材料測試
一、背景
新材料與信息工程、能源工程及生物工程并列為當今世界上新技術革命的四大支柱。材料的發(fā)展在一定程度上反映了一個時代的生產力發(fā)展水平，它的品種、產量和質量情況是衡量一個國家科學技術與經濟發(fā)展水平的一個重要標志。電子材料的發(fā)展在整個電子科技領域中總是處于前沿的，它是電子工業(yè)和電子科學技術發(fā)展的物質基礎，是電子技術進步的原動力。這不僅表現(xiàn)在電子產品的性能直接依賴于電子材料的特性，還表現(xiàn)在新型電子材料的開發(fā)能促進許多新型電子元器件的發(fā)展。
各行各業(yè)都需要對它們所用的材料有非常清晰的了解(圖1)，以便縮短設計、進廠檢驗、流程檢測和質量保證等階段所花費的時間。每種材料都具有一些獨特的電氣特征，與介電特性有關。通過對介電特性進行精確測量，科技人員和工程師能夠獲得寶貴的信息，從而在具體應用中恰當?shù)剡\用這些材料，創(chuàng)造更可靠的設計或監(jiān)測生產流程，改進質量控制。
介電材料測量可以為許多電子應用提供關鍵設計參數(shù)信息。電纜絕緣體損耗、基片阻抗或介質諧振器頻率都與材料介電特性有關。信息也有助于改進鐵氧體、吸收器和封裝設計。通過充分認識介電特性，汽車、食品和醫(yī)藥行業(yè)中的應用也獲益匪淺。
針對不同外形尺寸、電氣參數(shù)、物理狀態(tài)和使用頻段的介質材料，需要有對應的測試測量方法、測試夾具、分析計算方法。是德科技提供多種儀器、夾具和軟件，用于測量液體、固體材料的介電常數(shù)/磁導率。是德科技測量儀器(例如網(wǎng)絡分析儀、阻抗分析儀和LCR表)能夠覆蓋最高1.1THz的頻率范圍，并提供夾持被測材料(MUT)的夾具，分別適用于同軸探頭法、平行板法、同軸/波導傳輸線法、自由空間法和諧振腔法。
二、材料電磁特性測量
1、平行板法
通過在兩個電極之間插入一個材料或液體薄片組成電容器，然后測量其電容，根據(jù)測量結果計算介電常數(shù)，見圖2；平行板用到的分銷LCR表及夾具見圖3。
圖2 平行板法測量原理
圖3 平行板用到的分銷LCR表和夾具
平行板法的優(yōu)點和缺點總結如下：
| 優(yōu)勢 | 限制 |
| 可用于液體和固體材料測量 | 頻段較低 |
| 基本不用專門準備測量樣本 | 固體被測材料必須有光滑的表面 (16451B) |
| 16451B測試夾具符合 with ASTM D150 | 厚度 <=10mm (16451B) |
2、同軸探頭法
同軸探頭是傳輸線截斷后的一部分。通過將探頭浸入液體或用其接觸固體(或粉末)材料的平坦表面，對材料進行測量。探頭上的場將"邊緣"送入材料中，隨著它們與被測材料的接觸而緩慢發(fā)生變化(圖4)。反射信號5(S11)可以通過測量得到，它與εr*有關。使用同軸探頭法的典型測量系統(tǒng)是由網(wǎng)絡分析儀或阻抗分析儀以及同軸探頭和軟件組成。軟件和探頭均包含在N1501A(原85070E)介電探頭套件中。如果使用FieldFox手持表做網(wǎng)分，還需要使用外部計算機通過GPIB接口控制Fieldfox網(wǎng)絡分析儀，82357A USB至GPIB接口可以非常方便和靈活地實現(xiàn)這一連接。對于ENA系列網(wǎng)絡分析儀E5061B和E5063A，軟件能夠直接安裝到分析儀中，無需使用外部計算機。
圖4 同軸探頭法
圖5顯示了N1501A套件提供的3個探頭；高溫探頭(a)、細長探頭(b)和高性能探頭(c)。圖中(a)為高溫探頭，右側是短路件。(b)的底部是3個細長探頭，上面為短路件，還有幾個其他附件。(c)為高性能探頭，上面是短路件。圖6是高溫探頭的實物和參數(shù)。
圖5 三種介電探頭配置
圖6 高溫探頭
同軸探頭法的優(yōu)點和適用范圍如下：
| 優(yōu)勢 | 限制 |
| 簡單方便 | 樣品厚度一般要求 > 1 cm |
| 基本不用專門準備測量樣本 | 固體必須有一個平滑的表面 |
| 無需破壞材料 | 精度很有限 ε’r ( + 5-10%) |
| 低損耗分辨率 ( + .05 in tanδ) | |
| 非常適合液體和半固體（粉末） | 不適合搞high ε’r low ε”r materials |
| 寬帶 (0.01-50 GHz，具體取決于探頭和分析儀) | 無法測量導磁率μr |
3、諧振腔法（分離介質諧振器）
諧振腔法通過測量S21比較放入樣品前、后的諧振頻率，根據(jù)公式計算材料的介電常數(shù)。它能夠測量低損耗材料 (傳輸反射技術無法材料損耗較低的材料)；可對基片、印刷電路板和薄膜進行方便、快速的無損測量，因為不需要特殊的樣本制備，只要基片適合 SPDR 即可；可測量多層PCB板。該方法的連接示意圖和夾具見圖7。
圖7 諧振腔法（分離介質諧振器）
諧振腔法的適用范圍和優(yōu)點如下：
| 優(yōu)勢 | 限制 |
| 出色精度. 適合PCB 材料. | 只能在一個或幾個頻率上進行測量 |
| 非常適合測量低損耗材料(對一些腔體，直到10-6) | 腔體微擾法要求樣品非常小而精確，一般都是破壞性的 |
| SPDR和SCR方法不會破壞材料 | 不能測磁導率μr. |
4、傳輸線法
傳輸線法需要將材料置于一部分封閉的傳輸線內部。線路通常是一段矩形波導或同軸空氣線 (圖 8)。εr* 和 μr* 根據(jù)反射信號 (S11) 和發(fā)射信號(S21)的測量結果計算得出。對材料的要求：樣品填充到夾具橫截面中，夾具壁沒有空隙，表面平坦光滑,與長軸垂直，均勻介質。傳輸線法的特點有：寬帶―最低頻率受到實際樣品長度的限制；有限的低損耗分辨率(取決于樣品長度)；可測量磁性材料；使用波導夾具時測量各向異性材料。
圖8 傳輸線法
傳輸線法的優(yōu)點和適用范圍如下：
| 優(yōu)勢 | 限制 |
| 可測量介電常數(shù)和磁導率 | 起始頻率一般高于100-500 MHz |
| 夾具比較簡單 | 對樣品的制造要求高 ，特別是空氣線使用的環(huán)形樣品(一般也都是破壞性的) |
| 寬帶 | 有限的低損耗分辨率 (取決于樣品長度) |
|
液體，粉末和氣體必須裝起來測量
|
三、總結
| 方法 | 夾具 | 參數(shù) | 常見被測材料 | 方案 |
| 平行板法 |
|
εr 與μr | 平坦薄板樣品 | E4980A/E4980AL、電子表格VBA宏和夾具16451B或16452A |
| 適合低頻 | ||||
| 同軸探頭法 |
|
εr | 寬帶、方便、非破壞 | E5063A 和軟件 N1500A Opt.004 + 同軸探頭N1501A |
| 適合損耗MUT; 液體和半固體 | ||||
| 傳輸線法 |
|
εr 與μr | 寬帶 | E5063A 和軟件 N1500A Opt.001+樣品容器 |
|
適合損耗至低損耗 MUT; 可加工的固體 |
||||
| 諧振腔法 |
|
εr | 單一頻率; 精確 | E5063A 和軟件 N1500A Opt. 003 與諧振腔 85072A或N1501AExx |
