ZJD-B 薄膜介电常数测试仪

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。薄膜介电常数测试仪

北京航天纵横检测仪器有限公司

ZJD-B【薄膜介电常数测试仪】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*方法

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*，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 0.1μ H、0.5μ H、

2.5μ H、10μ H、50μ H、100μ H、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 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：φ 25.4mmφ 50mm

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

薄膜介电常数测试仪电极系统⁷

接触式电极——某一样本与其自带电极（电极材料为以下所列材料之一）一起供应是可以接受的，对于两终端测量，电极应延伸到样本边缘或小于样本。在后一种场合，两种电极在规格上等效或不等效是可以接受的。如果电极尺寸等效，但是小于样本，样本边缘必须越过电极延伸至少2倍的样本厚度。这三个电极规格的选择将取决于电极应用的方便性，同时取决于所采用的测量类型。在电极延伸到样本边缘的场合，边缘修正值（见表1）是较小的，而对于不等效电极，边缘修正值是较大的。当电极延伸到样本边缘，这些边缘必须是锐利的。如果根本是使用附着的电极，当采用一个测微计电极系统时，必须使用这类电极。当等效规格电极小于所用样本时，难于将它们置于中心，除非样本是半透明的或者采用了一种对准工装。对于三终端测量，保护电极宽度应至少为两倍的样本厚度（6,7）。间隙宽度应尽可能小（可以为0.5mm）。对于在较高频率下的耗散因子测量，该类型电极可能不满足要求，因为其串联电阻。使用测微计电极来进行测量。

电极材料：

金属箔片——厚度为0.0075~0.025mm且涂覆较小量精制凡士林，硅脂，硅油或其它合适低损耗粘合剂的铅或锡箔片通常用于作为电极材料。铝箔片也已经被使用，但是不建议使用，因为其具有刚性以及由于氧化的表面导致高接触电阻的可能性。铅箔片也可能因为其刚性而产生问题。在足够平滑压力下应用这些电极，以排除所有的皱纹，同时过量的粘合剂可以在箔片边缘上工作。一个非常有效的方法是使用一个窄辊，同时沿着表面向外滚压，直到在箔片上没有可见的标记。通过小心处理，粘合剂膜可以减小至0.0025mm。该膜层与样本串联相连，这将总是导致测量的电容率太低，同时耗散因子有可能太高。对于厚度小于0.125mm的样本，这些误差通常变得非常大。对于这类薄样本，只有当膜层耗散因子几乎与样本耗散因子相同时，该耗散因子误差才是可以忽略的。当电极将延伸到边缘，则制造的电极应大于样本，然后切成带小型细磨刀片的边缘。受保护电极和保护电极可采用一个电极制造而成，该电极包含整个表面，通过配有一个窄切割边缘的圆规方式来裁剪一条窄带（可以为0.5mm）来制备电极。

⁷电极系统补充信息可在研究报告RR:D09-1037中找到，该研究报告可从ASTM总部获得。

导电涂料——某些类型的高导电银涂料，不管是空气干燥还是低温烘烤型类型，都可以从商业渠道获得以作为电极材料使用。它们要有足够的气孔来允许湿分的扩散，从而允许试验样本在电极涂覆之后进行调节。这对于研究湿度影响特别有用。涂料具有应用之后不准备立即使用的缺点。它通常要求整夜空气干燥或低温烘烤，以去除任何溶剂痕迹，因为溶剂痕迹可能增大电容率和耗散因子。当刷涂涂料时，通常不容易获得明确定义的的电极区域，但是通过喷涂涂料以及采用外夹装或压力敏感面罩，可以克服这种局限性。银涂料电极电导率通常足够低，从而在较高频率时产生问题。涂料溶剂不会较久性影响样本是非常重要的。

烧银——烧银电极只适用于玻璃和其它可以承受大约350℃的燃烧温度而不会发生变化的陶瓷。它的高电导率使得电极材料适用于低损耗材料，例如熔融石英，甚至在较高频率下，其某一粗糙表面的能力使得其适合用于作为高电容率材料，例如钛酸盐。

喷涂金属——采用一个喷枪涂覆的低熔点金属提供了一层海绵状膜层，该膜层可用于作为电极材料，由于其粒状结构，因此大体上具有与导电涂料相同的电学电导率和相同的湿分孔隙率。合适的面罩必须使用以获得尖锐的边缘。它容易满足某一粗糙的表面，例如布，但是在薄膜上不能渗透极其小的孔，同时不会产生短路。其在某些表面上的附着性是非常差的，特别是暴露在高湿度或水浸泡之后。导电涂料的优点是没有溶剂的影响，以及在涂覆之后可立刻准备就绪使用。

蒸发金属——作为一种电极材料使用的蒸发金属可能具有不适当的电导率，尤其其极其薄，同时必须采用电镀铜或薄板金属作为底漆。其附着性是适当的，同时其自身具有足够的湿分气孔。在蒸发金属时，使用一种真空系统的必要性是不利的。

液态金属——使用汞电极时，在水银池上浮动样本，同时使用带尖锐边缘的限制环来拦住受保护和保护电极中的汞，如图9所示。当必须测试相当数量的样本时，一种更方便的装置是试验方法D1082中图4所示的试验工装。由于汞蒸气具有毒性，尤其是在高温下，可能存在一些健康危险，因此在使用期间应采取合适的预防措施。在测量薄膜形式的低损耗材料时，例如云母片剥离，汞污染可能引入相当大的误差，这通常将有必要使用干净的汞进行每一次试验。伍德合金或其它低熔点合金可采用类似方式来使用，以在某种程度上降低健康危险。

警告——*认为汞金属蒸汽中毒是工业中的一种危险。暴露极限由政府机构进行设置，同时通常以美国政府工业卫生学者会议⁸提出的建议为基础。破碎的温度计，气压计和其它使用汞的仪器所溢出的汞浓度可能轻易地超过这些暴露极限。汞作为一种高表面张力和非常重的液体，其将分散成小液滴，同时渗透进入地板中的裂纹和裂缝。这种暴露面积的增加显著增大了在空气中的汞蒸气浓度。任何时候发生溢出时，建议使用商用泄漏应急工具包。汞蒸气浓度容易采用商用嗅探器进行监测。在汞暴露于大气的区域，在作业周围定期进行现场检查。溢出之后进行*地检查。

备注：

Specimen：样本；Mercury：汞

图9 　带汞电极的受保护样本

刚性金属——对于光滑，比较厚或者稍微压缩的样本，有时可以使用高压下的刚性电极，特别是对于常规作业。目前已发现直径为10mm的电极在18.0MPa压力下课有助于塑料材料的测量，甚至材料可以薄至0.025mm。直径为50mm的电极在压力下也已经被成功用于较厚的材料。然而，当使用实心电极时，很难避免一层空气膜，同时随着被测材料电容率增大以及其厚度减小，该膜层的影响变得更大。在施加压力之后，样本尺寸将可能继续发生变化，变化时长达到24小时。

水——当在低频率（大约达到1000Hz）进行测量时，下水可作为绝缘电线和电缆测量用的一个电极。操作必须小心，以确保在样本末端的电泄漏可以忽略不计。

非接触式电极：

固定电极——在不将电极嵌入预制电极系统（电极系统在样本的一侧或两侧存在一条故意的空气间隙）前提下，可以测量具有足够低表面电导率的样本。刚性装配电极系统，确保其包含一个保护电极。为获得相同的精度，如果使用直接接触电极，要求对电极间距和样本厚度进行更准确的测定。然而，如果电极系统充满某一种液体，则可能消除这些局限性（见7.3.3）。

⁸　美国政府卫生学者会议，Building D-7, 6500 Glenway　Ave., Cincinnati, OH 45211.

测微计电极——图10所示的测微计电极系统已开发用于（8）排除在高频率下连接导线和测量电容器的串联电感和电阻导致的误差。内置的微调电容器也提供用于电纳变化方法。同时不管试验样本是否在电路之内还是之外，都能保持这些电感和电阻都是相对恒定的。那些尺寸与电极相同或者小于电极尺寸的样本夹紧在电极之间。除非样本表面重叠或磨得非常平，在放入电极系统之前，金属箔片或其等效物必须应用到样本上。如果应用电极，它们也必须是光滑和平直的。在移除样本之后，通过移动测微计电极让其更近的靠在一起，电极系统可制成具有相同电容。当测微计电极系统　小心校准电容变化时，其应用排除了边缘电容，接地电容和连接电容的修正值。在这一方面，在整个频率范围上使用电极系统是有好处的。一个缺点是电容校准没有传统多层可变电容器的电容校准那么准确，同时还不能直接读数。在频率小于1MHz时，当导线的串联电感和电阻的影响可以忽略不计时，测微计电极的电容校准可以采用一个标准电容器的电容校准来替代，该标准电容器可与测微计电极系统并联或者位于电桥的电容臂附近。样本之内和之外的电容变化可以该电容器形式来进行测量。某一测微计电极系统的小误差来源是电极系统校准时包含的电极边缘电容，当存在与电极直径相同的电介质时，该边缘电容将发生稍微变化。在实际中，可让样本直径比电极直径小2倍的样本厚度（3），则可以排除该误差。当没有电极附着在样本上时，表面电导率可能导致低损耗材料耗散因子测量产生严重的误差。当测量用电桥具有一个保护电路时，则使用受保护测微计电极将是有利的。边缘现象等的影响几乎可以*排除。当电极和固定架都制备得非常好时，则没有必要进行电容校准，因为电容可由电极间距和直径计算得出。然而测微计将要求进行校准。当使用受保护测微计电极时，在样本上使用电极将是不可行的，除非样本直径小于受保护电极。

备注：

Micrometer Screw：测微计螺钉；Bellows：风箱；Grounded Electrode：接地电极；

Specimen：样本；Vernier Capacitor：微型电容器；High Electrode：高电极；

Grounded Terminals：接地终端

图10 　测微计-电极系统

液体置换方法——当浸泡介质为一种液体，同时没有使用保护时，应优选平行板系统结构，以使得绝缘高电位板可以在两个平行低电位或接地板之间平行和等距离进行固定，其中接地板用试验池的相对内壁设计成容纳液体。该结构使得电极系统基本为自我屏蔽，但是通常要求双份试验样本。液体的准确温度测量必须作出规定（9,10）。试验池应为镀黄铜和金结构。高电位电极应可以移动来进行清洗。面必须接近为光学平面，同时尽可能平行。在≤1MHz频率下测量用合适液体池见试验方法D1531的图4所示。该试验池的尺寸变化是有必要的，以提供用于不同厚度或尺寸的薄板样本测试，但是这种变化应不能让充满标准液体的试验池电容降低到小于100pF.。在1~约50MHz频率下进行测量时，试验池尺寸必须大大地减小，同时导线必须尽可能短且直。当在50MHz频率下进行测量时，带液体的试验池电容应不超过30或40pF。受保护平行板电极优点是单个样本可以进行*准确地测量。另外液体电容率的先前知识不作要求，因此其可以直接测量得出（11）。如果试验池结构带一个测微计电极，厚度差异很大的样本可以进行*准确地测量，因为电极可以调节至某一只比样本厚度稍微大一点的间距。如果液体电容率接近样本电容率，样本厚度测定误差影响可以降至较小。在测量极其薄的膜层时，使用一种接近匹配液体和一种微米试验池，则将允许获得很高的准确度。

如果在两种已知电容率的液体上进行足够的测量，则排除了样本厚度和电极间距测定的必要性（12,13,18）。本方法对任何频率范围都不作限制；然而，较好限制液体浸泡方法用于液体耗散因子小于0.01（对于低损耗样本，优选小于0.0001）的频率场合。

当使用两种液体方法时，在样本相同样本进行测量是非常重要的，因为厚度将不总是在所有点都是相同的。为确保相同区域被测试两次，同时帮助薄膜的搬运，样本固定架是非常方便的。固定架可为一个V形件，其将能滑入电极池中的沟槽中。同时也有必要控制温度较小为0.1℃。这可以通过配备带冷却线圈的试验池来达到效果（13）。