TWI400457B - 萃取材料介電常數的裝置及其方法 - Google Patents

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萃取材料介電常數的裝置及其方法
本發明係有關於一種萃取材料介電常數的裝置及其方法，尤指一種具有可降低介電常數萃取誤差量，以及提高介電常數萃取可用頻寬者。
在某些習知電容法萃取介電常數上，一般都以固定面積之電容器作為驗證載具，透過量測電容器電容值，並與電容器面積做運算取得材料之介電常數，但由於常用的運算公式並無法精準考量邊緣雜散電容器所造成的影響，因此常使計算之介電常數較材料介電常數高。習知電容法介電常數萃取方式是藉由量測所得之電容器電容值與面積，反推材料之介電常數，而實際上電容器之等效電路模型為寄生電阻、寄生電感與本體等效電容所組成，如圖一所示，由於寄生電感的存在使得電容器在頻率提升時，電容值也隨之增加，因此造成使用電容法萃取介電常數時，因寄生電感的影響使所萃取之介電常數誤差隨著操作頻率提升而跟著提升，讓電容萃取法之可用頻寬降低，而電容器之自振頻率正是判別其寄生電感高低的一項指標。圖二為某種習知介電常數萃取裝置之立體透視圖，請參考圖二，由於該結構在量測時需要一段饋入線12，因此該饋入線12之寄生效應會使得電容器自振頻率降低，成為造成習知電容萃取介電常數方法之可用頻寬縮減的主要原因。
在傳統電容法介電常數萃取方式中，則是藉由公式C =之計算取得材料之介電常數值DK ，其中，ε0 為空氣之介電常數值，Thinkness 為材料的厚度值，Area 為兩電極中之較小電極板的面積。由於電容值C 為兩電極平板之間的電容，但在實際電路量測時，所量測之電容值還包含電容器邊緣所造成之雜散電容，因此該雜散電容會造成介電常數萃取時之誤差，使所萃取之介電常數高於材料本身之介電常數。
因此，如何研發出一種萃取材料介電常數的裝置及其方法，其可較某些習知電容法萃取方式具有更低的誤差量，並可提高本方法的可用頻寬，將是本發明所欲積極探討之處。
本發明提出一種萃取材料介電常數的裝置及其方法，其主要特性為其可較習知電容法萃取方式具有更低的誤差量，並比習知方法具有更高的可用頻寬。
本發明之一樣態為一種萃取材料介電常數的裝置，其包含有：一第一介電常數萃取單元，其包含：一待測材料；一第一電極，其覆設於該待測材料之頂面；及一第二電極，其覆設於該待測材料之底面，並形成一第一電容，該第二電極所形成之覆面係被該第一電極所形成之覆面涵蓋；以及一第二介電常數萃取單元，其包含：該待測材料；一第三電極，其覆設於該待測材料之頂面；及一第四電極，其覆設於該待測材料之底面，並形成一第二電容，該第四電極所形成之覆面係被該第三電極所形成之覆面涵蓋，其中，該第二電極的邊長與該第四電極的邊長相同，但形成之面積不同；其中，根據該第一電容的電容值以及該第二電容的電容值，以推算得該待測材料之介電常數值。
本發明之另一樣態為一種萃取材料介電常數的方法，其包含下列步驟：提供一第一介電常數萃取單元，其包含：一待測材料；一第一電極，其覆設於該待測材料之頂面；一第二電極，其覆設於該待測材料之底面，並形成一第一電容，該第二電極所形成之覆面係被該第一電極所形成之覆面涵蓋；提供一第二介電常數萃取單元，其包含：該待測材料；一第三電極，其覆設於該待測材料之頂面；一第四電極，其覆設於該待測材料之底面，並形成一第二電容，該第四電極所形成之覆面係被該第三電極所形成之覆面涵蓋，其中，該第二電極的邊長與該第四電極的邊長相同，但形成之面積不同；量測該第一電容的電容值；量測該第二電容的電容值；以及根據該第一電容的電容值以及該第二電容的電容值，以推算得該待測材料之介電常數值。
為充分瞭解本發明之特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：圖三A及圖三B為本發明之一具體實施例的立體透視圖，請同時參考圖三A及圖三B，本發明為一種萃取材料介電常數的裝置，其包含有：一第一介電常數萃取單元1，其包含：一待測材料2(例如：片狀材料、基板、薄膜、紙張型材料或由粉末及複合材料所壓合而成之平面狀材料，但不限於此)；一第一電極3，其覆設於該待測材料2之頂面；及一第二電極4，其覆設於該待測材料2之底面，並形成一第一電容，該第二電極4所形成之覆面係被該第一電極3所形成之覆面涵蓋；以及一第二介電常數萃取單元5，其包含：該待測材料2；一第三電極6，其覆設於該待測材料2之頂面；及一第四電極7，其覆設於該待測材料2之底面，並形成一第二電容，該第四電極7所形成之覆面係被該第三電極6所形成之覆面涵蓋，其中，該第二電極4的邊長與該第四電極7的邊長相同，但形成之面積不同，由於製程上的誤差，習知此技藝之人士應能理解前述邊長相同僅是概略，一般來說，邊長誤差在總邊長的10%內均可接受；使用者可根據該第一電容的電容值以及該第二電容的電容值，以推算得該待測材料2之介電常數值。根據以上之結構，實際操作時，使用者只要將該第一電極3及該第二電極4連接至儀器或電表之極性相反之訊號端，以及將該第三電極6及該第四電極7連接至儀器或電表之極性相反之訊號端，便可測得該第一介電常數萃取單元1及該第二介電常數萃取單元5的電容值，再將該第一電容的電容值C 1 減去該第二電容的電容值C 2 後，乘上該待測材料2之厚度值Thinkness ，除以該第二電極4與該第四電極7的面積差(X 1 Y 1 -X 2 Y 2 )(X 1 、Y 1 為第二電極4的兩邊長；X 2 、Y 2 為第四電極7的兩邊長，本實施例係以矩形為例，實際使用時不限於此)，再除以空氣之介電常數值ε0 ，以獲得該待測材料2之介電常數值DK ，為令使用者更為清楚本發明之計算方式，另將公式(以矩形為例)整理如下：，透過上述之裝置即可消除邊緣雜散電容對介電常數萃取所造成的影響，使本發明較習知電容法萃取方式具有更低的誤差量。
圖四A及圖四B為本發明之另一具體實施例的立體透視圖，請同時參考圖四A及圖四B，為了提高自振頻率，以提升本發明裝置之可用頻寬，根據本實施例，較佳係於該第一電極3形成一第一透孔8，以供一第一饋入單元9經由該第一透孔8穿過該待測材料2與該第二電極4電性連接，同時於該第三電極6形成一第二透孔10，以供一第二饋入單元11經由該第二透孔10穿過該待測材料2與該第四電極7電性連接，如此只要提供該第一饋入單元9及該第一電極3至儀器或電表之極性相反之訊號端，以及提供該第二饋入單元11及該第三電極6至儀器或電表之極性相反之訊號端，再根據前述實施例的處理方式，便可獲得該待測材料2之介電常數值DK ，同時本實施例的結構較之前一實施例，由於其訊號饋入方式是採用中心穿孔，藉由中心穿孔使訊號饋入時具有最短路徑，使饋入路徑之寄生電感降低，因此可更提高自振頻率，進而提升本發明裝置之可用頻寬。
圖五為本發明之一具體實施方式的步驟流程圖，為令使用者更為了解本發明之使用方式，請參考圖五並配合圖三A及圖三B，本發明之一種萃取材料介電常數的方法，其包含下列步驟：提供一第一介電常數萃取單元1，形成有一第一電容，其包含：一待測材料2(例如：片狀材料、基板、薄膜、紙張型材料或由粉末及複合材料所壓合而成之平面狀材料，但不限於此)；一第一電極3，其覆設於該待測材料2之頂面；一第二電極4，其覆設於該待測材料2之底面，該第二電極4所形成之覆面係被該第一電極3所形成之覆面涵蓋；提供一第二介電常數萃取單元5，形成有一第二電容，其包含：該待測材料2；一第三電極6，其覆設於該待測材料2之頂面；一第四電極7，其覆設於該待測材料2之底面，該第四電極7所形成之覆面係被該第三電極6所形成之覆面涵蓋，其中，該第二電極4的邊長與該第四電極7的邊長相同，但形成之面積不同；量測該第一電容的電容值；量測該第二電容的電容值；以及根據該第一電容的電容值以及該第二電容的電容值，以推算得該待測材料2之介電常數值。
使用者只要依循上述步驟便可得到欲量測之介電常數值，由於製程上的誤差，習知此技藝之人士應能理解前述邊長相同僅是概略，一般來說，邊長誤差在總邊長的10%內均可接受；使用者可根據該第一電容的電容值以及該第二電容的電容值，以推算得該待測材料2之介電常數值。實際操作時，使用者只要將該第一電極3及該第二電極4連接至儀器或電表之極性相反之訊號端，以及將該第三電極6及該第四電極7連接至儀器或電表之極性相反之訊號端，便可測得該第一介電常數萃取單元1及該第二介電常數萃取單元5的電容值，而在步驟(5)中，使用者可將該第一電容的電容值C 1 減去該第二電容的電容值C 2 後，乘上該待測材料2之厚度值Thinkness ，除以該第二電極4與該第四電極7的面積差(X 1 Y 1 -X 2 Y 2 )(X 1 、Y 1 為第二電極4的兩邊長；X 2 、Y 2 為第四電極7的兩邊長，本發明係以矩形為例，實際使用時不限於此)，再除以空氣之介電常數值ε0 ，以獲得該待測材料2之介電常數值DK ，計算公式如前述，在此不另加贅述。
而如同圖四A及圖四B之實施例，當使用者欲提高本發明方法所述之裝置的可用頻寬時，只要於該第一電極3形成一第一透孔8，以供一第一饋入單元9經由該第一透孔8穿過該待測材料2與該第二電極4電性連接，同時於該第三電極6形成一第二透孔10，以供一第二饋入單元11經由該第二透孔10穿過該待測材料2與該第四電極7電性連接，如此只要提供該第一饋入單元9及該第一電極3至儀器或電表之極性相反之訊號端，以及提供該第二饋入單元11及該第三電極6至儀器或電表之極性相反之訊號端，再根據前述實施例的處理方式便可獲得該待測材料2之介電常數值DK ，如同前述，由於其訊號饋入方式是採用中心穿孔，藉由中心穿孔使訊號饋入時具有最短路徑，使饋入路徑之寄生電感降低，因此可更提高自振頻率，進而提升本發明方法之裝置的可用頻寬。
圖六為本發明之另一具體實施例的剖視圖，請參考圖六，本發明之介電常數萃取的裝置亦可以多層方式為之，如圖六所示，M1 ~Mn 為各個不同之待測材料，L1 ~Ln+1 為待測材料間之金屬線路，當Mi ~Mj 材料(i與j為1~n其中任一值，且i≦j)為待測材料時，則介電常數萃取裝置之電極平板將坐落於Li 與Lj+1 上，如此達到測量的萃取材料之介電常數的效果。
最後為令使用者更為清楚本發明之效果，在此提供實際的比較量測結果以資佐證，比較之參考結構可參照圖二(習知)及圖四A及圖四B(本發明)，其中第二電極4之兩邊長均為40 mil，第四電極7之兩邊長分別為50 mil及30mil，而習知之介電常數萃取裝置之電極的兩邊長均為40 mil再加上長度為12mil寬度為4mil的饋入線12，其中1mil=25.4μm，圖七為三種介電常數萃取裝置之電容值比較圖，圖八為習知介電常數萃取裝置與本發明之萃取介電常數結果比較圖，圖九為習知介電常數萃取裝置與本發明之介電常數誤差率比較圖，由圖七至圖九可發現本發明之介電常數萃取的裝置及其方法，其較之於習知介電常數萃取的裝置及方法有明顯的改善，表一為比較結果整理表，由比較結果可得知本發明不但可降低傳統電容法之介電常數萃取錯誤率，更可提升電容器萃取介電常數之可用頻率範圍。
由以上所述可以清楚地明瞭，本發明係提供一種萃取材料介電常數的裝置及其方法，其可較某些習知電容法萃取方式具有更低的誤差量，並可提高本方法的可用頻寬。
以上已將本發明專利申請案做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明專利申請案之較佳實施例而已，當不能限定本發明專利申請案實施之範圍。即凡依本發明專利申請案申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明專利申請案之專利涵蓋範圍內。
表一為比較結果整理表。
1．．．第一介電常數萃取單元
2．．．待測材料
3．．．第一電極
4．．．第二電極
5．．．第二介電常數萃取單元
6．．．第三電極
7．．．第四電極
8．．．第一透孔
9．．．第一饋入單元
10．．．第二透孔
11．．．第二饋入單元
12．．．饋入線
M1 ~Mn ．．．待測材料
L1 ~Ln+1 ．．．金屬線路
(1)~(5)．．．本發明之一具體實施方式的實施步驟
圖一為一習知介電常數萃取裝置之電容器等效電路圖。
圖二為一習知介電常數萃取裝置之立體透視圖。
圖三A及圖三B為本發明之一具體實施例的立體透視圖。
圖四A及圖四B為本發明之另一具體實施例的立體透視圖。
圖五為本發明之一具體實施方式的步驟流程圖。
圖六為本發明之另一具體實施例的剖視圖
圖七為三種介電常數萃取裝置之電容值比較圖。
圖八為一習知介電常數萃取裝置與本發明之萃取介電常數結果比較圖。
圖九為習知介電常數萃取裝置與本發明之介電常數誤差率比較圖。
(1)~(5)．．．本發明之一具體實施方式的實施步驟

Claims (14)

  1. 一種萃取材料介電常數的裝置，其包含有：一第一介電常數萃取單元，形成有一第一電容，其包含：一待測材料；一第一電極，其覆設於該待測材料之頂面；及一第二電極，其覆設於該待測材料之底面，該第二電極所形成之覆面係被該第一電極所形成之覆面涵蓋；以及一第二介電常數萃取單元，形成有一第二電容，其包含：該待測材料；一第三電極，其覆設於該待測材料之頂面；及一第四電極，其覆設於該待測材料之底面，該第四電極所形成之覆面係被該第三電極所形成之覆面涵蓋，其中，該第二電極的邊長與該第四電極的邊長相同，但形成之面積不同；其中，根據該第一電容的電容值以及該第二電容的電容值，以推算得該待測材料之介電常數值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之萃取材料介電常數的裝置，其中該第一電極形成一第一透孔，以供一第一饋入單元經由該第一透孔穿過該待測材料與該第二電極電性連接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之萃取材料介電常數的裝置，其中該第三電極形成一第二透孔，以供一第二饋入單元經由該第二透孔穿過該待測材料與該第四電極電性連接。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之萃取材料介電常數的裝置，其中該第一電極及該第二電極係連接至儀器或電表之極性相反之訊號端。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之萃取材料介電常數的裝置，其中該第三電極及該第四電極係連接至儀器或電表之極性相反之訊號端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之萃取材料介電常數的裝置，其中係將該第一電容的電容值減去該第二電容的電容值後，乘上該待測材料之厚度值，除以該第二電極與該第四電極的面積差，再除以空氣之介電常數值，以獲得該待測材料之介電常數值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之萃取材料介電常數的裝置，其中該待測材料係為片狀材料、基板、薄膜、紙張型材料或由粉末及複合材料所壓合而成之平面狀材料。
  8. 一種萃取材料介電常數的方法，其包含下列步驟：提供一第一介電常數萃取單元，形成有一第一電容，其包含：一待測材料；一第一電極，其覆設於該待測材料之頂面；一第二電極，其覆設於該待測材料之底面，該第二電極所形成之覆面係被該第一電極所形成之覆面涵蓋；提供一第二介電常數萃取單元，形成有一第二電容，其包含：該待測材料；一第三電極，其覆設於該待測材料之頂面；一第四電極，其覆設於該待測材料之底面，該第四電極所形成之覆面係被該第三電極所形成之覆面涵蓋，其中，該第二電極的邊長與該第四電極的邊長相同，但形成之面積不同；量測該第一電容的電容值；量測該第二電容的電容值；以及根據該第一電容的電容值以及該第二電容的電容值，以推算得該待測材料之介電常數值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之萃取材料介電常數的方法，其中該第一電極形成一第一透孔，以供一第一饋入單元經由該第一透孔穿過該待測材料與該第二電極電性連接。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之萃取材料介電常數的方法，其中該第三電極形成一第二透孔，以供一第二饋入單元經由該第二透孔穿過該待測材料與該第四電極電性連接。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之萃取材料介電常數的方法，其中該第一電極及該第二電極係連接至儀器或電表之極性相反之訊號端，以獲得該第一電容的電容值。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之萃取材料介電常數的方法，其中該第三電極及該第四電極係連接至儀器或電表之極性相反之訊號端，以獲得該第二電容的電容值。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之萃取材料介電常數的方法，其中根據該第一電容的電容值以及該第二電容的電容值，以推算得該待測材料之介電常數值的步驟係將該第一電容的電容值減去該第二電容的電容值後，乘上該待測材料之厚度值，除以該第二電極與該第四電極的面積差，再除以空氣之介電常數值，以獲得該待測材料之介電常數值。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之萃取材料介電常數的方法，其中該待測材料係為片狀材料、基板、薄膜、紙張型材料或由粉末及複合材料所壓合而成之平面狀材料。
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