电介质的电学性能及测试方法

电介质的电学性能及测试方法

电介质材料的电性包括介电性、压电性、铁电性和热释电性等。本文着重对介电性、介电常数的测量方法和热释电性、热释电性系数的测量方法进行介绍。

1 介电性和介电常数的测量

1.1介电性能

介电材料（又称电介质）是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负电荷重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用。极化指在外加电场作用下，构成电介质材料的内部微观粒子，如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离，并沿着外部电场的方向在一定的范围内做短距离移动，从而形成偶极子的过程。极化现象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有四种极化机制：电子极化(electronic polarization，1015Hz)，离子极化(ionicpolarization，1012～1013Hz)，转向极化(orientation polarization，1011～1012Hz)和空间电荷极化(space charge polarization，103Hz)。这些极化的基本形式又分为位移极化和松弛极化，位移极化是弹性的，不需要消耗时间，也无能量消耗，如电 子位移极化和离子位移极化。而松弛极化与质点的热运动密切相关，极化的建立需要消耗一定的时间，也通常伴随有能量的消耗，如电子松弛极化和离子松弛极化。

1.2介电常数的测量

介电常数是物体的重要物理性质，对介电常数的研究有重要的理论和应用意义。电气工程中的电介质问题、电磁兼容问题、生物医学、微波、电子技术、食品加工和地质勘探中，无一不利用到物质的电磁特性，对介电常数的测量提出了要求。目前对介电常数测量方法的应用可以说是遍及民用、工业、国防的各个领域。

在食品加工行业当中，储藏、加工、灭菌、分级及质检等方面都广泛采用了介电常数的测量技术。例如，通过测量介电常数的大小，新鲜果蔬品质、含水率、发酵和干燥过程中的一些指标都得到间接体现，此外，根据食品的介电常数、含水率确定杀菌时间和功率密度等

[1]工艺参数也是重要的应用之一。

在路基压实质量检测和评价中，如果利用常规的方法，尽管测量结果比较准确，但工作量大、周期长、速度慢且对路面造成破坏。由于土体的含水量、温度及密度都会对其介电特性产生不同程度的影响，因此可以采用雷达对整个区域进行测试以反算出介电常数的数值，通过分析介电性得到路基的密度及压实度等参数，达到快速测量路基的密度及压实度的目的

[2][3]。此外，复介电常数测量技术还在水土污染的监测中得到了应用。并且还可通过对岩石

[4]介电常数的测量对地震进行预报。

上面说的是介电常数测量在民用方面的部分应用，其在工业上也有重要的应用。典型的例子有低介电常数材料在超大规模集成电路工艺中的应用以及高介电常数材料在半导体储存器件中的应用。在集成电路工艺中，随着晶体管密度的不断增加和线宽的不断减小，互联中电容和电阻的寄生效应不断增大，传统的绝缘材料二氧化硅被低介电常数材料所代替是必然的。目前Applied Materials的Black Diamond作为低介电常数材料，已经应用于集成电

[5]路的商业化生产。在半导体储存器件中，利用高介电常数材料能够解决半导体器件尺寸缩

小而导致的栅氧层厚度极限的问题，同时具备特殊的物理特性，可以实现具有特殊性能的新

[6]器件。在军事方面，介电常数测量技术也广泛应用于雷达和各种特殊材料的制造与检测当中。

对介电常数测量技术的应用可以说是不胜枚举。介电常数的测量技术已经广泛应用于民

用、工业和国防各个领域，并且有发展的空间和必要性。我们对测量介电常数的方法进行总结，能更清晰的认识测量方法的现状，为某些应用提供一种可能适合的方法，是有一定理论和工程应用意义的。

[7]介电常数的测量按材质分类可以分为对固体、液体、气体以及粉末(颗粒)的测量。固

体电介质在测量时应用最为广泛，通常可以分为对固定形状大小的固体和对形状不确定的固体的测量。相对于固体，液体和气体的测试方法较少。对于液体，可以采用波导反射法测量

[8]其介电常数，误差在5%左右。此外国家标准中给出了在90℃、工频条件下测量液体损耗角

[9][10]正切及介电常数的方法。对于气体，具体测试方法少且精度都不十分高。文献中给出一

种测量方法，以测量共振频率为基础，在LC串联谐振电路中产生震荡，利用数字频率计测量谐振频率，不断改变压强和记录当前压强下谐振频率，最后用作图或者一元线性回归法处理数据，得到电容变化率进而计算出相对介电常数。

表1是测量固体介电常数的国家标准方法(不包括废止的方法)及其对频率、介电常数范围、材料等情况的要求。

如表1所示，国家标准中已经对微扰法和开式腔法的过程做了详细介绍，然而对适用频率和介电常数的范围都有所限制。所以在不同材料，不同频率的情况下，国家标准也给出了相应的具体测量方法。可见，上面所分析的方法并不是可以随便套用的。在不同的系统、测量不同的材料、所要求的频率不同的情况下，需要对其具体问题具体分析，这样才能得出最准确的方法。国家标准测量方法覆盖的频率为50 MHz以下和100 MHz到30 GHz，可以说是一个较广的频率覆盖范围，但是不同范围适用的材料和环境等都有所不同。介电常数的覆盖范围是2到100，接近1的介电常数和较高介电常数的测量方法比较稀缺，损耗普遍在10−3到10−4的数量级上。

1.3 测量介电常数的几种主要方法

从总体来说，目前测量介电常数的方法主要有集中电路法、传输线法、谐振法、自由空间波法等等。其中，传输线法、集中电路法、谐振法等属于实验室测量方法，测量通常是在实验室中进行，要求具有相应的样品采集技术。另外对于已知介电常数材料发泡后的介电常

[10]数通常用经验公式得到。下面，分别对这几种方法的原理、特点和发展现状等做分别阐述。

1.3.1集中电路法

集中电路法是一种在低频段将有耗材料填充电容，利用电容各参数以及测量得到的导纳推出介电常数的一种方法。其原理公式为：

 (1)

其中，Y为导纳，A为电容面积，为极板间距离，d0为空气介电常数，ω为角频率。 为了测量导纳，通常用并联谐振回路测出Q值(品质因数)和频率，进而推出介电常数。由于其最高频率会受到最小电感的限制，这种方法的最高频率一般是100 MHz。最小电感一般为10 nHz左右。如果电感过小，高频段杂散电容影响太大。如果频率过高，则会形成驻波，改变谐振频率同时辐射损耗骤然增加。但这种方法并不适用于低损材料。因为这种方法能测得的Q值只有200左右，使用网络分析仪测得tan也只在10−4左右。这种方法不但准确度不高，而且只能测量较低频率，在现有通信应用要求下已不经常应用。

1.3.2传输线法

传输线法是网络法的一种，是将介质置入测试系统适当位置作为单端口或双端口网络。双端口情况下，通过测量网络的s参数来得到微波的电磁参数。图1为双端口传输线法的原理示意图。

其中，Γ表示空气样品的反射系数，γ为传播系数，l为样品长度。反射系数可以表示为



其中f0是无样品时传输线的截止频率，对于TEM模其中f0是无样品时传输线的截止频率，对于TEM模传输线，f0 = 0。表示为

可以求出：其中ΓB为反射系数。

同时测量传输系数或者反射系数的相位和幅度，改变样品长度或者测量频率，测出这时的幅度响应，联立方程组就能够求出相对介电常数。

单端口情况下，通过测量复反射系数Γ来得到材料的复介电常数。因此常见的方法有填

[11]充样品传输线段法、样品填充同轴线终端法和将样品置于开口传输线终端测量的方法。第

一种方法通过改变样品长度及测量频率来测量幅度响应，求出εr。这种方法可以测得传输波和反射波极小点随样品长度及频率的变换，同时能够避免复超越方程和的迭代求解。但这一种方法仅限于低、中损耗介质，对于高损耗介质，样品中没有多次反射。传输线法适用于εr较大的固体及液体，而对于εr比较小的气体不太适用。

早在2002年用传输反射法就能够实现对任意厚度的样品在任意频率上进行复介电常数的稳定测量。NRW T/R法(即基于传输/反射参数的传输线法)的优势是简单、精度高并且适用于波导和同轴系统。但该方法在样品厚度是测量频率对应的半个波导波长的整数倍时并不稳定。同时此方法存在着多值问题，通常选择不同频率或不同厚度的样品进行测量较浪费时间

[12]并且不方便。此外就是对于极薄的材料不能进行高精度测量。反射法测量介电常数的最早

应用是Decreton和Gardial在1974年通过测量开口波导系统的反射系数推导出待测样品的介电常数。同轴反射法是反射法的推广和深化，即把待测样品等效为两端口网络，通过网络分析仪测量该网络的散射系数，据此测试出材料的介电常数。结果显示，同轴反射法在测量高损耗材料介电常数上有一定可行性，可以测量和计算大多数高损耗电介质的介电常数，对谐

[13]振腔法不能测量高损耗材料介电常数的情况有非常大的补充应用价值。2006年又提出了一

种测量低损耗薄膜材料介电常数的标量法。该方法运用了传输线法测量原理，首先测量待测介质损耗，间接得出反射系数，然后由反射系数与介电常数的关系式推出介质的介电常数。其薄膜可以分为低损耗、高损耗和高反射三类，

通过实验证明了三种薄膜的损耗随频率改变

基本呈相同的变化趋势，高频稍有差别，允许误差范围内可近似。该方法切实可行，但不适

[14]用于测量表面粗糙的介质。近几年有人提出了新的确定Ka波段毫米波损耗材料复介电常数

的磁导率的测量方法并给出了确定样品的复介电常数及磁导率的散射方程。此方法有下列优点：1) 计算复介电常数及磁导率方程组是去耦合的，不需要迭代；2) 被测量的频率范围比较宽；3) 与传统方法相比消除了介电常数测量对样品长度和参考面的位置的依赖性；4) 消

[15]除了NRW方法在某些频点测量的不确定性。还有人将椭圆偏振法的电磁频谱从可见光、红

外光扩展到毫米波段。椭圆偏振法用测量样品反射波或者投射波相对于入射波偏振状态的改变来计算光电特性和几何参数。毫米波椭圆偏振法得到的复介电常数的虚部比实部低，即计

[16]算得到的虚部有一定误差，但它对椭圆偏振法的进一步研究提供了重要的参考依据。

1.3.3谐振法

谐振法是将样品作为谐振结构的一部分来测量介电常数的方法，分为微扰法、全部填充谐振器空间的方法以及部分填充谐振器空间的方法。全部填充可以用公式(6)来计算

部分填充主要是为了减小样品尺寸以及材料对于谐振器参数的影响，难以进行精确地计算，一般用于矫正。微扰法要求相对较小的尺寸，并且相对频偏要小于0.001，这种情况下其具体尺寸形状可用填充因子s 表示

此时不论形状尺寸如何，只要得到填充因子s即可方便求出相对介电常数。利用此方法可以测量几乎所有的材料的介电常数，但是在校准时要求采用同一形状。在频率上区分，当频率高于1 GHz时，可以用波导腔测量介电常数，但是当频率高于10 GHz时，由于基模腔太小等原因，对于介电常数的测量提出了新的挑战。谐振法的具体方法有很多，如：矩形腔法、谐振腔微扰法、微带线谐振器法、带状线谐振器法、介质谐振器法、高Q腔法等。近年来对于谐振法又有新的方法不断出现和改善。

圆柱腔测量介电常数法是我国在1987年推出的测量介电常数的方法，经过了对测试夹具

[17]的研究和开发及对开缝腔体的研究，测试结果更为准确。其频率测试范围大约为1~10 GHz。

此外，关于开放腔方法的改进也非常全面和成熟。开放腔方法中广泛应用了两块很大平型金属板中圆柱介质构成截止开腔的方法，其对于相对介电常数εr的测量相对准确，但对于损耗角tanβ的测量误差比较大。2006年有人提出截止波导介质腔测量介电常数，可同时测量

[18]微波损耗和介电常数，但只能够用来测量相对介电常数大于10的样品。同时，因为平行板

开式腔法会有一部分能量顺着馈线和上下金属板之间的结构传输形成辐射损耗，有人提出通过在馈电侧上下金属板间增加短路板用来阻止辐射损耗，并且设计制作了相应系统，可以通

[19]过单端口工作，对圆柱形介质进行测试。近两年出现了很多对于开式腔的改进和发展。由

三十八所和东南大学合作的开式腔法自动测量系统，不仅操作简便，而且其测量的相对介电常数以及损耗正切的不确定度小于0.17%和20.4%。此外有人提出准光腔法在毫米波和亚毫米波中的应用有高Q

值、使用简便、不损伤薄膜、灵敏度高、样品放置容易、能检测大面积介

质复介电常数均匀性等多项优点，但依然只能在若干分离频率点上进行测量。总而言之，谐振法基本可以测量所有频率范围内的材料的介电常数，但是现有方法中对毫米波范围研究居多；具有单模性能好、Q值高、腔加工和样品准备简单、操作方便以及测量精度高等优点；但是对于损耗正切的测量一直不能十分准确，同时一般只能在几个分离的频率点上进行测量；同时因为谐振频率和固有品质可以较准确测量，非常适用于对低损耗介质材料的测量。谐振法的技术已经比较完善，但是依然有不足之处：如何确保单频点法的腔长精确性长期被忽略；

[21]提取相对介电常数的超越方程存在多值解；依然有较多误差源等。

1.3.4 自由空间法

自由空间法其实也算是传输线法。它的原理可以参考线路传输法，通过测得传输和反射系数，改变样品数据和频率来得到介电常数的数值。图2为其示意图。

自由空间法与传输线法有所不同。传输线法要求波导壁和被测材料完全接触，而自由空

[22]间法克服了这个缺点。自由空间法保存了线路传输法可以测量宽频带范围的优点。自由空

间法要求材料要有足够的损耗，否则会在材料中形成驻波并且引起误差。因此，这种方法只适用于高于3 GHz的高频情况。其最高频率可以达到100 GHz。

介电常数的测量技术已经被应用于生产生活的各个方面，其测量的标准也十分明确。国标中能够测量的频率范围已经覆盖50 MHz以下及100 M到30 GHz。但是其对测试材料种类以及介电常数和损耗角的数值范围有明确规定，使得各种标准能够应用的范围不是很广泛。而就测量方法而言，几种主要的测量方法各有利弊。集中电路法适用于低频情况；传输线法频率覆盖范围较广，适用于介电常数较大的材料，其多数方法对于高损和薄膜等材料不太适用，方法简单准确；谐振法只能在有限频率点下进行测量，适用于低损材料，方法简单准确、单模性好；自由空间法准确性相对较差，但是可以实现实地测量；六端口网络法精度高，六端口网络造价低廉，频率覆盖范围广，更适用于以后多种多样的测量情况的需要，但是没有具体的标准可以参考。可见并不存在一种方法可以完全代替其他方法，不同的方法都有自己的优点和缺点，在不同的情况下选择具体的方法是十分有必要的。 [20]

2 热释电效应和热释电系数的测量方法

2.1热释电效应

热释电效应与压电效应类似，热释电效应也是晶体的一种自然物理效应。对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或冷却后，由于温度的变化（△T）而导致自发式极化强度变化（△Ps），从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷的现象称为热释电效应。该关系可有式表示。

△Ps=P△T

式中，△Ps为自发式极化强度变化量；△T为温度变化；P为热释电系数。

热释电效应最早在电气石晶体（Na，Ca）（Mg，Fe）3 Al6Si6（O，H，F）3中发现，该晶体属三方晶系，具有唯一的三重旋转轴。与压电晶体一样，晶体存在热释电效应的前提是具有自发式极化，即在某个方向上存在着固有电矩。但压电晶体不一定具有热释电效应，而热释电晶体则一定存在压电效应。热释电晶体可以分为两大类。一类具有自发式极化，但自发式极化并不会受外电场作用而转向。另一种具有可为外电场转向的自发式极化晶体，即为铁电体。由于这类晶体在经过预电极化处理后具有宏观剩余极化，且其剩余极化随温度而变化，从而能释放表面电荷，呈现热释电效应。

通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷耗尽。

能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。

如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受热时，则电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得到电压信号。

2.2描述热释电系数的两种测量方法

描述热释电系数的两种测量方法。其一为电荷积分法, 测试系统简单, 测量数据准确, 且能满足零电场条件下的测量。其二为动态电流法, 采用调制热源技术, 研究在特定温度条件下热释电材料的动态热释电响应。

热释电材料目前主要用于红外、激光等热释电探测领域,也广泛地使用在各类辐射计, 光谱仪, 以及红外、激光探测器等方面。而热释电系数是测定红外探测器工作特性的主要参数之一, 因此热释电系数的测试方法越来越受到国内外学者的高度重视。测量热释电系数的方法有好几种, 早期曾用的方法是测量不同温度下的电滞回线中的自发极化强度PS , 得出PS 与T 的关系曲线, 由曲线斜率求出热释电系数Pi 的值, 这种方法也称为电反转法。人们自70年代以来, 提出了静态法、等速加热法、电荷积分法、热动态电流法和介质加热法等多

[23、24]种测量热释电系数的基本方法。其中以电荷积分法较为简单、准确,且能满足零电场条

件的测量。另一种测量方法是动态电流法,采用调制热源技术, 研究在特定温度条件下, 被

〔23、25〕〕测量材料的动态热释电响应。该测试系统可测量在恒温条件下从铁电陶瓷到聚合物

等多种材料的热释电电流响应, 还可用于测量钽酸锂和铌酸锂多种几何形状样品的特性。本文主要介绍电荷积分法和热动态电流法的测量原理及其测量系统。

2.2.1 电荷积分法

当温度发生变化时, 热释电材料的自发极化强度PS 随温

度的变化率dPS/dT,一般称为热释电系数Pi , 即:

(1) 随着温度的变化, 样品电极上所引起的电荷为:

其中

由式( 2) 可求出热释电系数: 式中: △T 为时间

△t 内的温度变化; ip为热释电电流; A 为样品的电极面积。由式( 3) 可以看出, 只要测出温度△T范围内的热释电电荷△QS , 即可确定热释电系数Pi。电荷积分法的测量电路如图1所示。

图中Cx为待测样品, Cf为经过校正的反馈电容。样品在加热过程中所产生的热释电电荷△QS 将传输至反馈电容Cf上。

由于积分器的输出电压△U为:

因此可得热释电系数:

将输出电压和热电偶的信号同时记录, 可得输出电压与温度的关系曲线△U ( T ) , 根据曲线斜率可以确定热释电系数Pi及其与温度的关系曲线Pi ( T)。为了减少运算放大器失调及漂移的影响, 常常在运算放大器之前加一级差分电路, 以提高积分器的输入阻抗及灵敏度。

2.2.2 动态电流法

〔23、26〕〕

由Byer 和Roundy 介绍的热释电系数测量方法已被大多数人所接受。该方法是

在测量过程中以极其缓慢的线性速率使样品加热或冷却, 以实现块状样品温度随时间的变化为已知恒量。已知样品的面积为A , 测量直流热释电电流ip , 由于dT/dt可认为是常数, 因而可直接计算热释电系数Pi。根据

其中,

Pi=dPS/dT, PS 为样品的极化强度。由于压电噪声源或热电噪声源的存在, 要精确测定直流热释电电流往往是困难的。因此, 在测量热释电材料特性时, 一般采用锁定分析仪或数字信号处理技术直接提高信噪比, 该技术通常称为Chynoweth方法。

[27]2.3 热释电电流测量

可用与样品光源斩波频率同步的锁定分析仪直接测量热释电电流。为此,可选用带181型电流预放大器的5208型锁定分析仪。由于181型放大器的增益高达10- 9A /V, 5208 /181型的组合设备具有高灵敏度和低噪声, 整体分辨率可达1f A( 10- 15A) , 5208型分析仪可用于分辨率为1μV的情形。由于样品光源被方波调制, 处于中频带的热释电信号也应该是方波, 5208型分析仪只对调制信号的基波正弦分量有响应。因此, 可使5208型分析仪读取由样品产生的峰值电流。方波可用傅里叶级数表示为:

由于只有基波分量可测量, 故5208型分析仪指示的有效值与方波振幅I 0 有关, 且:

其中, U5208是5208型分析仪的测量电压, Ai 是181型放大器的增益, 用这种方法确定的I0 与示波器显示值相比, 误差

另外, 热释电信号具有周期性, 示波器显示和取样在时间上与调制信号同步。图2为Chynow eth

测试系统的总体框图。

样品光源通过50 /120μm多模光纤(波长为842 nm) 对样品进行光照, 来自光纤端部的光功率全部照射在样品上, 而高发射率(Z接近于1) 的涂层实际上可使入射的功率基本上被样品吸收, 因此, 通过光功率计测量光纤的输出功率Po 后, 根据式( 7) 可直接算出热释电电流响应: 其中

式( 9) 中: W为入射功率, Z为样品表面发射率, Pi 为热释电系数, d为热释电材料的密度, c为热释电材料的单位热容量,W为样品的厚度, A为样品的电极面积。

2.4 测量步骤

在样品的两面溅射金层, 用银线在样品两面的电极上形成电接触, 将样品与玻璃片装配在一起。样品安装方法如图3所示。照射样品的光由光纤通过隔板适配器插入样品温控室, 并使样品通过玻璃片接收光的照射, 同时确保样品处于一定的真空度下。入射至样品的光功率可在光纤末端测量, 并减去玻璃片对光的衰减值。用插入损耗技术测出上述衰减值为- 0. 27dB。将样品光照的另一面涂黑, 并使其发射率接近1。然后校正样品室内的样品夹具, 使样品室达到合适的真空度(

由表1可以看出, 用Chynow eth方法测量的结果与Byer-Ro undy结果相比, 存在一定的差别, 主要原因是由于两者热辐射的方法和频率不同。在Byer-Roundy 方法中, 按预先确定的速度使样品均匀加热, 以产生所需要的温度变化, 因为样品的两表面被均匀加热, 被测量的电流是热释电系数和样品温度变化速率的函数。而在Chynoweth系统中,样品的温度保持恒定, 由于光照,会使样品的两个表面之间出现温差,而这一点在Byer-Roundy 系统中就不会发生。例如, 1号样品的Pi2值是在入射光功率为65. 4 μW、斩波频率为200 Hz条件下测量的结果。2号样品相应的条件是入射光功率为66. 6μW、斩波频率为35Hz。3号样品相应的条件是入射光功率为67 μW、斩波频率为5 Hz。4号样品相应的条件是入射光功率为64. 8μW、斩波频率为10 Hz。



[参考文献]

[1]赵婷, 周修理, 李艳军等. 食品物料介电常数的研究与应用[J]农机化研究，2012,5：

233-236

[2] 徐平, 蔡迎春, 王复明. 介电常数在路基压实质量检测与评价中的应用[J]. 路基工程,

2008, 2: 26-28

[3]刘永成, 李杰, 田跃等. 复介电常数在水土污染监测中的应用研究[J]. 环境科学与技

术, 2006, 8(29): 34-36

[4] 陈有发. 介电常数在地震预报中应用的可能性[J]. 西北地震学报, 1988, 10(4): 94,

95

[5]赵智彪, 许志, 利定东. 低介电常数材料在超大规模集成电路工艺中的应用[J]. 半导

体技术，2004,29（2）：4-6,45

[6] 邵天奇, 任天令, 李春晓等. 高介电常数材料在半导体存储器件中的应用[J]. 固体电

子学研究与进展, 2002, 22(3)：312-317

[7]张治文, 任越青, 杨百屯等. 粉末介质介电常数的测量[J]. 绝缘材料通讯，1989，

（20:28-32）

[8] 邓京川, 王魁香, 陆国会. 液体介电常数的微波测量[J]. 物理实验，1996,16（3）：

104-105

[9]SJT 1147-1993，电容器用有机薄膜介质损耗角正切值和介电常数试验方法[S].1993

[10] 洪伟年(译). 泡沫塑料的相对介电常数[J]。藤仓电线技报，1984,129(8):71-79

[11]张晓萍. 测量复介电常数的一种新方法[J]. 测量复介电常数的一种新方

法,1997,12(4):60-62

[12]田步宁, 杨德顺, 唐家明等. 传输/反射法测量复介电常数的若干问题[J]. 电波科学

学报，2002,17（1）：10-15

[13]陈维, 姚熹, 魏晓勇. 同轴传输反射法测量高损耗材料微波介电常数[J]. 功能材料,

2005, 9(36):1356-1358

[14]栾卉, 赵凯. 测量低损耗薄膜材料介电常数的标量法[J]. 电波科学报，2006，21（5）：

777-781

[15]薛谦忠, 左元, 韩冰等. 复介电常数和磁导率测量的新方法[J]. 微波学报, 2010, 8:

585-587

[16]李素萍, 王子华, 张友俊等. 毫米波椭偏法测量介质的复介电常数[J]. 上海大学学报

(自然科学版)

[17]徐汝军, 李恩, 周杨等. TM0n0圆柱腔测量介质复介电常数[J]. 宇航材料工艺, 2010,

5: 84-86

[18]徐江峰, 陈秋灵, 倪尔瑚. 截止波导介质腔介电常数测量理论与方法研究[J]. 仪器仪

表学报, 2006, 27(10): 1322-1325

[19]吴昌英, 丁君, 韦高等. 一种微波介质谐振器介电常数测量方法[J]. 测控技术, 2008,

27(6): 95-97

[20]于海涛, 吴亮, 李国辉. 测量介质材料复介电常数的准光腔法[J]. 材料开发与应用,

2010, 25(3): 54-56

[21]桂勇锋, 窦文斌, 姚武生等. 毫米波段复介电常数测量的开改进[J]. 微波学报, 2010,

26(3): 38-43

[22]李纪鹏, 龚勋, 蔡树棒. 开口波导法无损测量微波集成电路基片复介电常数[J]. 微波

学报, 1999, 15(4): 317

[23]孙慷, 张福学. 压电学(上册) . 北京: 国防工业出版社, 1984

[24]周东祥, 潘晓光. 电子材料测量. 武汉: 华中理工大学出版社, 1990

[25] Sopko J, Bhalla A, Cross L E. An improved quantitative method f ordetermining

dynamic curren t response of pyroelectric materials. Ferroelectrics,1995; 173: 139～ 152

[26]Byer R L, Roundy C B. Pyroelectriccoefficient di rectmeasurementtechnique and

application t o a ns ec response time detector. Ferroelectrics,1972; ( 3): 333～ 338

[27]黄文成.热释电系数的测量方法. ELECTRONIC COMPONENTS&MATERIALS.Vol. 17.No. 5,

1998.05.015 

电介质的电学性能及测试方法

电介质材料的电性包括介电性、压电性、铁电性和热释电性等。本文着重对介电性、介电常数的测量方法和热释电性、热释电性系数的测量方法进行介绍。

1 介电性和介电常数的测量

1.1介电性能

介电材料（又称电介质）是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负电荷重心不重合的电极化方式来传递和储存电的作用。极化指在外加电场作用下，构成电介质材料的内部微观粒子，如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离，并沿着外部电场的方向在一定的范围内做短距离移动，从而形成偶极子的过程。极化现象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有四种极化机制：电子极化(electronic polarization，1015Hz)，离子极化(ionicpolarization，1012～1013Hz)，转向极化(orientation polarization，1011～1012Hz)和空间电荷极化(space charge polarization，103Hz)。这些极化的基本形式又分为位移极化和松弛极化，位移极化是弹性的，不需要消耗时间，也无能量消耗，如电 子位移极化和离子位移极化。而松弛极化与质点的热运动密切相关，极化的建立需要消耗一定的时间，也通常伴随有能量的消耗，如电子松弛极化和离子松弛极化。

1.2介电常数的测量

介电常数是物体的重要物理性质，对介电常数的研究有重要的理论和应用意义。电气工程中的电介质问题、电磁兼容问题、生物医学、微波、电子技术、食品加工和地质勘探中，无一不利用到物质的电磁特性，对介电常数的测量提出了要求。目前对介电常数测量方法的应用可以说是遍及民用、工业、国防的各个领域。

在食品加工行业当中，储藏、加工、灭菌、分级及质检等方面都广泛采用了介电常数的测量技术。例如，通过测量介电常数的大小，新鲜果蔬品质、含水率、发酵和干燥过程中的一些指标都得到间接体现，此外，根据食品的介电常数、含水率确定杀菌时间和功率密度等

[1]工艺参数也是重要的应用之一。

在路基压实质量检测和评价中，如果利用常规的方法，尽管测量结果比较准确，但工作量大、周期长、速度慢且对路面造成破坏。由于土体的含水量、温度及密度都会对其介电特性产生不同程度的影响，因此可以采用雷达对整个区域进行测试以反算出介电常数的数值，通过分析介电性得到路基的密度及压实度等参数，达到快速测量路基的密度及压实度的目的

[2][3]。此外，复介电常数测量技术还在水土污染的监测中得到了应用。并且还可通过对岩石

[4]介电常数的测量对地震进行预报。

上面说的是介电常数测量在民用方面的部分应用，其在工业上也有重要的应用。典型的例子有低介电常数材料在超大规模集成电路工艺中的应用以及高介电常数材料在半导体储存器件中的应用。在集成电路工艺中，随着晶体管密度的不断增加和线宽的不断减小，互联中电容和电阻的寄生效应不断增大，传统的绝缘材料二氧化硅被低介电常数材料所代替是必然的。目前Applied Materials的Black Diamond作为低介电常数材料，已经应用于集成电

[5]路的商业化生产。在半导体储存器件中，利用高介电常数材料能够解决半导体器件尺寸缩

小而导致的栅氧层厚度极限的问题，同时具备特殊的物理特性，可以实现具有特殊性能的新

[6]器件。在军事方面，介电常数测量技术也广泛应用于雷达和各种特殊材料的制造与检测当中。

对介电常数测量技术的应用可以说是不胜枚举。介电常数的测量技术已经广泛应用于民

用、工业和国防各个领域，并且有发展的空间和必要性。我们对测量介电常数的方法进行总结，能更清晰的认识测量方法的现状，为某些应用提供一种可能适合的方法，是有一定理论和工程应用意义的。

[7]介电常数的测量按材质分类可以分为对固体、液体、气体以及粉末(颗粒)的测量。固

体电介质在测量时应用最为广泛，通常可以分为对固定形状大小的固体和对形状不确定的固体的测量。相对于固体，液体和气体的测试方法较少。对于液体，可以采用波导反射法测量

[8]其介电常数，误差在5%左右。此外国家标准中给出了在90℃、工频条件下测量液体损耗角

[9][10]正切及介电常数的方法。对于气体，具体测试方法少且精度都不十分高。文献中给出一

种测量方法，以测量共振频率为基础，在LC串联谐振电路中产生震荡，利用数字频率计测量谐振频率，不断改变压强和记录当前压强下谐振频率，最后用作图或者一元线性回归法处理数据，得到电容变化率进而计算出相对介电常数。

表1是测量固体介电常数的国家标准方法(不包括废止的方法)及其对频率、介电常数范围、材料等情况的要求。

如表1所示，国家标准中已经对微扰法和开式腔法的过程做了详细介绍，然而对适用频率和介电常数的范围都有所限制。所以在不同材料，不同频率的情况下，国家标准也给出了相应的具体测量方法。可见，上面所分析的方法并不是可以随便套用的。在不同的系统、测量不同的材料、所要求的频率不同的情况下，需要对其具体问题具体分析，这样才能得出最准确的方法。国家标准测量方法覆盖的频率为50 MHz以下和100 MHz到30 GHz，可以说是一个较广的频率覆盖范围，但是不同范围适用的材料和环境等都有所不同。介电常数的覆盖范围是2到100，接近1的介电常数和较高介电常数的测量方法比较稀缺，损耗普遍在10−3到10−4的数量级上。

1.3 测量介电常数的几种主要方法

从总体来说，目前测量介电常数的方法主要有集中电路法、传输线法、谐振法、自由空间波法等等。其中，传输线法、集中电路法、谐振法等属于实验室测量方法，测量通常是在实验室中进行，要求具有相应的样品采集技术。另外对于已知介电常数材料发泡后的介电常

[10]数通常用经验公式得到。下面，分别对这几种方法的原理、特点和发展现状等做分别阐述。

1.3.1集中电路法

集中电路法是一种在低频段将有耗材料填充电容，利用电容各参数以及测量得到的导纳推出介电常数的一种方法。其原理公式为：

 (1)

其中，Y为导纳，A为电容面积，为极板间距离，d0为空气介电常数，ω为角频率。 为了测量导纳，通常用并联谐振回路测出Q值(品质因数)和频率，进而推出介电常数。由于其最高频率会受到最小电感的限制，这种方法的最高频率一般是100 MHz。最小电感一般为10 nHz左右。如果电感过小，高频段杂散电容影响太大。如果频率过高，则会形成驻波，改变谐振频率同时辐射损耗骤然增加。但这种方法并不适用于低损材料。因为这种方法能测得的Q值只有200左右，使用网络分析仪测得tan也只在10−4左右。这种方法不但准确度不高，而且只能测量较低频率，在现有通信应用要求下已不经常应用。

1.3.2传输线法

传输线法是网络法的一种，是将介质置入测试系统适当位置作为单端口或双端口网络。双端口情况下，通过测量网络的s参数来得到微波的电磁参数。图1为双端口传输线法的原理示意图。

其中，Γ表示空气样品的反射系数，γ为传播系数，l为样品长度。反射系数可以表示为



其中f0是无样品时传输线的截止频率，对于TEM模其中f0是无样品时传输线的截止频率，对于TEM模传输线，f0 = 0。表示为

可以求出：其中ΓB为反射系数。

同时测量传输系数或者反射系数的相位和幅度，改变样品长度或者测量频率，测出这时的幅度响应，联立方程组就能够求出相对介电常数。

单端口情况下，通过测量复反射系数Γ来得到材料的复介电常数。因此常见的方法有填

[11]充样品传输线段法、样品填充同轴线终端法和将样品置于开口传输线终端测量的方法。第

一种方法通过改变样品长度及测量频率来测量幅度响应，求出εr。这种方法可以测得传输波和反射波极小点随样品长度及频率的变换，同时能够避免复超越方程和的迭代求解。但这一种方法仅限于低、中损耗介质，对于高损耗介质，样品中没有多次反射。传输线法适用于εr较大的固体及液体，而对于εr比较小的气体不太适用。

早在2002年用传输反射法就能够实现对任意厚度的样品在任意频率上进行复介电常数的稳定测量。NRW T/R法(即基于传输/反射参数的传输线法)的优势是简单、精度高并且适用于波导和同轴系统。但该方法在样品厚度是测量频率对应的半个波导波长的整数倍时并不稳定。同时此方法存在着多值问题，通常选择不同频率或不同厚度的样品进行测量较浪费时间

[12]并且不方便。此外就是对于极薄的材料不能进行高精度测量。反射法测量介电常数的最早

应用是Decreton和Gardial在1974年通过测量开口波导系统的反射系数推导出待测样品的介电常数。同轴反射法是反射法的推广和深化，即把待测样品等效为两端口网络，通过网络分析仪测量该网络的散射系数，据此测试出材料的介电常数。结果显示，同轴反射法在测量高损耗材料介电常数上有一定可行性，可以测量和计算大多数高损耗电介质的介电常数，对谐

[13]振腔法不能测量高损耗材料介电常数的情况有非常大的补充应用价值。2006年又提出了一

种测量低损耗薄膜材料介电常数的标量法。该方法运用了传输线法测量原理，首先测量待测介质损耗，间接得出反射系数，然后由反射系数与介电常数的关系式推出介质的介电常数。其薄膜可以分为低损耗、高损耗和高反射三类，

通过实验证明了三种薄膜的损耗随频率改变

基本呈相同的变化趋势，高频稍有差别，允许误差范围内可近似。该方法切实可行，但不适

[14]用于测量表面粗糙的介质。近几年有人提出了新的确定Ka波段毫米波损耗材料复介电常数

的磁导率的测量方法并给出了确定样品的复介电常数及磁导率的散射方程。此方法有下列优点：1) 计算复介电常数及磁导率方程组是去耦合的，不需要迭代；2) 被测量的频率范围比较宽；3) 与传统方法相比消除了介电常数测量对样品长度和参考面的位置的依赖性；4) 消

[15]除了NRW方法在某些频点测量的不确定性。还有人将椭圆偏振法的电磁频谱从可见光、红

外光扩展到毫米波段。椭圆偏振法用测量样品反射波或者投射波相对于入射波偏振状态的改变来计算光电特性和几何参数。毫米波椭圆偏振法得到的复介电常数的虚部比实部低，即计

[16]算得到的虚部有一定误差，但它对椭圆偏振法的进一步研究提供了重要的参考依据。

1.3.3谐振法

谐振法是将样品作为谐振结构的一部分来测量介电常数的方法，分为微扰法、全部填充谐振器空间的方法以及部分填充谐振器空间的方法。全部填充可以用公式(6)来计算

部分填充主要是为了减小样品尺寸以及材料对于谐振器参数的影响，难以进行精确地计算，一般用于矫正。微扰法要求相对较小的尺寸，并且相对频偏要小于0.001，这种情况下其具体尺寸形状可用填充因子s 表示

此时不论形状尺寸如何，只要得到填充因子s即可方便求出相对介电常数。利用此方法可以测量几乎所有的材料的介电常数，但是在校准时要求采用同一形状。在频率上区分，当频率高于1 GHz时，可以用波导腔测量介电常数，但是当频率高于10 GHz时，由于基模腔太小等原因，对于介电常数的测量提出了新的挑战。谐振法的具体方法有很多，如：矩形腔法、谐振腔微扰法、微带线谐振器法、带状线谐振器法、介质谐振器法、高Q腔法等。近年来对于谐振法又有新的方法不断出现和改善。

圆柱腔测量介电常数法是我国在1987年推出的测量介电常数的方法，经过了对测试夹具

[17]的研究和开发及对开缝腔体的研究，测试结果更为准确。其频率测试范围大约为1~10 GHz。

此外，关于开放腔方法的改进也非常全面和成熟。开放腔方法中广泛应用了两块很大平型金属板中圆柱介质构成截止开腔的方法，其对于相对介电常数εr的测量相对准确，但对于损耗角tanβ的测量误差比较大。2006年有人提出截止波导介质腔测量介电常数，可同时测量

[18]微波损耗和介电常数，但只能够用来测量相对介电常数大于10的样品。同时，因为平行板

开式腔法会有一部分能量顺着馈线和上下金属板之间的结构传输形成辐射损耗，有人提出通过在馈电侧上下金属板间增加短路板用来阻止辐射损耗，并且设计制作了相应系统，可以通

[19]过单端口工作，对圆柱形介质进行测试。近两年出现了很多对于开式腔的改进和发展。由

三十八所和东南大学合作的开式腔法自动测量系统，不仅操作简便，而且其测量的相对介电常数以及损耗正切的不确定度小于0.17%和20.4%。此外有人提出准光腔法在毫米波和亚毫米波中的应用有高Q

值、使用简便、不损伤薄膜、灵敏度高、样品放置容易、能检测大面积介

质复介电常数均匀性等多项优点，但依然只能在若干分离频率点上进行测量。总而言之，谐振法基本可以测量所有频率范围内的材料的介电常数，但是现有方法中对毫米波范围研究居多；具有单模性能好、Q值高、腔加工和样品准备简单、操作方便以及测量精度高等优点；但是对于损耗正切的测量一直不能十分准确，同时一般只能在几个分离的频率点上进行测量；同时因为谐振频率和固有品质可以较准确测量，非常适用于对低损耗介质材料的测量。谐振法的技术已经比较完善，但是依然有不足之处：如何确保单频点法的腔长精确性长期被忽略；

[21]提取相对介电常数的超越方程存在多值解；依然有较多误差源等。

1.3.4 自由空间法

自由空间法其实也算是传输线法。它的原理可以参考线路传输法，通过测得传输和反射系数，改变样品数据和频率来得到介电常数的数值。图2为其示意图。

自由空间法与传输线法有所不同。传输线法要求波导壁和被测材料完全接触，而自由空

[22]间法克服了这个缺点。自由空间法保存了线路传输法可以测量宽频带范围的优点。自由空

间法要求材料要有足够的损耗，否则会在材料中形成驻波并且引起误差。因此，这种方法只适用于高于3 GHz的高频情况。其最高频率可以达到100 GHz。

介电常数的测量技术已经被应用于生产生活的各个方面，其测量的标准也十分明确。国标中能够测量的频率范围已经覆盖50 MHz以下及100 M到30 GHz。但是其对测试材料种类以及介电常数和损耗角的数值范围有明确规定，使得各种标准能够应用的范围不是很广泛。而就测量方法而言，几种主要的测量方法各有利弊。集中电路法适用于低频情况；传输线法频率覆盖范围较广，适用于介电常数较大的材料，其多数方法对于高损和薄膜等材料不太适用，方法简单准确；谐振法只能在有限频率点下进行测量，适用于低损材料，方法简单准确、单模性好；自由空间法准确性相对较差，但是可以实现实地测量；六端口网络法精度高，六端口网络造价低廉，频率覆盖范围广，更适用于以后多种多样的测量情况的需要，但是没有具体的标准可以参考。可见并不存在一种方法可以完全代替其他方法，不同的方法都有自己的优点和缺点，在不同的情况下选择具体的方法是十分有必要的。 [20]

2 热释电效应和热释电系数的测量方法

2.1热释电效应

热释电效应与压电效应类似，热释电效应也是晶体的一种自然物理效应。对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或冷却后，由于温度的变化（△T）而导致自发式极化强度变化（△Ps），从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷的现象称为热释电效应。该关系可有式表示。

△Ps=P△T

式中，△Ps为自发式极化强度变化量；△T为温度变化；P为热释电系数。

热释电效应最早在电气石晶体（Na，Ca）（Mg，Fe）3 Al6Si6（O，H，F）3中发现，该晶体属三方晶系，具有唯一的三重旋转轴。与压电晶体一样，晶体存在热释电效应的前提是具有自发式极化，即在某个方向上存在着固有电矩。但压电晶体不一定具有热释电效应，而热释电晶体则一定存在压电效应。热释电晶体可以分为两大类。一类具有自发式极化，但自发式极化并不会受外电场作用而转向。另一种具有可为外电场转向的自发式极化晶体，即为铁电体。由于这类晶体在经过预电极化处理后具有宏观剩余极化，且其剩余极化随温度而变化，从而能释放表面电荷，呈现热释电效应。

通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷耗尽。

能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。

如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受热时，则电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得到电压信号。

2.2描述热释电系数的两种测量方法

描述热释电系数的两种测量方法。其一为电荷积分法, 测试系统简单, 测量数据准确, 且能满足零电场条件下的测量。其二为动态电流法, 采用调制热源技术, 研究在特定温度条件下热释电材料的动态热释电响应。

热释电材料目前主要用于红外、激光等热释电探测领域,也广泛地使用在各类辐射计, 光谱仪, 以及红外、激光探测器等方面。而热释电系数是测定红外探测器工作特性的主要参数之一, 因此热释电系数的测试方法越来越受到国内外学者的高度重视。测量热释电系数的方法有好几种, 早期曾用的方法是测量不同温度下的电滞回线中的自发极化强度PS , 得出PS 与T 的关系曲线, 由曲线斜率求出热释电系数Pi 的值, 这种方法也称为电反转法。人们自70年代以来, 提出了静态法、等速加热法、电荷积分法、热动态电流法和介质加热法等多

[23、24]种测量热释电系数的基本方法。其中以电荷积分法较为简单、准确,且能满足零电场条

件的测量。另一种测量方法是动态电流法,采用调制热源技术, 研究在特定温度条件下, 被

〔23、25〕〕测量材料的动态热释电响应。该测试系统可测量在恒温条件下从铁电陶瓷到聚合物

等多种材料的热释电电流响应, 还可用于测量钽酸锂和铌酸锂多种几何形状样品的特性。本文主要介绍电荷积分法和热动态电流法的测量原理及其测量系统。

2.2.1 电荷积分法

当温度发生变化时, 热释电材料的自发极化强度PS 随温

度的变化率dPS/dT,一般称为热释电系数Pi , 即:

(1) 随着温度的变化, 样品电极上所引起的电荷为:

其中

由式( 2) 可求出热释电系数: 式中: △T 为时间

△t 内的温度变化; ip为热释电电流; A 为样品的电极面积。由式( 3) 可以看出, 只要测出温度△T范围内的热释电电荷△QS , 即可确定热释电系数Pi。电荷积分法的测量电路如图1所示。

图中Cx为待测样品, Cf为经过校正的反馈电容。样品在加热过程中所产生的热释电电荷△QS 将传输至反馈电容Cf上。

由于积分器的输出电压△U为:

因此可得热释电系数:

将输出电压和热电偶的信号同时记录, 可得输出电压与温度的关系曲线△U ( T ) , 根据曲线斜率可以确定热释电系数Pi及其与温度的关系曲线Pi ( T)。为了减少运算放大器失调及漂移的影响, 常常在运算放大器之前加一级差分电路, 以提高积分器的输入阻抗及灵敏度。

2.2.2 动态电流法

〔23、26〕〕

由Byer 和Roundy 介绍的热释电系数测量方法已被大多数人所接受。该方法是

在测量过程中以极其缓慢的线性速率使样品加热或冷却, 以实现块状样品温度随时间的变化为已知恒量。已知样品的面积为A , 测量直流热释电电流ip , 由于dT/dt可认为是常数, 因而可直接计算热释电系数Pi。根据

其中,

Pi=dPS/dT, PS 为样品的极化强度。由于压电噪声源或热电噪声源的存在, 要精确测定直流热释电电流往往是困难的。因此, 在测量热释电材料特性时, 一般采用锁定分析仪或数字信号处理技术直接提高信噪比, 该技术通常称为Chynoweth方法。

[27]2.3 热释电电流测量

可用与样品光源斩波频率同步的锁定分析仪直接测量热释电电流。为此,可选用带181型电流预放大器的5208型锁定分析仪。由于181型放大器的增益高达10- 9A /V, 5208 /181型的组合设备具有高灵敏度和低噪声, 整体分辨率可达1f A( 10- 15A) , 5208型分析仪可用于分辨率为1μV的情形。由于样品光源被方波调制, 处于中频带的热释电信号也应该是方波, 5208型分析仪只对调制信号的基波正弦分量有响应。因此, 可使5208型分析仪读取由样品产生的峰值电流。方波可用傅里叶级数表示为:

由于只有基波分量可测量, 故5208型分析仪指示的有效值与方波振幅I 0 有关, 且:

其中, U5208是5208型分析仪的测量电压, Ai 是181型放大器的增益, 用这种方法确定的I0 与示波器显示值相比, 误差

另外, 热释电信号具有周期性, 示波器显示和取样在时间上与调制信号同步。图2为Chynow eth

测试系统的总体框图。

样品光源通过50 /120μm多模光纤(波长为842 nm) 对样品进行光照, 来自光纤端部的光功率全部照射在样品上, 而高发射率(Z接近于1) 的涂层实际上可使入射的功率基本上被样品吸收, 因此, 通过光功率计测量光纤的输出功率Po 后, 根据式( 7) 可直接算出热释电电流响应: 其中

式( 9) 中: W为入射功率, Z为样品表面发射率, Pi 为热释电系数, d为热释电材料的密度, c为热释电材料的单位热容量,W为样品的厚度, A为样品的电极面积。

2.4 测量步骤

在样品的两面溅射金层, 用银线在样品两面的电极上形成电接触, 将样品与玻璃片装配在一起。样品安装方法如图3所示。照射样品的光由光纤通过隔板适配器插入样品温控室, 并使样品通过玻璃片接收光的照射, 同时确保样品处于一定的真空度下。入射至样品的光功率可在光纤末端测量, 并减去玻璃片对光的衰减值。用插入损耗技术测出上述衰减值为- 0. 27dB。将样品光照的另一面涂黑, 并使其发射率接近1。然后校正样品室内的样品夹具, 使样品室达到合适的真空度(

由表1可以看出, 用Chynow eth方法测量的结果与Byer-Ro undy结果相比, 存在一定的差别, 主要原因是由于两者热辐射的方法和频率不同。在Byer-Roundy 方法中, 按预先确定的速度使样品均匀加热, 以产生所需要的温度变化, 因为样品的两表面被均匀加热, 被测量的电流是热释电系数和样品温度变化速率的函数。而在Chynoweth系统中,样品的温度保持恒定, 由于光照,会使样品的两个表面之间出现温差,而这一点在Byer-Roundy 系统中就不会发生。例如, 1号样品的Pi2值是在入射光功率为65. 4 μW、斩波频率为200 Hz条件下测量的结果。2号样品相应的条件是入射光功率为66. 6μW、斩波频率为35Hz。3号样品相应的条件是入射光功率为67 μW、斩波频率为5 Hz。4号样品相应的条件是入射光功率为64. 8μW、斩波频率为10 Hz。



[参考文献]

[1]赵婷, 周修理, 李艳军等. 食品物料介电常数的研究与应用[J]农机化研究，2012,5：

233-236

[2] 徐平, 蔡迎春, 王复明. 介电常数在路基压实质量检测与评价中的应用[J]. 路基工程,

2008, 2: 26-28

[3]刘永成, 李杰, 田跃等. 复介电常数在水土污染监测中的应用研究[J]. 环境科学与技

术, 2006, 8(29): 34-36

[4] 陈有发. 介电常数在地震预报中应用的可能性[J]. 西北地震学报, 1988, 10(4): 94,

95

[5]赵智彪, 许志, 利定东. 低介电常数材料在超大规模集成电路工艺中的应用[J]. 半导

体技术，2004,29（2）：4-6,45

[6] 邵天奇, 任天令, 李春晓等. 高介电常数材料在半导体存储器件中的应用[J]. 固体电

子学研究与进展, 2002, 22(3)：312-317

[7]张治文, 任越青, 杨百屯等. 粉末介质介电常数的测量[J]. 绝缘材料通讯，1989，

（20:28-32）

[8] 邓京川, 王魁香, 陆国会. 液体介电常数的微波测量[J]. 物理实验，1996,16（3）：

104-105

[9]SJT 1147-1993，电容器用有机薄膜介质损耗角正切值和介电常数试验方法[S].1993

[10] 洪伟年(译). 泡沫塑料的相对介电常数[J]。藤仓电线技报，1984,129(8):71-79

[11]张晓萍. 测量复介电常数的一种新方法[J]. 测量复介电常数的一种新方

法,1997,12(4):60-62

[12]田步宁, 杨德顺, 唐家明等. 传输/反射法测量复介电常数的若干问题[J]. 电波科学

学报，2002,17（1）：10-15

[13]陈维, 姚熹, 魏晓勇. 同轴传输反射法测量高损耗材料微波介电常数[J]. 功能材料,

2005, 9(36):1356-1358

[14]栾卉, 赵凯. 测量低损耗薄膜材料介电常数的标量法[J]. 电波科学报，2006，21（5）：

777-781

[15]薛谦忠, 左元, 韩冰等. 复介电常数和磁导率测量的新方法[J]. 微波学报, 2010, 8:

585-587

[16]李素萍, 王子华, 张友俊等. 毫米波椭偏法测量介质的复介电常数[J]. 上海大学学报

(自然科学版)

[17]徐汝军, 李恩, 周杨等. TM0n0圆柱腔测量介质复介电常数[J]. 宇航材料工艺, 2010,

5: 84-86

[18]徐江峰, 陈秋灵, 倪尔瑚. 截止波导介质腔介电常数测量理论与方法研究[J]. 仪器仪

表学报, 2006, 27(10): 1322-1325

[19]吴昌英, 丁君, 韦高等. 一种微波介质谐振器介电常数测量方法[J]. 测控技术, 2008,

27(6): 95-97

[20]于海涛, 吴亮, 李国辉. 测量介质材料复介电常数的准光腔法[J]. 材料开发与应用,

2010, 25(3): 54-56

[21]桂勇锋, 窦文斌, 姚武生等. 毫米波段复介电常数测量的开改进[J]. 微波学报, 2010,

26(3): 38-43

[22]李纪鹏, 龚勋, 蔡树棒. 开口波导法无损测量微波集成电路基片复介电常数[J]. 微波

学报, 1999, 15(4): 317

[23]孙慷, 张福学. 压电学(上册) . 北京: 国防工业出版社, 1984

[24]周东祥, 潘晓光. 电子材料测量. 武汉: 华中理工大学出版社, 1990

[25] Sopko J, Bhalla A, Cross L E. An improved quantitative method f ordetermining

dynamic curren t response of pyroelectric materials. Ferroelectrics,1995; 173: 139～ 152

[26]Byer R L, Roundy C B. Pyroelectriccoefficient di rectmeasurementtechnique and

application t o a ns ec response time detector. Ferroelectrics,1972; ( 3): 333～ 338

[27]黄文成.热释电系数的测量方法. ELECTRONIC COMPONENTS&MATERIALS.Vol. 17.No. 5,

1998.05.015 