Nyheter

Giovanni D'Amore diskuterade användningen av impedansanalysatorer och professionella fixturer för att karakterisera dielektriska och magnetiska material.
Vi är vana vid att tänka på tekniska framsteg från generationer av mobiltelefonmodeller eller noder för tillverkning av halvledarprocesser. Dessa ger användbara stenografier men obskyra framsteg inom möjliggörande teknologier (som materialvetenskap).
Alla som har tagit isär en CRT-TV eller slagit på en gammal strömkälla vet en sak: Du kan inte använda komponenter från 1900-talet för att göra 2000-talets elektronik.
Till exempel har snabba framsteg inom materialvetenskap och nanoteknik skapat nya material med de egenskaper som behövs för att bygga induktorer och kondensatorer med hög densitet och hög prestanda.
Utvecklingen av utrustning som använder dessa material kräver noggrann mätning av elektriska och magnetiska egenskaper, såsom permittivitet och permeabilitet, över en rad driftsfrekvenser och temperaturområden.
Dielektriska material spelar en nyckelroll i elektroniska komponenter såsom kondensatorer och isolatorer. Den dielektriska konstanten för ett material kan justeras genom att kontrollera dess sammansättning och/eller mikrostruktur, särskilt keramik.
Det är mycket viktigt att mäta de dielektriska egenskaperna hos nya material tidigt i komponentutvecklingscykeln för att förutsäga deras prestanda.
De elektriska egenskaperna hos dielektriska material kännetecknas av deras komplexa permittivitet, som består av verkliga och imaginära delar.
Den reella delen av dielektricitetskonstanten, även kallad dielektricitetskonstanten, representerar förmågan hos ett material att lagra energi när det utsätts för ett elektriskt fält. Jämfört med material med lägre dielektricitetskonstanter kan material med högre dielektricitetskonstanter lagra mer energi per volymenhet , vilket gör dem användbara för högdensitetskondensatorer.
Material med lägre dielektriska konstanter kan användas som användbara isolatorer i signalöverföringssystem, just för att de inte kan lagra stora mängder energi, vilket minimerar signalutbredningsfördröjningen genom alla ledningar som isoleras av dem.
Den imaginära delen av den komplexa permittiviteten representerar energin som försvinner av det dielektriska materialet i det elektriska fältet. Detta kräver noggrann hantering för att undvika att förbruka för mycket energi i enheter som kondensatorer gjorda med dessa nya dielektriska material.
Det finns olika metoder för att mäta dielektricitetskonstanten. Parallellplattametoden placerar materialet under test (MUT) mellan två elektroder. Ekvationen som visas i figur 1 används för att mäta materialets impedans och omvandla den till en komplex permittivitet, vilket avser tjockleken på materialet och elektrodens yta och diameter.
Denna metod används främst för lågfrekvent mätning. Även om principen är enkel, är noggrann mätning svår på grund av mätfel, särskilt för material med låg förlust.
Den komplexa permittiviteten varierar med frekvensen, så den bör utvärderas vid driftfrekvensen. Vid höga frekvenser kommer de fel som orsakas av mätsystemet att öka, vilket resulterar i felaktiga mätningar.
Testfixturen för dielektriskt material (som Keysight 16451B) har tre elektroder. Två av dem bildar en kondensator och den tredje ger en skyddselektrod. Skyddselektroden är nödvändig eftersom när ett elektriskt fält upprättas mellan de två elektroderna, en del av elektriskt fält kommer att flöda genom MUT som är installerad mellan dem (se figur 2).
Förekomsten av detta kantfält kan leda till felaktig mätning av dielektricitetskonstanten för MUT. Skyddselektroden absorberar strömmen som flyter genom kantfältet och förbättrar därigenom mätnoggrannheten.
Om du vill mäta de dielektriska egenskaperna hos ett material är det viktigt att du bara mäter materialet och inget annat. Av denna anledning är det viktigt att se till att materialprovet är mycket plant för att eliminera eventuella luftgap mellan det och elektrod.
Det finns två sätt att uppnå detta. Det första är att applicera tunnfilmselektroder på ytan av materialet som ska testas. Det andra är att härleda den komplexa permittiviteten genom att jämföra kapacitansen mellan elektroderna, som mäts i närvaro och frånvaro av material.
Skyddselektroden hjälper till att förbättra mätnoggrannheten vid låga frekvenser, men den kan påverka det elektromagnetiska fältet negativt vid höga frekvenser. Vissa testare tillhandahåller valfria dielektriska materialfixturer med kompakta elektroder som kan utöka det användbara frekvensområdet för denna mätteknik. Programvaran kan också hjälpa till att eliminera effekterna av fränskapacitans.
Återstående fel orsakade av fixturer och analysatorer kan reduceras genom öppen krets, kortslutning och belastningskompensation. Vissa impedansanalysatorer har inbyggd denna kompensationsfunktion, som hjälper till att göra exakta mätningar över ett brett frekvensområde.
Att utvärdera hur egenskaperna hos dielektriska material förändras med temperaturen kräver användning av temperaturkontrollerade rum och värmebeständiga kablar. Vissa analysatorer tillhandahåller programvara för att styra värmecellen och värmebeständig kabelsats.
Liksom dielektriska material förbättras ferritmaterial stadigt och används ofta i elektronisk utrustning som induktanskomponenter och magneter, såväl som komponenter i transformatorer, magnetfältsabsorbenter och dämpare.
De viktigaste egenskaperna hos dessa material inkluderar deras permeabilitet och förlust vid kritiska driftfrekvenser. En impedansanalysator med en magnetisk materialfixtur kan ge exakta och repeterbara mätningar över ett brett frekvensområde.
Liksom dielektriska material är permeabiliteten hos magnetiska material en komplex egenskap uttryckt i verkliga och imaginära delar. Den verkliga termen representerar materialets förmåga att leda magnetiskt flöde, och den imaginära termen representerar förlusten i materialet. Material med hög magnetisk permeabilitet kan vara används för att minska storleken och vikten av det magnetiska systemet. Förlustkomponenten av magnetisk permeabilitet kan minimeras för maximal effektivitet i applikationer som transformatorer, eller maximeras i applikationer som skärmning.
Den komplexa permeabiliteten bestäms av impedansen hos induktorn som bildas av materialet.I de flesta fall varierar den med frekvensen, så den bör karakteriseras vid arbetsfrekvensen. Vid högre frekvenser är exakt mätning svår på grund av parasitimpedansen hos fixtur. För material med låg förlust är impedansens fasvinkel kritisk, även om noggrannheten i fasmätningen vanligtvis är otillräcklig.
Magnetisk permeabilitet förändras också med temperaturen, så mätsystemet bör kunna noggrant utvärdera temperaturegenskaper över ett brett frekvensområde.
Den komplexa permeabiliteten kan härledas genom att mäta impedansen hos magnetiska material. Detta görs genom att linda några trådar runt materialet och mäta impedansen i förhållande till änden av tråden. Resultaten kan variera beroende på hur tråden är lindad och interaktionen av magnetfältet med dess omgivande miljö.
Den magnetiska materialtestfixturen (se figur 3) tillhandahåller en enkelvarvs induktor som omger toroidspolen på MUT. Det finns inget läckflöde i enkelvarvsinduktansen, så magnetfältet i fixturen kan beräknas med elektromagnetisk teori .
När den används tillsammans med en impedans-/materialanalysator kan den enkla formen på koaxialfixturen och den toroidformade MUT-en utvärderas noggrant och kan uppnå en bred frekvenstäckning från 1kHz till 1GHz.
Felet som orsakas av mätsystemet kan elimineras före mätningen. Felet som orsakas av impedansanalysatorn kan kalibreras genom tretidsfelkorrigering. Vid högre frekvenser kan lågförlustkondensatorkalibrering förbättra fasvinkelnoggrannheten.
Fixturen kan ge en annan felkälla, men eventuell kvarvarande induktans kan kompenseras genom att mäta fixturen utan MUT.
Precis som vid dielektrisk mätning krävs en temperaturkammare och värmebeständiga kablar för att utvärdera temperaturegenskaperna hos magnetiska material.
Bättre mobiltelefoner, mer avancerade förarassistanssystem och snabbare bärbara datorer förlitar sig alla på kontinuerliga framsteg inom ett brett spektrum av teknologier. Vi kan mäta framstegen för halvledarprocessnoder, men en rad stödjande tekniker utvecklas snabbt för att dessa nya processer ska kunna användas tas i bruk.
De senaste framstegen inom materialvetenskap och nanoteknik har gjort det möjligt att producera material med bättre dielektriska och magnetiska egenskaper än tidigare. Att mäta dessa framsteg är dock en komplicerad process, särskilt eftersom det inte finns något behov av interaktion mellan materialen och de fixturer som de är installerade.
Genomtänkta instrument och fixturer kan övervinna många av dessa problem och ge tillförlitliga, repeterbara och effektiva mätningar av dielektriska och magnetiska materialegenskaper till användare som inte har specifik expertis inom dessa områden. Resultatet bör bli en snabbare distribution av avancerade material genomgående det elektroniska ekosystemet.
"Electronic Weekly" samarbetade med RS Grass Roots för att fokusera på att introducera de smartaste unga elektronikingenjörerna i Storbritannien idag.
Skicka våra nyheter, bloggar och kommentarer direkt till din inkorg! Registrera dig för e-veckans nyhetsbrev: stil, gadgetguru och dagliga och veckovisa sammanfattningar.
Läs vårt specialbilaga som firar 60-årsjubileet av Electronic Weekly och se fram emot branschens framtid.
Läs första numret av Electronic Weekly online: 7 september 1960. Vi har skannat den första upplagan så att du kan njuta av den.
Läs vårt specialbilaga som firar 60-årsjubileet av Electronic Weekly och se fram emot branschens framtid.
Läs första numret av Electronic Weekly online: 7 september 1960. Vi har skannat den första upplagan så att du kan njuta av den.
Lyssna på den här podden och lyssna på Chetan Khona (direktör för industri, vision, hälsovård och vetenskap, Xilinx) prata om hur Xilinx och halvledarindustrin svarar på kundernas behov.
Genom att använda den här webbplatsen samtycker du till användningen av cookies.Electronics Weekly ägs av Metropolis International Group Limited, en medlem av Metropolis Group;du kan se vår integritets- och cookiepolicy här.