用范围，掌握替代法，比 较法和谐振法测固体电介质介电常数的原理和方法，用自己设计与制作的介电常数测试仪，测量压电陶瓷的介电常数。 实验原理：介质材料的介电常数一般采用相对介电常数r ε来表示，通常采用测量 样品的电容量，经过计算求出r ε，它们满足如下关系：S Cd r 00εεεε== （1）。式中ε为绝对介电常数，0ε为真空介电常数， m F /1085.8120-?=ε，S 为样品的有效面积，d 为样品的厚度，C 为被测 样品的电容量，通常取频率为1kHz 时的电容量C 。 一、替代法 替代法参考电路如图1所示，将待测电容C x （图中R x 是待测电容的介电损耗电阻），限流电阻R 0(取1k Ω)、安培计与信号源组成一简单串联电路。合上开关K 1，调节信号源的频率和电压及限流电阻R 0，使安培计的读数在毫安范围恒定（并保持仪器最高的有效位数），记录读数I x 。将开关K 2打到B 点，让标准电容箱C s 和交流电阻箱R s 替代C x 调节C s 和R s 值，使I s 接近I x 。多次变换开关K 2的位置(A,B 位)，反复调节C s 和R s ，使X S I I =。假定C x 上的介电损耗电阻R x 与标准电容箱的介电损耗电阻R s 相接近（s x R R ≈），则有s x C C =。
另一种参考电路如图2所示，将标准电容箱C s 调到极小值，双刀双掷开关K 2扳到AA ’，测量C x 上的电压V x 值；再将K 2扳到BB ’，调节C s 让C s 上的电压V S 接近V x 。将开关K 2来回扳到AA ’和BB ’位，不断调节C s 和R s 值，使伏特计上的读数不变，即X S V V =，若 s x R R ≈，则有s x C C =。 二、比较法 当待测的电容量较小时，用替代法测量，标准可变电容箱的有效位数损失太大，可采用比较法。此时电路引入的参量少，测量精度与标准电容箱的精度密切相关，考虑到C s 和R s 均是十进制旋钮调节，故无法真正调到X S V V =，所以用比较法只能部分修正电压差带来的误差。比较法的参考电路如图3所示，假定C s 上的R x 与R s 接近（s x R R ≈），则测量C x 和C s 上的电压比V s /V x 即可求得C x ：X S s x V V C C /?=。 三、谐振法 谐振法测量电容的原理图见图4，由已知电感L （取 1H ），电阻R （取1k Ω）和待测电容C x 组成振荡电路，改变信号源频率使RLC 回路谐振，伏特计上指示最大，则电容可由下式求出：L f C X 2241 π= （2）。式中f 为频率，L 为已知电感，C x 为待测电容。为减小误差，这时可采用谐振替代法来解决。 谐振替代法参考电路如图5所示，将电感器的一端与待测电容C x 串联，调节频率f 使电路达到谐振，此时电容上的电压达到极大值，固定频率f 0，用标准电容箱C s 代替C x ，调节C s 使电路达到谐振，电容上的电压再次达到极大值，此时s x C C =。
低介电常数材料论文
低介电常数材料的特点、分类及应用 胡扬 摘要: 本文先介绍了低介电常数材料（Low k Materials）的特点、分类及其 在集成电路工艺中的应用。指出了应用低介电常数材料的必然性，举例说明了低介电常数材料依然是当前集成电路工艺研究的重要课题，并展望了其发展前景。正文部分综述了近年研究和开发的low k材料，如有机和无机低ｋ材料，掺氟低ｋ材料，多孔低ｋ材料以及纳米低ｋ材料等，评述了纳米尺度微电子器件对低k 薄膜材料的要求。最后特别的介绍了一种可能制造出目前最小介电常数材料的技术： Air-Gap。 关键词：低介电常数；聚合物；掺氟材料；多孔材料；纳米材 料 ;Air-Gap 1．引言 随着ULSI器件集成度的提高，纳米尺度器件内部金属连线的电阻和绝缘介质层的电容所形成的阻容造成的延时、串扰、功耗就成为限制器件性能的主要因素,微电子器件正经历着一场材料的重大变革：除用低电阻率金属（铜）替代铝，即用低介电常数材料取代普遍采用的SiO2（k：3.9～4.2）作介质层。对其工艺集成的研究，已成为半导体ULSI工艺的重要分支。 这些低ｋ材料必须需要具备以下性质：在电性能方面:要有低损耗和低泄漏电流；在机械性能方面:要有高附着力和高硬度;在化学性能方面:要有耐腐蚀和低吸水性；在热性能方面:要有高稳定性和低收缩性。 2．背景知识 低介电常数材料大致可以分为无机和有机聚合物两类。目前的研究认为，降低材料的介电常数主要有两种方法： 其一是降低材料自身的极性，包括降低材料中电子极化率（electronic polarizability），离子极化率（ionic polarizability）以及分子极化率（dipolar polarizability）。在分子极性降低的研究中，人们发现单位体积中的分子密度对降低材料的介电常数起着重要作用。材料分子密度的降低有助于介电常数的降低。这就是第二种降低介电常数的方法：增加材料中的空隙密度，从而降低材料的分子密度。 针对降低材料自身极性的方法，目前在0.18mm技术工艺中广泛采用在二氧化硅中掺杂氟元素形成FSG（氟掺杂的氧化硅）来降低材料的介电常数。氟是具有强负电性的元素，当其掺杂到二氧化硅中后，可以降低材料中的电子与离子极化，
大学物理实验介电常数的测量的讲义
固体与液体介电常数的测量 一、实验目的: 运用比较法粗测固体电介质的介电常数，运用比较法法测量固体的介电常数,谐振法测量固体与液体的介电常数(以及液体的磁导率)，学习其测量方法及其物理意义，练习示波器的使用。 二、实验原理： 介质材料的介电常数一般采用相对介电常数εr 来表示，通常采用测量样品的电容量，经过计算求出εr ，它们满足如下关系： S Cd r 00εεεε== 式中ε为绝对介电常数，ε0为真空介电常数，m F /1085.8120 -?=ε，S 为样品的有 效面积，d 为样品的厚度，C 为被测样品的电容量，通常取频率为1kHz 时的电容量C 。 替代法： 替代法的电路图如下图所示。此时电路测量精度与标准电容箱的精度密切相关。实际测量时，取R=1000欧姆,我们用双踪示波器观察,调节电容箱和电阻箱的值,使两个信号相位相同, 电压相同，此时标准电容箱的容值即为待测电容的容值。
谐振法： 1、交流谐振电路： 在由电容和电感组成的LC 电路中，若给电容器充电，就可在电路中产生简谐形式的自由电振荡。若电路中存在交变信号源，不断地给电路补充能量，使振荡得以持续进行，形成受迫振动，则回路中将出现一种新的现象——交流谐振现象。RLC 串联谐振电路如下图所示: 图一：RLC 串联谐振电路 其中电源和电阻两端接双踪示波器。 电阻R 、电容C 和电感L 串联电路中的电流与电阻两端的电压是同相位的，但超前于电 容C 两端的电压2π ，落后于电感两端的电压2π ，如图二。 图二：电阻R 、电容C 和电感L 的电压矢量图 电路总阻抗：Z = = L V → -R V →
常见介电常数
Material物质名* 温度(°C) 介电常数 ABS RESIN, LUMP 丙烯晴-丁二烯-苯乙烯树脂块2.4-4.1 ABS RESIN, PELLET 丙烯晴-丁二烯-苯乙烯树脂球1.5-2.5 ACENAPHTHENE 二氢苊21 3.0 ACETAL 聚甲醛21 3.6 ACETAL BROMIDE 溴代乙缩醛二乙醇16.5 ACETAL DOXIME 乙二醛肟20 3.4 ACETALDEHYDE 乙醛5 21.8 ACETAMIDE 乙酰胺20 41 ACETAMIDE 乙酰胺82 59 ACETANILIDE 乙醛22 2.9 ACETIC ACID 乙酸20 6.2 ACETIC ACID 乙酸2 4.1 ACETIC ANHYDRIDE 乙酸酐19 21.0 ACETONE 丙酮25 20.7 ACETONE 丙酮53 17.7 ACETONE 丙酮0 1.0159 ACETONITRILE 乙睛21 37.5 ACETOPHENONE 苯乙酮24 17.3 ACETOXIME 丙酮肟-4 3 ACETYL ACETONE 乙酰丙酮20 23.1 ACETYL BROMIDE 乙酰溴20 16.5 ACETYL CHLORIDE 乙酰氯20 15.8 ACETYLE ACETONE 乙酰丙酮20 25 ACETYLENE 乙炔0 1.0217 ACETYLMETHYL HEXYL KETONE 己基甲酮19 27.9 ACRYLIC RESIN 丙烯酸树脂2.7 - 4.5 ACTEAL 乙醛21.0-3.6 AIR 空气1 AIR (DRY) 空气（干燥）20 1.000536 ALCOHOL, INDUSTRIAL 工业酒精16-31 ALKYD RESIN 醇酸树脂3.5-5 ALLYL ALCOHOL 丙烯醇14 22 ALLYL BROMIDE 溴丙烯19 7.0 ALLYL CHLORIDE 烯丙基氯20 8.2 ALLYL IODIDE 碘丙烯19 6.1 ALLYL ISOTHIOCYANATE 异硫氰酸丙烯酯18 17.2 ALLYL RESIN (CAST) 烯丙基脂（CAST） 3.6 - 4.5 ALUMINA 氧化铝9.3-11.5 ALUMINA 氧化铝4.5 ALUMINA CHINA 氧化铝瓷3.1-3.9 ALUMINUM BROMIDE 溴化铝100 3.4 ALUMINUM FLUORIDE 氟化铝2.2 ALUMINUM HYDROXIDE 氢氧化铝2.2 ALUMINUM OLEATE 油酸铝20 2.4 ALUMINUM PHOSPHATE 硷式磷酸铝-14 ALUMINUM POWDER 铝粉1.6-1.8 AMBER 琥珀2.8-2.9 AMINOALKYD RESIN 酸硬化树脂3.9-4.2 AMMONIA 血氨-59 25 DIELECTRIC CONSTANT REFERENCE GUIDE介电常数参考表Material 物质名* 温度(°C) 介电常数DIELECTRIC CONSTANT REFERENCE GUIDE介电常数参考表AMMONIA 血氨-34 22 AMMONIA 血氨4 18.9 AMMONIA 血氨21 16.5 AMMONIA (GAS? ) 血氨（气体）0 72 AMMONIUM BROMIDE 溴化铵7.2 AMMONIUM CHLORIDE 氯化铵7 AMYL ACETATE 醋酸戊酯20 5 AMYL ALCOHOL 戊醇-118 35.5 AMYL ALCOHOL 戊醇20 15.8 AMYL ALCOHOL 戊醇60 11.2 AMYL BENZOATE 苯甲酸戊酯20 5.1 AMYL BROMIDE 溴化环戊烷10 6.3 AMYL CHLORIDE 戊基氯11 6.6 AMYL ETHER 戊基醚16 3.1 AMYL FORMATE 甲酸戊基19 5.7 AMYL IODIDE 碘化戊基17 6.9 AMYL NITRATE 硝酸戊基17 9.1 AMYL THIOCYANATE 硫氰酸盐戊基20 17.4 AMYLAMINE 戊胺22 4.6 AMYLENE 戊烯21 2 AMYLENE BROMIDE 溴戊烯14 5.6 AMYLENETETRARARBOXYLATE 19 4.4 AMYLMERCAPTAN 戊基硫醇20 4.7 ANILINE 苯胺0 7.8 ANILINE 苯胺20 7.3 ANILINE 苯胺100 5.5 ANILINE FORMALDEHYDE RESIN 苯氨-甲醛树脂3.5 - 3.6 ANILINE RESIN 苯胺树脂3.4-3.8 ANISALDEHYDE 茴香醛20 15.8 ANISALDOXINE 茴香肟63 9.2 ANISOLE 苯甲醚20 4.3 ANITMONY TRICHLORIDE 三氯化锑5.3 ANTIMONY PENTACHLORIDE 五氯化锑20 3.2 ANTIMONY TRIBROMIDE 三溴化锑100 20.9 ANTIMONY TRICHLORIDE 三氯化锑5.3 ANTIMONY TRICHLORIDE 三溴化锑74 33 ANTIMONY TRICODIDE 三碘化锑175 13.9 APATITE 磷灰石7.4 ARGON 氩-227 1.5 ARGON 氩20 1.000513 ARSENIC TRIBROMIDE 三溴化砷37 9 ARSENIC TRICHLORIDE 三氯化砷66 7 ARSENIC TRICHLORIDE 三氯化砷21 12.4 ARSENIC TRIIODIDE 三碘化砷150 7 ARSINE 胂-100 2.5
常见物质介电常数汇总
常见物质介电常数汇总 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
Sir-20说明书普通材料的介电值和术语集材料介电值速度毫米/纳秒空气1300 水淡8133 水咸8133 极地雪194-252 极地冰168 温带冰167 纯冰167 淡水湖冰4150 海冰78-157 永冻土1-8106-300 沿岸砂干燥1095 砂干燥3-6120-170 砂湿的25-3055-60 粉沙湿的1095 粘土湿8-1586-110 粘土土壤干3173 沼泽1286 农业耕地1577 畜牧土地1383 土壤平均1675 花岗岩5-8106-120 石灰岩7-9100-113 白云岩106-115 玄武岩湿8106 泥岩湿7113 砂岩湿6112 煤4-5134-150 石英145 混凝土6-855-112 沥青3-5134-173 聚氯乙烯pvc3173
常见物质的相对介电常数值和电磁波传播速度(RIS-K2说明书) 常见介质的相对介电常数—网上搜集
------------------《探地雷达方法与应用》（李大心） 2007第二期勘察科学与技术 电磁波在部分常见介质中的传播参数（Thepropagationparametersoftheelectromagneticwaveinthemedium） 地球表面大部分无水的物质(如干燥的土壤和岩石等)的介电常数，实部一般介于之间，水的介电常数一般为81，虚部很小，一般可以忽略不计。岩石和土壤的介电常数与其含水量几乎呈线形关系增长，且与水的介电常数特性相
介电常数的测量
实验七 介电常数的测量 ε和损耗角tgδ的温度和频率特性，可以获取物质内部 测量物质在交变电场中介电常数 r 结构的重要信息。DP—5型介电谱仪内置带有锁相环(PLL)的宽范围正弦频率合成信号源和由乘法器、同步积分器、移相器等组成的锁定放大测量电路，具有弱信号检测和网络分析的功能。对填充介质的平行板电容器的激励信号的正交分量(实部和虚部)进行比较、分离、测量，检测介电频率谱和温度谱。作为大学物理实验的内容，具有测量精度高、方法新颖、知识性和实用性强等特点。 [目的要求] ε和损耗角tgδ的温度和频率特性。 1．学习用介电谱仪测量物质在交变电场中介电常数 r 2．了解带有锁相环(PLL)的正弦频率合成信号源和锁定放大测量电路的原理和结构。 3．掌握对信号的正交分量(实部和虚部)进行比较、分离、测量的方法。 [实验原理] 图1测量原理图 原理如图1所示.置于平板电极之间的样品，在正弦型信号的激励下，等效于电阻R和电容C的并联网络。其中电阻R是用来模拟样品在极化过程中由于极化滞后于外场的变化所引起的能量损失。若极板的面积为A，间距为d，则： R=d/Aσ， C=εA／d， tgδ=1／ωRC=σ／ωε 式中ε=εoεr，εo为真空介电常量，σ为与介电极化机制有关的交流电导率。设网络的复阻抗为Z，其实部为Z’，虚部为Z″，样品上激励电压为Vs(基准信号)，通过样品的电流由运放ICl转化为电压Vz：(样品信号)，用V’s，V″s和V″z分别表示其实部和虚部，则有：Vz＝RnVs／Z， σ=K(V’sV’z+V″sV″z)， ωε=K(V’sV″z-V″sV’z) tgδ=(V’sV’z+V″sV″z)/ (V’sV″z-V″sV’z) 式中K=d／ARn(V’sV’s+V″sV″s)。 电压的实部和虚部通过开关型乘法器IC2和π／2移相器IC3实现分离后测量。IC2的作用是将被测正弦信号Vz(或Vs)与同频率的相关参考方波Vr相乘。本系统测量时通过移相微调电路使Vr和vs同相位，即Vs的虚部V″s=O，测量公式简化为： σ=K’V’z， ωε=K’V″z, tgδ=V’z/V″z
常见物质介电常数汇总
. . .专业. .专注. Sir-20说明书普通材料的介电值和术语集 材料介电值速度毫米/纳秒空气 1 300 水淡81 33 水咸81 33 极地雪 1.4 - 3 194 - 252 极地冰 3 - 3.15 168 温带冰 3.2 167 纯冰 3.2 167 淡水湖冰 4 150 海冰 2.5 - 8 78 - 157 永冻土 1 - 8 106 - 300 沿岸砂干燥10 95 砂干燥 3 - 6 120 - 170 砂湿的25 - 30 55 - 60 粉沙湿的10 95 粘土湿8 - 15 86 - 110 粘土土壤干 3 173 沼泽12 86 农业耕地15 77 畜牧土地13 83 土壤平均16 75 花岗岩 5 - 8 106 - 120 石灰岩7 - 9 100 - 113 白云岩 6.8 - 8 106 - 115 玄武岩湿8 106 泥岩湿7 113 砂岩湿 6 112 煤 4 - 5 134 - 150 石英 4.3 145 混凝土 6 - 8 55 - 112 沥青 3 - 5 134 - 173 聚氯乙烯pvc 3 173
常见物质的相对介电常数值和电磁波传播速度(RIS-K2说明书) r 常见介质的相对介电常数—网上搜集
------------------《探地雷达方法与应用》（大心）
2007第二期勘察科学与技术
电磁波在部分常见介质中的传播参数 （The propagation parameters of the electromagnetic wave in the medium）