探地雷达学习.docx

地质雷达学习一、 什么是雷达?radio detection and ranging （无线电探向和测距） 雷达最初是用于军事目的，探测空中目标体.二、 什么是探地雷达（GPR） ?1、 采用无线电波探测的一种技术, 频率一般在5 - 2000MHz, 对地下 结构和埋藏物以及人造结构成像.2、 它不是所谓的“黑匣子”, 直接告诉你地下异常体的位置.3、 三种基本模式: 反射, 速度探测, 层析成像.三、 GPR 的优点和局限性1、 GPR 的优点a）携带方便；b）GPR是无损探测技术；c）与其它地球物理方法相比， 数据采集速度非常快；d）水平和垂直位置精度高；e）高分辨率地下图 像2、 GPR 的局限性a） 探测深度和目标体的分辨能力依赖于土壤（或地下介质）特性• 高导电率介质会使 GPR 方法无效（如海水、盐碱地、金属矿、粘土 层等）；b） 目标体和周围介质要有足够的电性差异（介电常数和电阻率）；c） GPR 数据的解释因人而异， 解释者的经验非常重要.四、 基本原理• 速度一般在33 - 212 m/ps五、 GPR方法-反射雷达探测的 95% 是用偶极反射模式从原理上讲，GPR类似于声纳设备发射机发射一 “列”电磁脉冲， 该脉冲在介质中传播在地下介质的电特性有变化的地方发生反射（即散射）接收机拾取“背散射”信号，记录它并将其显示在计算机屏幕中六、 基本原理-速度（地面雷达）•需要可分离天线仃x发射/Rx接收）• 给出速度剖面用于把时间记录转换成深度• CMP, common midpoint measurement （共中心点）• WARR, wide angle reflection refraction （宽角反射折射）七、介电常数、相对介电常数和波速介质电导率S/m空气0干沥青0. 01-0. 1湿沥靑0. 001-0. 1干粘土0. 1-1湿粘土0. 1-1干煤0. 001-0. 01湿煤0. 001-0. 1干混凝上0. 001-0. 01湿混凝上0. 01-0. L淡水10^-0. 01淡水冰1.0 ^-10 _3相对介电常数速度（m/Ps）L3002-4212-1506-12122-862-6212-1225-40134-473. 516081064-40150-4710-2095-6781334150干花岗岩10_s-10^5134湿花岗岩0. 001-0. 017113干灰岩10_s-10^7113湿灰岩0. 01-0. 18106永久冻土10-0.014-8150-106干结晶盐lO^-O.Ol4-7150-113干沙10_7-0. 0012-6212-122湿沙0. 001-0. 0110-3095-54干砂岩10^-10_52-5212-134湿砂岩lO^-O.Ol5-10134-95海水1008133海水冰0. 01-0. 14-8150-106干页岩0. 001-0. 014-9150-100饱和页岩0. 001-0. 19-16100-75硬雪10^-10-56-12122-86粘性干土0. 01-0. 14-10150-95粘性湿上0.001-110-3095-54干壤上10^-10-34-10150-95湿壤上0. 01-0. 110-3095-54干沙土10 7 -0.014-10150-95湿沙土0. 01-0. 110-3095-541、介电常数(permittivity)1 ）定义:介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真 空中）与最终介质中电场比值即为介电常数，又称诱电率。

如果有高 介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降2 ）简介：介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真 空中）与最终介质中电场比值即为相对介电常数（permittivity）,又称相 对电容率，以表示如果有高介电常数的材料放在电场中，场的 强度会在电介质内有可观的下降介电常数（又称电容率），以£表 示，£=£r*£0，£0为真空绝对介电常数，£0=8.85*e-12,F/m一个电容板中充入介电常数为£的物质后电容变大£倍电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性例如，当一个 电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像 它们被移远了一样当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长相对介电常数£r可以用静电场用如下方式测量：首先在其两块 极板之间为空气的时候测试电容器的电容CO然后，用同样的电容 极板间距离但在极板间加入电介质后测得电容Cx然后相对介电常 数可以用下式计算£r=Cx/CO对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系 数3 ）相关解释："介电常数"在工具书中的解释1.又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一 个重要数据，常用£表示。

它是指在同一电容器中用同一物质为电介 质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能 力介电常数愈小绝缘性愈好空气和CS2的£值分别为1.0006和 2.6左右，而水的£值特别大，109时为83.83，与温度t的关系是2•介电常数是物质相对于真空来说增加电容器电容能力的度量 介电常数随分子偶极矩和可极化性的增大而增大在化学中，介电常 数是溶剂的一个重要性质，它表征溶剂对溶质分子溶剂化以及隔开离 子的能力介电常数大的溶剂，有较大隔开离子的能力，同时也具有 较强的溶剂化能力介电常数用£表示，一些常用溶剂的介电常数见 下表："介电常数"在学术文献中的解释1•介电常数是指物质保持电荷的能力，损耗因数是指由于物质的 分散程度使能量损失的大小.理想的物质的两项参数值较小 2•其介质常数具有复数形式，实数部分称为介电常数，虚数部分称为 损耗因子•通常用损耗正切值（损耗因子与介电常数之比）来表示材料 与微波的耦合能力，损耗正切值越大，材料与微波的耦合能力就越强3•介电常数是指在同一电容器中用某一物质为电介质与该物质 在真空中的电容的比值.在高频线路中信号传播速度的公式如下： V=K4•为简单起见，后面将相对介电常数均称为介电常数•反射脉冲信 号的强度，与界面的波反射系数和透射波的衰减系数有关，主要取决 于周围介质与反射体的电导率和介电常数。

4 )应用近十年来，半导体工业界对低介电常数材料的研究日益增多，材 料的种类也五花八门然而这些低介电常数材料能够在集成电路生产 工艺中应用的速度却远没有人们想象的那么快其主要原因是许多低 介电常数材料并不能满足集成电路工艺应用的要求图2是不同时期 半导体工业界预计低介电常数材料在集成电路工艺中应用的前景预 测早在1997年，人们就认为在2003年，集成电路工艺中将使用 的绝缘材料的介电常数(k值)将达到1.5然而随着时间的推移， 这种乐观的估计被不断更新到2003年，国际半导体技术规划(ITRS 2003[7])给出低介电常数材料在集成电路未来几年的应用，其介电 常数范围已经变成2.7~3.1造成人们的预计与现实如此大差异的原因是，在集成电路工艺 中，低介电常数材料必须满足诸多条件，例如：足够的机械强度 (MECHANICAL strength )以支撑多层连线的架构、高杨氏系数 (Young's modulus)、高击穿电压(breakdown voltage>4MV/cm)、低漏电(leakage current<10-9 at 1MV/cm)、高热稳定性(thermal stability >450oC)、良好的粘合强度(adhesion strength)、低吸水性(low moisture uptake )、低薄膜应力(low film stress )、高平坦 化能力(planarization )、低热涨系数(coefficient of thermal expansion )以及与化学机械抛光工艺的兼容性(compatibility with CMP process )等等。

能够满足上述特性的完美的低介电常数材料并 不容易获得例如，薄膜的介电常数与热传导系数往往就呈反比关系 因此，低介电常数材料本身的特性就直接影响到工艺集成的难易度目前在超大规模集成电路制造商中，TSMC、Motorola. AMD 以及NEC等许多公司为了开发90nm及其以下技术的研究，先后选 用了应用材料公司(Applied Materials )的Black Diamond作为低介 电常数材料该材料采用PE-CVD技术［8］，与现有集成电路生产工 艺完全融合，并且引入BLOk薄膜作为低介电常数材料与金属间的隔 离层，很好的解决了上述提及的诸多问题，是目前已经用于集成电路 商业化生产为数不多的低介电常数材料之一2、 相对介电常数( relative dielectric constant)1 )定义相对介电常数，表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参 数其值等于以欲测材料为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器 电容量之比，该值也是材料贮电能力的表征也称为相对电容率不同材料不同温度下的相对介电常数不同，利用这一特性可以制成不同 性能规格的电容器或有关元件2 ）原理介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真 空中）与最终介质中电场比值即为介电常数（permeablity）,又称诱电率. 如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观 的下降。

电介质经常是绝缘体其例子包括瓷器（陶器），云母，玻璃，塑 料，和各种金属氧化物有些液体和气体可以作为好的电介质材料 干空气是良好的电介质，并被用在可变电容器以及某些类型的传输 线蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质，其相对介电常数约 为80一个电容板中充入介电常数为£的物质后电容变大£倍3 ）应用电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性例如，当 一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力， 就像它们被移远了一样当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长4）相对介电常数£r的测量相对介电常数£r可以用静电场用如下方式测量:首先在其两块极 板之间为空气的时候测试电容器的电容C0然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后侧得电容Cx然后相对介电常数 可以用下式计算£r=Cx/CO对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系 数介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力 特性的一个系数，以字母£表示，单位为法/米相对介电常数公式：C=（£S/4nkd）（平行电容计算） 电容器的极板间充满电介质时的电容与极板间为真空时的电容 之比值称为（相对）介电常数。