介電常數(shù)常用測量方法綜述

　　在設(shè)計電路、天線、電容器等過程中經(jīng)常會涉及所用材料的介電常數(shù),所以深入了解介電常數(shù)的相關(guān)概念對實際工作有重要意義。介電常數(shù)測量技術(shù)在民用，工業(yè)以及軍事等各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文主要對介電常數(shù)測量的常用方法進行了綜合論述。首先對國家標(biāo)準(zhǔn)進行了對比總結(jié)；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(yōu)缺點及發(fā)展近況；后對幾種測量方法進行了對比總結(jié)，得出結(jié)論。
 

　　1.引言
 

　　介電常數(shù)是物體的重要物理性質(zhì)，對介電常數(shù)的研究有重要的理論和應(yīng)用意義。電氣工程中的電介質(zhì)問題、電磁兼容問題、生物醫(yī)學(xué)、微波、電子技術(shù)、食品加工和地質(zhì)勘探中，無一不利用到物質(zhì)的電磁特性，對介電常數(shù)的測量提出了要求。目前對介電常數(shù)測量方法的應(yīng)用可以說是遍及民用、工業(yè)、國防的各個領(lǐng)域。
 

　　在食品加工行業(yè)當(dāng)中，儲藏、加工、滅菌、分級及質(zhì)檢等方面都廣泛采用了介電常數(shù)的測量技術(shù)。例如，通過測量介電常數(shù)的大小，新鮮果蔬品質(zhì)、含水率、發(fā)酵和干燥過程中的一些指標(biāo)都得到間接體現(xiàn)，此外，根據(jù)食品的介電常數(shù)、含水率確定殺菌時間和功率密度等工藝參數(shù)也是重要的應(yīng)用之一[1]。
 

　　在路基壓實質(zhì)量檢測和評價中，如果利用常規(guī)的方法，盡管測量結(jié)果比較準(zhǔn)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(chǎn)生不同程度的影響，因此可以采用雷達對整個區(qū)域進行測試以反算出介電常數(shù)的數(shù)值，通過分析介電性得到路基的密度及壓實度等參數(shù)，達到快速測量路基的密度及壓實度的目的[2]。此外，復(fù)介電常數(shù)測量技術(shù)還在水土污染的監(jiān)測中得到了應(yīng)用[3]。并且還可通過對巖石介電常數(shù)的測量對地震進行預(yù)報[4]。
 

　　上面說的是介電常數(shù)測量在民用方面的部分應(yīng)用，其在工業(yè)上也有重要的應(yīng)用。典型的例子有低介電常數(shù)材料在超大規(guī)模集成電路工藝中的應(yīng)用以及高介電常數(shù)材料在半導(dǎo)體儲存器件中的應(yīng)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(lián)中電容和電阻的寄生效應(yīng)不斷增大，傳統(tǒng)的絕緣材料二氧化硅被低介電常數(shù)材料所代替是必然的。目前AppliedMaterials的BlackDiamond作為低介電常數(shù)材料，已經(jīng)應(yīng)用于集成電路的商業(yè)化生產(chǎn)[5]。在半導(dǎo)體儲存器件中，利用高介電常數(shù)材料能夠解決半導(dǎo)體器件尺寸縮小而導(dǎo)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(xiàn)具有特殊性能的新器件[6]。在軍事方面，介電常數(shù)測量技術(shù)也廣泛應(yīng)用于雷達和各種特殊材料的制造與檢測當(dāng)中。
 

　　對介電常數(shù)測量技術(shù)的應(yīng)用可以說是不勝枚舉。介電常數(shù)的測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)和國防各個領(lǐng)域，并且有發(fā)展的空間和必要性。我們對測量介電常數(shù)的方法進行總結(jié)，能更清晰的認(rèn)識測量方法的現(xiàn)狀，為某些應(yīng)用提供一種可能適合的方法，是有一定理論和工程應(yīng)用意義的。
 

　　2.介電常數(shù)測量方法綜述
 

　　介電常數(shù)的測量按材質(zhì)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(zhì)在測量時應(yīng)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(dǎo)反射法測量其介電常數(shù)，誤差在5%左右[8]。此外國家標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(chǔ)，在LC串聯(lián)諧振電路中產(chǎn)生震蕩，利用數(shù)字頻率計測量諧振頻率，不斷改變壓強和記錄當(dāng)前壓強下諧振頻率，后用作圖或者一元線性回歸法處理數(shù)據(jù)，得到電容變化率進而計算出相對介電常數(shù)。