новини

Джованні Д'Аморе обговорив використання аналізаторів імпедансу та професійних світильників для характеристики діелектричних і магнітних матеріалів.
Ми звикли думати про технологічний прогрес, починаючи з поколінь моделей мобільних телефонів або вузлів процесу виробництва напівпровідників. Вони забезпечують корисні короткі, але малозрозумілі досягнення в провідних технологіях (наприклад, у галузі матеріалознавства).
Будь-хто, хто розбирав кінескопний телевізор або вмикав старий блок живлення, знає одне: не можна використовувати компоненти 20-го століття для виготовлення електроніки 21-го століття.
Наприклад, швидкий прогрес у матеріалознавстві та нанотехнологіях створив нові матеріали з характеристиками, необхідними для створення індукторів і конденсаторів високої щільності з високою продуктивністю.
Розробка обладнання, що використовує ці матеріали, вимагає точного вимірювання електричних і магнітних властивостей, таких як діелектрична проникність, у діапазоні робочих частот і діапазонів температур.
Діелектричні матеріали відіграють ключову роль в електронних компонентах, таких як конденсатори та ізолятори. Діелектричну проникність матеріалу можна регулювати шляхом контролю його складу та/або мікроструктури, особливо кераміки.
Дуже важливо вимірювати діелектричні властивості нових матеріалів на ранніх стадіях циклу розробки компонентів, щоб передбачити їх ефективність.
Електричні властивості діелектричних матеріалів характеризуються їх комплексною діелектричною проникністю, яка складається з дійсної та уявної частин.
Дійсна частина діелектричної проникності, яку також називають діелектричною проникністю, представляє здатність матеріалу накопичувати енергію під дією електричного поля. У порівнянні з матеріалами з нижчою діелектричною проникністю матеріали з вищою діелектричною проникністю можуть накопичувати більше енергії на одиницю об’єму , що робить їх корисними для конденсаторів високої щільності.
Матеріали з нижчою діелектричною проникністю можна використовувати як корисні ізолятори в системах передачі сигналу саме тому, що вони не можуть накопичувати велику кількість енергії, тим самим мінімізуючи затримку поширення сигналу через будь-які ізольовані ними проводи.
Уявна частина комплексної діелектричної проникності представляє енергію, що розсіюється діелектричним матеріалом в електричному полі. Це вимагає ретельного керування, щоб уникнути розсіювання занадто великої кількості енергії в таких пристроях, як конденсатори, виготовлені з цих нових діелектричних матеріалів.
Існують різні методи вимірювання діелектричної проникності. Метод паралельної пластини поміщає досліджуваний матеріал (MUT) між двома електродами. Рівняння, показане на малюнку 1, використовується для вимірювання імпедансу матеріалу та перетворення його на комплексну діелектричну проникність, яка відноситься до товщини матеріалу, площі та діаметру електрода.
Цей метод в основному використовується для вимірювання низької частоти. Хоча принцип простий, точне вимірювання складно через похибки вимірювання, особливо для матеріалів з низькими втратами.
Комплексна діелектрична проникність змінюється залежно від частоти, тому її слід оцінювати на робочій частоті. На високих частотах помилки, спричинені вимірювальною системою, збільшаться, що призведе до неточних вимірювань.
Пристосування для випробування діелектричних матеріалів (наприклад, Keysight 16451B) має три електроди. Два з них утворюють конденсатор, а третій забезпечує захисний електрод. Захисний електрод необхідний, оскільки коли між двома електродами встановлюється електричне поле, частина електричне поле буде проходити через MUT, встановлений між ними (див. рис. 2).
Наявність цього смугового поля може призвести до помилкового вимірювання діелектричної проникності MUT. Захисний електрод поглинає струм, що протікає через смугове поле, тим самим підвищуючи точність вимірювання.
Якщо ви хочете виміряти діелектричні властивості матеріалу, важливо вимірювати лише матеріал і нічого більше. З цієї причини важливо переконатися, що зразок матеріалу дуже плоский, щоб усунути будь-які повітряні проміжки між ним і зразком. електрод.
Є два способи досягти цього. Перший полягає в застосуванні тонкоплівкових електродів до поверхні матеріалу, що підлягає випробуванню. Другий полягає в отриманні комплексної діелектричної проникності шляхом порівняння ємності між електродами, яка вимірюється за наявності та відсутності матеріалів.
Захисний електрод допомагає підвищити точність вимірювання на низьких частотах, але він може негативно вплинути на електромагнітне поле на високих частотах. Деякі тестери пропонують додаткові кріплення з діелектричного матеріалу з компактними електродами, які можуть розширити корисний частотний діапазон цієї методики вимірювання. Програмне забезпечення також може допомагають усунути вплив облямівки ємності.
Залишкові похибки, спричинені приладами та аналізаторами, можна зменшити шляхом компенсації обриву, короткого замикання та навантаження. Деякі аналізатори опору мають вбудовану функцію компенсації, яка допомагає проводити точні вимірювання в широкому діапазоні частот.
Оцінка того, як властивості діелектричних матеріалів змінюються залежно від температури, потребує використання кімнат з контрольованою температурою та термостійких кабелів. Деякі аналізатори надають програмне забезпечення для керування гарячою камерою та комплектом термостійких кабелів.
Як і діелектричні матеріали, феритові матеріали постійно вдосконалюються і широко використовуються в електронному обладнанні як компоненти індуктивності та магніти, а також компоненти трансформаторів, поглиначів і пригнічувачів магнітного поля.
Ключові характеристики цих матеріалів включають їх проникність і втрати на критичних робочих частотах. Аналізатор імпедансу з фіксатором магнітного матеріалу може забезпечити точні та повторювані вимірювання в широкому діапазоні частот.
Подібно до діелектричних матеріалів, проникність магнітних матеріалів є складною характеристикою, вираженою в дійсних і уявних частинах. Справжній член представляє здатність матеріалу проводити магнітний потік, а уявний член представляє втрати в матеріалі. Матеріали з високою магнітною проникністю можуть бути використовується для зменшення розміру та ваги магнітної системи. Компонент втрат магнітної проникності можна мінімізувати для досягнення максимальної ефективності в таких додатках, як трансформатори, або максимізувати в таких додатках, як екранування.
Комплексна проникність визначається імпедансом індуктора, утвореного матеріалом. У більшості випадків вона змінюється залежно від частоти, тому її слід характеризувати на робочій частоті. На вищих частотах точне вимірювання складно через паразитний імпеданс Для матеріалів з низькими втратами фазовий кут імпедансу є критичним, хоча точність вимірювання фази зазвичай недостатня.
Магнітна проникність також змінюється з температурою, тому вимірювальна система повинна мати можливість точно оцінювати температурні характеристики в широкому діапазоні частот.
Комплексну проникність можна отримати шляхом вимірювання імпедансу магнітних матеріалів. Це робиться шляхом обгортання кількох дротів навколо матеріалу та вимірювання імпедансу відносно кінця дроту. Результати можуть відрізнятися залежно від способу намотування дроту та взаємодії магнітного поля з навколишнім середовищем.
Пристосування для випробування магнітного матеріалу (див. рис. 3) містить одновитковий індуктор, який оточує тороїдальну котушку MUT. В одновитковій індуктивності немає потоку витоку, тому магнітне поле в приладі можна розрахувати за допомогою електромагнітної теорії. .
При використанні в поєднанні з аналізатором імпедансу/матеріалу можна точно оцінити просту форму коаксіального кріплення та тороїдального MUT і досягти широкого діапазону частот від 1 кГц до 1 ГГц.
Помилку, спричинену вимірювальною системою, можна усунути до вимірювання. Помилку, спричинену аналізатором імпедансу, можна відкалібрувати за допомогою тричленної корекції помилок. На вищих частотах калібрування конденсатора з малими втратами може покращити точність фазового кута.
Прилад може стати ще одним джерелом похибок, але будь-яку залишкову індуктивність можна компенсувати шляхом вимірювання приладу без MUT.
Як і при вимірюванні діелектрика, для оцінки температурних характеристик магнітних матеріалів потрібна термокамера і термостійкі кабелі.
Кращі мобільні телефони, досконаліші системи допомоги водієві та швидші ноутбуки – усе це залежить від постійного вдосконалення широкого спектру технологій. Ми можемо вимірювати прогрес напівпровідникових технологічних вузлів, але низка допоміжних технологій швидко розвивається, щоб уможливити ці нові процеси ввести в користування.
Останні досягнення в матеріалознавстві та нанотехнологіях дозволили виробляти матеріали з кращими діелектричними та магнітними властивостями, ніж раніше. Однак вимірювання цих досягнень є складним процесом, особливо тому, що немає необхідності у взаємодії між матеріалами та пристосуваннями, на яких вони встановлені.
Добре продумані інструменти та пристосування можуть подолати багато з цих проблем і забезпечити надійні, повторювані та ефективні вимірювання діелектричних і магнітних властивостей матеріалів для користувачів, які не мають спеціального досвіду в цих областях. Результатом повинно бути швидше розгортання сучасних матеріалів у всьому світі. електронна екосистема.
«Electronic Weekly» співпрацював із RS Grass Roots, щоб зосередитися на представленні найталановитіших молодих інженерів-електронників у Великобританії сьогодні.
Надсилайте наші новини, блоги та коментарі прямо на свою поштову скриньку! Підпишіться на електронну щотижневу розсилку: стиль, гаджет-гуру, щоденні та щотижневі огляди.
Читайте наш спеціальний додаток до 60-річчя Electronic Weekly і дивіться в майбутнє галузі.
Читайте перший випуск Electronic Weekly онлайн: 7 вересня 1960 року. Ми відсканували перше видання, щоб ви могли ним насолоджуватися.
Читайте наш спеціальний додаток до 60-річчя Electronic Weekly і дивіться в майбутнє галузі.
Читайте перший випуск Electronic Weekly онлайн: 7 вересня 1960 року. Ми відсканували перше видання, щоб ви могли ним насолоджуватися.
Послухайте цей подкаст і Четана Хону (директора промисловості, бачення, охорони здоров’я та науки, Xilinx) про те, як Xilinx і напівпровідникова промисловість реагують на потреби клієнтів.
Використовуючи цей веб-сайт, ви погоджуєтеся на використання файлів cookie. Electronics Weekly належить Metropolis International Group Limited, члену Metropolis Group;ви можете переглянути нашу політику конфіденційності та файлів cookie тут.