Измерение критических свойств материалов конденсаторов и катушек индуктивности

Джованни Д'Аморе обсуждает подходы к определению характеристик как диэлектрических, так и магнитных материалов с использованием анализаторов импеданса и специальных приспособлений.

Мы привыкли думать о технологическом прогрессе с точки зрения поколений моделей мобильных телефонов или узлов процесса производства полупроводников. Они дают полезное обозначение, но затмевают прогресс в развитии технологий, например, в области материаловедения.

Любой, кто снимал крышку с ЭЛТ-телевизора или вскрывал старый блок питания, знает одно: невозможно создать электронику 21-го века, используя компоненты 20-го века.

Рисунок 1

Например, быстрый прогресс в области материаловедения и нанотехнологий позволил создать новые материалы с характеристиками, необходимыми для создания плотных, высокопроизводительных индукторов и конденсаторов.

Разработка устройств, в которых используются эти материалы, требует точного измерения электрических и магнитных характеристик, таких как диэлектрическая проницаемость и проницаемость, в широком диапазоне рабочих частот и температур.

Комплексные свойства

Диэлектрические материалы играют ключевую роль в электронных компонентах, таких как конденсаторы и изоляторы. Диэлектрическую проницаемость материала можно регулировать, контролируя его состав и/или микроструктуру, особенно для керамики.

Важно измерить диэлектрические свойства нового материала на ранних этапах цикла разработки компонента, чтобы спрогнозировать его характеристики.

Электрические свойства диэлектрического материала характеризуются его комплексной диэлектрической проницаемостью, которая состоит как из действительной, так и из мнимой составляющих.

Реальная часть диэлектрической проницаемости, также называемая диэлектрической проницаемостью, представляет собой способность материала сохранять энергию, когда он подвергается воздействию электрического поля. Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью могут хранить больше энергии на единицу объема, чем материалы с более низкой диэлектрической проницаемостью, что делает их полезными для плотных конденсаторов.

Материалы с более низкими диэлектрическими проницаемостями могут оказаться полезными изоляторами в системах передачи сигналов именно потому, что их неспособность хранить большое количество энергии минимизирует задержку распространения сигнала по любым проводам, которые они изолируют.

Мнимая составляющая комплексной диэлектрической проницаемости представляет собой энергию, рассеиваемую диэлектрическим материалом, когда он находится в электрическом поле. Это необходимо тщательно контролировать, чтобы такие устройства, как конденсаторы, созданные с использованием этих новых диэлектрических материалов, не рассеивали слишком много энергии.

Измерение диэлектрических свойств

Существуют различные способы измерения диэлектрической проницаемости. Метод параллельных пластин помещает испытуемый материал (MUT) между двумя электродами. Импеданс материала измеряется и преобразуется в комплексную диэлектрическую проницаемость с использованием уравнений, показанных на рисунке 1, которые определяют его толщину, а также площадь и диаметр электродов.

Рисунок 1 – защита конденсатора

Этот подход в основном используется для измерений на низких частотах. Хотя принцип прост, точные измерения затруднены из-за ошибок измерения, особенно для материалов с низкими потерями.

Комплексная диэлектрическая проницаемость меняется в зависимости от частоты, поэтому ее следует оценивать на рабочей частоте. На высоких частотах ошибки измерительной системы увеличиваются, что делает измерения неточными.

Приспособление для испытания диэлектрических материалов, такое как Keysight 16451B, имеет три электрода. Два из них образуют конденсатор, а третий служит защитным электродом. Охранный электрод необходим, поскольку при возникновении электрического поля между двумя электродами часть его будет вытекать за пределы испытуемого устройства, установленного между ними (см. рисунок 2).

Существование этого краевого поля может привести к неправильному измерению диэлектрической проницаемости MUT. Защитный электрод поглощает ток, протекающий через краевое поле, тем самым повышая точность измерения.

Подготовка образца

Если вы хотите измерить диэлектрические свойства материала, важно измерять только сам материал и ничего больше. По этой причине очень важно убедиться, что образец материала очень плоский, чтобы исключить воздушный зазор между ним и электродами.