(57)【要約】【課題】バイアス電圧を印加した状態で、誘電体の電気特性を測定する。【解決手段】電気特性測定システム２００では、まず、測定対象となる試料１００を上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂで挟み、これを支持台１０８により安定させる。上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂには直流電源１０４が接続されており、これにより試料１００には直流電圧が印加される。この状態で、ネットワークアナライザ１０２は、ケーブル１１０ａ、１１０ｂにより、試料１００のＳパラメータを測定し、直流電圧が印加された状態での試料１００の比誘電率を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる試料に接触する第１および第２の導体板と、
前記第１および第２の導体板を介して、前記試料に直流電圧を印加する直流電源と、
前記試料の電気特性を測定するネットワークアナライザと、を備え、
前記ネットワークアナライザは、前記直流電圧が印加されている状態で、前記試料の電気特性を測定することを特徴とする電気特性測定システム。
【請求項２】
前記第１および第２の導体板の双方または一方と前記試料との接触面に、前記試料の周辺気体よりも比誘電率が高い液体を塗布したことを特徴とする請求項１に記載の電気特性測定システム。
【請求項３】
前記第１および第２の導体板の双方または一方と前記試料との接触面に、導電性のペーストを塗布したことを特徴とする請求項１に記載の電気特性測定システム。
【請求項４】
前記第１および第２の導体板と前記試料を密封する容器、を更に備え、
前記ネットワークアナライザは、前記容器内に絶縁性のガスを封入した状態で、前記試料の電気特性を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気特性測定システム。
【請求項５】
前記絶縁性のガスは、六フッ化硫黄であることを特徴とする請求項４に記載の電気特性測定システム。
【請求項６】
測定対象となる試料に第１および第２の導体板を接触させるステップと、
前記第１および第２の導体板を介して、前記試料に直流電圧を印加するステップと、
前記直流電圧が印加されている状態で、ネットワークアナライザにより前記試料の電気特性を測定するステップと、
を備えることを特徴とする電気特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の電気特性、特に、誘電特性を測定するための技術、に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層セラミックコンデンサは、小型でありながら大容量であり、高周波数帯でも良好な動作特性を示すといったさまざまな長所がある。電子機器用コンデンサ市場の過半は積層セラミックコンデンサである。近年では、１ＧＨｚを超える高周波数帯で使用される積層セラミックコンデンサも登場している。更に、積層セラミックコンデンサには、大電流・大電圧への対応も期待されている。
【０００３】
積層セラミックコンデンサのような電子部品が進化していくためには、電子部品の電気特性（比誘電率、静電容量等）を測定する技術の発展も必要である。電子部品の電気特性、特に、誘電特性を測定するための方法としては、誘電体円柱共振器法（非特許文献１を参照）や、空洞共振器摂動法などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１０８９７６号公報
【特許文献２】特開２００４−２４７７１９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】日本工業規格、マイクロ波用ファインセラミックスの誘電特性の試験方法、平成８年７月１日制定、ＪＩＳ  Ｒ  １６２７−１９９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
積層セラミックコンデンサは、大きなバイアス電圧（直流電圧）を印加すると静電容量が低下する。これは、積層セラミックコンデンサに用いられている誘電体の比誘電率が、バイアス電圧によって変化するためである。特に、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などの強誘電体は、バイアス電圧の影響を受けやすい。しかしながら、従来、バイアス電圧まで考慮して誘電体の電気特性を測定するための方法については、あまり提案がなされていないのが現状である。
【０００７】
本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、その主たる目的は、バイアス電圧を印加した状態で、誘電体の電気特性を好適に測定するための技術、を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による電気特性測定システムは、測定対象となる試料に接触する第１および第２の導体板と、第１および第２の導体板を介して、試料に直流電圧を印加する直流電源と、試料の電気特性を測定するネットワークアナライザと、を備える。ネットワークアナライザは、直流電圧が印加されている状態で、試料の電気特性を測定する。また、本発明による電気特性測定方法は、測定対象となる試料に第１および第２の導体板を接触させるステップと、第１および第２の導体板を介して、試料に直流電圧を印加するステップと、直流電圧が印加されている状態で、ネットワークアナライザにより試料の電気特性を測定するステップと、を備える
【０００９】
ここでいう「電気特性」とは比誘電率やＱ値、抵抗値など、試料の電気的な特性を示す値であればよい。このような態様によれば、バイアス電圧を印加した状態において、試料の電気特性を簡易かつ適切に測定しやすくなる。
【００１０】
第１および第２の導体板の双方または一方と試料との接触面に、試料の周辺気体よりも比誘電率が高い液体を塗布してもよい。
【００１１】
試料と導体板との間に空隙が存在すると、周辺気体の比誘電率が測定結果に影響する。特に、周辺気体が空気のような比誘電率の低い気体である場合には、高誘電率の試料であっても測定結果は実際よりも低誘電率となりやすい。そこで、試料と導体板の接触面に、少なくとも周辺気体の比誘電率よりも比誘電率が高い液体を塗布することにより、より正確な測定結果を得やすくなる。
【００１２】
第１および第２の導体板の双方または一方と試料との接触面に、導電性のペーストを塗布してもよい。
【００１３】
試料と導体板の間の空隙を導電性のペーストで埋めてもよい。導電性のペーストは、たとえば、銀粒子とエポキシ樹脂を硬化剤で固めることにより形成してもよい。銀粒子の粒子径は、１μｍ以下であることが好ましい。試料と導体板の間に導電性のペーストを塗布することにより、いっそう正確な測定結果を得やすくなる。
【００１４】
このシステムは、第１および第２の導体板と前記試料を密封する容器を更に備えてもよい。ネットワークアナライザは、容器内に絶縁性のガスを封入した状態で、試料の電気特性を測定してもよい。
【００１５】
試料が小さいときには、第１の導体板と第２の導体板が接近することになる。このような状態で高い直流電圧を印加すると、導体板間で放電する可能性がある。放電は危険であるばかりでなく、放電発生時には試料に印加される直流電圧が瞬間的に低下するため測定精度の面からも好ましくない。絶縁性のガスを封入した状態で測定することにより、放電を抑止しやすくなる。「絶縁性のガス」は、少なくとも、周辺気体よりも電気抵抗が高い気体であればよい。たとえば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、バイアス電圧を印加した状態における誘電体の電気特性を好適に測定しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】電気特性測定システムの模式図である。
【図２】印加電圧と比誘電率の関係を示すグラフである。
【図３】電気特性測定システムにおいて測定対象部分を容器で密閉したときの模式図である。
【図４】試料と各導体板の間の空隙の大きさと、試料に加わる電界強度との関係を示す第１のグラフである。
【図５】試料と各導体板の間の空隙の大きさと、試料に加わる電界強度との関係を示す第２のグラフである。
【図６】空隙を満たす液体の比誘電率と、試料について測定された比誘電率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、電気特性測定システム２００の模式図である。測定対象となる試料１００の材質は、誘電体であれば特に限定されるものではないが、たとえば、チタン酸バリウムであってもよい。形状についても、特に限定されるものではないが、上面と下面が平行平坦となる形状であることが好ましい。本実施の形態では、直径１０（ｍｍ）×高さ５（ｍｍ）の円柱であるとして説明する。上記以外にもさまざまな誘電材料を測定対象とできる。試料１００は、円形状の上部導体板１０６ａ（第１の導体板）、下部導体板１０６ｂ（第２の導体板）により両側から挟まれる。上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂは、試料１００の２つの円形面に接触する。上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂの材質は銅である。上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂは、試料１００との接触面が平坦な導体であることが好ましい。本実施の形態においては、上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂは、それぞれ、直径３０〜４０（ｍｍ）（試料１００の直径の３〜４倍）、厚さ３〜５（ｍｍ）程度であるとして説明する。上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂ、試料１００により誘電体共振器が形成される。
【００２０】
上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂの隙間から、ネットワークアナライザ１０２のケーブル１１０ａ、ケーブル１１０ｂを挿入する。そして、ケーブル１１０ａ、１１０ｂのそれぞれ先端に取り付けられる励振アンテナ１１２ａ、１１２ｂを試料１００に近づけ、試料１００のＳパラメータを測定する。ケーブル１１０ａ、ケーブル１１０ｂはどちらも同軸ケーブルである。ケーブル１１０ａ、１１０ｂの外側には、ショートを防止するための絶縁被膜を施すことが好ましい。ケーブル１１０ａ、１１０ｂはそれぞれネットワークアナライザ１０２の信号入力端子に接続される。
【００２１】
ネットワークアナライザ１０２を用いたＳパラメータの測定では、２端子対回路網の一方の端子対を構成する信号入出力端子から正弦高周波信号を入力したとき、この信号入出力端子側で観測される反射電力、およびもう片方の端子対を構成する信号入出力端子側で観測される通過電力の周波数特性を測定する。通過・反射電力特性はＳパラメータとして測定され、測定結果はスミスチャートや周波数グラフとして出力される。
【００２２】
本実施の形態においては、更に、上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂに直流電源１０４を接続し、試料１００に直流電圧を印加している。直流電源１０４は、１００（ｋＶ）までの電圧を印加可能であるが、高電圧を印加してもほとんど電流は流れない。Ｖ＝Ｅｄ（Ｖ：電圧、Ｅ：電界強度、ｄ：距離）であるから、電圧Ｖ＝３１．５（ｋＶ）のとき、厚さｄ＝５（ｍｍ）の試料１００に加わる電界強度は、（３１．５×１０３）÷（５×１０−３）＝６．３×１０６（Ｖ／ｍ）となる。
【００２３】
試料１００が小さい場合には、上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂを平行に安定させるのが難しくなる。そこで、上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂの両側を支持台１０８により挟み込むことにより、上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂ、試料１００を安定させている。支持台１０８にはねじ１１６が貫通している。まず、支持台１０８に下部導体板１０６ｂを載せ、その上に試料１００を載せ、更に、上部導体板１０６ａを載せる。そして、ねじ１１６を回転させ、上部導体板１０６ａをゆっくりと押さえつける。こうして、上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂ、試料１００を安定させる。支持台１０８が上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂと接触する部分を絶縁体で形成することにより、支持台１０８の測定精度への影響を排除している。
【００２４】
以上の構成による電気特性測定システム２００によれば、直流電圧を印加されている状態で試料１００のＳパラメータ、ひいては、比誘電率を測定できる。Ｓパラメータから比誘電率を計算する方法は、非特許文献１に記載されているような既知技術を応用すればよい。
【００２５】
比誘電率は、ネットワークアナライザ１０２により算出してもよい。あるいは、図示しないＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）によりネットワークアナライザ１０２と接続されるパーソナルコンピュータにより比誘電率を算出してもよい。
【００２６】
図２は、印加電圧と比誘電率の関係を示すグラフである。（ａ）は、直流電圧を印加していないとき(以下、「無バイアス状態」とよぶ）の比誘電率が３３００のチタン酸バリウム試料ａについて、印加電圧と比誘電率の関係を示す。（ｂ）は、無バイアス状態の比誘電率が２３００のチタン酸バリウム試料ｂについて、印加電圧と比誘電率の関係を示す。横軸は電界強度（ＭＶ／ｍ）を示す。Ｖ＝Ｅｄの関係があるため、印加電圧が大きいほど電界強度も大きくなる。縦軸は比誘電率を示す。
【００２７】
いずれの試料も、印加電圧が大きいほど、比誘電率が低下している。特に、無バイアス状態の比誘電率が高い試料ａの方が、印加電圧によって比誘電率が低下しやすい。このように、誘電体の比誘電率、特に、積層セラミックコンデンサの主原料として広く使われているチタン酸バリウムの比誘電率は、印加電圧によって大きく変化する。コンデンサの静電容量は、比誘電率に比例するので、印加電圧が大きいほど静電容量も低下する。
【００２８】
したがって、チタン酸バリウム試料の電気特性を測定する場合には、無バイアス状態における測定結果だけでは不十分となる可能性がある。特に、近年では、よりサイズが小さく、より比誘電率の高い誘電体が、より高い直流電圧が印加された状態で、より高い周波数にて使用されることが多くなっている。本実施の形態における電気特性測定システム２００によれば、支持台１０８により試料１００を安定させ、直流電源１０４で試料１００に直流電圧を印加した状態で、ネットワークアナライザ１０２により高い周波数帯、たとえば、１ＧＨｚ以上の周波数帯における試料１００の電気特性を測定できる。このため、実際の使用条件を考慮した測定が可能となる。
【００２９】
このように、上記実施の形態では、試料１００、上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂを、支持台１０８により安定させることにより、測定精度を安定させている。それでも、試料１００の上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂとの接触面には、わずかな空隙が存在する可能性がある。これは、試料１００や上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂの表面のわずかな凹凸に起因する。こういった空隙は、測定精度の悪化要因となる。直流電源１０４が印加する直流電圧の一部が接触面に存在する空隙（空気）に印加されてしまうためである。
【００３０】
そこで、接触面に存在する空隙の影響を排除するため、試料１００と上部導体板１０６ａとの接触面、試料１００と下部導体板１０６ｂとの接触面のうち、少なくとも一方、好ましくは双方の接触面に所定の液状体を塗布することにより空隙を埋めることが好ましい。ここでいう液状体とは、少なくとも試料１００の周辺の気体よりも比誘電率の高い物質であることが好ましい。たとえば、プロピレンカーボネート（比誘電率６９）、水（比誘電率８０）、エチレンカーボネート（比誘電率９０）などが考えられる。このほかにも、水銀や、インジウムとガリウムの混合物等であってもよい。あるいは、既知の導電性ペーストを接触面に塗布してもよい。いずれにしても、接触面の空隙を効率的に埋めることができる物質であればよい。
【００３１】
図３は、電気特性測定システム２００において測定対象部分を容器１２０で密閉したときの模式図である。直流電源１０４の電圧が大きいとき、上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂの間で放電する可能性がある。特に、試料１００の厚さが薄いときには、上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂの距離が短くなるため放電の可能性が更に高くなる。測定中の放電は、電気特性測定システム２００のユーザにとって危険であるばかりではなく、測定精度にも影響する。放電時には、試料１００に印加される電圧が一瞬下がるためである。そこで、電気特性測定システム２００の全部または一部、少なくとも、上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂ、試料１００を容器１２０で密閉して測定することにより、測定時の安全を確保しやすくなる。容器１２０の一部に穴をあけ、ここからネットワークアナライザ１０２のケーブル１１０ａ、１１０ｂを通す。ケーブル１１０ａ、１１０ｂを通したあと、絶縁部材で穴の隙間を埋めることが好ましい。
【００３２】
更に、放電そのものを抑制するため、容器１２０には絶縁性のガス（消弧ガス）を封入する。少なくとも、電気特性測定システム２００の周辺気体よりも電気抵抗の高いガスを封入すれば、放電を抑制しやすくなる。容器１２０に封入するガスとしては、六フッ化硫黄（ＳＦ６）が特に好ましい。
【００３３】
以上、実施の形態に基づいて電気特性測定システム２００を説明した。電気特性測定システム２００によれば、試料１００に直流電圧を印加した状態で、試料１００のＳパラメータを測定できる。これにより、使用時に想定される電圧状態における比誘電率を測定できる。また、試料１００と上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂの空隙を液体や導電性ペーストで埋めることにより、直流電源１０４の電圧と試料１００に実際に印加される電圧の乖離を抑制しやすくなる。更に、試料１００や上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂを容器１２０で密封し、消弧ガス等の絶縁性ガスを封入することにより、放電を抑制できる。
【００３４】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
【実施例】
【００３５】
（１）試料の厚さを５（ｍｍ）、試料の比誘電率を１００、直流電源１０４の電圧を５００（Ｖ）として、試料と上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂの間の空隙の大きさと試料に加わる電界強度の関係について測定した。Ｖ＝Ｅｄにより、上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂの間の電界強度は、５００（Ｖ）÷５（ｍｍ）＝１００（ｋＶ／ｍ）となる。図４はシミュレーション計算に基づく測定結果を示すグラフである。（ｃ）は、空隙に比誘電率６９の液体（プロピレンカーボネート）を満たしたときの空隙の大きさと電界強度の関係を示す。（ｄ）は、空隙を残したときの空隙の大きさと電界強度の関係を示す。上部導体板１０６ａと試料との空隙と、上部導体板１０６ｂと試料との空隙の合計値（ｍｍ）を横軸にとっている。縦軸は試料に加わる電界強度（ｋＶ／ｍ）を示す。
【００３６】
空隙をそのまま残した場合（ｄ）には、試料に実際に加わる電界強度は１００（ｋＶ／ｍ）を大きく下回る。空隙が０．０１（ｍｍ）となると、試料に実際に加わる電界強度は３０％近く低下する。一方、空隙にプロピレンカーボネートを満たした場合には、空隙が０．０１（ｍｍ）であっても、ほとんど電界強度は低下していない。
【００３７】
（２）試料の厚さを５（ｍｍ）、試料の比誘電率を３３００、直流電源１０４の電圧を５０００（Ｖ）として、空隙の大きさと試料に加わる電界強度の関係について測定した。Ｖ＝Ｅｄにより、上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂの間の電界強度は、５０００（Ｖ）÷５（ｍｍ）＝１０００（ｋＶ／ｍ）となる。図５はシミュレーション計算に基づく測定結果を示すグラフである。（ｅ）は、空隙に比誘電率９０の液体（エチレンカーボネート）を満たしたときの空隙の大きさと電界強度の関係を示す。（ｆ）は、空隙を残したときの空隙の大きさと電界強度の関係を示す。横軸は空隙の幅（ｍｍ）、縦軸は試料に加わる電界強度（ｋＶ／ｍ）を示す。
【００３８】
空隙をそのまま残した場合には、試料に実際に加わる電界強度は１０００（ｋＶ／ｍ）を大きく下回る。試料と上部導体板１０６ａとの空隙が０．０１（ｍｍ）となると、試料に実際に加わる電界強度は８０％以上低下している。比誘電率の大きな試料に高い直流電圧を印加する場合には、空隙の影響が特に大きいことがわかる。一方、空隙にエチレンカーボネートを満たした場合には、空隙が０．０１（ｍｍ）であっても、電界強度の低下を１０％未満に抑制されている。
【００３９】
（３）試料の厚さを５（ｍｍ）、試料の無バイアス時の比誘電率を３３００、直流電源１０４の電圧を５０００（Ｖ）として、空隙を満たす液体の比誘電率と、試料について測定された比誘電率との関係を測定した。空隙の幅は０．００２（ｍｍ）である。Ｖ＝Ｅｄにより、上部導体板１０６ａと下部導体板１０６ｂの間の電界強度は、５０００（Ｖ）÷５（ｍｍ）＝１０００（ｋＶ／ｍ）となる。図６は測定結果を示すグラフである。横軸は空隙を満たす液体の比誘電率、縦軸は試料について測定された比誘電率を示す。このグラフは、図２の（ａ）の電界強度が１（ＭＶ／ｍ）の点に対応する。
【００４０】
比誘電率が約１．０の空気の場合、１０００（ｋＶ／ｍ）を印加しても、実際に試料に加わる電界強度は４３１（ｋＶ／ｍ）にしかならない。この結果、試料について測定される比誘電率は、本来印加されるべき電界強度を印加できないために、測定結果は本来の電界強度が印加された場合よりも高くなってしまう。一方、空隙を比誘電率１０程度の液体で満たせば、試料には８８３（ｋＶ／ｍ）程度の電界強度が加わることになり、大幅に測定精度が改善する。更に、比誘電率３０の液体、すなわち、試料の実際の比誘電率の１％以上の比誘電率を有する液体で空隙を満たせば、上部導体板１０６ａ、下部導体板１０６ｂの間の電界強度の９５％以上を試料に加えることができるため、測定精度がいっそう向上する。比誘電率の高い液体を使えば、あらかじめ設定した電界強度に近い電界強度を試料に印加できる。このため、無バイアス時に比べて試料の比誘電率が低下する。一方、空隙に空気が存在する場合には、電界のほとんどは空気に印加されてしまい、設定した電界強度が試料に印加されにくくなる。この結果、直流電圧をかけているにもかかわらず試料の比誘電率はほとんど低下しないという測定結果となってしまう。
【符号の説明】
【００４１】
１００  試料
１０２  ネットワークアナライザ
１０４  直流電源
１０６ａ、１０６ｂ  上部導体板、下部導体板
１０８  支持台
１１０  ケーブル
１１２  励振アンテナ
１１４  接触面
１２０  容器
２００  電気特性測定システム
【図１】
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【図２】
2010223841.tif 000004
【図３】
2010223841.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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