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Giovanni D'Amore ha discusso dell'uso di analizzatori di impedenza e apparecchiature professionali per caratterizzare materiali dielettrici e magnetici.
Siamo abituati a pensare al progresso tecnologico derivante dalle generazioni di modelli di telefoni cellulari o dai nodi del processo di produzione dei semiconduttori. Questi forniscono utili scorciatoie ma oscuri progressi nelle tecnologie abilitanti (come il campo della scienza dei materiali).
Chiunque abbia smontato un televisore CRT o acceso un vecchio alimentatore saprà una cosa: non è possibile utilizzare componenti del 20° secolo per realizzare l'elettronica del 21° secolo.
Ad esempio, i rapidi progressi nella scienza dei materiali e nelle nanotecnologie hanno creato nuovi materiali con le caratteristiche necessarie per costruire induttori e condensatori ad alta densità e ad alte prestazioni.
Lo sviluppo di apparecchiature che utilizzano questi materiali richiede una misurazione accurata delle proprietà elettriche e magnetiche, come permettività e permeabilità, in una gamma di frequenze operative e intervalli di temperatura.
I materiali dielettrici svolgono un ruolo chiave nei componenti elettronici come condensatori e isolanti. La costante dielettrica di un materiale può essere regolata controllandone la composizione e/o la microstruttura, in particolare la ceramica.
È molto importante misurare le proprietà dielettriche dei nuovi materiali nelle prime fasi del ciclo di sviluppo dei componenti per prevederne le prestazioni.
Le proprietà elettriche dei materiali dielettrici sono caratterizzate dalla loro permettività complessa, che consiste di parti reali e immaginarie.
La parte reale della costante dielettrica, detta anche costante dielettrica, rappresenta la capacità di un materiale di immagazzinare energia quando sottoposto a un campo elettrico. Rispetto ai materiali con costante dielettrica inferiore, i materiali con costante dielettrica più elevata possono immagazzinare più energia per unità di volume , il che li rende utili per condensatori ad alta densità.
I materiali con costanti dielettriche inferiori possono essere utilizzati come utili isolanti nei sistemi di trasmissione del segnale, proprio perché non possono immagazzinare grandi quantità di energia, minimizzando così il ritardo di propagazione del segnale attraverso eventuali fili da essi isolati.
La parte immaginaria della permettività complessa rappresenta l'energia dissipata dal materiale dielettrico nel campo elettrico. Ciò richiede un'attenta gestione per evitare di dissipare troppa energia in dispositivi come i condensatori realizzati con questi nuovi materiali dielettrici.
Esistono vari metodi per misurare la costante dielettrica. Il metodo a piastre parallele posiziona il materiale sotto test (MUT) tra due elettrodi. L'equazione mostrata nella Figura 1 viene utilizzata per misurare l'impedenza del materiale e convertirla in una permettività complessa, che si riferisce allo spessore del materiale, all'area e al diametro dell'elettrodo.
Questo metodo viene utilizzato principalmente per la misurazione a bassa frequenza. Sebbene il principio sia semplice, la misurazione accurata è difficile a causa di errori di misurazione, soprattutto per i materiali a bassa perdita.
La permettività complessa varia con la frequenza, quindi dovrebbe essere valutata alla frequenza operativa. Alle alte frequenze, gli errori causati dal sistema di misurazione aumenteranno, risultando in misurazioni imprecise.
L'attrezzatura per test del materiale dielettrico (come Keysight 16451B) ha tre elettrodi. Due di essi formano un condensatore e il terzo fornisce un elettrodo protettivo. L'elettrodo protettivo è necessario perché quando viene stabilito un campo elettrico tra i due elettrodi, parte del il campo elettrico fluirà attraverso il MUT installato tra di loro (vedi Figura 2).
L'esistenza di questo campo marginale può portare ad una misurazione errata della costante dielettrica del MUT. L'elettrodo di protezione assorbe la corrente che scorre attraverso il campo marginale, migliorando così la precisione della misurazione.
Se vuoi misurare le proprietà dielettriche di un materiale, è importante misurare solo il materiale e nient'altro. Per questo motivo è importante assicurarsi che il campione di materiale sia molto piatto per eliminare eventuali vuoti d'aria tra esso e il elettrodo.
Esistono due modi per raggiungere questo obiettivo. Il primo consiste nell'applicare elettrodi a film sottile sulla superficie del materiale da testare. Il secondo consiste nel ricavare la permettività complessa confrontando la capacità tra gli elettrodi, che viene misurata in presenza e assenza di materiali.
L'elettrodo di protezione aiuta a migliorare la precisione della misurazione alle basse frequenze, ma può influenzare negativamente il campo elettromagnetico alle alte frequenze. Alcuni tester forniscono dispositivi opzionali in materiale dielettrico con elettrodi compatti che possono estendere la gamma di frequenza utile di questa tecnica di misurazione. Il software può anche contribuire ad eliminare gli effetti della capacità marginale.
Gli errori residui causati da dispositivi e analizzatori possono essere ridotti mediante la compensazione del circuito aperto, del cortocircuito e del carico. Alcuni analizzatori di impedenza hanno incorporata questa funzione di compensazione, che aiuta a effettuare misurazioni accurate su un'ampia gamma di frequenze.
La valutazione di come le proprietà dei materiali dielettrici cambiano con la temperatura richiede l'uso di stanze a temperatura controllata e cavi resistenti al calore. Alcuni analizzatori forniscono un software per controllare la cella calda e il kit di cavi resistenti al calore.
Come i materiali dielettrici, i materiali in ferrite sono in costante miglioramento e sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature elettroniche come componenti di induttanza e magneti, nonché componenti di trasformatori, assorbitori e soppressori di campo magnetico.
Le caratteristiche principali di questi materiali includono la permeabilità e la perdita a frequenze operative critiche. Un analizzatore di impedenza con un dispositivo di materiale magnetico può fornire misurazioni accurate e ripetibili su un'ampia gamma di frequenze.
Come i materiali dielettrici, la permeabilità dei materiali magnetici è una caratteristica complessa espressa in parti reali e immaginarie. Il termine reale rappresenta la capacità del materiale di condurre il flusso magnetico e il termine immaginario rappresenta la perdita nel materiale. I materiali con elevata permeabilità magnetica possono essere utilizzato per ridurre le dimensioni e il peso del sistema magnetico. La componente di perdita della permeabilità magnetica può essere ridotta al minimo per la massima efficienza in applicazioni come i trasformatori o massimizzata in applicazioni come la schermatura.
La permeabilità complessa è determinata dall'impedenza dell'induttore formato dal materiale. Nella maggior parte dei casi, varia con la frequenza, quindi dovrebbe essere caratterizzata alla frequenza operativa. A frequenze più elevate, una misurazione accurata è difficile a causa dell'impedenza parassita del apparecchio. Per i materiali a basse perdite, l'angolo di fase dell'impedenza è fondamentale, sebbene la precisione della misurazione di fase sia solitamente insufficiente.
Anche la permeabilità magnetica cambia con la temperatura, quindi il sistema di misurazione dovrebbe essere in grado di valutare accuratamente le caratteristiche della temperatura su un ampio intervallo di frequenze.
La permeabilità complessa può essere ricavata misurando l'impedenza dei materiali magnetici. Ciò avviene avvolgendo alcuni fili attorno al materiale e misurando l'impedenza relativa all'estremità del filo. I risultati possono variare a seconda di come viene avvolto il filo e dell'interazione del campo magnetico con l’ambiente circostante.
L'attrezzatura per il test del materiale magnetico (vedere Figura 3) fornisce un induttore a giro singolo che circonda la bobina toroidale del MUT. Non c'è flusso di dispersione nell'induttanza a giro singolo, quindi il campo magnetico nell'attrezzatura può essere calcolato mediante la teoria elettromagnetica .
Se utilizzato insieme a un analizzatore di impedenza/materiale, la forma semplice del dispositivo coassiale e del MUT toroidale può essere valutato con precisione e può raggiungere un'ampia copertura di frequenza da 1kHz a 1GHz.
L'errore causato dal sistema di misurazione può essere eliminato prima della misurazione. L'errore causato dall'analizzatore di impedenza può essere calibrato tramite la correzione dell'errore a tre termini. A frequenze più elevate, la calibrazione del condensatore a bassa perdita può migliorare la precisione dell'angolo di fase.
L'apparecchiatura può fornire un'altra fonte di errore, ma qualsiasi induttanza residua può essere compensata misurando l'apparecchiatura senza MUT.
Come per la misurazione dielettrica, per valutare le caratteristiche di temperatura dei materiali magnetici sono necessari una camera termica e cavi resistenti al calore.
Telefoni cellulari migliori, sistemi di assistenza alla guida più avanzati e laptop più veloci si basano tutti su progressi continui in un'ampia gamma di tecnologie. Possiamo misurare il progresso dei nodi di processo dei semiconduttori, ma una serie di tecnologie di supporto si stanno sviluppando rapidamente per consentire a questi nuovi processi di essere implementati. mettere in uso.
Gli ultimi progressi nella scienza dei materiali e nelle nanotecnologie hanno reso possibile la produzione di materiali con proprietà dielettriche e magnetiche migliori rispetto a prima. Tuttavia, misurare questi progressi è un processo complicato, soprattutto perché non è necessaria l'interazione tra i materiali e i dispositivi su cui sono installati.
Strumenti e dispositivi ben studiati possono superare molti di questi problemi e offrire misurazioni delle proprietà dielettriche e magnetiche affidabili, ripetibili ed efficienti agli utenti che non hanno competenze specifiche in questi campi. Il risultato dovrebbe essere un'implementazione più rapida di materiali avanzati in tutto il mondo. l'ecosistema elettronico.
"Electronic Weekly" ha collaborato con RS Grass Roots per concentrarsi sulla presentazione dei giovani ingegneri elettronici più brillanti oggi nel Regno Unito.
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Ascolta questo podcast e ascolta Chetan Khona (Direttore dell'Industria, Visione, Sanità e Scienza, Xilinx) parlare di come Xilinx e l'industria dei semiconduttori rispondono alle esigenze dei clienti.
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