aktualności

Giovanni D'Amore omówił zastosowanie analizatorów impedancji i profesjonalnych przyrządów do charakteryzowania materiałów dielektrycznych i magnetycznych.
Przyzwyczailiśmy się myśleć o postępie technologicznym, począwszy od generacji modeli telefonów komórkowych lub węzłów procesu produkcyjnego półprzewodników. Zapewniają one użyteczny skrót, ale niejasny postęp w technologiach wspomagających (takich jak dziedzina inżynierii materiałowej).
Każdy, kto rozbierał telewizor CRT lub włączał stary zasilacz, wie jedno: nie można używać komponentów XX wieku do produkcji elektroniki XXI wieku.
Na przykład szybki postęp w materiałoznawstwie i nanotechnologii stworzył nowe materiały o właściwościach niezbędnych do budowy cewek i kondensatorów o dużej gęstości i wydajności.
Rozwój sprzętu wykorzystującego te materiały wymaga dokładnych pomiarów właściwości elektrycznych i magnetycznych, takich jak przenikalność elektryczna i przepuszczalność, w całym zakresie częstotliwości roboczych i zakresów temperatur.
Materiały dielektryczne odgrywają kluczową rolę w elementach elektronicznych, takich jak kondensatory i izolatory. Stałą dielektryczną materiału można regulować kontrolując jego skład i/lub mikrostrukturę, zwłaszcza ceramikę.
Bardzo ważny jest pomiar właściwości dielektrycznych nowych materiałów na wczesnym etapie cyklu opracowywania komponentów, aby przewidzieć ich działanie.
Właściwości elektryczne materiałów dielektrycznych charakteryzują się złożoną przenikalnością elektryczną, która składa się z części rzeczywistej i urojonej.
Rzeczywista część stałej dielektrycznej, zwana także stałą dielektryczną, reprezentuje zdolność materiału do magazynowania energii pod wpływem pola elektrycznego. W porównaniu z materiałami o niższych stałych dielektrycznych, materiały o wyższych stałych dielektrycznych mogą przechowywać więcej energii na jednostkę objętości , co czyni je przydatnymi w kondensatorach o dużej gęstości.
Materiały o niższych stałych dielektrycznych można stosować jako przydatne izolatory w systemach transmisji sygnału właśnie dlatego, że nie są w stanie magazynować dużych ilości energii, minimalizując w ten sposób opóźnienie propagacji sygnału w izolowanych przez nie przewodach.
Wyimaginowana część złożonej przenikalności elektrycznej reprezentuje energię rozproszoną przez materiał dielektryczny w polu elektrycznym. Wymaga to ostrożnego zarządzania, aby uniknąć rozpraszania zbyt dużej ilości energii w urządzeniach takich jak kondensatory wykonane z tych nowych materiałów dielektrycznych.
Istnieją różne metody pomiaru stałej dielektrycznej. Metoda płytek równoległych umieszcza badany materiał (MUT) pomiędzy dwiema elektrodami. Równanie pokazane na rysunku 1 służy do pomiaru impedancji materiału i przeliczenia jej na zespoloną przenikalność elektryczną, która odnosi się do grubości materiału oraz powierzchni i średnicy elektrody.
Metodę tę stosuje się głównie do pomiarów niskich częstotliwości. Chociaż zasada jest prosta, dokładny pomiar jest trudny ze względu na błędy pomiarowe, szczególnie w przypadku materiałów o niskich stratach.
Złożona przenikalność zmienia się wraz z częstotliwością, dlatego należy ją oceniać przy częstotliwości roboczej. Przy wysokich częstotliwościach błędy powodowane przez system pomiarowy będą rosły, co skutkuje niedokładnymi pomiarami.
Przyrząd do badania materiału dielektrycznego (taki jak Keysight 16451B) ma trzy elektrody. Dwie z nich tworzą kondensator, a trzecia stanowi elektrodę ochronną. Elektroda ochronna jest konieczna, ponieważ gdy pomiędzy dwiema elektrodami powstanie pole elektryczne, część pole elektryczne będzie przepływać przez MUT zainstalowany pomiędzy nimi (patrz rysunek 2).
Istnienie tego pola prążkowego może prowadzić do błędnego pomiaru stałej dielektrycznej MUT. Elektroda ochronna pochłania prąd przepływający przez pole prążkowe, poprawiając w ten sposób dokładność pomiaru.
Jeśli chcesz zmierzyć właściwości dielektryczne materiału, ważne jest, aby mierzyć tylko materiał i nic więcej. Z tego powodu ważne jest, aby upewnić się, że próbka materiału jest bardzo płaska, aby wyeliminować wszelkie szczeliny powietrzne między nią a elektroda.
Można to osiągnąć na dwa sposoby. Pierwszy polega na nałożeniu elektrod cienkowarstwowych na powierzchnię badanego materiału. Drugi polega na wyznaczeniu zespolonej przenikalności elektrycznej poprzez porównanie pojemności między elektrodami, mierzonej w obecności i nieobecności materiałów.
Elektroda ochronna pomaga poprawić dokładność pomiaru przy niskich częstotliwościach, ale może niekorzystnie wpływać na pole elektromagnetyczne przy wysokich częstotliwościach. Niektórzy testerzy zapewniają opcjonalne uchwyty z materiału dielektrycznego z kompaktowymi elektrodami, które mogą rozszerzyć użyteczny zakres częstotliwości tej techniki pomiarowej. Oprogramowanie może również pomagają wyeliminować skutki pojemności prążkowej.
Błędy szczątkowe powodowane przez urządzenia i analizatory można zredukować poprzez przerwę w obwodzie, zwarcie i kompensację obciążenia. Niektóre analizatory impedancji mają wbudowaną tę funkcję kompensacji, która pomaga w wykonywaniu dokładnych pomiarów w szerokim zakresie częstotliwości.
Ocena, w jaki sposób właściwości materiałów dielektrycznych zmieniają się wraz z temperaturą, wymaga użycia pomieszczeń o kontrolowanej temperaturze i kabli odpornych na ciepło. Niektóre analizatory zapewniają oprogramowanie do kontrolowania komory gorącej i zestawu kabli odpornych na ciepło.
Podobnie jak materiały dielektryczne, materiały ferrytowe są stale udoskonalane i są szeroko stosowane w sprzęcie elektronicznym jako elementy indukcyjne i magnesy, a także elementy transformatorów, pochłaniaczy i tłumików pola magnetycznego.
Kluczowe cechy tych materiałów obejmują ich przepuszczalność i stratę przy krytycznych częstotliwościach roboczych. Analizator impedancji z magnetycznym uchwytem materiału może zapewnić dokładne i powtarzalne pomiary w szerokim zakresie częstotliwości.
Podobnie jak materiały dielektryczne, przepuszczalność materiałów magnetycznych jest złożoną cechą wyrażoną w częściach rzeczywistych i urojonych. Termin rzeczywisty reprezentuje zdolność materiału do przewodzenia strumienia magnetycznego, a składnik urojony oznacza utratę materiału. Materiały o dużej przenikalności magnetycznej mogą być stosowane w celu zmniejszenia rozmiaru i ciężaru układu magnetycznego. Składową strat przenikalności magnetycznej można zminimalizować w celu uzyskania maksymalnej wydajności w zastosowaniach takich jak transformatory lub zmaksymalizować w zastosowaniach takich jak ekranowanie.
Złożona przepuszczalność jest określana przez impedancję cewki utworzonej przez materiał. W większości przypadków zmienia się ona wraz z częstotliwością, dlatego należy ją charakteryzować przy częstotliwości roboczej. Przy wyższych częstotliwościach dokładny pomiar jest utrudniony ze względu na pasożytniczą impedancję cewki W przypadku materiałów o niskiej stracie kąt fazowy impedancji jest krytyczny, chociaż dokładność pomiaru fazy jest zwykle niewystarczająca.
Przepuszczalność magnetyczna zmienia się również wraz z temperaturą, dlatego system pomiarowy powinien być w stanie dokładnie ocenić charakterystykę temperatury w szerokim zakresie częstotliwości.
Złożoną przepuszczalność można wyznaczyć mierząc impedancję materiałów magnetycznych. Dokonuje się tego poprzez owinięcie kilku drutów wokół materiału i zmierzenie impedancji względem końca drutu. Wyniki mogą się różnić w zależności od sposobu nawinięcia drutu i interakcji pola magnetycznego z otaczającym go środowiskiem.
Przyrząd do badania materiału magnetycznego (patrz rysunek 3) zawiera jednozwojową cewkę indukcyjną otaczającą toroidalną cewkę MUT. W indukcyjności jednozwojowej nie występuje strumień rozproszenia, więc pole magnetyczne w uchwycie można obliczyć za pomocą teorii elektromagnetycznej .
W połączeniu z analizatorem impedancji/materiału można dokładnie ocenić prosty kształt współosiowego urządzenia i toroidalnego MUT i uzyskać szerokie pokrycie częstotliwości od 1 kHz do 1 GHz.
Błąd powodowany przez układ pomiarowy można wyeliminować przed pomiarem. Błąd powodowany przez analizator impedancji można skalibrować poprzez trzyokresową korekcję błędów. Przy wyższych częstotliwościach kalibracja kondensatora o niskich stratach może poprawić dokładność kąta fazowego.
Urządzenie może stanowić kolejne źródło błędu, ale jakąkolwiek indukcyjność szczątkową można skompensować, mierząc urządzenie bez MUT.
Podobnie jak w przypadku pomiaru dielektryka, do oceny charakterystyki temperaturowej materiałów magnetycznych wymagana jest komora temperaturowa i kable odporne na ciepło.
Lepsze telefony komórkowe, bardziej zaawansowane systemy wspomagania kierowcy i szybsze laptopy – wszystko to opiera się na ciągłym udoskonalaniu szerokiej gamy technologii. Możemy mierzyć postęp węzłów procesów półprzewodnikowych, ale szybko rozwija się szereg technologii pomocniczych, które umożliwiają realizację tych nowych procesów oddany do użytku.
Najnowsze osiągnięcia inżynierii materiałowej i nanotechnologii umożliwiły wytwarzanie materiałów o lepszych niż dotychczas właściwościach dielektrycznych i magnetycznych. Pomiar tych osiągnięć jest jednak skomplikowanym procesem, zwłaszcza że nie ma potrzeby interakcji pomiędzy materiałami a mocowaniami, na których są zainstalowane.
Dobrze przemyślane przyrządy i osprzęt mogą przezwyciężyć wiele z tych problemów i zapewnić niezawodne, powtarzalne i wydajne pomiary właściwości materiałów dielektrycznych i magnetycznych użytkownikom, którzy nie mają specjalistycznej wiedzy w tych dziedzinach. Rezultatem powinno być szybsze wdrożenie zaawansowanych materiałów na całym świecie ekosystem elektroniczny.
„Electronic Weekly” nawiązał współpracę z RS Grass Roots, aby skupić się na przedstawieniu najzdolniejszych młodych inżynierów elektroników w Wielkiej Brytanii.
Wysyłaj nasze aktualności, blogi i komentarze bezpośrednio do swojej skrzynki odbiorczej! Zapisz się na e-cotygodniowy biuletyn: styl, guru gadżetów oraz codzienne i cotygodniowe podsumowania.
Przeczytaj nasz specjalny dodatek z okazji 60. rocznicy Electronic Weekly i z radością patrz w przyszłość branży.
Przeczytaj pierwszy numer Electronic Weekly w Internecie: 7 września 1960 r. Zeskanowaliśmy pierwsze wydanie, abyś mógł się nim cieszyć.
Przeczytaj nasz specjalny dodatek z okazji 60. rocznicy Electronic Weekly i z radością patrz w przyszłość branży.
Przeczytaj pierwszy numer Electronic Weekly w Internecie: 7 września 1960 r. Zeskanowaliśmy pierwsze wydanie, abyś mógł się nim cieszyć.
Posłuchaj tego podcastu i posłuchaj, jak Chetan Khona (dyrektor ds. przemysłu, wizji, opieki zdrowotnej i nauki w Xilinx) opowiada o tym, jak Xilinx i branża półprzewodników odpowiadają na potrzeby klientów.
Korzystając z tej witryny, wyrażasz zgodę na używanie plików cookie. Właścicielem Electronics Weekly jest Metropolis International Group Limited, członek Metropolis Group; z naszą polityką prywatności i plików cookie możesz zapoznać się tutaj.