材料的介電常數(shù)和磁導率的測量

1、無機材料的介電常數(shù)及磁導率的測定一、實驗目的1. 掌握無機材料介電常數(shù)及磁導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)和磁導率的的因素。二、實驗原理1.介電性能介電材料（又稱電介質）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，構成電介質材料的內部微觀粒子，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，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。而松弛極化與質點的熱運動密切相關，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)，是表征電介質材料介

3、電性能的最重要的基本參數(shù)，它反映了電介質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所作的電容器的電容量與以真空為介質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，由于介質電導和介質極化的滯后效應而引起的能量損耗。材料的介電常數(shù)和介電損耗取決于材料結構和極化機理。除此之外，還與工作頻率、環(huán)境溫度、濕度有關。在交

4、變電場作用下，材料的介電常數(shù)常用復介電常數(shù)表達： （2）式中和都是與頻率相關的量，二者的比值為tan （3）則介質電導率 （4）式中為交變電壓的角頻率。僅與介質有關，稱為介質損耗因子，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，超過電介質材料所能承受的臨界值時，電介質材料從介電狀態(tài)向導電狀態(tài)轉變，這一臨界電場強度即為介電強度。2. 磁導率（Magnetic Permeability）任何介質處于磁場中，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、產生一個附加磁場H，此時介質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磁介質中磁矩矢量和。M即上述的附加磁場，它與磁場強度的關系為 （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強度，用B表示，其單位為T（特斯拉），它與磁場強度H的關系為 （8）式中=410-7，單位為H/m(亨/米)，稱為真空磁導率。將式(

6、7)代入式(5)代入可得： （9）式中為相對磁導率；為物質磁導率，它反映磁感應強度B隨外磁場強度H變化的速率。通常使用的是磁介質的相對磁導率，其定義為物質磁導率與真空磁導率的比值，即： （10） 類似的，在交變磁場中，相對磁導率是一個復數(shù)，即 （11）表示在磁場作用下產生的磁化程度，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生損耗的能力。磁性損耗介質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)和磁導率的原理本實驗中使用的儀器是Agilent Technologies公司的生產的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，依據(jù)被測件終端電流和電壓來直接測量1MHz3GHz頻率范圍內的阻抗。通過測定的高精度的阻抗值，自動計算試樣的介電常數(shù)或磁導率，可直接在顯示器上讀取結果。測量介電常數(shù)時需將E4991A與夾具16453A配套使用，測量磁導率時需將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，內環(huán)直徑內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，預熱0.5h以上。2. 選擇測試模式： E499

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

10、er”設置掃描點數(shù)(201)及方式(Log) 設置振蕩水平：“Stimulus”“Source”“Osc Unit” 選擇電流(磁導率)或電壓(介電常數(shù)) 設置掃描幅度：“Stimulus”“Start/Stop” “Start”或“Stop”設置相應的頻率范圍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