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介電常數測試方法
點(diǎn)擊次數:2207 更新時(shí)間:2022-10-10

相對介電常數εr可以用靜電場(chǎng)用如下方式測量:首先在兩塊極板之間為真空的時(shí)候測試電容器的電容C0。然后,用同樣的電容極板間距離但在極板間加入電介質(zhì)后測得電容Cx。然后相對介電常數可以用下式計算

εr=Cx/C0

在標準大氣壓下,不含二氧化碳的干燥空氣的相對電容率εr=1.00053。因此,用這種電極構形在空氣中的電容Ca來(lái)代替C0來(lái)測量相對電容率εr時(shí),也有足夠的準確度。(參考GB/T 1409-2006)

對于時(shí)變電磁場(chǎng),物質(zhì)的介電常數和頻率相關(guān),通常稱(chēng)為介電系數。


2常見(jiàn)溶劑

附常見(jiàn)溶劑的相對介電常數,條件為室溫下,測試頻率為1KHz。

溫度對介電常數的影響溫度對介電常數的影響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(四號溶劑) 1.78

3電介質(zhì)

氣體
相對介電常數固體
相對介電常數
水蒸汽氣態(tài)溴氦氫氧氮氬氣態(tài)汞空氣硫化氫真空乙mi液態(tài)二氧化碳甲醇乙醇水液態(tài)氨液態(tài)氦液態(tài)氫液態(tài)氧液態(tài)氮液態(tài)氯煤油松節油苯油漆甘油
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固體氨固體醋酸石蠟聚苯乙烯無(wú)線(xiàn)電瓷超高頻瓷二氧化鋇橡膠硬橡膠紙干砂15%水濕砂(金剛石)木頭琥珀冰蟲(chóng)膠(紫膠)賽璐珞玻璃黃磷硫碳云母花崗石大理石食鹽氧化鈹聚氯乙烯
4.01~4.12.0~2.32.4~2.66~6.57~8.51062~34.32.52.5約2~82.82.83~43.34~115~104.25.5~16.56~86~88.36.27.593.1~3.5

4相關(guān)解釋

"介電常數" 在工具書(shū)中的解釋?zhuān)?/p>

1.又稱(chēng)電容率或相對電容率,表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個(gè)重要數據,常用ε表示。它是指在同一電容器中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時(shí)的電容的比值,表示電介質(zhì)在電場(chǎng)中貯存靜電能的相對能力??諝夂虲S2的ε值分別為1.0006和2.6左右,而水的ε值較大,10℃時(shí)為 83.83。

2.介電常數是物質(zhì)相對于真空來(lái)說(shuō)增加電容器電容能力的度量。介電常數隨分子偶極矩和可極化性的增大而增大。在化學(xué)中,介電常數是溶劑的一個(gè)重要性質(zhì),它表征溶劑對溶質(zhì)分子溶劑化以及隔開(kāi)離子的能力。介電常數大的溶劑,有較大隔開(kāi)離子的能力,同時(shí)也具有較強的溶劑化能力。介電常數用ε表示,一些常用溶劑的介電常數見(jiàn)下表:

"介電常數" 在學(xué)術(shù)文獻中的解釋?zhuān)?/p>

1.介電常數是指物質(zhì)保持電荷的能力,損耗因數是指由于物質(zhì)的分散程度使能量損失的大小。理想的物質(zhì)的兩項參數值較小。

介電常數與頻率變化的關(guān)系介電常數與頻率變化的關(guān)系其介質(zhì)常數具有復數形式,實(shí)數部分稱(chēng)為介電常數,虛數部分稱(chēng)為損耗因子。通常用損耗角的正切值tanθ(損耗因子與介電常數之比)來(lái)表示材料與微波的耦合能力,損耗正切值越大,材料與微波的耦合能力就越強。

3.介電常數是指在同一電容器中用某一物質(zhì)為電介質(zhì)與該電容器在真空中的電容的比值。在高頻線(xiàn)路中信號傳播速度的公式如下:V=K。

4.為簡(jiǎn)單起見(jiàn),后面將相對介電常數均稱(chēng)為介電常數。反射脈沖信號的強度,與界面的波反射系數和透射波的衰減系數有關(guān),主要取決于周?chē)橘|(zhì)與反射體的電導率和介電常數。

5應用

低介電常數薄膜機械性質(zhì)量測結果低介電常數薄膜機械性質(zhì)量測結果近十年來(lái),半導體工業(yè)界對低介電常數材料的研究日益增多,材料的種類(lèi)也五花八門(mén)。然而這些低介電常數材料能夠在集成電路生產(chǎn)工藝中應用的速度卻遠沒(méi)有人們想象的那么快。其主要原因是許多低介電常數材料并不能滿(mǎn)足集成電路工藝應用的要求。圖2是不同時(shí)期半導體工業(yè)界預計低介電常數材料在集成電路工藝中應用的前景預測。

早在1997年,人們就認為在2003年,集成電路工藝中將使用的絕緣材料的介電常數(k值)將達到1.5。然而隨著(zhù)時(shí)間的推移,這種樂(lè )觀(guān)的估計被不斷更新。到2003年,國際半導體技術(shù)規劃(ITRS 2003[7])給出低介電常數材料在集成電路未來(lái)幾年的應用,其介電常數范圍已經(jīng)變成2.7~3.1。

造成人們的預計與現實(shí)如此大差異的原因是,在集成電路工藝中,低介電常數材料必須滿(mǎn)足諸多條件,例如:足夠的機械強度(MECHANICAL strength)以支撐多層連線(xiàn)的架構、高楊氏系數(Young's modulus)、高擊穿電壓(breakdown voltage>4MV/cm)、低漏電(leakage current<10-9 at 1MV/cm)、高熱穩定性(thermal stability >450oC)、良好的粘合強度(adhesion strength)、低吸水性(low moisture uptake)、低薄膜應力(low film stress)、高平坦化能力(planarization)、低熱漲系數(coefficient of thermal expansion)以及與化學(xué)機械拋光工藝的兼容性(compatibility with CMP process)等等。能夠滿(mǎn)足上述特性的低介電常數材料并不容易獲得。例如,薄膜的介電常數與熱傳導系數往往就呈反比關(guān)系。因此,低介電常數材料本身的特性就直接影響到工藝集成的難易度。

在超大規模集成電路制造商中,TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等許多公司為了開(kāi)發(fā)90nm及其以下技術(shù)的研究,先后選用了應用材料公司(Applied Materials)的Black Diamond 作為低介電常數材料。該材料采用PE-CVD技術(shù)[8] ,與現有集成電路生產(chǎn)工藝*融合,并且引入BLOk薄膜作為低介電常數材料與金屬間的隔離層,很好的解決了上述提及的諸多問(wèn)題,是已經(jīng)用于集成電路商業(yè)化生產(chǎn)為數不多的低介電常數材料之一。


1-1電橋簡(jiǎn)介:

    高壓電橋是本公司推出的新一代高壓電橋,主要用于測量工業(yè)絕緣材料的介質(zhì)損耗(tgδ)及介電常數(ε)。符合GB1409,1693GB5654,其采用了西林電橋的經(jīng)典線(xiàn)路,內附0-5000的數顯高壓電源及100PF標準電容器,并可按用戶(hù)要求擴裝外接標準電容線(xiàn)路。

 

1-2電橋的特點(diǎn);

 l橋體內附電位跟蹤器及指零儀,外圍接線(xiàn)及少。

l電橋采用接觸電阻小,機械壽命長(cháng)的十進(jìn)開(kāi)關(guān),保證測量的穩定性

l儀器具有雙屏蔽,能有效防止外部電磁場(chǎng)的干擾。

l儀器內部電阻及電容元件經(jīng)特殊老化處理,使儀器技術(shù)性能穩定可靠。

l內附高壓電源精度3%

l內附標準電容損耗﹤0.00005,名義值100pF

一、        技術(shù)指標

2-1測量范圍及誤差

本電橋的環(huán)境溫度為20±5,相對濕度為30%-80%條件下,應滿(mǎn)足下列表中的技術(shù)指示要求。

Cn=100 pF      R4=3183.2(Ω)時(shí)

測量項目

測量范圍

測量誤差

電容量Cx

40pF20000pF

±0.5%  Cx±2pF

介損損耗tgδ

0-1

±1.0%  tgδx±0.00005

Cn=100 pF    R4=318.3(Ω)時(shí)

測量項目

測量范圍

測量誤差

電容量Cx

4pF2000pF

±0.5%  Cx±2pF

介損損耗tgδ

0-0.1

±1.0%  tgδx±0.00005

 

2-2電橋測量靈敏度

    電橋在使用過(guò)程中,靈敏度直接影響電橋平穩衡的分辨程度,為保證測量準確度,希望電橋靈敏度達到一定的水平。通常情況下電橋靈敏度與測量電壓,標準電容量成正比。

    在下面的計算公式中,用戶(hù)可根據實(shí)際情況估算出電橋靈敏度水平,在這個(gè)水平上的電容與介質(zhì)損耗因數的微小變化都能夠反應出來(lái)。

     ΔC/CΔtgδ=Ig/UωCn(1+Rg/R4+Cn/Cx)

式中: U 為測量電壓                              伏特  (V)

      ω為角頻率2πf=314(50Hz)                              

     Cn標準電容器容量                          法拉(F)

     Ig通用指零儀的電流5×10-10                  安培(A) 

     Rg平衡指零儀內阻約1500                    歐姆(Ω)

     R4橋臂R4阻值3183                         歐姆(Ω)

     Cx被測試品電容值                           法拉(pF)

2-3工作電壓說(shuō)明

在使用中,本電橋頂A,BV點(diǎn)的電壓最高不超過(guò)11V,R3橋臂各盤(pán)的電流不超過(guò)下列規定:

10×1kΩ                             1max≤15mA

10×100Ω                            1max≤120mA

10×10Ω                             l max≤150mA

用戶(hù)在使用前應注意以上的問(wèn)題。如不清楚,可根據實(shí)驗電壓及標準電容量,按以下公式來(lái)計算出大概的工作電流。

                    I=ω V C 

2-4輔橋的技術(shù)特性:

不失真跟蹤電壓011V(有效值)

2-5指零裝置的技術(shù)特性:

50Hz時(shí)電壓靈敏度不低于1×10-6V/

                電流靈敏度不低于2×10-9 A/

二次諧波 減不小于25dB

三次諧波 減不小于50dB

二、        電橋工作原理

 高壓電橋采用典型的西林電橋線(xiàn)路。C4橋臂在基本量程時(shí),與R4橋臂并聯(lián),測量數值為正損耗因數。結構采用了雙層屏蔽。并通過(guò)輔橋的輔助平衡,消除寄生參數對電橋平衡的影響。輔橋由電位自動(dòng)電位跟蹤器與內層屏蔽(S)組成。自動(dòng)跟蹤器由電子元器件組成。它在橋頂B處取一輸入電壓,通過(guò)放大后,在內屏蔽(S)產(chǎn)生一個(gè)與B電位相等的電壓。當電橋在平衡時(shí),A,B,S三點(diǎn)電位必然相等,從而達到自動(dòng)跟蹤的目的。本電橋在平衡過(guò)程中,輔橋采用自動(dòng)電位跟蹤,在主橋平衡過(guò)程的同時(shí),輔橋也自動(dòng)跟蹤始終處于平衡的狀態(tài),用戶(hù)只要對主橋平衡進(jìn)行操作就能得到可靠的所需數據。同時(shí)也有效的抑制了電壓波動(dòng)對平衡所帶來(lái)的影響。在指零部分,采用了指針式電表指示,視覺(jué)直觀(guān),分辨清楚,克服了以往振動(dòng)式檢流計的缺點(diǎn)。

 

 

 

 

 

 

3-1 橋體的組成

電橋各臂的組成

第一臂:由被測對象Cx組成Z1。

第二臂:由高壓標準電容器Cn組成Z2。

第三臂:由十進(jìn)電阻器10×10001001010.1)歐姆和滑線(xiàn)電阻(0-0.13)歐姆組成Z3。

第四臂:由十進(jìn)電容臂10×0.10.010.0010.0001uf和可變電容器100pF組成C4再與電組R4并聯(lián)組成Z4。

 

3-2計算公式

Cx=R4×  Cn / R3    R4[Ω]  R3[Ω]  Cn[pF]  Cx[pF]

tgδ=ω·R4·C4     R4[Ω]  C4[F]

R4=10K/π

tgδ=C4     

R4=1K/π

tgδ=0.1C4  

我們采取相對固定R4電阻,分別調節R3C4使橋跟平衡,從而測得試品的電容值Cx和介質(zhì)損耗tg。本電橋為了直讀出損耗值,取電阻R4的阻值為角頻率(f=50Hz)若干倍。

3-3 公式說(shuō)明

.頻率對介質(zhì)損耗正公式:

本電橋額定的工作頻率f=50Hz,在實(shí)際工作頻率偏離額定頻率時(shí)可用修正式進(jìn)行修正:

tg=f·tgδ / f

式中:f    為額定工作頻率(f=50Hz

f’   為實(shí)際工作頻率

tgδ  電橋測得損耗值

tg   為被測試品介質(zhì)損耗角正切的實(shí)際值

四、安全操作規程

1.      本儀器必須有專(zhuān)人負責保管,使用,非專(zhuān)職操作者應在使用前了解和熟悉本說(shuō)明書(shū),以免造成不必要的損失和事故。

2.      每次使用前應仔細檢查接地線(xiàn)是否完好,確保以后方可通電使用。

3.      接通電源前應將靈敏度開(kāi)關(guān)調到zui低位置。

4.      測量試品前應先對試品進(jìn)行高壓試驗,證明在電橋工作電壓下無(wú)噪聲,電離等現象出現,然后才能進(jìn)行測試(若試品己做過(guò)高壓試驗,該項可不必每次測量都做)。

5.      對試品施加高壓時(shí)緩慢升高,不可以加突變電壓。

6.      測試時(shí)操作人員必須集中思想,工作前做好一切準備工作,測試地點(diǎn)周?chē)鷳忻黠@的標記或金屬屏蔽圍成高壓危險區,以防止非操作人員闖入。

7.      在測量過(guò)程中,如有放電管發(fā)光時(shí),則必須及時(shí)切斷電源,仔細檢查接線(xiàn)及試品都無(wú)擊穿,待檢查排除故障后,再進(jìn)行高壓測量工作。

五.操作方法

5.1 測試前的準備工作

按圖(3)所示,連接標準電容Cn(選用外接標準電容時(shí)背后Cn開(kāi)關(guān)放在OUT位置),連接被測電容Cx,并且將標準電容與被測電容盡可能遠離,以防止互相之間干擾,選用外接方式時(shí),只需打開(kāi)電源總開(kāi)關(guān)即可,不能啟動(dòng)自帶的高壓。如選用內部標準電容器(背后Cn開(kāi)關(guān)放在IN位置),只需連接被測試品即可。

檢查周?chē)欠裼袕婋姶艌?chǎng)干擾,應盡量避免。

檢查大地線(xiàn)是否牢靠,以保證操作人員的安全,應檢查電橋上的()與大地是否接觸良好。

檢查電橋的靈敏度開(kāi)關(guān)是否已回另位。

檢查試品的絕緣強度,應符合大于2U+1的標準。

對試品施加試驗電壓(按部標或國際所規定的專(zhuān)業(yè)標準進(jìn)行)。

 

5.2 試品的測試

在不知道被測試品的大概容量及損耗時(shí),可先施加少許的電壓,找到粗平衡點(diǎn)后,再把工作電壓升到所需的值,然后再尋找細平衡點(diǎn)。

在測量時(shí),靈敏度開(kāi)關(guān)是按從小到大的規律來(lái)調節的。

在測量時(shí),R3開(kāi)關(guān)時(shí)按從左至右的規律來(lái)調節的。

在測量時(shí),C4開(kāi)關(guān)時(shí)按從右至左的規律來(lái)調節的。

整個(gè)測量步絮:首先檢查接線(xiàn)無(wú)誤后,方可通電試驗。第二升起試驗電壓,并調節靈敏度開(kāi)關(guān),使UA表頭有明顯的指示。此時(shí)表明電橋沒(méi)有平衡。第三調節R3開(kāi)關(guān),順序從左至右。這時(shí)通過(guò)觀(guān)察表頭來(lái)觀(guān)察電橋的平衡狀況。如表頭已回另,可再加大靈敏度。應總保持能明顯地觀(guān)察到調節R3時(shí),電橋的平衡狀況。第四在某一點(diǎn)上用戶(hù)會(huì )發(fā)現,調節R3已無(wú)法使表頭再回到另位。這時(shí)可調節C4開(kāi)關(guān),順序時(shí)從右至左,把表頭指針調節到最小位。第五用戶(hù)在調節C4到某一點(diǎn)時(shí)又會(huì )發(fā)現無(wú)法將指針調回另位。這時(shí)又要去調節R3開(kāi)關(guān),調節的位數是上一次調節R3的最后位,然后又會(huì )出現第四點(diǎn)時(shí)的問(wèn)題,又必須要調節C4開(kāi)關(guān)...就這樣來(lái)回往復地調節R3C4兩組開(kāi)關(guān),直至靈敏度開(kāi)關(guān)最大時(shí),并指針回另(或指另儀指示到最?。?。表明電橋已達到平衡。

 測量完畢后或在暫停測量時(shí),應將另儀的靈敏度開(kāi)關(guān)降至“0",再將測量電壓降至另并切斷電源開(kāi)關(guān),根據計算公式,算出被測試品的容量及介損值。

 

 






 


 

 

 

 

 

 

 


五、裝置成套性

1.高壓電橋                                    一臺                 

3.雙屏蔽測量電纜                              一根

4.使用說(shuō)明書(shū)                                  一份

5.電源線(xiàn)                                      一根