材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的測量

1、無機(jī)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(jī)材料介電常數(shù)及磁導(dǎo)率的測試原理及測試方法。2. 學(xué)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(fù) 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(fù)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(jī)制：電

2、子極化(electronicpolarization， 10 Hz)，離子極化121311(ionicpolarization,10 10 Hz)，轉(zhuǎn)向極化(orientationpolarization,10 1012Hz)和空間電荷極化(spacechargepolarization ，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)

3、材料介電性能的最 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(dá)式如下：CC0CdA(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8.85 X10-12F/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 S)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(jī)理。 除此之外，

4、還與工作頻率、環(huán)境溫度、濕度有關(guān)。在交變電場作用下，材料的介電常數(shù)常用復(fù)介電常數(shù)表達(dá)：i(2)式中 和 都是與頻率相關(guān)的量，二者的比值為tan Stan (3)則介質(zhì)電導(dǎo)率tan (4)式中 為交變電壓的角頻率。tan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(qiáng)度。 當(dāng)外加電場 強(qiáng)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 導(dǎo)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這一臨界電場強(qiáng)度即為介電強(qiáng)度。2. 磁導(dǎo)率(MagneticPermeability )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

5、場強(qiáng)度為 H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，即產(chǎn)生一個附加磁場 H，此時介質(zhì)所處磁場的總磁場強(qiáng)度 H總 為H總 H。H (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(qiáng)度M其單位為A/mMPm ( 6)V式中 Pm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(qiáng) 度的關(guān)系為M H ( 7)式中X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(qiáng)度，用B

6、表示，其單位為T(特斯拉)，它與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系為B g(H M ) (8)式中g(shù)=4nX 10-7，單位為H/m(亨/米)，稱為真空磁導(dǎo)率。將式(7)代入式(5)代入可得：B %(1 )H 啣 r H 口 H (9) 式中S為相對磁導(dǎo)率；卩 為物質(zhì)磁導(dǎo)率，它反映磁感應(yīng)強(qiáng)度 B隨外磁場強(qiáng)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 卩與真空磁導(dǎo)率口 o的比值，即：口 r ( 10)卩0類似的，在交變磁場中，相對磁導(dǎo)率是一個復(fù)數(shù)，即(11)r 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；r 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)

7、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tanS 來表示，其值越大，衰減能力越強(qiáng)。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 AgilentTechnologies 公司的生產(chǎn)的E4991A型射頻 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1MH 3GHz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.

8、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(jìn)行計算，在掃描頻率范圍1MHZ-3GH內(nèi)方便的獲取測試數(shù)據(jù)，彩色LCD/CR可以同時顯示多組測量曲線； 先進(jìn)的校正和補(bǔ)償方法降低了測量誤差。測量頻率范圍：1MHz-3GHz分辨率：1mHz震蕩器水平：40dBn- 1dBm分辨率：0.1dBm；輸出阻抗：50?;直流偏壓： 040V,分辨率：1mV直流偏流：100 A50mA- 100 A-50mA分辨率： 0.01mA圖1Agilent4991A 射頻阻抗分析儀2. 試樣制備 環(huán)狀試樣：外環(huán)直徑 外w

9、 20.0mm內(nèi)環(huán)直徑內(nèi)3.1mm厚度h 8.5mm 圓柱或塊狀試樣：最大外徑 大15mm 0.3mmC厚度h 3mm四. 實驗步驟1. 測試前準(zhǔn)備：連接主機(jī)各種組件，包括電源線，鍵盤，鼠標(biāo)，測試端頭等，然后開機(jī)，預(yù)熱 0.5h 以上。2. 選擇測試模式： E4991A狀態(tài)初始化：“ system” preset ” 設(shè)置測量模式：“ Utility ”“ Utility ”“ MaterialOptionMenu ”“ MaterialType ”“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：“ Disp

10、lay ”“ Display ”“ NumofTraces： 3Scalar ” 設(shè)置測試參數(shù)：“Meas/Format”“ Meas/Format”“ MeasParameter”“ Format : LinY-Ax is ” 設(shè)置掃描參數(shù)：“ Stimulus ”“ SweepSetup/Parameter” 設(shè)置掃描點數(shù) （201） 及方式 （Log） 設(shè)置振蕩水平：“ Stimulus ” “ Source” “OscUnit ”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/StopStart ”或“ Stop”設(shè)置相應(yīng)的頻率范圍4.

11、校正測試端頭（7mn端）: 校正準(zhǔn)備：“Stimulus ”T“Cal/Comp” “CalMeunUncal ” “CalType： FixedFreq&Pwr” 開路校正：“連接0S到7mm端” “ MeasOpen V MeasOpen “逆時針卸載 0S” 短路校正：“連接 0Q 到 7mn端” “ MeasShort” “V MeasShort” “逆 時針卸載0Q” 負(fù)載校正：“連接 50 Q 到 7mn端” “ MeasLoad “V MeasLoadf “逆時針卸載50Q” 低損耗電容校正：“連接低損耗電容到7mm端” “ MeasLowLossC“V MeasL L” “逆時

12、針卸載低損耗電 容” “ Done屏幕底端狀態(tài)Uncal顯示為CalFix，校正完畢。5. 補(bǔ)償測試夾具：16453A的補(bǔ)償： 將16453A連接到7mm端，輸入標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載厚度0.78mm“Stimulus ” “ Cal/Comp” “CalKitMeun ” “ Thickness ” 選擇夾具模式：“Stimulus ” “ Cal/Comp” “ FixtureType ” “16453A 選擇校正的測試點類型：“CalMeunUncal ”f“ CalType:FixedFreq&Pwr ” 短路校正：調(diào)節(jié)釋放 /提升按鈕，使夾具上下電極接觸，MeasShort” MeasShort”

13、 開路校正：調(diào)節(jié)釋放 / 提升按鈕，使夾具上下電極分開，MeasOpe”n “ MeasOpen”t 負(fù)載校正：將標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載置于上下電極之間，“ MeasLoad V MeasLoad “ Dond確認(rèn)屏幕底端狀態(tài)欄中 Un cal 變?yōu)?CalFix ，校正完畢。16454A的補(bǔ)償： 將 16453A/16454A連接到 7mm端 選擇夾具模式： Stimulus ” Cal/Comp” FixtureType ”選擇“ 16454S 或 16454L” 補(bǔ)償：“Stimulus ” “ Cal/Comp” “ CompMeun 將樣品托置于測量夾具上MeasOpen “V MeasOpen” ；MeasShort” “V MeasShort”；“MeasLoad “V MeasLoad “ Dond確認(rèn)屏幕底端狀態(tài)中 Uncal變?yōu)?CalFix ，補(bǔ)償完畢。6. 測試與保存： 測試準(zhǔn)備：“ Utility ”“ Utility ”“ MaterialOptionMenu ”“輸 入樣品實際尺寸” 測試：安裝試驗試樣，然后“ Scale ”“ Autoscaleall ”，開始自動測試。 保 存 數(shù) 據(jù) ：“ Save/Recall ” “SaveD