一、產(chǎn)品概述

薄膜介電常數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試儀GDAT?A，依據(jù)GB/T 1409?2006《測(cè)量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括米波波長(zhǎng)在內(nèi)）下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法》進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，是面向薄膜、高分子絕緣材料、電瓷、裝置瓷、電容器陶瓷、各類無(wú)機(jī)非金屬新材料以及復(fù)合材料開(kāi)展高頻介電性能檢測(cè)的專業(yè)試驗(yàn)設(shè)備。介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角正切tanδ是電介質(zhì)材料十分關(guān)鍵的物理性能指標(biāo)，在電子元器件、電力絕緣器件、高頻通信組件、電容器介質(zhì)材料的選型、配方研發(fā)、工藝優(yōu)化環(huán)節(jié)，這兩項(xiàng)指標(biāo)能夠直觀反映材料在交變電場(chǎng)環(huán)境下電荷存儲(chǔ)能力與電能轉(zhuǎn)化為熱能的損耗水平。通過(guò)儀器完成介質(zhì)損耗角正切tanδ以及介電常數(shù)ε的測(cè)定，研究人員可以梳理溫度、測(cè)試頻率、材料組分、成型工藝等多種條件對(duì)于介電性能帶來(lái)的變化規(guī)律，為新材料配方改良、生產(chǎn)工藝調(diào)整、產(chǎn)品質(zhì)量管控提供真實(shí)可復(fù)現(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

薄膜介電常數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試儀適配科研機(jī)關(guān)、高等院校材料實(shí)驗(yàn)室、新材料研發(fā)企業(yè)、第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)、電力科研試驗(yàn)部門等不同使用場(chǎng)景，既可以完成薄膜類薄型絕緣試樣的檢測(cè)，也可以對(duì)塊狀陶瓷、板材類復(fù)合材料開(kāi)展高頻介電性能試驗(yàn)。設(shè)備整體采用高頻諧振法測(cè)量架構(gòu)，集合單片計(jì)算機(jī)作為整機(jī)控制中樞，集成頻率數(shù)字鎖定、標(biāo)準(zhǔn)頻率測(cè)試點(diǎn)自動(dòng)設(shè)定、諧振點(diǎn)自動(dòng)搜索、Q值量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、數(shù)值數(shù)字化顯示等多項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)對(duì)調(diào)諧測(cè)試回路結(jié)構(gòu)做優(yōu)化處理，降低調(diào)諧回路內(nèi)部殘余電感，延續(xù)諧振Q表成熟的自動(dòng)穩(wěn)幅控制邏輯，在高頻段測(cè)量過(guò)程中，減少人為調(diào)諧帶來(lái)的操作偏差，提升試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性與一致性。

除核心的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試以外，儀器還能夠拓展多項(xiàng)電參數(shù)測(cè)量工作，可以測(cè)定高頻電感元件、諧振回路Q值，電感器電感量、元件分布電容量，電容器電容量、電容器損耗角正切，高頻回路并聯(lián)等效電阻、串聯(lián)等效電阻，傳輸線特性阻抗等多類電學(xué)參數(shù)，一臺(tái)設(shè)備可以滿足實(shí)驗(yàn)室多維度高頻阻抗類測(cè)試需求，降低多臺(tái)設(shè)備采購(gòu)與維護(hù)成本。整套測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試主機(jī)、電感套件、專用測(cè)試夾具組合而成，夾具部分包含平板電容器與圓筒電容器兩套測(cè)微電容單元，平板電容器用于夾持固定薄膜或者固體被測(cè)樣品；圓筒電容器屬于線性可變電容器，擁有較高的讀數(shù)分辨率。介質(zhì)損耗角正切依靠放入試樣前后平板電容器回路Q值的變化，結(jié)合圓筒電容器刻度讀數(shù)的變化換算計(jì)算；介電常數(shù)則依托平板電容器裝樣前后的刻度讀數(shù)變化完成換算求解，整套測(cè)量邏輯符合國(guó)標(biāo)諧振替代法測(cè)試原理。

在薄膜樣品測(cè)試工作中，薄膜試樣普遍厚度薄、質(zhì)地柔軟，試樣厚度測(cè)量的微小偏差，都會(huì)直接傳導(dǎo)到介電常數(shù)最終計(jì)算結(jié)果中。這套儀器配備帶數(shù)顯讀數(shù)的測(cè)微機(jī)構(gòu)，能夠精準(zhǔn)讀取薄膜樣品厚度、電極間距數(shù)值，降低厚度讀數(shù)引入的系統(tǒng)誤差，適配PET、PI聚酰亞胺薄膜、PP聚丙烯薄膜、PTFE聚四氟乙烯薄膜、各類改性復(fù)合絕緣薄膜等多種薄型試樣的檢測(cè)工作。

二、測(cè)試工作原理

本設(shè)備核心測(cè)量方法為高頻諧振法，也叫Q表諧振替代法，該測(cè)量方法適用頻率區(qū)間覆蓋10kHz至數(shù)百M(fèi)Hz，是GB/T1409?2006標(biāo)準(zhǔn)中推薦用于高頻段絕緣材料介電性能檢測(cè)的主流手段之一。諧振法測(cè)量本質(zhì)屬于變電抗替代測(cè)量，依靠RLC諧振回路發(fā)生諧振時(shí)的特征參數(shù)變化，推算被測(cè)介質(zhì)的電容與損耗水平。

品質(zhì)因數(shù)Q是諧振回路的核心物理量，物理含義為諧振系統(tǒng)一個(gè)振蕩周期之內(nèi)，系統(tǒng)儲(chǔ)存總能量和損耗消耗能量的比值。當(dāng)回路內(nèi)部損耗越大，Q的數(shù)值越低；介質(zhì)損耗越小，回路Q值越高。當(dāng)未放置被測(cè)樣品的時(shí)候，調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部可變電容，使LC測(cè)試回路達(dá)到諧振狀態(tài)，記錄該狀態(tài)下回路Q值、電容讀數(shù)；之后將被測(cè)薄膜或者固體介質(zhì)樣品放置到平板電容器的兩個(gè)電極之間，介質(zhì)進(jìn)入電場(chǎng)之后，會(huì)改變回路等效電容，同時(shí)引入介質(zhì)損耗，諧振點(diǎn)發(fā)生偏移，回路品質(zhì)因數(shù)Q同步下降。再次調(diào)節(jié)可變電容，讓測(cè)試回路重新回到諧振條件，記錄第二次諧振對(duì)應(yīng)的Q值以及電容刻度。兩次諧振狀態(tài)下Q值的差值代表樣品引入的介質(zhì)損耗，電容讀數(shù)差值對(duì)應(yīng)被測(cè)介質(zhì)帶來(lái)的等效電容增量，結(jié)合樣品實(shí)測(cè)厚度、電極有效面積，就能夠換算得到材料相對(duì)介電常數(shù)εr與介質(zhì)損耗角正切tanδ的數(shù)值。

整套儀器硬件架構(gòu)中，DDS直接數(shù)字合成信號(hào)源輸出穩(wěn)定高頻激勵(lì)信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)完成全流程邏輯管控，實(shí)現(xiàn)頻率數(shù)字鎖定，能夠預(yù)先設(shè)置多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試頻點(diǎn)，儀器自動(dòng)搜尋諧振位置，Q值量程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，也可以切換為手動(dòng)檔位由操作人員自行選定量程。調(diào)諧回路經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，把回路殘余電感控制在較低水平，殘余電感在高頻條件下會(huì)帶來(lái)額外阻抗，是高頻測(cè)試誤差來(lái)源之一，優(yōu)化調(diào)諧回路可以減少高頻下殘余電感對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)帶來(lái)的干擾；設(shè)備保留自動(dòng)穩(wěn)幅技術(shù)，維持諧振激勵(lì)信號(hào)輸出幅值穩(wěn)定，避免信號(hào)幅度漂移造成Q值讀數(shù)波動(dòng)，保障不同頻率點(diǎn)下測(cè)試條件保持一致。

測(cè)試夾具單元由兩組測(cè)微電容器構(gòu)成，平板電容器負(fù)責(zé)夾持被測(cè)樣品，圓筒電容器為高分辨率線性可變電容。整套測(cè)微機(jī)構(gòu)為精密機(jī)械測(cè)微結(jié)構(gòu)，搭配數(shù)顯測(cè)微讀數(shù)組件，能夠直接讀取電極間距，也就是薄膜試樣厚度，厚度數(shù)據(jù)參與介電常數(shù)計(jì)算，厚度讀數(shù)分辨率直接約束薄膜樣品的測(cè)試下限。夾具本身自身固有損耗需要控制在較低水平，夾具本體損耗角正切指標(biāo)滿足設(shè)備技術(shù)要求，以此保障測(cè)試低損耗薄膜材料時(shí)，夾具自身?yè)p耗不會(huì)掩蓋樣品真實(shí)損耗信號(hào)，保證低tanδ材料也能夠得到有效分辨。

諧振法高頻測(cè)試有其本身方法特點(diǎn)，該測(cè)量方式不適用保護(hù)電極結(jié)構(gòu)，在開(kāi)展薄膜試樣測(cè)試的時(shí)候，需要關(guān)注邊緣電容效應(yīng)帶來(lái)的影響。圓形平板電極測(cè)試時(shí)，電極邊緣電場(chǎng)會(huì)向外發(fā)散，形成邊緣雜散電容，會(huì)給電容測(cè)量帶來(lái)附加偏差。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，可以選用直徑更大的電極，讓樣品有效覆蓋電極全部面積，相對(duì)降低邊緣電容占整體電容的比例，削弱邊緣效應(yīng)對(duì)薄膜試樣的影響。對(duì)于厚度很小的薄膜樣品，電極平整度、兩片電極之間的平行度會(huì)顯著影響最終結(jié)果，一旦兩極片出現(xiàn)傾斜，薄膜局部受壓不均勻，部分位置出現(xiàn)空隙，空氣夾層會(huì)嚴(yán)重干擾介電常數(shù)與介質(zhì)損耗的測(cè)量，這也是儀器在維護(hù)保養(yǎng)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)管控平板電極平行度指標(biāo)的原因。

從材料物理角度來(lái)看，介電常數(shù)反映電介質(zhì)在外加交變電場(chǎng)作用下發(fā)生極化的能力，包含電子極化、離子極化、偶極取向極化等多種極化形式；介質(zhì)損耗角正切tanδ代表交變電場(chǎng)下，介質(zhì)內(nèi)部各類極化弛豫、電導(dǎo)漏電造成的能量損耗，損耗以熱量形式向外釋放。同一份薄膜材料，在不同測(cè)試頻率條件下，極化響應(yīng)狀態(tài)不一樣，介電常數(shù)與tanδ會(huì)發(fā)生明顯變化。借助本儀器可以在多個(gè)不同頻點(diǎn)完成掃頻式測(cè)試，獲取材料介電頻譜，幫助科研人員分析高分子薄膜的分子弛豫行為，研究改性填料對(duì)于復(fù)合薄膜介電性能的改變規(guī)律，支撐高頻電子用絕緣薄膜材料開(kāi)發(fā)工作。

三、儀器完整性能參數(shù)

信號(hào)源類型：DDS數(shù)字合成信號(hào)源 頻率范圍：10KHz?70MHz；可選版本10KHz?100MHz Q值測(cè)量范圍：2 ~ 1023 Q值量程分檔：30、100、300、1000，支持自動(dòng)換檔或手動(dòng)換檔兩種模式 電感測(cè)量范圍：4.5nH?10mH；160M版本電感測(cè)量范圍160M 電容直接測(cè)量范圍：1 ~ 460pF；160M版本1pF?25uF 主電容調(diào)節(jié)范圍：30 ~ 540pF；160M版本17?240pF 電容準(zhǔn)確度：150pF 以下± 1.5pF；150pF 以上± 1% 頻率指示誤差：1×10?? ±1個(gè)字 Q值合格指示預(yù)置功能范圍：5 ~ 1000 具備Q值自動(dòng)鎖定功能，無(wú)需人工手動(dòng)搜尋諧振點(diǎn)

儀器正常工作環(huán)境條件 環(huán)境溫度：0℃~+40℃ 相對(duì)濕度：小于80% 供電電源：220V±22V，50Hz±2.5Hz

整機(jī)其他物理指標(biāo) 消耗功率：約25W 設(shè)備凈重：約7kg 整機(jī)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：380mm×132mm×280mm

平板電容器夾具參數(shù) 極片尺寸：φ25.4mm、φ50mm兩種規(guī)格 極片間距可調(diào)范圍≥10mm，讀數(shù)分辨率±0.01mm

圓筒電容器參數(shù) 電容量線性指標(biāo)：0.33pF/mm±0.05 pF 長(zhǎng)度可調(diào)范圍0～20mm，讀數(shù)分辨率±0.01mm

夾具相關(guān)參數(shù) 夾具插頭間距：25mm±1mm 夾具本體損耗角正切值：≤4×10??（測(cè)試條件1MHz時(shí)） 配置數(shù)顯電極測(cè)微讀數(shù)組件

設(shè)備出廠標(biāo)準(zhǔn)配置：測(cè)試主機(jī)一臺(tái)、電感套件一套、測(cè)試夾具一套。

BH916配套測(cè)試裝置補(bǔ)充參數(shù)：平板電容極片Φ50mm/Φ25.4mm；間距可調(diào)范圍≥15mm；夾具插頭間距25mm±0.01mm；測(cè)微桿分辨率0.001mm；夾具損耗角正切值≦4×10?4（1MHz條件）。GDAT高頻Q表可選頻率版本包含20KHz?100MHz、20KHz?70MHz、200KHz?160MHz；頻率指示誤差3×10??±1個(gè)字；主電容調(diào)節(jié)范圍30?500pF/18?220pF；主調(diào)電容誤差小于1%或1pF；Q測(cè)試范圍2~1023。

四、儀器性能特點(diǎn)

1、雙規(guī)格圓形平板電極，配置φ25.4mm以及φ50mm兩套尺寸極片，適配不同尺寸薄膜試樣，大直徑電極能夠降低薄膜測(cè)試中邊緣電容帶來(lái)的干擾。極片間距調(diào)節(jié)行程充足，測(cè)微讀數(shù)機(jī)構(gòu)分辨率達(dá)到±0.01mm，數(shù)顯直讀電極間隙，薄膜試樣無(wú)需額外拿出儀器外部用千分尺測(cè)量厚度，直接在夾具上讀取厚度數(shù)值，減少試樣二次移動(dòng)帶來(lái)的厚度測(cè)量誤差，適合微米級(jí)別厚度高分子薄膜樣品檢測(cè)。

2、圓筒可變電容器擁有良好電容線性特性，單位長(zhǎng)度電容變化穩(wěn)定，讀數(shù)分辨率高。圓筒電容調(diào)節(jié)行程0?20mm，測(cè)微桿讀數(shù)分辨率±0.01mm，在開(kāi)展介質(zhì)損耗換算的時(shí)候，電容刻度線性度保障損耗計(jì)算的可靠程度，降低可變電容非線性引入的系統(tǒng)偏差。

3、夾具接插件尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，插頭間距25mm±1mm，連接回路接觸狀態(tài)穩(wěn)定，高頻條件下接觸電阻會(huì)造成額外回路損耗，穩(wěn)定的機(jī)械連接可以減少接觸不良造成的數(shù)據(jù)漂移，多次拆裝夾具也可以維持回路性能。

4、夾具本體自身?yè)p耗控制在較低水平，在1MHz測(cè)試條件下夾具本身?yè)p耗角正切≤4×10??。在測(cè)量低損耗薄膜材料的時(shí)候，夾具固有損耗會(huì)疊加樣品損耗，如果夾具本體損耗偏高，會(huì)造成樣品介質(zhì)損耗測(cè)試結(jié)果偏大。該夾具將本體損耗控制在合理區(qū)間，有利于分辨低損耗絕緣薄膜的真實(shí)tanδ變化。

5、數(shù)顯測(cè)微讀數(shù)組件，厚度、位移數(shù)值數(shù)字化顯示，規(guī)避傳統(tǒng)機(jī)械式刻度肉眼讀數(shù)帶來(lái)的人為讀數(shù)誤差，多名操作人員開(kāi)展同一組試樣測(cè)試，讀數(shù)一致性更好，方便記錄原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，適配實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)歸檔需求。

6、主機(jī)采用DDS數(shù)字合成信號(hào)源，輸出信號(hào)頻譜純度良好，頻率設(shè)置精度高，支持多個(gè)離散頻點(diǎn)測(cè)試，科研場(chǎng)景下，研究人員可以針對(duì)薄膜材料開(kāi)展多頻點(diǎn)介電性能測(cè)試，得到介電常數(shù)?頻率、介質(zhì)損耗?頻率變化曲線，分析薄膜材料在不同高頻工作環(huán)境下的電介質(zhì)行為。

7、具備諧振點(diǎn)自動(dòng)搜索、Q值自動(dòng)鎖定功能，無(wú)需操作人員反復(fù)手動(dòng)調(diào)諧尋找諧振峰值；同時(shí)保留手動(dòng)操作模式，部分特殊試驗(yàn)場(chǎng)景下，技術(shù)人員可以自主控制量程與調(diào)諧過(guò)程，兼顧自動(dòng)化測(cè)試和手動(dòng)調(diào)試的需求。Q量程自動(dòng)切換，根據(jù)回路實(shí)際Q值大小自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)檔位，避免檔位選錯(cuò)造成讀數(shù)不準(zhǔn)。Q值預(yù)置合格指示功能，可以設(shè)置Q上下限，輔助試驗(yàn)人員快速判斷回路諧振狀態(tài)是否正常。

8、對(duì)調(diào)諧回路做優(yōu)化設(shè)計(jì)，壓低回路殘余電感。當(dāng)測(cè)試頻率不斷升高，殘余電感帶來(lái)的阻抗影響會(huì)快速放大，降低殘余電感可以拓寬儀器高頻段有效測(cè)量區(qū)間，保障高頻狀態(tài)下薄膜、陶瓷樣品測(cè)試數(shù)據(jù)可靠性。同時(shí)保留自動(dòng)穩(wěn)幅電路，激勵(lì)輸出幅值保持穩(wěn)定，諧振過(guò)程中信號(hào)幅度不會(huì)發(fā)生明顯起伏，減少Q(mào)值讀數(shù)波動(dòng)。

9、一機(jī)多參數(shù)測(cè)量，除薄膜介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)之外，還可以開(kāi)展電感、電容元件參數(shù)測(cè)定，回路等效電阻、傳輸線特性阻抗等項(xiàng)目測(cè)試，一臺(tái)設(shè)備覆蓋實(shí)驗(yàn)室多項(xiàng)高頻電學(xué)試驗(yàn)需求。

五、樣品制備與測(cè)試操作要點(diǎn)

5.1薄膜試樣制備要求

薄膜樣品的制備、預(yù)處理直接影響GDAT?A測(cè)試儀最終得到的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，不管是研發(fā)對(duì)比試驗(yàn)，還是產(chǎn)品出廠質(zhì)量檢測(cè)，都應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一試樣處理?xiàng)l件，保證試驗(yàn)具備可復(fù)現(xiàn)性。

試樣尺寸方面，薄膜面積需要大于平板電極面積，完整覆蓋圓形電極全部區(qū)域，避免電極局部裸露接觸空氣，減小邊緣電容效應(yīng)的影響。如果薄膜尺寸過(guò)小，電極邊緣直接暴露在空氣之中，雜散電容占比升高，會(huì)帶來(lái)介電常數(shù)計(jì)算偏高的現(xiàn)象。薄膜表面應(yīng)當(dāng)平整，不能出現(xiàn)褶皺、折痕、針孔、氣泡、粉塵顆粒，薄膜表面存在顆粒雜質(zhì)，會(huì)造成兩極之間局部間隙，形成空氣夾層。空氣的介電常數(shù)接近1，夾層存在會(huì)讓整體等效介電常數(shù)偏低，同時(shí)引入額外損耗，得到失真的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

薄膜厚度需要盡量均勻，同一片試樣多點(diǎn)厚度差異不宜過(guò)大。對(duì)于厚度很薄的高分子薄膜，厚度微小不均勻，會(huì)對(duì)介電常數(shù)計(jì)算產(chǎn)生顯著影響，試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)在試樣多個(gè)不同位置讀取厚度，取厚度平均值代入計(jì)算。

樣品狀態(tài)調(diào)節(jié)，按照GB/T1409?2006標(biāo)準(zhǔn)的要求，絕緣材料測(cè)試前需要做狀態(tài)調(diào)節(jié)處理，一般放置在溫度23℃，相對(duì)濕度50%的環(huán)境中保持足夠時(shí)長(zhǎng)，去除薄膜內(nèi)部吸附水分。水分子的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗遠(yuǎn)高于多數(shù)高分子薄膜，薄膜吸濕之后，會(huì)造成tanδ明顯升高，介電常數(shù)數(shù)值變大；不同環(huán)境濕度條件下，薄膜吸水程度不同，同一份樣品測(cè)出的數(shù)據(jù)差異很大。如果薄膜對(duì)濕度比較敏感，試驗(yàn)需要在恒溫恒濕環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部開(kāi)展，避免環(huán)境水汽干擾測(cè)試結(jié)果。如果薄膜材料容易受熱變形，狀態(tài)調(diào)節(jié)階段也要控制環(huán)境溫度，防止薄膜發(fā)生形變、收縮，改變?cè)嚇雍穸取?/span>

5.2儀器開(kāi)機(jī)與測(cè)試前檢查

接通電源之前，確認(rèn)供電電壓滿足設(shè)備銘牌標(biāo)注的220V±22V，50Hz供電條件，檢查夾具整套測(cè)微機(jī)械結(jié)構(gòu)沒(méi)有磕碰損傷，平板兩極片表面清潔，沒(méi)有灰塵、碎屑、薄膜殘片附著。電極表面可以使用無(wú)水乙醇輕輕擦拭，之后充分晾干，保證金屬電極表面潔凈，電極表面氧化層、粉塵會(huì)增大接觸損耗，抬高整體回路損耗水平。

確認(rèn)測(cè)微桿可以順滑轉(zhuǎn)動(dòng)，不存在卡頓，插頭連接到位，接觸牢靠。開(kāi)機(jī)之后等待儀器完成自檢，確認(rèn)主機(jī)各項(xiàng)顯示功能正常，頻率、Q值數(shù)字顯示沒(méi)有異常亂碼。在沒(méi)有放置樣品的條件下，開(kāi)展空載諧振檢查，確認(rèn)整套回路能夠順利搜尋到諧振點(diǎn)，Q值讀數(shù)處于合理區(qū)間；如果空載Q明顯偏低，需要排查夾具連接、電極表面潔凈度，確認(rèn)沒(méi)有異物夾在電極之間。

設(shè)置測(cè)試需要使用的頻率點(diǎn)，儀器既可以單次固定頻點(diǎn)測(cè)試，也可以依次切換多個(gè)頻點(diǎn)，完成一組樣品多頻率檢測(cè)。針對(duì)薄膜測(cè)試，優(yōu)先選用大直徑φ50mm電極，降低邊緣電容的影響；只有樣品尺寸受限的時(shí)候，才選用φ25.4mm電極。

5.3薄膜樣品裝樣和測(cè)試流程

將經(jīng)過(guò)狀態(tài)調(diào)節(jié)的薄膜試樣平整鋪放在下電極的表面，注意薄膜不要產(chǎn)生褶皺，合上上平板電極，緩慢調(diào)節(jié)測(cè)微旋鈕，使上電極平穩(wěn)貼合薄膜試樣，不要施加過(guò)大壓力。部分高分子薄膜在壓力過(guò)大條件下會(huì)發(fā)生壓縮形變，薄膜真實(shí)厚度被壓縮變小，厚度讀數(shù)失真，進(jìn)一步造成介電常數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤；但是壓力也不能過(guò)小，電極和薄膜之間存在空氣間隙，同樣會(huì)帶來(lái)很大的測(cè)試誤差。操作人員需要根據(jù)薄膜材質(zhì)軟硬程度控制電極壓緊力度。

記錄測(cè)微機(jī)構(gòu)讀出的薄膜實(shí)際厚度數(shù)值。啟動(dòng)儀器自動(dòng)搜尋諧振，儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)可變電容找到諧振峰值，記錄裝入樣品狀態(tài)下Q值與電容讀數(shù)。抬起上電極，把薄膜試樣取出，保持電極之間間隙不變，再次做空載諧振，記錄沒(méi)有樣品時(shí)回路諧振Q值和電容讀數(shù)。依靠?jī)纱沃C振狀態(tài)下電容變化量、Q值變化量，結(jié)合薄膜實(shí)測(cè)厚度、電極有效面積，計(jì)算得到被測(cè)薄膜的介電常數(shù)以及介質(zhì)損耗角正切tanδ。

同一種材料建議準(zhǔn)備3件及以上平行試樣，完成平行樣測(cè)試，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，減少試樣個(gè)體差異帶來(lái)的偶然誤差。開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)的時(shí)候，所有試樣的測(cè)試頻率、環(huán)境溫濕度、裝樣壓力都需要保持統(tǒng)一，才可以對(duì)比不同配方薄膜介電性能的差異。

5.4測(cè)試常見(jiàn)誤差來(lái)源分析

1、環(huán)境濕度帶來(lái)的誤差：高分子絕緣薄膜普遍具備一定吸濕性，環(huán)境濕度偏高，薄膜吸附水汽，tanδ會(huì)明顯增大，介電常數(shù)上升。濕度變化是薄膜介電測(cè)試中高頻出現(xiàn)的誤差因素，敏感材料需要在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展整套試驗(yàn)。

2、薄膜與電極之間存在空氣夾層：薄膜褶皺、顆粒異物、電極平行度不良，都會(huì)造成局部空氣層，空氣夾層會(huì)拉低等效介電常數(shù)，干擾介質(zhì)損耗數(shù)值。日常維護(hù)中，需要定期校驗(yàn)平板電極兩片極片的平行度指標(biāo)。

3、邊緣電容效應(yīng)：薄膜試樣尺寸小于電極，電極邊緣裸露在空氣中，邊緣雜散電容疊加進(jìn)測(cè)量電容。優(yōu)先選用更大直徑電極，保證樣品完整覆蓋全部電極面，降低邊緣電容占比。

4、溫度的影響：材料介電性能本身隨溫度發(fā)生改變，溫度改變高分子材料偶極子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直接改變tanδ與介電常數(shù)。對(duì)比試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)控制環(huán)境溫度穩(wěn)定，記錄每一組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度。

5、夾具本身固有損耗：夾具零件磨損、電極氧化、接插件接觸不良，會(huì)增大夾具本體損耗，測(cè)量低損耗薄膜樣品時(shí)，樣品損耗信號(hào)被夾具損耗掩蓋，tanδ測(cè)試結(jié)果偏大。設(shè)備需要定期做維護(hù)校驗(yàn)，確認(rèn)夾具損耗角正切指標(biāo)維持在合格范圍。

6、殘余電感的影響：在高測(cè)試頻率區(qū)間，回路殘余電感影響放大，所以設(shè)備在硬件層面優(yōu)化調(diào)諧回路降低殘余電感，操作人員也不可以隨意更改夾具接線方式，不隨意延長(zhǎng)連接線，額外引線會(huì)引入附加電感，干擾高頻測(cè)試結(jié)果。

7、樣品厚度測(cè)量誤差：介電常數(shù)計(jì)算直接代入薄膜厚度，厚度讀數(shù)偏差會(huì)等比例傳遞到介電常數(shù)結(jié)果。要保證測(cè)微機(jī)構(gòu)分辨率，定期校驗(yàn)測(cè)微桿讀數(shù)精度，薄膜不可以被過(guò)度擠壓造成厚度壓縮變形。

六、儀器維修保養(yǎng)與定期校驗(yàn)

整套測(cè)試夾具屬于高精度測(cè)微機(jī)械設(shè)備，由精密機(jī)械構(gòu)件組成，振動(dòng)、磕碰沖擊會(huì)造成極片變形、測(cè)微桿偏移，直接破壞測(cè)量精度，所以儀器存放和使用環(huán)境要避開(kāi)震動(dòng)沖擊，環(huán)境內(nèi)部不可以存在腐蝕性氣體，環(huán)境保持干燥，避免金屬電極氧化銹蝕。非專業(yè)人員不可以自行拆解夾具、測(cè)微機(jī)構(gòu)，私自拆裝之后機(jī)械幾何參數(shù)發(fā)生改變，設(shè)備測(cè)量性能無(wú)法保障。

當(dāng)測(cè)試夾具發(fā)生碰撞摔落，或者按照試驗(yàn)周期開(kāi)展定期檢查校驗(yàn)，需要對(duì)下面幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)： 平板電容器兩片極片之間的平行度，平行度誤差不允許超過(guò)0.02mm。極片傾斜、不平行，裝夾薄膜樣品的時(shí)候局部會(huì)出現(xiàn)空隙，帶來(lái)空氣夾層，嚴(yán)重影響薄膜樣品的測(cè)試準(zhǔn)確度。 第二，圓筒電容器的轉(zhuǎn)軸同心度誤差，不能超過(guò)0.1mm。同心度變差之后，圓筒電容位移?電容線性特性被破壞，介質(zhì)損耗換算計(jì)算出現(xiàn)系統(tǒng)偏差。 第三，兩只測(cè)微桿讀數(shù)分辨率，保證維持0.01mm的讀數(shù)分辨能力，測(cè)微機(jī)構(gòu)磨損之后讀數(shù)漂移，薄膜厚度讀取會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。 第四，使用分辨率達(dá)到±0.01pF等級(jí)的精密電容測(cè)量?jī)x器，校驗(yàn)圓筒電容器的電容線性性能。調(diào)節(jié)測(cè)微桿從0?20mm，每隔1mm位置記錄電容讀數(shù)，核對(duì)電容?位移線性關(guān)系，確認(rèn)符合設(shè)備出廠的工作特性，線性超差需要完成調(diào)整維護(hù)。

設(shè)備日常使用維護(hù)細(xì)節(jié)：電極表面要保持清潔，沾染灰塵、塑料碎屑，可以使用無(wú)水乙醇擦拭金屬極片，靜置充分晾干之后再開(kāi)展測(cè)試，禁止使用強(qiáng)腐蝕性溶劑擦洗夾具零件。儀器長(zhǎng)期閑置不使用的時(shí)候，給主機(jī)與夾具做好防塵遮蓋，放置在干燥室內(nèi)儲(chǔ)存。設(shè)備供電電源盡量保證供電穩(wěn)定，避免電壓大幅波動(dòng)。

主機(jī)部分，日常使用注意散熱通風(fēng)，儀器進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)口位置不可以被雜物遮擋，防止設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行內(nèi)部積熱。不可以在設(shè)備開(kāi)機(jī)通電狀態(tài)插拔夾具插頭，避免沖擊損傷主機(jī)內(nèi)部電路元器件。

七、儀器應(yīng)用領(lǐng)域與測(cè)試材料范圍

GDAT?A介電常數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試儀面向多個(gè)行業(yè)，用于新材料研發(fā)、來(lái)料檢驗(yàn)、成品質(zhì)量檢測(cè)、高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)等工作，適用材料種類覆蓋薄膜類、陶瓷類、高分子復(fù)合材料等多種電介質(zhì)材料。

在高分子薄膜行業(yè)，適配PI聚酰亞胺薄膜、PET聚酯薄膜、PP聚丙烯薄膜、PTFE聚四氟乙烯薄膜、改性復(fù)合絕緣薄膜、鋰電池隔離膜、柔性電路板基材薄膜、電容器介質(zhì)薄膜。電子行業(yè)高頻通信器件對(duì)薄膜材料高頻介電性能有明確要求，需要測(cè)定不同頻率點(diǎn)介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角正切，篩選適配高頻工況的薄膜基材，評(píng)估配方改性對(duì)薄膜介電損耗的改善效果。

陶瓷材料領(lǐng)域，可以檢測(cè)電瓷、裝置瓷、電容器陶瓷、微波介質(zhì)陶瓷塊材試樣，陶瓷是電子元器件、電力絕緣子常用介質(zhì)材料，高頻條件下tanδ數(shù)值決定器件發(fā)熱水平，儀器能夠完成陶瓷試樣高頻介電參數(shù)測(cè)定，支撐陶瓷配方研發(fā)。

復(fù)合材料方向，各類樹脂基絕緣復(fù)合材料、填料改性高分子復(fù)合材料，填料種類、填充比例會(huì)改變復(fù)合材料極化行為，介電常數(shù)與介質(zhì)損耗可以用來(lái)評(píng)價(jià)填料分散效果，分析填料?基體界面極化帶來(lái)的介電損耗變化。

科研院校實(shí)驗(yàn)室，材料學(xué)院、電氣學(xué)院、高分子相關(guān)專業(yè)，用于材料物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)，新材料課題研究，可以做多頻點(diǎn)介電頻譜測(cè)試，研究溫度、頻率、填料含量對(duì)介質(zhì)極化、介質(zhì)損耗的作用機(jī)理。

電力科研與檢測(cè)機(jī)構(gòu)，各類絕緣材料、新型電力絕緣介質(zhì)開(kāi)展高頻介電性能評(píng)價(jià)，分析絕緣材料老化前后介電常數(shù)與tanδ變化，輔助評(píng)估絕緣材料老化狀態(tài)。

第三方檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，按照GB/T1409?2006標(biāo)準(zhǔn)，為企業(yè)提供絕緣材料高頻介電性能委托檢測(cè)，出具對(duì)應(yīng)試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。

八、諧振法介電測(cè)試和其他測(cè)試方法簡(jiǎn)要對(duì)比

針對(duì)絕緣材料介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)的檢測(cè)，國(guó)標(biāo)GB/T1409?2006中包含兩大類測(cè)量思路，零點(diǎn)指示法（電橋法）和諧振法（Q表法）。

零點(diǎn)指示法，常見(jiàn)有西林電橋、變壓器電橋，電橋法可以配置保護(hù)電極結(jié)構(gòu)，能夠很好消除邊緣電容帶來(lái)的影響，在中低頻段測(cè)量穩(wěn)定性優(yōu)秀。但是隨著測(cè)試頻率升高到幾十MHz以上，引線電感、雜散寄生參數(shù)影響快速變大，電橋法在高頻區(qū)間的應(yīng)用受到限制，一般更適合50MHz以內(nèi)中低頻檢測(cè)。

本儀器采用高頻諧振法，優(yōu)勢(shì)在于適配10kHz到上百M(fèi)Hz的高頻測(cè)試區(qū)間，是高頻段固體介質(zhì)、薄膜材料檢測(cè)比較成熟的方案。諧振法屬于替代法測(cè)試，依靠裝入樣品前后諧振回路參數(shù)變化計(jì)算結(jié)果，硬件架構(gòu)可以做到比較寬的頻率覆蓋；該方法不支持保護(hù)電極，所以薄膜試樣測(cè)試中需要依靠增大電極尺寸，樣品覆蓋電極，以此降低邊緣電容的干擾。

除此之外還有諧振腔微擾法，多用于GHz微波頻段測(cè)試，針對(duì)更高頻率微波材料。而GDAT?A測(cè)試儀覆蓋kHz?百M(fèi)Hz區(qū)間，對(duì)應(yīng)通信、電子元器件大量實(shí)際工況頻率，和很多電容器、絕緣器件實(shí)際工作頻段匹配，所以在工業(yè)研發(fā)檢測(cè)場(chǎng)景中使用廣泛。不同測(cè)量方法的測(cè)試原理有區(qū)別，同一份材料，不同測(cè)試方法得到的數(shù)據(jù)會(huì)存在小幅差異，開(kāi)展對(duì)標(biāo)比對(duì)時(shí)，要統(tǒng)一測(cè)試方法、測(cè)試頻率、樣品條件，保證對(duì)比有效性。

九、測(cè)試報(bào)告需要記錄的關(guān)鍵信息

完成薄膜介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試工作，出具試驗(yàn)記錄或者測(cè)試報(bào)告時(shí)，完整記錄各項(xiàng)試驗(yàn)條件，保障試驗(yàn)可以復(fù)現(xiàn)，需要記錄內(nèi)容包括：儀器型號(hào)GDAT?A；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T1409?2006；被測(cè)薄膜樣品信息，包含材料牌號(hào)、批次、試樣編號(hào)；試樣制備、狀態(tài)調(diào)節(jié)條件，調(diào)節(jié)溫度濕度以及放置時(shí)長(zhǎng)；測(cè)試環(huán)境溫度、環(huán)境相對(duì)濕度；本次選用的電極規(guī)格φ25.4mm或者φ50mm；測(cè)試頻率；每一件平行試樣的實(shí)測(cè)厚度；每一次空載與裝樣之后諧振狀態(tài)的Q值、電容讀數(shù)；計(jì)算得到每一個(gè)樣品介電常數(shù)εr，介質(zhì)損耗角正切tanδ；平行試樣平均值；試驗(yàn)人員，試驗(yàn)日期。完整記錄全部條件，后續(xù)重復(fù)試驗(yàn)可以復(fù)現(xiàn)測(cè)試條件，便于開(kāi)展數(shù)據(jù)比對(duì)分析。

十、高頻介電性能在材料工程當(dāng)中的工程意義

相對(duì)介電常數(shù)εr代表電介質(zhì)儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的能力，介質(zhì)損耗角正切tanδ代表交變電場(chǎng)之下電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿膿p耗比例，兩個(gè)參數(shù)共同決定電介質(zhì)材料在電子電氣產(chǎn)品當(dāng)中的使用表現(xiàn)。

對(duì)于電容器介質(zhì)薄膜，介電常數(shù)會(huì)影響電容器單位體積的電容量，同等尺寸條件，介電常數(shù)更高的介質(zhì)，可以獲得更大電容；但同時(shí)需要兼顧介質(zhì)損耗角正切，如果tanδ數(shù)值偏大，電容器在交變電場(chǎng)工作時(shí)內(nèi)部發(fā)熱嚴(yán)重，溫度升高會(huì)加速介質(zhì)老化，縮短器件使用壽命。研發(fā)電容器薄膜材料的時(shí)候，需要平衡介電常數(shù)與介質(zhì)損耗兩項(xiàng)指標(biāo)。

在高頻通信電路基材薄膜的應(yīng)用場(chǎng)景，信號(hào)傳輸延時(shí)和介電常數(shù)相關(guān)，較低介電常數(shù)有助于降低信號(hào)延遲；介質(zhì)損耗角正切過(guò)高會(huì)造成高頻信號(hào)傳輸衰減，信號(hào)能量被介質(zhì)吸收發(fā)熱。高頻電路板基材、柔性FPC基材薄膜選型，高頻條件下tanδ是非常關(guān)鍵的考核指標(biāo)，需要借助GDAT?A這類高頻諧振法設(shè)備，在實(shí)際工作頻率點(diǎn)完成檢測(cè)，得到貼近真實(shí)工況的性能數(shù)據(jù)。

電力絕緣材料方面，設(shè)備在交變電場(chǎng)運(yùn)行，如果絕緣介質(zhì)tanδ偏大，介質(zhì)持續(xù)發(fā)熱，溫度累積會(huì)進(jìn)一步加速絕緣老化，甚至帶來(lái)絕緣失效風(fēng)險(xiǎn)，檢測(cè)不同配方、不同批次絕緣薄膜、絕緣板材高頻介電損耗，是材料質(zhì)量管控的重要環(huán)節(jié)。

新材料改性研發(fā)過(guò)程，向高分子基體添加無(wú)機(jī)填料制備復(fù)合薄膜，填料的種類、粒徑、填充比例、表面改性工藝，都會(huì)改變薄膜極化行為，帶來(lái)介電常數(shù)和tanδ的變化。通過(guò)儀器多頻點(diǎn)測(cè)試，可以觀察填料引入帶來(lái)的介電性能變化，分析偶極極化、界面極化的貢獻(xiàn)，指導(dǎo)填料改性工藝優(yōu)化。

材料老化研究領(lǐng)域，薄膜材料經(jīng)過(guò)熱老化、濕熱老化之后，高分子分子鏈發(fā)生降解，內(nèi)部極性基團(tuán)數(shù)量改變，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切會(huì)隨之發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)比老化前后高頻介電性能，能夠評(píng)價(jià)薄膜材料耐老化能力，為評(píng)估材料服役壽命提供參考。

介電常數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試儀GDAT?A，依托高頻諧振法原理，符合GB/T1409?2006標(biāo)準(zhǔn)，兼顧主機(jī)自動(dòng)化控制、高精度測(cè)微夾具，適配薄膜、陶瓷、復(fù)合材料多種試樣的高頻介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)檢測(cè)，能夠滿足科研教學(xué)、新材料研發(fā)、工業(yè)質(zhì)檢多場(chǎng)景的測(cè)試需求。在使用設(shè)備開(kāi)展試驗(yàn)的時(shí)候，規(guī)范樣品制備、控制環(huán)境溫濕度、定期校驗(yàn)夾具機(jī)械指標(biāo)，能夠有效降低各類系統(tǒng)誤差，獲取穩(wěn)定可靠的試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)。