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介電常數常用測量方法綜述
閱讀：2947發布時間：2020-5-21
在設計電路、天線、電容器等過程中經常會涉及所用材料的介電常數,所以深入了解介電常數的相關概念對實際工作有重要意義。介電常數測量技術在民用，工業以及軍事等各個領域應用廣泛。本文主要對介電常數測量的常用方法進行了綜合論述。首先對國家標準進行了對比總結；然后分別論述了幾種常用測量方法的基本原理、適用范圍、優缺點及發展近況；后對幾種測量方法進行了對比總結，得出結論。
1.引言
介電常數是物體的重要物理性質，對介電常數的研究有重要的理論和應用意義。電氣工程中的電介質問題、電磁兼容問題、生物醫學、微波、電子技術、食品加工和地質勘探中，無一不利用到物質的電磁特性，對介電常數的測量提出了要求。目前對介電常數測量方法的應用可以說是遍及民用、工業、國防的各個領域。
在食品加工行業當中，儲藏、加工、滅菌、分級及質檢等方面都廣泛采用了介電常數的測量技術。例如，通過測量介電常數的大小，新鮮果蔬品質、含水率、發酵和干燥過程中的一些指標都得到間接體現，此外，根據食品的介電常數、含水率確定殺菌時間和功率密度等工藝參數也是重要的應用之一[1]。
在路基壓實質量檢測和評價中，如果利用常規的方法，盡管測量結果比較準確，但工作量大、周期長、速度慢且對路面造成破壞。由于土體的含水量、溫度及密度都會對其介電特性產生不同程度的影響，因此可以采用雷達對整個區域進行測試以反算出介電常數的數值，通過分析介電性得到路基的密度及壓實度等參數，達到快速測量路基的密度及壓實度的目的[2]。此外，復介電常數測量技術還在水土污染的監測中得到了應用[3]。并且還可通過對巖石介電常數的測量對地震進行預報[4]。
上面說的是介電常數測量在民用方面的部分應用，其在工業上也有重要的應用。典型的例子有低介電常數材料在超大規模集成電路工藝中的應用以及高介電常數材料在半導體儲存器件中的應用。在集成電路工藝中，隨著晶體管密度的不斷增加和線寬的不斷減小，互聯中電容和電阻的寄生效應不斷增大，傳統的絕緣材料二氧化硅被低介電常數材料所代替是必然的。目前AppliedMaterials的BlackDiamond作為低介電常數材料，已經應用于集成電路的商業化生產[5]。在半導體儲存器件中，利用高介電常數材料能夠解決半導體器件尺寸縮小而導致的柵氧層厚度極限的問題，同時具備特殊的物理特性，可以實現具有特殊性能的新器件[6]。在軍事方面，介電常數測量技術也廣泛應用于雷達和各種特殊材料的制造與檢測當中。
對介電常數測量技術的應用可以說是不勝枚舉。介電常數的測量技術已經廣泛應用于民用、工業和國防各個領域，并且有發展的空間和必要性。我們對測量介電常數的方法進行總結，能更清晰的認識測量方法的現狀，為某些應用提供一種可能適合的方法，是有一定理論和工程應用意義的。
2.介電常數測量方法綜述
介電常數的測量按材質分類可以分為對固體、液體、氣體以及粉末(顆粒)的測量[7]。固體電介質在測量時應用廣泛，通常可以分為對固定形狀大小的固體和對形狀不確定的固體的測量。相對于固體，液體和氣體的測試方法較少。對于液體，可以采用波導反射法測量其介電常數，誤差在5%左右[8]。此外國家標準中給出了在90℃、工頻條件下測量液體損耗角正切及介電常數的方法[9]。對于氣體，具體測試方法少且精度都不十分高。文獻[10]中給出一種測量方法，以測量共振頻率為基礎，在LC串聯諧振電路中產生震蕩，利用數字頻率計測量諧振頻率，不斷改變壓強和記錄當前壓強下諧振頻率，后用作圖或者一元線性回歸法處理數據，得到電容變化率進而計算出相對介電常數。
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