介电常数测试方法
时间：2022-10-10 阅读：2944
相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量：首先在两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容C0。然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后测得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算
εr=Cx/C0
在标准大气压下，不含二氧化碳的干燥空气的相对电容率εr=1.00053。因此，用这种电极构形在空气中的电容Ca来代替C0来测量相对电容率εr时，也有足够的准确度。（参考GB/T 1409-2006）
对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。
2常见溶剂
附常见溶剂的相对介电常数，条件为室温下，测试频率为1KHz。
温度对介电常数的影响H2O （水） 78.5
HCOOH （甲酸） 58.5
HCON（CH3）2（N,N-二甲基甲酰胺）36.7
CH3OH （甲醇） 32.7
C2H5OH （乙醇） 24.5
CH3COCH3（丙酮） 20.7
n-C6H13OH （正己醇）13.3
CH3COOH （乙酸或醋酸） 6.15
C6H6（苯） 2.28
CCl4（四氯化碳） 2.24
n-C6H14（正己烷）1.88
n-C4H10（四号溶剂） 1.78
3电介质
| 气体 | 相对介电常数 | 固体 | 相对介电常数 | ||
| 水蒸汽气态溴氦氢氧氮氩气态汞空气硫化氢真空乙mi液态二氧化碳甲醇乙醇水液态氨液态氦液态氢液态氧液态氮液态氯煤油松节油苯油漆甘油 | 1.007851.01281.0000741.0002641.000511.000581.000561.000741.0005851.00414.3351.58533.725.781.516.21.0581.221.4652.281.92～42.22.2833.545.8 | 固体氨固体醋酸石蜡聚苯乙烯无线电瓷超高频瓷二氧化钡橡胶硬橡胶纸干砂15%水湿砂（金刚石）木头琥珀冰虫胶（紫胶）赛璐珞玻璃黄磷硫碳云母花岗石大理石食盐氧化铍聚氯乙烯 | 4.01～4.12.0～2.32.4～2.66～6.57～8.51062～34.32.52.5约2～82.82.83～43.34～115~104.25.5～16.56～86~88.36.27.593.1~3.5 |
4相关解释
"介电常数" 在工具书中的解释：
1.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。空气和CS2的ε值分别为1.0006和2.6左右，而水的ε值较大，10℃时为 83.83。
2.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。介电常数用ε表示，一些常用溶剂的介电常数见下表：
"介电常数" 在学术文献中的解释：
1.介电常数是指物质保持电荷的能力，损耗因数是指由于物质的分散程度使能量损失的大小。理想的物质的两项参数值较小。
介电常数与频率变化的关系其介质常数具有复数形式，实数部分称为介电常数，虚数部分称为损耗因子。通常用损耗角的正切值tanθ（损耗因子与介电常数之比）来表示材料与微波的耦合能力，损耗正切值越大，材料与微波的耦合能力就越强。
3.介电常数是指在同一电容器中用某一物质为电介质与该电容器在真空中的电容的比值。在高频线路中信号传播速度的公式如下：V=K。
4.为简单起见，后面将相对介电常数均称为介电常数。反射脉冲信号的强度，与界面的波反射系数和透射波的衰减系数有关，主要取决于周围介质与反射体的电导率和介电常数。
5应用
低介电常数薄膜机械性质量测结果近十年来，半导体工业界对低介电常数材料的研究日益增多，材料的种类也五花八门。然而这些低介电常数材料能够在集成电路生产工艺中应用的速度却远没有人们想象的那么快。其主要原因是许多低介电常数材料并不能满足集成电路工艺应用的要求。图2是不同时期半导体工业界预计低介电常数材料在集成电路工艺中应用的前景预测。
早在1997年，人们就认为在2003年，集成电路工艺中将使用的绝缘材料的介电常数（k值）将达到1.5。然而随着时间的推移，这种乐观的估计被不断更新。到2003年，国际半导体技术规划（ITRS 2003[7]）给出低介电常数材料在集成电路未来几年的应用，其介电常数范围已经变成2.7~3.1。
造成人们的预计与现实如此大差异的原因是，在集成电路工艺中，低介电常数材料必须满足诸多条件，例如：足够的机械强度（MECHANICAL strength）以支撑多层连线的架构、高杨氏系数（Young's modulus）、高击穿电压（breakdown voltage>4MV/cm）、低漏电（leakage current<10-9 at 1MV/cm）、高热稳定性（thermal stability >450oC）、良好的粘合强度（adhesion strength）、低吸水性（low moisture uptake）、低薄膜应力（low film stress）、高平坦化能力（planarization）、低热涨系数（coefficient of thermal expansion）以及与化学机械抛光工艺的兼容性（compatibility with CMP process）等等。能够满足上述特性的低介电常数材料并不容易获得。例如，薄膜的介电常数与热传导系数往往就呈反比关系。因此，低介电常数材料本身的特性就直接影响到工艺集成的难易度。
在超大规模集成电路制造商中，TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等许多公司为了开发90nm及其以下技术的研究，先后选用了应用材料公司（Applied Materials）的Black Diamond 作为低介电常数材料。该材料采用PE-CVD技术[8] ，与现有集成电路生产工艺*融合，并且引入BLOk薄膜作为低介电常数材料与金属间的隔离层，很好的解决了上述提及的诸多问题，是已经用于集成电路商业化生产为数不多的低介电常数材料之一。
1-1电桥简介:
高压电桥是本公司推出的新一代高压电桥，主要用于测量工业绝缘材料的介质损耗(tgδ)及介电常数（ε）。符合GB1409，1693及GB5654,其采用了西林电桥的经典线路，内附0-5000的数显高压电源及100PF标准电容器，并可按用户要求扩装外接标准电容线路。
1-2电桥的特点；
l桥体内附电位跟踪器及指零仪，外围接线及少。
l电桥采用接触电阻小，机械寿命长的十进开关，保证测量的稳定性
l仪器具有双屏蔽，能有效防止外部电磁场的干扰。
l仪器内部电阻及电容元件经特殊老化处理，使仪器技术性能稳定可靠。
l内附高压电源精度3%
l内附标准电容损耗﹤0.00005，名义值100pF
一、 技术指标
2-1测量范围及误差
本电桥的环境温度为20±5℃，相对湿度为30%-80%条件下，应满足下列表中的技术指示要求。
在Cn=100 pF R4=3183.2（Ω）时
测量项目 | 测量范围 | 测量误差 |
电容量Cx | 40pF—20000pF | ±0.5% Cx±2pF |
介损损耗tgδ | 0-1 | ±1.0% tgδx±0.00005 |
在Cn=100 pF R4=318.3（Ω）时
测量项目 | 测量范围 | 测量误差 |
电容量Cx | 4pF—2000pF | ±0.5% Cx±2pF |
介损损耗tgδ | 0-0.1 | ±1.0% tgδx±0.00005 |
2-2电桥测量灵敏度
电桥在使用过程中，灵敏度直接影响电桥平稳衡的分辨程度，为保证测量准确度，希望电桥灵敏度达到一定的水平。通常情况下电桥灵敏度与测量电压，标准电容量成正比。
在下面的计算公式中，用户可根据实际情况估算出电桥灵敏度水平，在这个水平上的电容与介质损耗因数的微小变化都能够反应出来。
ΔC/C或Δtgδ=Ig/UωCn(1+Rg/R4+Cn/Cx)
式中: U 为测量电压 伏特 (V)
ω为角频率2πf=314(50Hz)
Cn标准电容器容量 法拉(F)
Ig通用指零仪的电流5×10-10 安培(A)
Rg平衡指零仪内阻约1500 欧姆(Ω)
R4桥臂R4阻值3183 欧姆(Ω)
Cx被测试品电容值 法拉(pF)
2-3工作电压说明
在使用中，本电桥顶A，B对V点的电压最高不超过11V，R3桥臂各盘的电流不超过下列规定：
10×1kΩ 1max≤15mA
10×100Ω 1max≤120mA
10×10Ω l max≤150mA
用户在使用前应注意以上的问题。如不清楚，可根据实验电压及标准电容量，按以下公式来计算出大概的工作电流。
I=ω V C
2-4辅桥的技术特性：
不失真跟踪电压0～11V（有效值）
2-5指零装置的技术特性：
在50Hz时电压灵敏度不低于1×10-6V/格
电流灵敏度不低于2×10-9 A/格
二次谐波 减不小于25dB
三次谐波 减不小于50dB
二、 电桥工作原理
高压电桥采用典型的西林电桥线路。C4桥臂在基本量程时，与R4桥臂并联，测量数值为正损耗因数。结构采用了双层屏蔽。并通过辅桥的辅助平衡，消除寄生参数对电桥平衡的影响。辅桥由电位自动电位跟踪器与内层屏蔽（S）组成。自动跟踪器由电子元器件组成。它在桥顶B处取一输入电压，通过放大后，在内屏蔽（S）产生一个与B电位相等的电压。当电桥在平衡时，A,B,S三点电位必然相等，从而达到自动跟踪的目的。本电桥在平衡过程中，辅桥采用自动电位跟踪，在主桥平衡过程的同时，辅桥也自动跟踪始终处于平衡的状态，用户只要对主桥平衡进行操作就能得到可靠的所需数据。同时也有效的抑制了电压波动对平衡所带来的影响。在指零部分，采用了指针式电表指示，视觉直观，分辨清楚，克服了以往振动式检流计的缺点。
3-1 桥体的组成
电桥各臂的组成
第一臂：由被测对象Cx组成Z1。
第二臂：由高压标准电容器Cn组成Z2。
第三臂：由十进电阻器10×（1000＋100＋10＋1＋0.1）欧姆和滑线电阻（0-0.13）欧姆组成Z3。
第四臂：由十进电容臂10×（0.1＋0.01＋0.001＋0.0001）uf和可变电容器100pF组成C4再与电组R4并联组成Z4。
3-2计算公式
Cx=R4× Cn / R3 R4[Ω] R3[Ω] Cn[pF] Cx[pF]
tgδ=ω·R4·C4 R4[Ω] C4[F]
当R4=10K/π
tgδ=C4
当R4=1K/π
tgδ=0.1C4
我们采取相对固定R4电阻，分别调节R3和C4使桥跟平衡，从而测得试品的电容值Cx和介质损耗tg。本电桥为了直读出损耗值，取电阻R4的阻值为角频率（f=50Hz）若干倍。
3-3 公式说明
.频率对介质损耗正公式：
本电桥额定的工作频率f=50Hz，在实际工作频率偏离额定频率时可用修正式进行修正：
tg=f’·tgδ / f
式中：f 为额定工作频率（f=50Hz）
f’ 为实际工作频率
tgδ 电桥测得损耗值
tg 为被测试品介质损耗角正切的实际值
四、安全操作规程
1. 本仪器必须有专人负责保管，使用，非专职操作者应在使用前了解和熟悉本说明书，以免造成不必要的损失和事故。
2. 每次使用前应仔细检查接地线是否完好，确保以后方可通电使用。
3. 接通电源前应将灵敏度开关调到zui低位置。
4. 测量试品前应先对试品进行高压试验，证明在电桥工作电压下无噪声，电离等现象出现，然后才能进行测试（若试品己做过高压试验，该项可不必每次测量都做）。
5. 对试品施加高压时缓慢升高，不可以加突变电压。
6. 测试时操作人员必须集中思想，工作前做好一切准备工作，测试地点周围应有明显的标记或金属屏蔽围成高压危险区，以防止非操作人员闯入。
7. 在测量过程中，如有放电管发光时，则必须及时切断电源，仔细检查接线及试品都无击穿，待检查排除故障后，再进行高压测量工作。
五．操作方法
5.1 测试前的准备工作
①按图（3）所示，连接标准电容Ｃｎ（选用外接标准电容时背后Cn开关放在OUT位置），连接被测电容Ｃｘ，并且将标准电容与被测电容尽可能远离，以防止互相之间干扰，选用外接方式时，只需打开电源总开关即可，不能启动自带的高压。如选用内部标准电容器（背后Cn开关放在IN位置），只需连接被测试品即可。
②检查周围是否有强电磁场干扰，应尽量避免。
③检查大地线是否牢靠，以保证操作人员的安全，应检查电桥上的（⊥）与大地是否接触良好。
④检查电桥的灵敏度开关是否已回另位。
⑤检查试品的绝缘强度，应符合大于2U+1的标准。
⑥对试品施加试验电压（按部标或国际所规定的专业标准进行）。
5.2 试品的测试
①在不知道被测试品的大概容量及损耗时，可先施加少许的电压，找到粗平衡点后，再把工作电压升到所需的值，然后再寻找细平衡点。
②在测量时，灵敏度开关是按从小到大的规律来调节的。
③在测量时，R3开关时按从左至右的规律来调节的。
④在测量时，C4开关时按从右至左的规律来调节的。
⑤整个测量步絮：首先检查接线无误后，方可通电试验。第二升起试验电压，并调节灵敏度开关，使UA表头有明显的指示。此时表明电桥没有平衡。第三调节R3开关，顺序从左至右。这时通过观察表头来观察电桥的平衡状况。如表头已回另，可再加大灵敏度。应总保持能明显地观察到调节R3时，电桥的平衡状况。第四在某一点上用户会发现，调节R3已无法使表头再回到另位。这时可调节C4开关，顺序时从右至左，把表头指针调节到最小位。第五用户在调节C4到某一点时又会发现无法将指针调回另位。这时又要去调节R3开关，调节的位数是上一次调节R3的最后位，然后又会出现第四点时的问题，又必须要调节C4开关．．．就这样来回往复地调节R3和C4两组开关，直至灵敏度开关最大时，并指针回另（或指另仪指示到最小）。表明电桥已达到平衡。
⑥测量完毕后或在暂停测量时，应将另仪的灵敏度开关降至“0”，再将测量电压降至另并切断电源开关，根据计算公式，算出被测试品的容量及介损值。
五、装置成套性
1．高压电桥 一台
3．双屏蔽测量电缆 一根
4．使用说明书 一份
5．电源线 一根