材料测试
一、背景
新材料与信息工程、能源工程及生物工程并列为当今世界上新技术革命的四大支柱。材料的发展在一定程度上反映了一个时代的生产力发展水平，它的品种、产量和质量情况是衡量一个国家科学技术与经济发展水平的一个重要标志。电子材料的发展在整个电子科技领域中总是处于最前沿的，它是电子工业和电子科学技术发展的物质基础，是电子技术进步的原动力。这不仅表现在电子产品的性能直接依赖于电子材料的特性，还表现在新型电子材料的开发能促进许多新型电子元器件的发展。
各行各业都需要对它们所用的材料有非常清晰的了解(图1)，以便缩短设计、进厂检验、流程检测和质量保证等阶段所花费的时间。每种材料都具有一些独特的电气特征，与介电特性有关。通过对介电特性进行精确测量，科技人员和工程师能够获得宝贵的信息，从而在具体应用中恰当地运用这些材料，创造更可靠的设计或监测生产流程，改进质量控制。
介电材料测量可以为许多电子应用提供关键设计参数信息。电缆绝缘体损耗、基片阻抗或介质谐振器频率都与材料介电特性有关。信息也有助于改进铁氧体、吸收器和封装设计。通过充分认识介电特性，汽车、食品和医药行业中的最新应用也获益匪浅。
针对不同外形尺寸、电气参数、物理状态和使用频段的介质材料，需要有对应的测试测量方法、测试夹具、分析计算方法。是德科技提供多种仪器、夹具和软件，用于测量液体、固体材料的介电常数/磁导率。是德科技测量仪器(例如网络分析仪、阻抗分析仪和LCR表)能够覆盖最高1.1THz的频率范围，并提供夹持被测材料(MUT)的夹具，分别适用于同轴探头法、平行板法、同轴/波导传输线法、自由空间法和谐振腔法。
二、材料电磁特性测量
1、平行板法
通过在两个电极之间插入一个材料或液体薄片组成电容器，然后测量其电容，根据测量结果计算介电常数，见图2；平行板用到的分销LCR表及夹具见图3。
图 2 平行板法测量原理
图 3 平行板用到的分销LCR表和夹具
平行板法的优点和缺点总结如下：
| 优势 | 限制 |
| 可用于液体和固体材料测量 | 频段较低 |
| 基本不用专门准备测量样本 | 固体被测材料必须有光滑的表面 (16451B) |
| 16451B测试夹具符合 with ASTM D150 | 厚度 <=10mm (16451B) |
2、同轴探头法
同轴探头是传输线截断后的一部分。通过将探头浸入液体或用其接触固体(或粉末)材料的平坦表面，对材料进行测量。探头上的场将"边缘"送入材料中，随着它们与被测材料的接触而缓慢发生变化(图4)。反射信号5(S11)可以通过测量得到，它与εr*有关。使用同轴探头法的典型测量系统是由网络分析仪或阻抗分析仪以及同轴探头和软件组成。软件和探头均包含在N1501A(原85070E)介电探头套件中。如果使用FieldFox手持表做网分，还需要使用外部计算机通过GPIB接口控制Fieldfox网络分析仪，82357A USB至GPIB接口可以非常方便和灵活地实现这一连接。对于ENA系列网络分析仪E5061B和E5063A，软件能够直接安装到分析仪中，无需使用外部计算机。
图 4同轴探头法
图5显示了N1501A套件提供的3个探头；高温探头(a)、细长探头(b)和高性能探头(c)。图中(a)为高温探头，右侧是短路件。(b)的底部是3个细长探头，上面为短路件，还有几个其他附件。(c)为高性能探头，上面是短路件。图6是高温探头的实物和参数。
图 5 三种介电探头配置
图 6 高温探头
同轴探头法的优点和适用范围如下：
| 优势 | 限制 |
| 简单方便 | 样品厚度一般要求 > 1 cm |
| 基本不用专门准备测量样本 | 固体必须有一个平滑的表面 |
| 无需破坏材料 | 精度很有限 ε’r ( + 5-10%) |
| 低损耗分辨率 ( + .05 in tanδ) | |
| 非常适合液体和半固体（粉末） | 不适合搞high ε’r low ε”r materials |
| 宽带 (0.01-50 GHz，具体取决于探头和分析仪) | 无法测量导磁率μr |
3、谐振腔法（分离介质谐振器）
谐振腔法通过测量S21比较放入样品前、后的谐振频率，根据公式计算材料的介电常数。它能够测量低损耗材料 (传输反射技术无法材料损耗较低的材料)；可对基片、印刷电路板和薄膜进行方便、快速的无损测量，因为不需要特殊的样本制备，只要基片适合 SPDR 即可；可测量多层PCB板。该方法的连接示意图和夹具见图7。
图 7 谐振腔法（分离介质谐振器）
谐振腔法的适用范围和优点如下：
| 优势 | 限制 |
| 出色精度. 最适合PCB 材料. | 只能在一个或几个频率上进行测量 |
| 非常适合测量低损耗材料(对一些腔体，直到10-6) | 腔体微扰法要求样品非常小而精确，一般都是破坏性的 |
| SPDR和SCR方法不会破坏材料 | 不能测磁导率μr. |
4、传输线法
传输线法需要将材料置于一部分封闭的传输线内部。线路通常是一段矩形波导或同轴空气线 (图 8)。εr* 和 μr* 根据反射信号 (S11) 和发射信号(S21)的测量结果计算得出。对材料的要求：样品填充到夹具横截面中，夹具壁没有空隙，表面平坦光滑,与长轴垂直，均匀介质。传输线法的特点有：宽带―最低频率受到实际样品长度的限制；有限的低损耗分辨率(取决于样品长度)；可测量磁性材料；使用波导夹具时测量各向异性材料。
图 8 传输线法
传输线法的优点和适用范围如下：
| 优势 | 限制 |
| 可测量介电常数和磁导率 | 起始频率一般高于100-500 MHz |
| 夹具比较简单 | 对样品的制造要求高 ，特别是空气线使用的环形样品(一般也都是破坏性的) |
| 宽带 | 有限的低损耗分辨率 (取决于样品长度) |
| 液体，粉末和气体必须装起来测量 |
三、总结
| 方法 | 夹具 | 参数 | 常见被测材料 | 方案 |
| 平行板法 |  |
εr 与µr | 平坦薄板样品 | E4980A/E4980AL、电子表格VBA宏和夹具16451B或16452A |
| 最适合低频 | ||||
| 同轴探头法 |  |
εr | 宽带、方便、非破坏 | E5063A 和软件 N1500A Opt.004 + 同轴探头N1501A |
| 最适合损耗MUT; 液体和半固体 | ||||
| 传输线法 |  |
εr 与µr | 宽带 | E5063A和软件N1500A Opt.001+样品容器 |
| 最适合损耗至低损耗 MUT; 可加工的固体 |
||||
| 谐振腔法 |  |
εr | 单一频率; 精确 | E5063A和软件 N1500A Opt. 003 与谐振腔 85072A或N1501AExx |
| 最适合低损耗 MUT; 小型样品 |
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