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本书介绍了介电常数的基本原理并全面总结了从低频到太赫兹频段的不同的测量技术和方法。适于相关专业的研究生和相关领域的工程技术人员使用。
介电质在实际生活当中有着广泛的应用,而介电常数是描述介电质的一个重要物理参量。鉴于介电常数的频率及温度依赖特性,本书着重讨论介电常数的基本知识及介电常数的测量方法,主要涉及低频方法、传输线方法、自由空间测量方法、谐振测量方法等。一并讨论的还有介电常数的反演技术。考虑计算机技术的发展及数值计算的普遍,除了对解析反演法的讨论,还增加了数值反演的阐述。本书在理论上力求简洁明了,对数学过程的描述力求细致、详尽,对仪器设备的展示尽量做到直观、易懂。书中部分内容是基于国家自然科学及教育部留学归国人员科研启动基金项目的研究成果。本书适合电子科学与技术、物理、材料及生物电磁相关专业的研究生及工程人员使用。
介电常数及其测量技术目录目录
第1章绪论1
1.1概述1
1.2介电常数基本理论6
1.2.1介电常数6
1.2.2磁导率12
1.2.3电磁吸收与介电常数14
1.3介电常数测量技术概述15
1.4小结18
参考文献18
第2章平行板电容器测量法21
2.1接触式测量方法21
2.2非接触式24
2.3其他结构27
2.3.1频率法测量液体电介质介电常数27
2.3.2同轴线结构测量液体电介质介电常数28
2.4测量电阻分量29
2.5小结30
参考文献30
第3章传输线测量方法32
3.1传输线结构32
3.2传输线的分析方法33
3.2.1多次反射叠加法33
3.2.2多层结构的信号流图分析方法35
3.2.3传输矩阵法 (ABCD矩阵法)36
3.3相位补偿39
3.4从S参数反演介电常数40
3.4.1数学公式反演方法41
3.4.2数值迭代法45
3.5小结46
参考文献46
第4章开端同轴线测量方法48
4.1开端同轴线测量方法的基本原理48
4.1.1电容模型48
4.1.2天线模型52
4.1.3虚拟传输线模型52
4.1.4有理式方程模型54
4.2样品测量55
4.2.1甲酰胺和甲醇56
4.2.2金纳米悬浮液57
4.2.3讨论分析63
4.3小结64
参考文献65
第5章自由空间测量技术67
5.1准光技术测量方法67
5.1.1准光技术的基本原理67
5.1.2透射式系统69
5.1.3反射式系统74
5.2校准方法76
5.3太赫兹时域光谱测量方法80
5.3.1太赫兹时域光谱仪的基本原理80
5.3.2利用太赫兹时域光谱仪测量介电常数81
5.4傅里叶光谱仪86
5.5小结92
参考文献93
第6章谐振测量方法95
6.1介质谐振技术95
6.1.1介质杆谐振技术95
6.1.2分裂谐振杆法101
6.1.3片样谐振法102
6.1.4FabryPerot谐振腔104
6.1.5平面电路法115
6.1.6其他方法117
6.2腔体微扰技术118
6.2.1腔体微扰法的基本理论118
6.2.2腔体微扰法的一些结构122
6.2.3改进型的腔体微扰法123
6.3小结127
参考文献127
第7章参考介质的介电常数130
7.1纯水的静介电常数130
7.2纯水的复介电常数及理论模型132
7.2.1MCL测量软件模型133
7.2.2Liebe模型134
7.2.3Ellison统计模型142
7.3其他参考介质的介电常数149
7.3.1甲酰胺149
7.3.2乙二醇150
7.3.3甲醇151
7.4小结152
参考文献152
第8章混合媒质的介电常数156
8.1一般理论156
8.2电解质混合物164
8.3小结166
参考文献167
第9章生物组织的介电常数169
9.1人体及人体组织的构成170
9.2生物组织的介电常数汇总174
9.3生物组织的介电常数拟合模型186
9.4生物组织的介电常数的测量194
9.5小结195
参考文献196
介电常数及其测量技术
书 名:介电常数及其测量技术
编着者:刘小明
ISBN:978-7-5635-4410-3
出版时间:2015-08-18
版 次:1-1
25℃时水介电常数78.36F/m介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与介质中电场的比值即为相对介电常数(relative permittivity或dielectric c...
表征介质在外电场作用下极化程度的物理量叫介电常数.(在交变电场作用下,介质的介电常数是复数,虚数部分反映了介质的损耗).实际上,介电常数并不是一个不变的数,在不同的条件下,其介电常数也不相同.介电常数...
RTK(Real Time Kinematic)实时动态测量技术,是以载波相位观测为根据的实时差分GPS(RTDGPS)技术,它是测量技术发展里程中的一个突破,它由基准站接收机、数据链、 流动站接收机...
微波板材介电常数ε的测量方法
在应用微波传输线设计微波电路的过程中,印制板介电常数ε是影响其相关指标的重要因素,由于工作频率、印制板制作过程中的误差等因素的影响,介电常数ε往往并非厂商所给定的标称值。而如果仿真过程中介电常数ε设置的不准确,就会使得仿真结果与实际制作得到的结果产生很大的偏差,严重影响设计一致性,增加设计及调试成本。因此,测定印制板的实际介电常数就成为设计微波传输线电路的首要问题。主要是以某型号频谱分析仪中滤波器设计方法为例,提出了一种测量实际介电常数ε的方法——半波长法,根据半波长点处的匹配特性最佳的特点,利用EDA软件与矢量网络分析仪同时分析一段已知的传输线,通过修改ε值使得仿真得到的传输线特性与矢量网路分析仪测得的传输线特性一致,从而确定不同频率点处所对应的实际介电常数值,使得仿真结果与实际工程制作后得到的结果基本一致,保证电路设计的可靠性及一致性。该方法已经应用于实际工程中,有效解决了仿真与实际应用中滤波器等微波电路设计的差异性问题。
用长试样法测量砂子的复介电常数
本文介绍了利用三公分滤导的测量系统,在实验室条件下,用长试样法对湿度为15%的砂子的复介电常数的测量结果。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为相对介电常数(relative permittivity 或 dielectric constant),又称诱电率,与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。如果有高介电常数的材料放在电场中,电场强度会在电介质内有可观的下降。理想导体的相对介电常数为无穷大。
根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。通常,相对介电常数大于3.6的物质为极性物质;相对介电常数在2.8~3.6范围内的物质为弱极性物质;相对介电常数小于2.8为非极性物质。
介电常数频谱又称介电谱。复介电常数随电磁场频率而变化的现象,一般分别做出实部ε´(ω)频谱和虚部ε"(ω)频谱。介电常数频谱可以给出有关极化机制和晶格振动等重要信息 。
近十年来,半导体工业界对低介电常数材料的研究日益增多,材料的种类也五花八门。然而这些低介电常数材料能够在集成电路生产工艺中应用的速度却远没有人们想象的那么快。其主要原因是许多低介电常数材料并不能满足集成电路工艺应用的要求。图2是不同时期半导体工业界预计低介电常数材料在集成电路工艺中应用的前景预测。
早在1997年,人们就认为在2003年,集成电路工艺中将使用的绝缘材料的介电常数(k值)将达到1.5。然而随着时间的推移,这种乐观的估计被不断更新。到2003年,国际半导体技术规划(ITRS 2003[7])给出低介电常数材料在集成电路未来几年的应用,其介电常数范围已经变成2.7~3.1。
造成人们的预计与现实如此大差异的原因是,在集成电路工艺中,低介电常数材料必须满足诸多条件,例如:足够的机械强度(MECHANICAL strength)以支撑多层连线的架构、高杨氏系数(Young's modulus)、高击穿电压(breakdown voltage>4MV/cm)、低漏电(leakage current<10^(-9) at 1MV/cm)、高热稳定性(thermal stability>450oC)、良好的粘合强度(adhesion strength)、低吸水性(low moisture uptake)、低薄膜应力(low film stress)、高平坦化能力(planarization)、低热涨系数(coefficient of thermal expansion)以及与化学机械抛光工艺的兼容性(compatibility with CMP process)等等。能够满足上述特性的低介电常数材料并不容易获得。例如,薄膜的介电常数与热传导系数往往就呈反比关系。因此,低介电常数材料本身的特性就直接影响到工艺集成的难易度。
在超大规模集成电路制造商中,TSMC、 Motorola、AMD以及NEC等许多公司为了开发90nm及其以下技术的研究,先后选用了应用材料公司(Applied Materials)的 Black Diamond 作为低介电常数材料。该材料采用PE-CVD技术[8] ,与现有集成电路生产工艺完全融合,并且引入BLOk薄膜作为低介电常数材料与金属间的隔离层,很好的解决了上述提及的诸多问题,是已经用于集成电路商业化生产为数不多的低介电常数材料之一。