ICS.31.020 L 90 中华人民共和国国家标准 GB/T168221997 介电晶体介电性能的试验方法 Test method for dielectric properties of dielectric crystal 1998-02-01实施 1997-05-28发布 国家技术监督局 发布 GB/T 168221997 前言 本标准根据GB/T1.1—1993《标准化工作导则第1单元：标准的起草与表述规则 」第1部分：标 准编写的基本规定》表达了介电晶体介电性能的试验方法。 本标准参考了GB11297.11—89《热释电材料介电常数的测试方法》、GB11297.9—89《热释电材料 介质损耗角正切tan的测试方法》及GB11294—89《红外探测材料半导体光电材料和热释电材料常用 名词术语》三个标准。 本标准的特点是针对介电晶体的介电性能与其结晶学对称性有关，采用介电系数张量来描述其介 电性能。本标准讨论了各种晶系晶体的介电系数张量的独立分量数目及其介电主轴的取法，同时给出了 低频下其介电系数及介电损耗的测量方法。 本标准由中国科学院物理研究所提出。 本标准由中国科学院归口。 本标准起草单位：中国科学院物理研究所。 本标准主要起草人：张道范、朱铺。 I 中华人民共和国国家标准 介电晶体介申性能的试验方法 GB/T 16822-1997 Test method for dielectric properties of dielectric crystal 1 范围 本标准规定了介电晶体的低频（10MHz以下）介电系数及介电损耗的试验方法。 本标准适用于介电晶体的介电性能的测定。 2试验方法 2.1介电系数 2.1.1 定义 介电系数dielectric coefficient 用电极化强度失量P描述。当电场强度E不太强时，介质中的电极化强度P和电场强度E成线性关系。 在一般情况下，晶体中的电极化强度量P与电场强度矢量E有不同的方向，使得晶体内的电位移矢 量D和E有不同的方向，在直角坐标系中，晶体内这三者的关系可用式(1)表示： D, = EE, + P, - E,E, ...(1) [EnE12E13] ["a] E21E22E23 (i,j = 1,2,3) ( 2) LE31E32E33 式中：E。——真空介电系数，1,2,3分别代表直角坐标轴X,Y,Z; [e,]—晶体的介电系数张量，该张量为二阶对称极张量.即e,一E。 描述二阶张量可选用三个相互垂直的主轴为坐标轴（称主轴坐标系），在主轴坐标系中可将二阶介 电系数张量简化为只含对角项，称主介电系数。 晶体的介电系数张量的独立分量数目与其对称性有关： 对于立方晶系只有一个独立的介电系数E11=E22一E33。 对于三方,四方,六方晶系有两个独立的介电系数 Ei1ε2#533。取晶体的高次对称轴(c轴)为一介电 主轴，另两个介电主轴在垂直c轴的平面内，取结晶轴α轴为另一介电主轴。 对于正交晶系有三个独立的介电系数 e11,E22,E33。取晶体的结晶轴(a、b、c轴)为三个介电主轴。 对于单斜晶系有四个独立的介电系数e1,E22,E33，E31。取晶体的二次对称轴(b轴)为一介电主轴。另 两个介电主轴在垂直6轴的平面内，通过实验测量位于这平面内的三个独立的介电系数，可以确定这两 个介电主轴的方向和大小。 对于三斜晶系有六个独立的介电系数=11，E22,E3,E12，E23，E31。可任意选一直角坐标系，通过实验测量 六个独立的介电系数，经过数学运算可以确定三个介电主轴的方向和大小。 2.1.2试验原理 在本标准的表示方法中，ε,是无量纲量，即为相对介电系数。由于晶体的介电系数与测试频率有关， 国家技术监督局1997-05-28批准 1998-02-01实施 1 GB/T 16822—1997 在低频条件下，直接用电桥方法测量样品的电容，经过计算求得介电系数。 根据晶体的结晶学点群，将晶体定出结晶轴方向，垂直于结晶轴方向切出薄片，制成类似与平行板 电容器的样品。对于无限大（一般指电极面的尺度与其厚度之比>10：1时)并且电极板与电介质间无 间隙的平行板电介质电容器，电容量C表示为： P=D .( 3 ) 式中：ε-—真空介电系数，e,=8.85×10-14F/cm; E-晶体的垂直于极板方向的介电系数； A---晶体的电极面积，cm； d-一电极间距离，即晶体薄片的厚度，cm。 在测量样品电容时，由于测量引线和样品夹具本身存在一恒定的电容Co，可认为C。与样品的电容 C成并联状态，因此，实际测得的电容值Cmees.为： Cmeas. = C+ Co .(4) 用电桥测得放置样品时的Cmeas.值和不放置样品时的Co值，晶体的介电系数为： -Ao ...( 5) 2.1.3样品制备 晶体经X射线定向，定出结晶轴方向，定向精度为士1°，垂直于晶轴方向切出薄片，薄片厚度约为 0.05cm~0.10cm。用干分表多次测量厚度，厚度的平均偏差应小于1%。 样品的面积约为0.3cm²～1.0cm²,形状为圆形或矩形。 样品的两表面经细磨，抛光，清洁处理后，用蒸镀或涂等方式覆盖满金或银电极。 用测量显微镜多次测量电极面积，取平均值，误差应小于1%。 2.1.4试验条件 由于介电晶体的介电系数与测量频率、测量电压有关，并与样品所处的温度、压力、湿度有关，有些 样品还与本身的老化过程有关。因此，在测量时，对上述有关条件应给出明确规定。 样品处于恒温状态，温度波动范围应小于士0.2℃。 样品周围的湿度应低于60%，气压为当地大气压。 测量频率为100Hz～10MHz频率误差为±5%。 测量电场强度应小于5V/cm。 2.1.5试验过程 a）在样品电极面上用导电胶连结出电极引线。 b）样品的极化和老化处理：对具有铁电性的样品，先进行单畴化处理。样品的老化处理是将样品的 两电极短路，在室温下干燥空气中放置24h。 c）将样品置于金属制成的屏蔽盒内，两电极引线与屏蔽盒绝缘，屏蔽盒的外壳接地， d）样品的两电极引线经过同轴电缆线接到电容测量仪的测量端上，在一定的频率及低电场信号 下，测出电容值Cmea.和（tan）meas.值（是介质中的电位移落后于电场的相位角）。 e）取出样品后，测出测量引线和样品夹具的电容C，值。 f）按照式（5)计算样品的介电系数。 g）在公布测量结果时，应注明测量频率和样品温度。 2.1.6试验误差 测量出的介电系数的系统误差应小于土3%。 2.2介电损耗 2.2.1定义 2 GB/T 16822-1997 介电损耗dielectric loss 在交变电场中，由于存在极化弛豫，介电晶体中产生介电损耗。介电损耗是指晶体在被反复极化的 过程中，电场使介质极化所提供的能量，有部分要消耗于使固有电矩的反复取向转动，或使正负离子相 互拉开或电子云发生畸变的方向不断变化，这部分的能量不能转换成介质的极化而成为热运动被消耗 掉，衡量这种介电损耗大小的因子为tan（是介质中的电位移落后于电场的相位角），这是一个无量 纲单位，它表示有功功率P与无功功率Q的比值。 2.2.2试验原理 在测量样品的介电损耗时，有两种等效电路。图1(a)表示并联等效电路。图1(b)表示串联等效电 路。 I: R. C U. U U SAG (b) (a) 图1测量等效电路 图中:U-总电压,V; 1-总电流,A： C,一并联等效电容.F； R,一并联等效电阻,a; Ic流经并联等效电容的电流，A； I.-流经并联等效电阻的电流，A； C.一串联等效电容,F; R串联等效电阻，a； U一串联等效电容上的电压，V; U.一串联等效电阻上的电压V。 由图1可见，并联等效电路测量中， tan d - I./I, = 1/w C,R, 串联等效电路测量中， tan d = U,/U, wC,R, (7) 式中:w-- 一外加交流电压的角频率，s-！ 当考虑到测量引线和样品夹具本身存在一恒定的电容C。可认为C。与样品成并联状态，这样可推 导出晶体的 tan 值与实测值(tan )meas.之间的关系式： tan 8 = (tan d)mas. (1 + Co/(Cmeas: - Co)) .(8) 因此，用电桥测出Cmens.，(tan)meas.,C。,可用式(8)算出晶体样品的tan值。由于介电损耗与测量 的电场强度、频率、温度等有关。因此，在测量时，上述有关条件应给出明确规定。 2.2.3样品制备 按2.1.3。 2.2.4试验条件 按2.1.4。