Instrumentación

 

Non–destructive measurement of the dielectric constant of solid samples

 

A. Guadarrama–Santana and A. García–Valenzuela

 

Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Nacional Autónoma de México, Apartado Postal 70–186 México D.F., 04510, México, e–mail: asur.guadarrama@ccadet.unam.mx; augusto.garcia@ccadet.unam.mx

 

Recibido el 18 de septiembre de 2009
Aceptado el 1 de diciembre de 2009

 

Abstract

We discuss and analyze a practical methodology for the determination of the dielectric constant of a macroscopic solid sample in a nondestructive way. The technique consists in measuring the capacitance between a pointer electrode and the dielectric surface as a function of the separation distance in a scale comparable to the radius of curvature of the tip's apex. The changes in capacitance that must be measured will commonly be in the atto–farad scale and require specialized instrumentation which we also describe here. The technique requires two calibration standards and the sample needs to have a portion of its surface flat and some minimum dimensions, but otherwise it can have an arbitrary shape. We used a simple model based on the method of images to explain the methodology and present experimental results with the proposed methodology.

Keywords: Capacitance measurements; dielectric constant; pointer electrode; materials characterization.

 

Resumen

Se describe una metodología práctica para determinar la constante dieléctrica de una muestra sólida de una manera no destructiva. La técnica consiste en la medición de la capacitancia entre un apuntador y la superficie dieléctrica como función de la distancia de separación en una escala comparable al radio de curvatura de la punta. Los cambios en la capacitancia que se deben medir estarán normalmente en la escala de los ato–faradios y requieren de instrumentación especializada la cual también se describe aquí. La técnica requiere de dos patrones de calibración y la muestra necesita tener una porción plana en su superficie y con algunas dimensiones mínimas, pero fuera de eso puede tener una forma arbitraria. Utilizamos un modelo sencillo basado en el método de las imágenes para explicar la metodología y presentamos resultados experimentales con la metodología propuesta.

Descriptores: Mediciones capacitivas; constante dieléctrica; apuntador; caracterización de materiales.

 

PACS: 72.20.–I; 77.22.–d; 77.22.ch; 77.22.Ej; 77.22.Gm

 

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Acknowledgements

We are grateful to Alejandro Esparza for his technical assistance in thick film deposit on dielectric samples, Blas Sánchez for his technical assistance in sample holder fabrication and to the Dirección General de Asuntos del Personal Académico and Dirección General de Estudios de Posgrado from the Universidad Nacional Autónoma de México for financial support during the realization of this work.

 

Appendix

 

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