ASTMD150介電常數(shù)測(cè)定儀測(cè)量技術(shù)在民用，工業(yè)以及軍事等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文主要對(duì)介電常數(shù)測(cè)量的常用方法進(jìn)行了綜合論述。首先對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)；然后分別論述了幾種常用測(cè)量方法的基本原理、適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展近況；后對(duì)幾種測(cè)量方法進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)，得出結(jié)論。介電常數(shù)是物體的重要物理性質(zhì)，對(duì)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(wèn)題、電磁兼容問(wèn)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(wú)一不利用到物質(zhì)的電磁特性，對(duì)介電常數(shù)的測(cè)量提出了要求。目前對(duì)介電常數(shù)測(cè)量方法的應(yīng)用可以說(shuō)是遍及民用、工業(yè)、國(guó)防的各個(gè)領(lǐng)域在食品加工行業(yè)當(dāng)中，儲(chǔ)藏、加工、滅菌、分級(jí)及質(zhì)檢等方面都廣泛采用了介電常數(shù)的測(cè)量技術(shù)。例如，通過(guò)測(cè)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(guò)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(shí)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(shí)質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)價(jià)中，如果利用常規(guī)的方法，盡管測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，但工作量大、周期長(zhǎng)、速度慢且對(duì)路面造成破壞。由于土體的含水量、溫度及密度都會(huì)對(duì)其介電特性產(chǎn)生不同程度的影響，因此可以采用雷達(dá)對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)試以反算出介電常數(shù)的數(shù)值，通過(guò)分析介電性得到路基的密度及壓實(shí)度等參數(shù)，達(dá)到快速測(cè)量路基的密度及壓實(shí)度的目的[2]。此外，復(fù)介電常數(shù)測(cè)量技術(shù)還在水土污染的監(jiān)測(cè)中得到了應(yīng)用[3]。并且還可通過(guò)對(duì)巖石介電常數(shù)的測(cè)量對(duì)地震進(jìn)行預(yù)報(bào)[4]。上面說(shuō)的是介電常數(shù)測(cè)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(chǔ)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Applied Materials 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(chǔ)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(wèn)題，同時(shí)具備特殊的物理特性，可以實(shí)現(xiàn)具有特殊性能的新器件[6]。在軍事方面，介電常數(shù)測(cè)量技術(shù)也廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和各種特殊材料的制造與檢測(cè)當(dāng)中。對(duì)介電常數(shù)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用可以說(shuō)是不勝枚舉。介電常數(shù)的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)和國(guó)防各個(gè)領(lǐng)域，并且有發(fā)展的空間和必要性。我們對(duì)測(cè)量介電常數(shù)的方法進(jìn)行總結(jié)，能更清晰的認(rèn)識(shí)測(cè)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。.介電常數(shù)測(cè)量方法綜述介電常數(shù)的測(cè)量按材質(zhì)分類可以分為對(duì)固體、液體、氣體以及粉末(顆粒)的測(cè)量[7]。固體電介質(zhì)在測(cè)量時(shí)應(yīng)用廣泛，通常可以分為對(duì)固定形狀大小的固體和對(duì)形狀不確定的固體的測(cè)量。相對(duì)于固體，液體和氣體的測(cè)試方法較少。對(duì)于液體，可以采用波導(dǎo)反射法測(cè)量其介電常數(shù)，誤差在5%左右[8]。此外國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中給出了在90℃、工頻條件下測(cè)量液體損耗角正切及介電常數(shù)的方法[9]。對(duì)于氣體，具體測(cè)試方法少且精度都不十分高。文獻(xiàn)[10]中給出一種測(cè)量方法，以測(cè)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(jì)測(cè)量諧振頻率，不斷改變壓強(qiáng)和記錄當(dāng)前壓強(qiáng)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(jìn)而計(jì)算出相對(duì)介電常數(shù)。表1 是測(cè)量固體介電常數(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(不包括廢止的方法)及其對(duì)頻率、介電常數(shù)范圍、材料等情況的要求。如表1 所示，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對(duì)微擾法和開式腔法的過(guò)程做了詳細(xì)介紹，然而對(duì)適用頻率和介電常數(shù)的范圍都有所限制。所以在不同材料，不同頻率的情況下，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也給出了相應(yīng)的具體測(cè)量方法。可見，上面所分析的方法并不是可以隨便套用的。在不同的系統(tǒng)、測(cè)量不同的材料、所要求的頻率不同的情況下，需要對(duì)其具體問(wèn)題具體分析，這樣才能得出準(zhǔn)確的方法。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法覆蓋的頻率為50 MHz 以下和100 MHz 到30 GHz，可以說(shuō)是一個(gè)較廣的頻率覆蓋范圍，但是不同范圍適用的材料和環(huán)境等都有所不同。介電常數(shù)的覆蓋范圍是2 到100，接近1 的介電常數(shù)和較高介電常數(shù)的測(cè)量方法比較稀缺，損耗普遍在10−3 到10−4 的數(shù)量級(jí)上。3. 測(cè)量介電常數(shù)的幾種主要方法從總體來(lái)說(shuō)，目前測(cè)量介電常數(shù)的方法主要有集中電路法、傳輸線法、諧振法、自由空間波法等等。其中，傳輸線法、集中電路法、諧振法等屬于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法，測(cè)量通常是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，要求具有相應(yīng)的樣品采集技術(shù)。另外對(duì)于已知介電常數(shù)材料發(fā)泡后的介電常數(shù)通常用經(jīng)驗(yàn)公式得到[26]。下面，分別對(duì)這幾種方法的原理、特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀等做分別闡述。3.1. 集中電路法集中電路法是一種在低頻段將有耗材料填充電容，利用電容各參數(shù)以及測(cè)量得到的導(dǎo)納推出介電常數(shù)的一種方法。其原理公式為：
其中， Y 為導(dǎo)納， A 為電容面積， d 為極板間距離，e0 為空氣介電常數(shù)，ω 為角頻率。為了測(cè)量導(dǎo)納，通常用并聯(lián)諧振回路測(cè)出Q 值(品質(zhì)因數(shù))和頻率，進(jìn)而推出介電常數(shù)。由于其頻率會(huì)受到小電感的限制，這種方法的高頻率一般是100 MHz。小電感一般為10 nHz 左右。如果電感過(guò)，高頻段雜散電容影響太大。如果頻率過(guò)高，則會(huì)形成駐波，改變諧振頻率同時(shí)輻射損耗驟然增加。但這種方法并不適用于低損材料。因?yàn)檫@種方法能測(cè)得的Q 值只有200 左右，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得tand 也只在10−4 左右。這種方法不但準(zhǔn)確度不高，而且只能測(cè)量較低頻率，在現(xiàn)有通信應(yīng)用要求下已不應(yīng)用。
ASTMD150介電常數(shù)測(cè)定儀
技術(shù)參數(shù)：
1．電感測(cè)量范圍：4.5nH~7.9mH
2．Q值測(cè)量
a．Q值測(cè)量范圍：2～1023。
b．Q值量程分檔：30、100、300、1000、自動(dòng)換檔或手動(dòng)換檔。
c．標(biāo)稱誤差
頻率范圍（100kHz～10MHz）： 頻率范圍（10MHz～160MHz）：
固有誤差：≤5％±滿度值的2% 固有誤差：≤6％±滿度值的2%
工作誤差：≤7％±滿度值的2% 工作誤差：≤8％±滿度值的2%
3．Q合格指示預(yù)置功能: 預(yù)置范圍：5～1000。
4. 信號(hào)源頻率覆蓋范圍
頻率范圍CH1:0.1～0.999999MHz, CH2: 1～9.99999MHz,
CH3:10～99.9999MHz, CH1 :100～160MHz,
5．電容測(cè)量：1~205
主電容調(diào)節(jié)范圍：18～220pF
準(zhǔn)確度：150pF以下±1.5pF； 150pF以上±1%
注：大于直接測(cè)量范圍的電容測(cè)量見后頁(yè)使用說(shuō)明
6．B-測(cè)試儀正常工作條件
a. 環(huán)境溫度：0℃～+40℃；
b．相對(duì)濕度：<80％；
c．電源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。
7．其他
a．消耗功率：約25W；
b．凈重：約7kg；
c. 外型尺寸：（l×b×h）mm：380×132×280。
試驗(yàn)報(bào)告
試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)給出下列相關(guān)內(nèi)容:
絕緣材料的型號(hào)名稱及種類、供貨形式、取樣方法、試樣的形狀及尺寸和取樣 日期(并注明試樣厚度和試樣在與電極接觸的表面進(jìn)行處理的情況);
試樣條件處理的方法和處理時(shí)間;
電極裝置類型，若有加在試樣上的電極應(yīng)注明其類型;
測(cè)量?jī)x器;
試驗(yàn)時(shí)的溫度和相對(duì)濕度以及試樣的溫度;
施加的電壓;
施加的頻率;
相對(duì)電容率ε(平均值);
介質(zhì)損耗因數(shù) tans(平均值);
試驗(yàn) 日期 ;
相對(duì)電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)值以及由它們計(jì)算得到的值如損耗指數(shù)和損耗角，必要時(shí)，應(yīng)給出與溫度和頻率的關(guān)系。
