相對介電常數(shù)εr可以用靜電場用如下方式測量：首先在兩塊極板之間為真空的時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(shù)可以用下式計算
εr=Cx/C0
在標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)形在空氣中的電容Ca來代替C0來測量相對電容率εr時，也有足夠的準(zhǔn)確度。（參考GB/T 1409-2006）
對于時變電磁場，物質(zhì)的介電常數(shù)和頻率相關(guān)，通常稱為介電系數(shù)。
2常見溶劑
附常見溶劑的相對介電常數(shù)，條件為室溫下，測試頻率為1KHz。
溫度對介電常數(shù)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(shù) | 固體 | 相對介電常數(shù) | ||
| 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(jié)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線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(shù)" 在工具書中的解釋：
1.又稱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重要數(shù)據(jù)，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)和真空時的電容的比值，表示電介質(zhì)在電場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℃時為 83.83。
2.介電常數(shù)是物質(zhì)相對于真空來說增加電容器電容能力的度量。介電常數(shù)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(shù)是溶劑的一個重要性質(zhì)，它表征溶劑對溶質(zhì)分子溶劑化以及隔開離子的能力。介電常數(shù)大的溶劑，有較大隔開離子的能力，同時也具有較強(qiáng)的溶劑化能力。介電常數(shù)用ε表示，一些常用溶劑的介電常數(shù)見下表：
"介電常數(shù)" 在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中的解釋：
1.介電常數(shù)是指物質(zhì)保持電荷的能力，損耗因數(shù)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(shù)值較小。
介電常數(shù)與頻率變化的關(guān)系其介質(zhì)常數(shù)具有復(fù)數(shù)形式，實數(shù)部分稱為介電常數(shù)，虛數(shù)部分稱為損耗因子。通常用損耗角的正切值tanθ（損耗因子與介電常數(shù)之比）來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(qiáng)。
3.介電常數(shù)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。在高頻線路中信號傳播速度的公式如下：V=K。
4.為簡單起見，后面將相對介電常數(shù)均稱為介電常數(shù)。反射脈沖信號的強(qiáng)度，與界面的波反射系數(shù)和透射波的衰減系數(shù)有關(guān)，主要取決于周圍介質(zhì)與反射體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。
5應(yīng)用
低介電常數(shù)薄膜機(jī)械性質(zhì)量測結(jié)果近十年來，半導(dǎo)體工業(yè)界對低介電常數(shù)材料的研究日益增多，材料的種類也五花八門。然而這些低介電常數(shù)材料能夠在集成電路生產(chǎn)工藝中應(yīng)用的速度卻遠(yuǎn)沒有人們想象的那么快。其主要原因是許多低介電常數(shù)材料并不能滿足集成電路工藝應(yīng)用的要求。圖2是不同時期半導(dǎo)體工業(yè)界預(yù)計低介電常數(shù)材料在集成電路工藝中應(yīng)用的前景預(yù)測。
早在1997年，人們就認(rèn)為在2003年，集成電路工藝中將使用的絕緣材料的介電常數(shù)（k值）將達(dá)到1.5。然而隨著時間的推移，這種樂觀的估計被不斷更新。到2003年，國際半導(dǎo)體技術(shù)規(guī)劃（ITRS 2003[7]）給出低介電常數(shù)材料在集成電路未來幾年的應(yīng)用，其介電常數(shù)范圍已經(jīng)變成2.7~3.1。
造成人們的預(yù)計與現(xiàn)實如此大差異的原因是，在集成電路工藝中，低介電常數(shù)材料必須滿足諸多條件，例如：足夠的機(jī)械強(qiáng)度（MECHANICAL strength）以支撐多層連線的架構(gòu)、高楊氏系數(shù)（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(wěn)定性（thermal stability >450oC）、良好的粘合強(qiáng)度（adhesion strength）、低吸水性（low moisture uptake）、低薄膜應(yīng)力（low film stress）、高平坦化能力（planarization）、低熱漲系數(shù)（coefficient of thermal expansion）以及與化學(xué)機(jī)械拋光工藝的兼容性（compatibility with CMP process）等等。能夠滿足上述特性的低介電常數(shù)材料并不容易獲得。例如，薄膜的介電常數(shù)與熱傳導(dǎo)系數(shù)往往就呈反比關(guān)系。因此，低介電常數(shù)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(guī)模集成電路制造商中，TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等許多公司為了開發(fā)90nm及其以下技術(shù)的研究，先后選用了應(yīng)用材料公司（Applied Materials）的Black Diamond 作為低介電常數(shù)材料。該材料采用PE-CVD技術(shù)[8] ，與現(xiàn)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(shù)材料與金屬間的隔離層，很好的解決了上述提及的諸多問題，是已經(jīng)用于集成電路商業(yè)化生產(chǎn)為數(shù)不多的低介電常數(shù)材料之一。
1-1電橋簡介:
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(shù)（ε）。符合GB1409，1693及GB5654,其采用了西林電橋的經(jīng)典線路，內(nèi)附0-5000的數(shù)顯高壓電源及100PF標(biāo)準(zhǔn)電容器，并可按用戶要求擴(kuò)裝外接標(biāo)準(zhǔn)電容線路。
1-2電橋的特點；
l橋體內(nèi)附電位跟蹤器及指零儀，外圍接線及少。
l電橋采用接觸電阻小，機(jī)械壽命長的十進(jìn)開關(guān)，保證測量的穩(wěn)定性
l儀器具有雙屏蔽，能有效防止外部電磁場的干擾。
l儀器內(nèi)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(wěn)定可靠。
l內(nèi)附高壓電源精度3%
l內(nèi)附標(biāo)準(zhǔn)電容損耗﹤0.00005，名義值100pF
一、 技術(shù)指標(biāo)
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(yīng)滿足下列表中的技術(shù)指示要求。
在Cn=100 pF R4=3183.2（Ω）時
測量項目 | 測量范圍 | 測量誤差 |
電容量Cx | 40pF—20000pF | ±0.5% Cx±2pF |
介損損耗tgδ | 0-1 | ±1.0% tgδx±0.00005 |
在Cn=100 pF R4=318.3（Ω）時
測量項目 | 測量范圍 | 測量誤差 |
電容量Cx | 4pF—2000pF | ±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
電橋在使用過程中，靈敏度直接影響電橋平穩(wěn)衡的分辨程度，為保證測量準(zhǔn)確度，希望電橋靈敏度達(dá)到一定的水平。通常情況下電橋靈敏度與測量電壓，標(biāo)準(zhǔn)電容量成正比。
在下面的計算公式中，用戶可根據(jù)實際情況估算出電橋靈敏度水平，在這個水平上的電容與介質(zhì)損耗因數(shù)的微小變化都能夠反應(yīng)出來。
ΔC/C或Δtgδ=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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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工作電壓說明
在使用中，本電橋頂A，B對V點的電壓最高不超過11V，R3橋臂各盤的電流不超過下列規(guī)定：
10×1kΩ 1max≤15mA
10×100Ω 1max≤120mA
10×10Ω l max≤150mA
用戶在使用前應(yīng)注意以上的問題。如不清楚，可根據(jù)實驗電壓及標(biāo)準(zhǔn)電容量，按以下公式來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0～11V（有效值）
2-5指零裝置的技術(shù)特性：
在50Hz時電壓靈敏度不低于1×10-6V/格
電流靈敏度不低于2×10-9 A/格
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路。C4橋臂在基本量程時，與R4橋臂并聯(lián)，測量數(shù)值為正損耗因數(shù)。結(jié)構(gòu)采用了雙層屏蔽。并通過輔橋的輔助平衡，消除寄生參數(shù)對電橋平衡的影響。輔橋由電位自動電位跟蹤器與內(nèi)層屏蔽（S）組成。自動跟蹤器由電子元器件組成。它在橋頂B處取一輸入電壓，通過放大后，在內(nèi)屏蔽（S）產(chǎn)生一個與B電位相等的電壓。當(dāng)電橋在平衡時，A,B,S三點電位必然相等，從而達(dá)到自動跟蹤的目的。本電橋在平衡過程中，輔橋采用自動電位跟蹤，在主橋平衡過程的同時，輔橋也自動跟蹤始終處于平衡的狀態(tài)，用戶只要對主橋平衡進(jìn)行操作就能得到可靠的所需數(shù)據(jù)。同時也有效的抑制了電壓波動對平衡所帶來的影響。在指零部分，采用了指針式電表指示，視覺直觀，分辨清楚，克服了以往振動式檢流計的缺點。
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(biāo)準(zhǔn)電容器Cn組成Z2。
第三臂：由十進(jìn)電阻器10×（1000＋100＋10＋1＋0.1）歐姆和滑線電阻（0-0.13）歐姆組成Z3。
第四臂：由十進(jìn)電容臂10×（0.1＋0.01＋0.001＋0.0001）uf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]
當(dāng)R4=10K/π
tgδ=C4
當(dāng)R4=1K/π
tgδ=0.1C4
我們采取相對固定R4電阻，分別調(diào)節(jié)R3和C4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，在實際工作頻率偏離額定頻率時可用修正式進(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)損耗角正切的實際值
四、安全操作規(guī)程
1. 本儀器必須有專人負(fù)責(zé)保管，使用，非專職操作者應(yīng)在使用前了解和熟悉本說明書，以免造成不必要的損失和事故。
2. 每次使用前應(yīng)仔細(xì)檢查接地線是否完好，確保以后方可通電使用。
3. 接通電源前應(yīng)將靈敏度開關(guān)調(diào)到zui低位置。
4. 測量試品前應(yīng)先對試品進(jìn)行高壓試驗，證明在電橋工作電壓下無噪聲，電離等現(xiàn)象出現(xiàn)，然后才能進(jìn)行測試（若試品己做過高壓試驗，該項可不必每次測量都做）。
5. 對試品施加高壓時緩慢升高，不可以加突變電壓。
6. 測試時操作人員必須集中思想，工作前做好一切準(zhǔn)備工作，測試地點周圍應(yīng)有明顯的標(biāo)記或金屬屏蔽圍成高壓危險區(qū)，以防止非操作人員闖入。
7. 在測量過程中，如有放電管發(fā)光時，則必須及時切斷電源，仔細(xì)檢查接線及試品都無擊穿，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(zhǔn)備工作
①按圖（3）所示，連接標(biāo)準(zhǔn)電容Ｃｎ（選用外接標(biāo)準(zhǔn)電容時背后Cn開關(guān)放在OUT位置），連接被測電容Ｃｘ，并且將標(biāo)準(zhǔn)電容與被測電容盡可能遠(yuǎn)離，以防止互相之間干擾，選用外接方式時，只需打開電源總開關(guān)即可，不能啟動自帶的高壓。如選用內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電容器（背后Cn開關(guān)放在IN位置），只需連接被測試品即可。
②檢查周圍是否有強(qiáng)電磁場干擾，應(yīng)盡量避免。
③檢查大地線是否牢靠，以保證操作人員的安全，應(yīng)檢查電橋上的（⊥）與大地是否接觸良好。
④檢查電橋的靈敏度開關(guān)是否已回另位。
⑤檢查試品的絕緣強(qiáng)度，應(yīng)符合大于2U+1的標(biāo)準(zhǔn)。
⑥對試品施加試驗電壓（按部標(biāo)或國際所規(guī)定的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行）。
5.2 試品的測試
①在不知道被測試品的大概容量及損耗時，可先施加少許的電壓，找到粗平衡點后，再把工作電壓升到所需的值，然后再尋找細(xì)平衡點。
②在測量時，靈敏度開關(guān)是按從小到大的規(guī)律來調(diào)節(jié)的。
③在測量時，R3開關(guān)時按從左至右的規(guī)律來調(diào)節(jié)的。
④在測量時，C4開關(guān)時按從右至左的規(guī)律來調(diào)節(jié)的。
⑤整個測量步絮：首先檢查接線無誤后，方可通電試驗。第二升起試驗電壓，并調(diào)節(jié)靈敏度開關(guān)，使UA表頭有明顯的指示。此時表明電橋沒有平衡。第三調(diào)節(jié)R3開關(guān)，順序從左至右。這時通過觀察表頭來觀察電橋的平衡狀況。如表頭已回另，可再加大靈敏度。應(yīng)總保持能明顯地觀察到調(diào)節(jié)R3時，電橋的平衡狀況。第四在某一點上用戶會發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)R3已無法使表頭再回到另位。這時可調(diào)節(jié)C4開關(guān)，順序時從右至左，把表頭指針調(diào)節(jié)到最小位。第五用戶在調(diào)節(jié)C4到某一點時又會發(fā)現(xiàn)無法將指針調(diào)回另位。這時又要去調(diào)節(jié)R3開關(guān)，調(diào)節(jié)的位數(shù)是上一次調(diào)節(jié)R3的最后位，然后又會出現(xiàn)第四點時的問題，又必須要調(diào)節(jié)C4開關(guān)．．．就這樣來回往復(fù)地調(diào)節(jié)R3和C4兩組開關(guān)，直至靈敏度開關(guān)最大時，并指針回另（或指另儀指示到最?。?。表明電橋已達(dá)到平衡。
⑥測量完畢后或在暫停測量時，應(yīng)將另儀的靈敏度開關(guān)降至“0"，再將測量電壓降至另并切斷電源開關(guān)，根據(jù)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．使用說明書 一份
5．電源線 一根
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