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Giovanni D'Amore diskutierte den Einsatz von Impedanzanalysatoren und professionellen Vorrichtungen zur Charakterisierung dielektrischer und magnetischer Materialien.
Wir sind es gewohnt, über den technologischen Fortschritt von Generationen von Mobiltelefonmodellen bis hin zu Prozessknoten der Halbleiterfertigung nachzudenken. Diese bieten eine nützliche Abkürzung, aber unklare Fortschritte bei Basistechnologien (z. B. im Bereich der Materialwissenschaften).
Jeder, der schon einmal einen Röhrenfernseher zerlegt oder ein altes Netzteil eingeschaltet hat, weiß eines: Man kann keine Komponenten des 20. Jahrhunderts verwenden, um Elektronik des 21. Jahrhunderts herzustellen.
Beispielsweise haben schnelle Fortschritte in der Materialwissenschaft und der Nanotechnologie neue Materialien mit den Eigenschaften geschaffen, die für den Bau hochdichter, leistungsstarker Induktoren und Kondensatoren erforderlich sind.
Die Entwicklung von Geräten, die diese Materialien verwenden, erfordert eine genaue Messung elektrischer und magnetischer Eigenschaften wie Permittivität und Permeabilität über eine Reihe von Betriebsfrequenzen und Temperaturbereichen.
Dielektrische Materialien spielen eine Schlüsselrolle in elektronischen Bauteilen wie Kondensatoren und Isolatoren. Die Dielektrizitätskonstante eines Materials kann durch Steuerung seiner Zusammensetzung und/oder Mikrostruktur angepasst werden, insbesondere bei Keramik.
Es ist sehr wichtig, die dielektrischen Eigenschaften neuer Materialien frühzeitig im Komponentenentwicklungszyklus zu messen, um deren Leistung vorherzusagen.
Die elektrischen Eigenschaften dielektrischer Materialien werden durch ihre komplexe Permittivität charakterisiert, die aus Real- und Imaginärteilen besteht.
Der Realteil der Dielektrizitätskonstante, auch Dielektrizitätskonstante genannt, stellt die Fähigkeit eines Materials dar, Energie zu speichern, wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Im Vergleich zu Materialien mit niedrigeren Dielektrizitätskonstanten können Materialien mit höheren Dielektrizitätskonstanten mehr Energie pro Volumeneinheit speichern , was sie für Kondensatoren mit hoher Dichte nützlich macht.
Materialien mit niedrigeren Dielektrizitätskonstanten können als nützliche Isolatoren in Signalübertragungssystemen verwendet werden, gerade weil sie keine großen Energiemengen speichern können, wodurch die Verzögerung der Signalausbreitung durch von ihnen isolierte Drähte minimiert wird.
Der Imaginärteil der komplexen Permittivität stellt die Energie dar, die das dielektrische Material im elektrischen Feld abgibt. Dies erfordert eine sorgfältige Verwaltung, um zu vermeiden, dass in Geräten wie Kondensatoren, die aus diesen neuen dielektrischen Materialien hergestellt werden, zu viel Energie abgeführt wird.
Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Dielektrizitätskonstante. Bei der Parallelplattenmethode wird das zu prüfende Material (MUT) zwischen zwei Elektroden platziert. Die in Abbildung 1 gezeigte Gleichung wird verwendet, um die Impedanz des Materials zu messen und sie in eine komplexe Permittivität umzuwandeln bezieht sich auf die Dicke des Materials sowie die Fläche und den Durchmesser der Elektrode.
Diese Methode wird hauptsächlich zur Niederfrequenzmessung eingesetzt. Obwohl das Prinzip einfach ist, ist eine genaue Messung aufgrund von Messfehlern, insbesondere bei verlustarmen Materialien, schwierig.
Die komplexe Permittivität variiert mit der Frequenz und sollte daher bei der Betriebsfrequenz bewertet werden. Bei hohen Frequenzen nehmen die vom Messsystem verursachten Fehler zu, was zu ungenauen Messungen führt.
Das Prüfgerät für dielektrisches Material (z. B. Keysight 16451B) verfügt über drei Elektroden. Zwei davon bilden einen Kondensator und die dritte dient als Schutzelektrode. Die Schutzelektrode ist notwendig, da ein Teil des elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden aufgebaut wird Durch den zwischen ihnen installierten MUT fließt ein elektrisches Feld (siehe Abbildung 2).
Das Vorhandensein dieses Randfelds kann zu einer fehlerhaften Messung der Dielektrizitätskonstante des MUT führen. Die Schutzelektrode absorbiert den durch das Randfeld fließenden Strom und verbessert dadurch die Messgenauigkeit.
Wenn Sie die dielektrischen Eigenschaften eines Materials messen möchten, ist es wichtig, dass Sie nur das Material und nichts anderes messen. Aus diesem Grund ist es wichtig sicherzustellen, dass die Materialprobe sehr flach ist, um Luftspalte zwischen ihr und dem zu vermeiden Elektrode.
Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen. Die erste besteht darin, Dünnschichtelektroden auf der Oberfläche des zu prüfenden Materials anzubringen. Die zweite besteht darin, die komplexe Permittivität durch Vergleich der Kapazität zwischen den Elektroden abzuleiten, die in Anwesenheit und Abwesenheit gemessen wird von Materialien.
Die Schutzelektrode hilft, die Messgenauigkeit bei niedrigen Frequenzen zu verbessern, kann jedoch das elektromagnetische Feld bei hohen Frequenzen beeinträchtigen. Einige Tester bieten optionale Vorrichtungen aus dielektrischem Material mit kompakten Elektroden an, die den nützlichen Frequenzbereich dieser Messtechnik erweitern können. Software kann dies auch helfen, die Auswirkungen der Streukapazität zu beseitigen.
Durch Vorrichtungen und Analysatoren verursachte Restfehler können durch Leerlauf-, Kurzschluss- und Lastkompensation reduziert werden. Einige Impedanzanalysatoren verfügen über eine integrierte Kompensationsfunktion, die dabei hilft, genaue Messungen über einen weiten Frequenzbereich durchzuführen.
Um zu beurteilen, wie sich die Eigenschaften dielektrischer Materialien mit der Temperatur ändern, sind temperaturkontrollierte Räume und hitzebeständige Kabel erforderlich. Einige Analysegeräte bieten Software zur Steuerung der heißen Zelle und des hitzebeständigen Kabelsatzes.
Wie dielektrische Materialien werden auch Ferritmaterialien ständig verbessert und werden häufig in elektronischen Geräten als Induktivitätskomponenten und Magnete sowie als Komponenten von Transformatoren, Magnetfeldabsorbern und -unterdrückern verwendet.
Zu den Hauptmerkmalen dieser Materialien gehören ihre Permeabilität und ihr Verlust bei kritischen Betriebsfrequenzen. Ein Impedanzanalysator mit einer magnetischen Materialhalterung kann genaue und wiederholbare Messungen über einen weiten Frequenzbereich liefern.
Wie bei dielektrischen Materialien ist die Permeabilität magnetischer Materialien eine komplexe Eigenschaft, die in Real- und Imaginärteilen ausgedrückt wird. Der Realwert stellt die Fähigkeit des Materials dar, magnetischen Fluss zu leiten, und der Imaginärwert stellt den Verlust im Material dar. Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität können dies sein Wird verwendet, um die Größe und das Gewicht des Magnetsystems zu reduzieren. Die Verlustkomponente der magnetischen Permeabilität kann für maximale Effizienz in Anwendungen wie Transformatoren minimiert oder in Anwendungen wie Abschirmungen maximiert werden.
Die komplexe Permeabilität wird durch die Impedanz des durch das Material gebildeten Induktors bestimmt. In den meisten Fällen variiert sie mit der Frequenz, daher sollte sie bei der Betriebsfrequenz charakterisiert werden. Bei höheren Frequenzen ist eine genaue Messung aufgrund der parasitären Impedanz des Induktors schwierig Bei verlustarmen Materialien ist der Phasenwinkel der Impedanz entscheidend, allerdings reicht die Genauigkeit der Phasenmessung meist nicht aus.
Auch die magnetische Permeabilität ändert sich mit der Temperatur, daher sollte das Messsystem in der Lage sein, Temperatureigenschaften über einen weiten Frequenzbereich genau auszuwerten.
Die komplexe Permeabilität kann durch Messung der Impedanz magnetischer Materialien abgeleitet werden. Dazu werden einige Drähte um das Material gewickelt und die Impedanz relativ zum Drahtende gemessen. Die Ergebnisse können je nach Wicklung des Drahtes und der Wechselwirkung variieren des Magnetfeldes mit seiner Umgebung.
Die Testvorrichtung für magnetisches Material (siehe Abbildung 3) verfügt über eine Einzelwindungsinduktivität, die die Ringspule des MUT umgibt. In der Einzelwindungsinduktivität gibt es keinen Streufluss, sodass das Magnetfeld in der Vorrichtung mithilfe der elektromagnetischen Theorie berechnet werden kann .
Bei Verwendung in Verbindung mit einem Impedanz-/Materialanalysator können die einfache Form der koaxialen Halterung und des toroidförmigen MUT genau ausgewertet werden und eine breite Frequenzabdeckung von 1 kHz bis 1 GHz erreichen.
Der durch das Messsystem verursachte Fehler kann vor der Messung beseitigt werden. Der durch den Impedanzanalysator verursachte Fehler kann durch Drei-Term-Fehlerkorrektur kalibriert werden. Bei höheren Frequenzen kann eine verlustarme Kondensatorkalibrierung die Phasenwinkelgenauigkeit verbessern.
Die Vorrichtung kann eine weitere Fehlerquelle darstellen, eine eventuelle Restinduktivität kann jedoch durch Messung der Vorrichtung ohne MUT ausgeglichen werden.
Wie bei der dielektrischen Messung sind zur Beurteilung der Temperatureigenschaften magnetischer Materialien eine Temperaturkammer und hitzebeständige Kabel erforderlich.
Bessere Mobiltelefone, fortschrittlichere Fahrerassistenzsysteme und schnellere Laptops sind alle auf kontinuierliche Fortschritte in einer Vielzahl von Technologien angewiesen. Wir können den Fortschritt von Halbleiterprozessknoten messen, aber eine Reihe unterstützender Technologien entwickeln sich schnell, um diese neuen Prozesse zu ermöglichen in Gebrauch nehmen.
Die neuesten Fortschritte in der Materialwissenschaft und Nanotechnologie haben es möglich gemacht, Materialien mit besseren dielektrischen und magnetischen Eigenschaften als zuvor herzustellen. Die Messung dieser Fortschritte ist jedoch ein komplizierter Prozess, insbesondere weil keine Interaktion zwischen den Materialien und den darauf befindlichen Vorrichtungen erforderlich ist sie sind installiert.
Durchdachte Instrumente und Vorrichtungen können viele dieser Probleme überwinden und Anwendern, die nicht über spezielle Fachkenntnisse in diesen Bereichen verfügen, zuverlässige, wiederholbare und effiziente Messungen der dielektrischen und magnetischen Materialeigenschaften ermöglichen. Das Ergebnis sollte ein schnellerer Einsatz fortschrittlicher Materialien in allen Bereichen sein das elektronische Ökosystem.
„Electronic Weekly“ arbeitete mit RS Grass Roots zusammen, um sich darauf zu konzentrieren, die klügsten jungen Elektronikingenieure im Vereinigten Königreich von heute vorzustellen.
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Hören Sie sich diesen Podcast an und hören Sie zu, wie Chetan Khona (Direktor für Industrie, Vision, Gesundheitswesen und Wissenschaft, Xilinx) darüber spricht, wie Xilinx und die Halbleiterindustrie auf Kundenbedürfnisse reagieren.
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