材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的測量

1、無機材料的介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的測定一、實驗?zāi)康?. 掌握無機材料介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的測試原理及測試方法。2. 學會使用Agilent4991A射頻阻抗分析儀的各種功能及操作方法。3. 分析影響介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的的因素。二、實驗原理1.介電性能介電材料（又稱電介質(zhì)）是一類具有電極化能力的功能材料，它是以正負電荷重心不重合的電極化方式來傳遞和儲存電的作用。極化指在外加電場作用下，構(gòu)成電介質(zhì)材料的內(nèi)部微觀粒子，如原子，離子和分子這些微觀粒子的正負電荷中心發(fā)生分離，并沿著外部電場的方向在一定的范圍內(nèi)做短距離移動，從而形成偶極子的過程。極化現(xiàn)象和頻率密切相關(guān)，在特定的的頻率范圍主要有四種極化機制：電子極化

2、(electronic polarization，1015Hz)，離子極化 (ionic polarization，10121013Hz)，轉(zhuǎn)向極化 (orientation polarization，10111012Hz)和空間電荷極化 (space charge polarization，103Hz)。這些極化的基本形式又分為位移極化和松弛極化，位移極化是彈性的，不需要消耗時間，也無能量消耗，如電子位移極化和離子位移極化。而松弛極化與質(zhì)點的熱運動密切相關(guān)，極化的建立需要消耗一定的時間，也通常伴隨有能量的消耗，如電子松弛極化和離子松弛極化。相對介電常數(shù)（），簡稱為介電常數(shù)，是表征電介質(zhì)材料介

3、電性能的最重要的基本參數(shù)，它反映了電介質(zhì)材料在電場作用下的極化程度。的數(shù)值等于以該材料為介質(zhì)所作的電容器的電容量與以真空為介質(zhì)所作的同樣形狀的電容器的電容量之比值。表達式如下： （1）式中C為含有電介質(zhì)材料的電容器的電容量；C0為相同情況下真空電容器的電容量；A為電極極板面積；d為電極間距離；0為真空介電常數(shù)，等于8.8510-12 F/m。 另外一個表征材料的介電性能的重要參數(shù)是介電損耗，一般用損耗角的正切（tan）表示。它是指材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)而引起的能量損耗。材料的介電常數(shù)和介電損耗取決于材料結(jié)構(gòu)和極化機理。除此之外，還與工作頻率、環(huán)境溫度、濕度有關(guān)。在交

4、變電場作用下，材料的介電常數(shù)常用復(fù)介電常數(shù)表達： （2）式中和都是與頻率相關(guān)的量，二者的比值為tan （3）則介質(zhì)電導(dǎo)率 （4）式中為交變電壓的角頻率。僅與介質(zhì)有關(guān)，稱為介質(zhì)損耗因子，其大小可以作為絕緣材料的判據(jù)。此外，還有一個表征介電材料耐壓性能的物理量介電強度。當外加電場強度逐漸增大，超過電介質(zhì)材料所能承受的臨界值時，電介質(zhì)材料從介電狀態(tài)向?qū)щ姞顟B(tài)轉(zhuǎn)變，這一臨界電場強度即為介電強度。2. 磁導(dǎo)率（Magnetic Permeability）任何介質(zhì)處于磁場中，均會使其所在空間的磁場發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁化。在磁場強度為H0的外加磁場中，介質(zhì)被磁化后會反過來影響所在的磁場，使其發(fā)生變化，即

5、產(chǎn)生一個附加磁場H，此時介質(zhì)所處磁場的總磁場強度H總為 （5）單位為安/米（A/m）。 無外加磁場時，材料中原子固有磁矩的矢量總和為零，宏觀上不呈現(xiàn)磁性。外加磁場時，物質(zhì)被磁化，但是不改變其固有磁矩大小，只改變其取向。因此物質(zhì)的磁化程度可以用單位體積的磁矩大小來表示，即磁化強度M，其單位為A/m （6）式中表示體積為V磁介質(zhì)中磁矩矢量和。M即上述的附加磁場，它與磁場強度的關(guān)系為 （7）式中為單位體積的磁化率，量綱為1。 通過垂直磁場方向單位面積的磁力線束稱為磁感應(yīng)強度，用B表示，其單位為T（特斯拉），它與磁場強度H的關(guān)系為 （8）式中=410-7，單位為H/m(亨/米)，稱為真空磁導(dǎo)率。將式(

6、7)代入式(5)代入可得： （9）式中為相對磁導(dǎo)率；為物質(zhì)磁導(dǎo)率，它反映磁感應(yīng)強度B隨外磁場強度H變化的速率。通常使用的是磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，其定義為物質(zhì)磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率的比值，即： （10） 類似的，在交變磁場中，相對磁導(dǎo)率是一個復(fù)數(shù)，即 （11）表示在磁場作用下產(chǎn)生的磁化程度，反映材料對電磁波能量的存儲能力；表示外加磁場作用下材料磁偶矩重排引起的損耗，反映材料對電磁波產(chǎn)生損耗的能力。磁性損耗介質(zhì)對電磁波的衰減能力通常用損耗正切來表示，其值越大，衰減能力越強。3. 阻抗分析儀測量介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的原理本實驗中使用的儀器是Agilent Technologies公司的生產(chǎn)的E4991A型射頻

7、阻抗分析儀。它采用射頻電流-電壓（RF-IV）測量技術(shù)，依據(jù)被測件終端電流和電壓來直接測量1MHz3GHz頻率范圍內(nèi)的阻抗。通過測定的高精度的阻抗值，自動計算試樣的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率，可直接在顯示器上讀取結(jié)果。測量介電常數(shù)時需將E4991A與夾具16453A配套使用，測量磁導(dǎo)率時需將E4991A與夾具16454A配套使用。三. 實驗儀器及試樣制備1.實驗儀器儀器：Agilent4991A射頻阻抗分析儀、16453A夾具、16454A夾具，見圖1。規(guī)格：內(nèi)置等效電路分析能對被測件的多元件模型進行計算，在掃描頻率范圍1MHz-3GHz內(nèi)方便的獲取測試數(shù)據(jù)，彩色LCD/CRT可以同時顯示多組測量曲線；

8、先進的校正和補償方法降低了測量誤差。測量頻率范圍：1MHz3GHz，分辨率：1mHz；震蕩器水平：40dBm1dBm，分辨率：0.1dBm；輸出阻抗：50；直流偏壓：040 V，分辨率：1 mV；直流偏流：100A50mA, 100A50mA，分辨率：0.01mA。圖1 Agilent4991A射頻阻抗分析儀2.試樣制備環(huán)狀試樣：外環(huán)直徑外20.0mm，內(nèi)環(huán)直徑內(nèi)3.1mm，厚度h8.5 mm；圓柱或塊狀試樣：最大外徑大15mm，0.3mm厚度h3mm。四. 實驗步驟1.測試前準備：連接主機各種組件，包括電源線，鍵盤，鼠標，測試端頭等，然后開機，預(yù)熱0.5h以上。2. 選擇測試模式： E499

9、1A狀態(tài)初始化：“system”“preset” 設(shè)置測量模式：“Utility”“Utility”“Material Option Menu”“Material Type”“選擇測試參數(shù)：Permittivity（介電常數(shù)）/Permeability（磁導(dǎo)率）”3. 設(shè)置測試條件： 設(shè)置顯示方式：“Display”“Display” “Num of Traces：3 Scalar” 設(shè)置測試參數(shù)：“Meas/Format”“Meas/Format”“Meas Parameter”“Format:Lin Y-Axis” 設(shè)置掃描參數(shù)：“Stimulus”“Sweep Setup/Paramet

10、er”設(shè)置掃描點數(shù)(201)及方式(Log) 設(shè)置振蕩水平：“Stimulus”“Source”“Osc Unit” 選擇電流(磁導(dǎo)率)或電壓(介電常數(shù)) 設(shè)置掃描幅度：“Stimulus”“Start/Stop” “Start”或“Stop”設(shè)置相應(yīng)的頻率范圍4. 校正測試端頭（7mm端）： 校正準備：“Stimulus”“Cal/Comp” “Cal MeunUncal” “CalType：Fixed Freq&Pwr” 開路校正：“連接0S到7mm端”“Meas Open”“Meas Open”“逆時針卸載0S ” 短路校正： “連接0到7mm端”“Meas Short”“Meas Sh

11、ort”“逆時針卸載0 ” 負載校正： “連接50到7mm端”“Meas Load”“Meas Loadt” “逆時針卸載50 ” 低損耗電容校正：“連接低損耗電容到7mm端”“Meas Low Loss C” “Meas L-L”“逆時針卸載低損耗電容”“Done”屏幕底端狀態(tài) Uncal顯示為Cal Fix，校正完畢。5. 補償測試夾具：16453A的補償： 將16453A連接到7mm端，輸入標準負載厚度0.78mm：“Stimulus” “Cal/ Comp”“Cal Kit Meun”“Thickness” 選擇夾具模式：“Stimulus”“Cal/Comp” “Fixture Ty

12、pe” “16453A” 選擇校正的測試點類型： “Cal MeunUncal”“Cal Type: Fixed Freq&Pwr” 短路校正：調(diào)節(jié)釋放/提升按鈕，使夾具上下電極接觸，Meas Short”“Meas Short” 開路校正：調(diào)節(jié)釋放/提升按鈕，使夾具上下電極分開，Meas Open” “MeasOpent” 負載校正：將標準負載置于上下電極之間，“Meas Load”“Meas Load”“Done”確認屏幕底端狀態(tài)欄中Uncal變?yōu)镃al Fix，校正完畢。16454A的補償： 將16453A/16454A連接到7mm端 選擇夾具模式： “Stimulus”“Cal/Com

13、p”“Fixture Type” 選擇“16454S或16454L” 補償：“Stimulus”“Cal/Comp”“Comp Meun”將樣品托置于測量夾具上Meas Open” “MeasOpent”；“Meas Short”“Meas Short”；“Meas Load”“Meas Load” “Done”確認屏幕底端狀態(tài)中Uncal變?yōu)镃al Fix，補償完畢。6. 測試與保存： 測試準備：“Utility”“Utility”“Material Option Menu”“輸 入樣品實際尺寸” 測試：安裝試驗試樣，然后“Scale”“Autoscale all”，開始自動測試。 保存數(shù)據(jù)：“Save/Recall”“Sav