ICS._31. 020 L 90 中华人民共和国国家标准 GB/T 16822--1997 介电晶体介电性能的试验方法 Test method for dielectric properties of dielectric crystal 1997-05-28发布 1998-02-01实施 国家技术蓝督局 发布 GB/T 16822-1997 前 創言 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GB11294一89《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 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、朱镛。 1 中华人民共和国国家标准 介电晶体介电性能的试验方法 GB/T16822—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 将原来不带电的介电晶体置于电场中，在其内部和表面上会感生出一定的电荷即产生电极化现象， 用电极化强度矢量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。 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.=E,+P,=E .(1) [E 12 E13] [e;] |E21 E22 23 (i,j=1,2,3) (2) Le31 E32 E33- 式中：ε-——真空介电系数，1,2,3分别代表直角坐标轴X,Y,Z; [ei,]一—晶体的介电系数张量，该张量为二阶对称极张量，即Eij=Eji。 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=E33 对于三方，四方，六方晶系有两个独立的介电系数E11=E22，E33。取晶体的高次对称轴（c轴）为介电 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ε11,E22，633。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ε11,E22，E33，E31。取晶体的二次对称轴(b轴）为介电主轴。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ε11，E22，E33，E12，E23，&3!。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，;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： C= A 式中：E。-—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，cm²; 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C。，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Cmeas.为： Cmens. = C+Co ·(4) 用电桥测得放置样品时的Cmeas.值和不放置样品时的C。值，晶体的介电系数为： d E= (Cmeas. -- Co) Ae。 (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。用千分表多次测量厚度，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，用蒸镀或涂敷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，频率误差为士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 下，测出电容值Cmeas.和（tan）mens.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 Cs U. U. U U (b) (a) 图1测量等效电路 图中：U-总电压，V； I一总电流，A； C,一并联等效电容,F； Rp一并联等效电阻，Q; Ic一流经并联等效电容的电流，A； I.一流经并联等效电阻的电流，A； C.一串联等效电容,F； R。一串联等效电阻，Q； 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 = I./I, = 1/w C,R, (6) 串联等效电路测量中， tan d = U./U. = wC,R. (7 ) 式中：w~ 外加交流电压的角频率，s"1。 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tanä值与实测值(tanä)meas.之间的关系式： tan = (tan )meas.(1 + Co/(Cmeas. -- Co)) (8) 因此，用电桥测出Cmes.，（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。 68221997 GB/T16822-1997 2.2.5 5试验过程 按2.1.5。 2.2.6试验误差 16 测量出的介电损耗的系统误差应小于士5% GB/T 68221997 GB/T16822-1997 2.2.5 5试验过程 按2.1.5。 2.2.6试验误差 16 测量出的介电损耗的系统误差应小于士5% GB/T