薄膜介电常数测量仪

薄膜介电常数测量仪电桥测量灵敏度

    电桥在使用过程中，灵敏度直接影响电桥平衡的分辨程度，为保证测量准确度，希望电桥灵敏度达到一定的水平。通常情况下电桥灵敏度与测量电压，标准电容量成正比。在下面的计算公式中，用户可根据实际使用情况估算出电桥灵敏度水平，在这个水平上的电容与介质损耗因数的微小变化都能够反应出来。

 DC/C或Dtgd=Ig/UwCn(1+Rg/R4+Cn/Cx)   

         式中：Ｕ为测量电压                     伏特（Ｖ）

ω为角频率 2pf=314(50Hz)                            

          Ｃｎ标准电容器容量                    皮法（pＦ）

          Ｉｇ通用指另仪的电流5X10-10            安培（Ａ）

          Ｒｇ平衡指另仪内阻约1500              欧姆（W）

          Ｒ４桥臂R4电阻值3183                 欧姆（W）

          Ｃｘ被测试品电容值                    皮法（ｐF）

3 电容量及介损显示精度：

    电容量： ±0.5%×tgδx±0.0001。

    介  损： ±0.5％tgdx±1×10-4

4 辅桥的技术特性：

    工作电压±12V，50Hz

    输入阻抗>1012　W

    输出阻抗>0.6 W

    放大倍数>0.99

    不失真跟踪电压  0～12V（有效值）

5 指另装置的技术特性：

    工作电压±12V

    在50Hz时电压灵敏度不低于1X10-6V／格， 电流灵敏度不低于2X10-9A／格

    二次谐波  减不小于25db

    三次谐波  减不小于50db

特点：优化的测试电路设计使残值更小◆ 高频信号采用数码调谐器和频率锁定技术◆ LED 数字读出品质因数，手动/自动量程切换◆ 自动扫描被测件谐振点，标频单键设置和锁定，大大提高测试速度

作为新一代的通用、多用途、多量程的阻抗测试仪器，测试频率上限达到目前国内高的160MHz。1 双扫描技术 - 测试频率和调谐电容的双扫描、自动调谐搜索功能。2 双测试要素输入 - 测试频率及调谐电容值皆可通过数字按键输入。3 双数码化调谐 - 数码化频率调谐，数码化电容调谐。4 自动化测量技术 -对测试件实施 Q 值、谐振点频率和电容的自动测量。5 全参数液晶显示 – 数字显示主调电容、电感、 Q 值、信号源频率、谐振指针。6 DDS 数字直接合成的信号源 -确保信源的高葆真，频率的高精确、幅度的高稳定。7 计算机自动修正技术和测试回路优化 —使测试回路 残余电感减至低，彻底 Q 读数值在不同频率时要加以修正的困惑。

标准配置：高配Q表 一只  试验电极  一只 （c类）电感      一套（9只）电源线    一条说明书    一份合格证    一份保修卡    一份

为什么介电常数越大，绝缘能力越强？因为物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。

介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数。所以理论上来说，介电常数越大，绝缘性能就越好。

注：这个性质不是成立的。

对于绝缘性不太好的材料(就是说不击穿的情况下,也可以有一定的导电性)和绝缘性很好的材料比较,这个结论是成立的。

但对于两个绝缘体就不一定了。

介电常数反映的是材料中电子的局域(local)特性,导电性是电子的全局(global)特征.不是一回事情的。

补充：电介质经常是绝缘体。其例子包括瓷器(陶器)，云母，玻璃，塑料，和各种金属氧化物。有些液体和气体可以作为好的电介质材料。干空气是良好的电介质，并被用在可变电容器以及某些类型的传输线。蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质，其相对介电常数约为80。

对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数介电常数,用于衡量绝缘体储存电能的性能.它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。电容器两极板之间填充的介质对电容的容量有影响，而同一种介质的影响是相同的，介质不同，介电常数不同

介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角（功率因数角Φ）的余角δ称为介质损耗角。

损耗因子也指耗损正切，是交流电被转化为热能的介电损耗（耗散的能量）的量度，一般情况下都期望耗损因子低些好。

概念：

电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，或简称介质损耗（diclectric loss）。介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。介质损耗不但消耗了电能，而且使元件发热影响其正常工作。如果介电损耗较大，甚至会引起介质的过热而绝缘破坏，所以从这种意义上讲，介质损耗越小越好。

形式

各种不同形式的损耗是综合起作用的。由于介质损耗的原因是多方面的，所以介质损耗的形式也是多种多样的。介电损耗主要有以下形式：

1）漏导损耗

实际使用中的绝缘材料都不是完善的理想的电介质，在外电场的作用下，总有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流，这种微小电流称为漏导电流，漏导电流流经介质时使介质发热而损耗了电能。这种因电导而引起的介质损耗称为“漏导损耗”。由于实阿的电介质总存在一些缺陷，或多或少存在一些带电粒子或空位，因此介质不论在直流电场或交变电场作用下都会发生漏导损耗。

2）极化损耗

在介质发生缓慢极化时（松弛极化、空间电荷极化等），带电粒子在电场力的影响下因克服热运动而引起的能量损耗。

　　一些介质在电场极化时也会产生损耗，这种损耗一般称极化损耗。位移极化从建立极化到其稳定所需时间很短（约为10-16～10-12s），这在无线电频率（5×1012Hz 以下）范围均可认为是极短的，因此基本上不消耗能量。其他缓慢极化（例如松弛极化、空间电荷极化等）在外电场作用下，需经过较长时间（10-10s或更长）才达到稳定状态，因此会引起能量的损耗。

若外加频率较低，介质中所有的极化都能完全跟上外电场变化，则不产生极化损耗。若外加频率较高时，介质中的极化跟不上外电场变化，于是产生极化损耗。

电离损耗

电离损耗（又称游离损耗）是由气体引起的，含有气孔的固体介质在外加电场强度超过气孔气体电离所需要的电场强度时，由于气体的电离吸收能量而造成指耗，这种损耗称为电离损耗。

结构损耗

在高频电场和低温下，有一类与介质内邻结构的紧密度密切相关的介质损耗称为结构损耗。这类损耗与温度关系不大，耗功随频率升高而增大。

试验表明结构紧密的晶体成玻璃体的结构损耗都很小，但是当某此原因（如杂质的掺入、试样经淬火急冷的热处理等）使它的内部结构松散后。其结构耗就会大大升高。

宏观结构不均勾性的介质损耗

工程介质材料大多数是不均匀介质。例如陶瓷材料就是如此，它通常包含有晶相、玻璃相和气相，各相在介质中是统计分布口。由于各相的介电性不同，有可能在两相间积聚了较多的自由电荷使介质的电场分布不均匀，造成局部有较高的电场强度而引起了较高的损耗。但作为电介质整体来看，整个电介质的介质损耗必然介于损耗大的一相和损耗小的一相之间。

表征：

电介质在恒定电场作用下，介质损耗的功率为

　　W=U2/R=（Ed）2S/ρd=σE2Sd

定义单位体积的介质损耗为介质损耗率为

ω=σE2

在交变电场作用下，电位移D与电场强度E均变为复数矢量，此时介电常数也变成复数，其虚部就表示了电介质中能量损耗的大小。

D，E，J之间的相位关系图

D，E，J之间的相位关系图

如图所示，从电路观点来看，电介质中的电流密度为

J=dD/dt=d（εE）/dt=Jτ+iJe

式中Jτ与E同相位。称为有功电流密度，导致能量损耗；Je，相比较E超前90°，称为无功电流密度。

定义

tanδ=Jτ/Je=ε〞/εˊ

式中，δ称为损耗角，tanδ称为损耗角正切值。

损耗角正切表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的大小，是电介质作为绝缘材料使用时的重要评价参数。为了减少介质损耗，希望材料具有较小的介电常数和更小的损耗角正切。损耗因素的倒数Q=（tanδ）-1在高频绝缘应用条件下称为电介质的品质因素，希望它的值要高。

工程材料：离子晶体的损耗，离子晶体的介质损耗与其结构的紧密程度有关。

紧密结构的晶体离子都排列很有规则，键强度比较大，如α-Al2O3、镁橄榄石晶体等，在外电场作用下很难发生离子松弛极化，只有电子式和离子式的位移极化，所以无极化损耗，仅有的一点损耗是由漏导引起的（包括本质电导和少量杂质引起的杂质电导）。这类晶体的介质损耗功率与频率无关，损耗角正切随频率的升高而降低。因此，以这类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频场合。如刚玉瓷、滑石瓷、金红石瓷、镁橄榄石瓷等

结构松散的离子晶体，如莫来石（3Al2O3·2SiO2）、董青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2）等，其内部有较大的空隙或晶格畸变，含有缺陷和较多的杂质，离子的活动范围扩大。在外电场作用下，晶体中的弱联系离子有可能贯穿电极运动，产生电导打耗。弱联系离子也可能在一定范围内来回运动，形成热离子松弛，出现极化损耗。所以这类晶体的介质损耗较大，由这类品体作主晶相的陶瓷材料不适用于高频，只能应用于低频场合。

薄膜介电常数测量仪

技术参数：

1．Q值测量
a．Q值测量范围：2～1023。
b．Q值量程分档：30、100、300、1000、自动换档或手动换档。
c．标称误差
频率范围（100kHz～10MHz）： 频率范围（10MHz～160MHz）：
固有误差：≤5％±满度值的2% 固有误差：≤6％±满度值的2%
工作误差：≤7％±满度值的2% 工作误差：≤8％±满度值的2%
2．电感测量范围：4.5nH~7.9mH
3．电容测量：1~205
主电容调节范围：18～220pF
准确度：150pF以下±1.5pF； 150pF以上±1%
注：大于直接测量范围的电容测量见后页使用说明
4.  信号源频率覆盖范围
频率范围CH1:0.1～0.999999MHz, CH2: 1～9.99999MHz,
CH3:10～99.9999MHz, CH1 :100～160MHz,
5．Q合格指示预置功能:      预置范围：5～1000。
6．B-测试仪正常工作条件
a.  环境温度：0℃～+40℃；
b．相对湿度：<80％；
c．电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。
7．其他
a．消耗功率：约25W；
b．净重：约7kg；
c. 外型尺寸：（l×b×h）mm：380×132×280。

1  测量范围及误差

 本电桥的环境温度为20±5℃，相对湿度为30％－80％条件下，应满足下列表中的技术指示要求。

  在Cn＝100pF    R4＝3183.2（W）（即10K/π）时

    测量项目       测量范围             测量误差               

    电容量Cx       40pF--20000pF      ±0.5%  Cx±2pF     

    介质损耗tgd      0～1              ±1.5％tgdx±0.0001

    在Cn＝100pF      R4＝318.3（W）（即1K/π）时

    测量项目       测量范围             测量误差               

    电容量Cx       4pF--2000pF      ±0.5%  Cx±3pF     

    介质损耗tgd      0～0.1          ±1.5％tgdx±0.0001

2  电桥测量灵敏度

    电桥在使用过程中，灵敏度直接影响电桥平衡的分辨程度，为保证测量准确度，希望电桥灵敏度达到一定的水平。通常情况下电桥灵敏度与测量电压，标准电容量成正比。在下面的计算公式中，用户可根据实际使用情况估算出电桥灵敏度水平，在这个水平上的电容与介质损耗因数的微小变化都能够反应出来。

 DC/C或Dtgd=Ig/UwCn(1+Rg/R4+Cn/Cx)   

         式中：Ｕ为测量电压                     伏特（Ｖ）

ω为角频率 2pf=314(50Hz)                            

          Ｃｎ标准电容器容量                    皮法（pＦ）

          Ｉｇ通用指另仪的电流5X10-10            安培（Ａ）

          Ｒｇ平衡指另仪内阻约1500              欧姆（W）

          Ｒ４桥臂R4电阻值3183                 欧姆（W）

          Ｃｘ被测试品电容值                    皮法（ｐF）

3 电容量及介损显示精度：

    电容量： ±0.5%×tgδx±0.0001。

    介  损： ±0.5％tgdx±1×10-4

4 辅桥的技术特性：

    工作电压±12V，50Hz

    输入阻抗>1012　W

    输出阻抗>0.6 W

    放大倍数>0.99

    不失真跟踪电压  0～12V（有效值）

5 指另装置的技术特性：

    工作电压±12V

    在50Hz时电压灵敏度不低于1X10-6V／格， 电流灵敏度不低于2X10-9A／格

    二次谐波  减不小于25db

    三次谐波  减不小于50db

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满足标准：GBT 1409-2006测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介质损耗因数的推荐方法准确度ALC ON 10% x设定电流 + 20μAALC OFF 6% x设定电压 + 20μADC偏置电压源电压 / 电流范围：0V—±5V / 0mA—±50mA分辨率：0.5mV / 5μA电压准确度：1% x设定电压 + 5mVISO ON：用于电感、变压器加偏置测试AC源内阻ISO ON：100ΩISO OFF：30Ω、50Ω、
电源电压：220V±20%，50Hz±2Hz功耗80VA体积(W×H×D)： 280 mm × 88 mm × 370 mm(无护套)，369 mm × 108 mm × 408 mm(带护套)。重量：约5kg将在以后的测试过程中进行开路校正计算。如果频率1，频率2。设置为OFF, 开路校正计算采用插入法所计算出的当前频率的开路校正数据。如果频率1，频率2 设置为ON, 同时当前测试频率等于频率1，频率2， 则频率1，频率2 的开路校正数据将被用于开路校正的计算。
平衡测试功能变压器参数测试功能测试速度:13ms/次电压或电流的自动电平调整（ALC）功能V、I 测试信号电平监视功能内部自带直流偏置源可外接大电流直流偏置源10点列表扫描测试功能30Ω、50Ω、100Ω可选内阻内建比较器，10档分选和计数功能内部文件存储和外部U盘文件保存测量数据可直接保存到U盘RS232C、 USB 、LAN、HANDLER、GPIB、DCI接口
选件，DCI与GPIB 只能2者选1通用技术参数工作温度, 湿度：0℃－40℃, ≤ 90%RH
列表扫描10点列表扫描可对频率、AC电压/电流、内/外DC偏置电压/电流进行扫描测试每扫描点可单独分选内部非易失性存储器：100组LCRZ仪器设定文件，201次测试结果外部USB存储器GIF图像LCRZ仪器设定文件测试数据USB存储器直接存储
接口I/O接口：HANDLER，从仪器后面板输出串行通讯接口：USB、RS232C并行通讯接口：GPIB接口（选件）网络接口：LAN存储器接口：USB HOST（前面板）偏置电流源控制接口DCI
技术参数显示器:480×RGB×272，4.3寸TFT LCD显示器。测试信号频率：20Hz—1MHz分辨率：10mHz，4位频率输入准确度：0.01%AC电平测试信号电压范围：10mV—2Vrms电压分辨率:100μV，3位输入准确度ALC ON 10% x设定电压 + 2mVALC OFF 6% x设定电压 + 2mV测试信号电流范围：100μA—20mA电流分辨率：1μA，3位输入
性能特点4.3寸TFT液晶显示中英文可选操作界面高1MHz的测试频率，10mHz分辨率
GDAT-S 的短路校正功能能消除与被测元件相串联的寄生阻抗（R, X）造成的误差。
移动光标至短路设定域，屏幕软键区显示下列软键。
短路校正功能操作步骤短路校正包括采用插入计算法的全频短路校正和对所设定的2 个频率点进行的单频短路校正。执行下列操作步骤利用插入计算法对全频率进行短路校正。
按软键 关 ，关闭开路校正功能。以后的测量过程中将不再进行开路校正的计算。短路校正
使用DCI接口可控制外部直流偏流源，偏置电流可达120A。

一、  概述

介质损耗和介电常数是各种电瓷、装置瓷、电容器等陶瓷，还有复合材料等的一项重要的物理性质，通过测定介质损耗角正切tanδ及介电常数（ε），可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据；该仪器用于科研机关、学校、工厂等单位对无机非金属新材料性能的应用研究。

二、  测试原理

采用高频谐振法，并提供了，通用、多用途、多量程的阻抗测试。它以单片计算机作为仪器的控制，测量核心采用了频率数字锁定，标准频率测试点自动设定，谐振点自动搜索，Q值量程自动转换，数值显示等新技术，改进了调谐回路，使得调谐测试回路的残余电感减至低，并保留了原Q表中自动稳幅等技术，使得新仪器在使用时更为方便，测量值更为精确。仪器能在较高的测试频率条件下，测量高频电感或谐振回路的Q值，电感器的电感量和分布电容量，电容器的电容量和损耗角正切值，电工材料的高频介质损耗，高频回路有效并联及串联电阻，传输线的特性阻抗等。

本测试装置是由二只测微电容器组成，平板电容器一般用来夹持被测样品，园筒电容器是一只分辨率高达0.0033pF的线性可变电容器，配用仪器作为指示仪器，绝缘材料的损耗角正切值是通过被测样品放进平板电容器和不放进样品的Q值变化，由园筒电容器的刻度读值变化值而换算得到的。同时，由平板电容器的刻度读值变化而换算得到介电常数。

三、仪器的技术指标

1．Q值测量范围：2～1023

2．Q值量程分档：30、100、300、1000、自动换档或手动换档；

3．电感测量范围：自身残余电感和测试引线电感的自动扣除功能4.5nH-100mH 分别有0.1μH、0.5μH、2.5μH、10μH、50μH、100μH、1mH、5mH、10mH九个电感组成。

4．电容直接测量范围：1～460pF                                                

5．主电容调节范围： 30～500pF                                            

6．电容准确度 150pF以下±1.5pF；150pF以上±1%                                                                   7．信号源频率覆盖范围10KHz-70MHz （双频对向搜索  确保频率不被外界干扰）另有GDAT-C 频率范围10KHz-70MHz及200KHZ-160M

8、型号频率指示误差：1*10-6 ±1                                      

Q值合格指示预置功能范围：5～1000

Q值自动锁定，无需人工搜索

9．Q表正常工作条件

a. 环境温度：0℃～+40℃

b．相对湿度：<80％；

c．电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。

10．其他

a．消耗功率：约25W；   

b．净重：约7kg；   

c. 外型尺寸：（l×b×h）mm：380×132×280。

11．产品配置：

a.测试主机一台；

b.电感一套；

c.夹具一 套

四、性能特点：

1.    平板电容器

极片尺寸：φ25.4mm\φ50mm

极片间距可调范围和分辨率：≥10mm，±0.01mm

2.    园筒电容器

电容量线性：0.33pF / mm±0.05 pF

长度可调范围和分辨率：≥0～20mm，±0.01mm

3.  夹具插头间距：25mm±1mm

4.  夹角损耗角正切值：≤4×10－4（1MHz时）

5、数显电极

五. 维修保养

本测试装置是由精密机械构件组成的测微设备，所以在使用和保存时要避免振动和碰撞，要求在不含腐蚀气体和干燥的环境中使用和保存，不能自行拆装，否则其工作性能就不能保证，如测试夹具受到碰撞，或者作为定期检查，要检测以下几个指标：

1.    平板电容器二极片平行度不超过0.02mm。

2.    园筒电容器的轴和轴同心度误差不超过0.1mm。

3.    保证二个测微杆0.01mm分辨率。

4.    用精密电容测量仪（±0.01pF分辨率）测量园筒电容器，电容呈线性率，从0~20mm，每隔1mm测试一点，要求符合工作特性要求。

附表一,介质损耗测试系统主要性能参数一览表

BH916测试装置                                        GDAT高频Q表

平板电容极片 Φ50mm/Φ25.4mm                         可选频率范围10KHz-70MHz

间距可调范围≥15mm                                   频率指示误差3×10-5±1个字

夹具插头间距25mm±0.01mm                             主电容调节范围30-500/18-220pF

测微杆分辨率0.001mm                                  主调电容误差<1%或1pF

夹具损耗角正切值≦4×10-4 （1MHz)                    Q测试范围2～1023

附表二    电感组典型测试数据

特点：优化的测试电路设计使残值更小◆ 高频信号采用数码调谐器和频率锁定技术◆ LED 数字读出品质因数，手动/自动量程切换◆ 自动扫描被测件谐振点，标频单键设置和锁定，大大提高测试速度

作为新一代的通用、多用途、多量程的阻抗测试仪器，测试频率上限达到目前国内高的160MHz。1 双扫描技术 - 测试频率和调谐电容的双扫描、自动调谐搜索功能。2 双测试要素输入 - 测试频率及调谐电容值皆可通过数字按键输入。3 双数码化调谐 - 数码化频率调谐，数码化电容调谐。4 自动化测量技术 -对测试件实施 Q 值、谐振点频率和电容的自动测量。5 全参数液晶显示 – 数字显示主调电容、电感、 Q 值、信号源频率、谐振指针。6 DDS 数字直接合成的信号源 -确保信源的高葆真，频率的高精确、幅度的高稳定。7 计算机自动修正技术和测试回路优化 —使测试回路 残余电感减至低，彻底 Q 读数值在不同频率时要加以修正的困惑。

标准配置：高配Q表 一只  试验电极  一只 （c类）电感      一套（9只）电源线    一条说明书    一份合格证    一份保修卡    一份