nyheter

Giovanni D'Amore diskuterte bruken av impedansanalysatorer og profesjonelle inventar for å karakterisere dielektriske og magnetiske materialer.
Vi er vant til å tenke på teknologiske fremskritt fra mobiltelefonmodellgenerasjoner eller halvlederproduksjonsprosessnoder. Disse gir nyttige stenografier, men obskure fremskritt innen muliggjørende teknologier (som f.eks. materialvitenskap).
Alle som har tatt fra hverandre en CRT-TV eller slått på en gammel strømforsyning vil vite én ting: Du kan ikke bruke komponenter fra det 20. århundre til å lage elektronikk fra det 21. århundre.
For eksempel har raske fremskritt innen materialvitenskap og nanoteknologi skapt nye materialer med egenskapene som trengs for å bygge induktorer og kondensatorer med høy tetthet og høy ytelse.
Utviklingen av utstyr som bruker disse materialene krever nøyaktig måling av elektriske og magnetiske egenskaper, som permittivitet og permeabilitet, over en rekke driftsfrekvenser og temperaturområder.
Dielektriske materialer spiller en nøkkelrolle i elektroniske komponenter som kondensatorer og isolatorer. Den dielektriske konstanten til et materiale kan justeres ved å kontrollere dets sammensetning og/eller mikrostruktur, spesielt keramikk.
Det er svært viktig å måle de dielektriske egenskapene til nye materialer tidlig i komponentutviklingssyklusen for å forutsi deres ytelse.
De elektriske egenskapene til dielektriske materialer er preget av deres komplekse permittivitet, som består av reelle og imaginære deler.
Den reelle delen av dielektrisitetskonstanten, også kalt dielektrisitetskonstanten, representerer evnen til et materiale til å lagre energi når det utsettes for et elektrisk felt. Sammenlignet med materialer med lavere dielektrisitetskonstanter, kan materialer med høyere dielektrisitetskonstanter lagre mer energi per volumenhet , noe som gjør dem nyttige for kondensatorer med høy tetthet.
Materialer med lavere dielektriske konstanter kan brukes som nyttige isolatorer i signaloverføringssystemer, nettopp fordi de ikke kan lagre store mengder energi, og dermed minimere signalutbredelsesforsinkelsen gjennom eventuelle ledninger som er isolert av dem.
Den imaginære delen av den komplekse permittiviteten representerer energien som dissiperes av det dielektriske materialet i det elektriske feltet. Dette krever nøye håndtering for å unngå å spre for mye energi i enheter som kondensatorer laget med disse nye dielektriske materialene.
Det finnes ulike metoder for å måle dielektrisitetskonstanten. Parallellplatemetoden plasserer materialet under test (MUT) mellom to elektroder. Ligningen vist i figur 1 brukes til å måle impedansen til materialet og konvertere det til en kompleks permittivitet, som refererer til tykkelsen på materialet og arealet og diameteren til elektroden.
Denne metoden brukes hovedsakelig for lavfrekvent måling. Selv om prinsippet er enkelt, er nøyaktig måling vanskelig på grunn av målefeil, spesielt for materialer med lavt tap.
Den komplekse permittiviteten varierer med frekvensen, så den bør evalueres ved driftsfrekvensen. Ved høye frekvenser vil feilene forårsaket av målesystemet øke, noe som resulterer i unøyaktige målinger.
Testarmaturen for dielektrisk materiale (som Keysight 16451B) har tre elektroder. To av dem danner en kondensator, og den tredje gir en beskyttende elektrode. Beskyttelseselektroden er nødvendig fordi når et elektrisk felt etableres mellom de to elektrodene, er en del av elektrisk felt vil strømme gjennom MUT installert mellom dem (se figur 2).
Eksistensen av dette frynsefeltet kan føre til feilaktig måling av dielektrisitetskonstanten til MUT. Beskyttelseselektroden absorberer strømmen som flyter gjennom frynsefeltet, og forbedrer dermed målenøyaktigheten.
Hvis du ønsker å måle de dielektriske egenskapene til et materiale, er det viktig at du kun måler materialet og ingenting annet. Av denne grunn er det viktig å sørge for at materialprøven er veldig flat for å eliminere eventuelle luftgap mellom den og elektrode.
Det er to måter å oppnå dette på. Den første er å påføre tynnfilmelektroder på overflaten av materialet som skal testes. Den andre er å utlede den komplekse permittiviteten ved å sammenligne kapasitansen mellom elektrodene, som måles i nærvær og fravær av materialer.
Beskyttelseselektroden bidrar til å forbedre målenøyaktigheten ved lave frekvenser, men den kan påvirke det elektromagnetiske feltet ved høye frekvenser negativt. Noen testere gir valgfrie dielektriske materialarmaturer med kompakte elektroder som kan utvide det nyttige frekvensområdet til denne måleteknikken. Programvaren kan også bidra til å eliminere effekten av kapasitans.
Resterende feil forårsaket av inventar og analysatorer kan reduseres ved åpen krets, kortslutning og lastkompensasjon. Noen impedansanalysatorer har innebygd denne kompensasjonsfunksjonen, som hjelper til med å gjøre nøyaktige målinger over et bredt frekvensområde.
Evaluering av hvordan egenskapene til dielektriske materialer endres med temperaturen krever bruk av temperaturkontrollerte rom og varmebestandige kabler. Noen analysatorer gir programvare for å kontrollere varmecellene og varmebestandige kabelsett.
I likhet med dielektriske materialer forbedres ferrittmaterialer stadig, og brukes mye i elektronisk utstyr som induktanskomponenter og magneter, samt komponenter til transformatorer, magnetfeltabsorbere og undertrykkere.
Nøkkelegenskapene til disse materialene inkluderer deres permeabilitet og tap ved kritiske driftsfrekvenser. En impedansanalysator med en magnetisk materialfeste kan gi nøyaktige og repeterbare målinger over et bredt frekvensområde.
I likhet med dielektriske materialer er permeabiliteten til magnetiske materialer en kompleks karakteristikk uttrykt i reelle og imaginære deler. Den virkelige termen representerer materialets evne til å lede magnetisk fluks, og den imaginære termen representerer tapet i materialet. Materialer med høy magnetisk permeabilitet kan være brukes til å redusere størrelsen og vekten til det magnetiske systemet. Tapskomponenten av magnetisk permeabilitet kan minimeres for maksimal effektivitet i applikasjoner som transformatorer, eller maksimeres i applikasjoner som skjerming.
Den komplekse permeabiliteten bestemmes av impedansen til induktoren som dannes av materialet.I de fleste tilfeller varierer den med frekvensen, så den bør karakteriseres ved driftsfrekvensen. Ved høyere frekvenser er nøyaktig måling vanskelig på grunn av den parasittiske impedansen til armatur. For materialer med lavt tap er fasevinkelen til impedansen kritisk, selv om nøyaktigheten til fasemålingen vanligvis er utilstrekkelig.
Magnetisk permeabilitet endres også med temperaturen, så målesystemet skal kunne nøyaktig evaluere temperaturkarakteristikker over et bredt frekvensområde.
Den komplekse permeabiliteten kan utledes ved å måle impedansen til magnetiske materialer. Dette gjøres ved å vikle noen ledninger rundt materialet og måle impedansen i forhold til enden av ledningen. Resultatene kan variere avhengig av hvordan ledningen er viklet og interaksjonen av magnetfeltet med omgivelsene.
Testarmaturen for magnetisk materiale (se figur 3) gir en enkeltomdreiningsinduktor som omgir toroidspolen til MUT. Det er ingen lekkasjefluks i enkeltsvingsinduktansen, så magnetfeltet i fiksturen kan beregnes ved hjelp av elektromagnetisk teori .
Når den brukes sammen med en impedans-/materialanalysator, kan den enkle formen til koaksialfestet og den toroidale MUT evalueres nøyaktig og kan oppnå en bred frekvensdekning fra 1kHz til 1GHz.
Feilen forårsaket av målesystemet kan elimineres før målingen. Feilen forårsaket av impedansanalysatoren kan kalibreres gjennom tre-terms feilkorrigering. Ved høyere frekvenser kan kondensatorkalibrering med lavt tap forbedre fasevinkelnøyaktigheten.
Armaturet kan gi en annen feilkilde, men eventuell gjenværende induktans kan kompenseres for ved å måle fiksturen uten MUT.
Som med dielektrisk måling, kreves et temperaturkammer og varmebestandige kabler for å evaluere temperaturkarakteristikkene til magnetiske materialer.
Bedre mobiltelefoner, mer avanserte førerassistentsystemer og raskere bærbare datamaskiner er avhengige av kontinuerlige fremskritt innen et bredt spekter av teknologier. Vi kan måle fremdriften til halvlederprosessnoder, men en rekke støtteteknologier utvikler seg raskt for å gjøre det mulig for disse nye prosessene å bli tatt i bruk.
De siste fremskrittene innen materialvitenskap og nanoteknologi har gjort det mulig å produsere materialer med bedre dielektriske og magnetiske egenskaper enn før. Å måle disse fremskrittene er imidlertid en komplisert prosess, spesielt fordi det ikke er behov for interaksjon mellom materialene og armaturene som de er installert.
Gjennomtenkte instrumenter og armaturer kan overvinne mange av disse problemene og gi pålitelige, repeterbare og effektive målinger av dielektriske og magnetiske materialegenskaper til brukere som ikke har spesifikk ekspertise på disse feltene. Resultatet bør være en raskere distribusjon av avanserte materialer gjennom hele det elektroniske økosystemet.
"Electronic Weekly" samarbeidet med RS Grass Roots for å fokusere på å introdusere de smarteste unge elektroniske ingeniørene i Storbritannia i dag.
Send våre nyheter, blogger og kommentarer direkte til innboksen din! Registrer deg for det e-ukentlige nyhetsbrevet: stil, gadget-guru og daglige og ukentlige oppsummeringer.
Les vårt spesialtillegg som feirer 60-årsjubileet til Electronic Weekly og se frem til fremtiden for bransjen.
Les den første utgaven av Electronic Weekly på nett: 7. september 1960. Vi har skannet den første utgaven slik at du kan nyte den.
Les vårt spesialtillegg som feirer 60-årsjubileet til Electronic Weekly og se frem til fremtiden for bransjen.
Les den første utgaven av Electronic Weekly på nett: 7. september 1960. Vi har skannet den første utgaven slik at du kan nyte den.
Lytt til denne podcasten og hør på Chetan Khona (direktør for industri, visjon, helsevesen og vitenskap, Xilinx) snakke om hvordan Xilinx og halvlederindustrien reagerer på kundenes behov.
Ved å bruke denne nettsiden godtar du bruken av informasjonskapsler.Electronics Weekly eies av Metropolis International Group Limited, et medlem av Metropolis Group;du kan se våre retningslinjer for personvern og informasjonskapsler her.