Новини

Giovanni D'Amore обсъди използването на импедансни анализатори и професионални приспособления за характеризиране на диелектрични и магнитни материали.
Свикнали сме да мислим за технологичния напредък от поколенията модели на мобилни телефони или възлите на процеса на производство на полупроводници. Те предоставят полезна стенограма, но неясен напредък в позволяващите технологии (като областта на материалознанието).
Всеки, който е разглобявал CRT телевизор или е включвал старо захранване, ще знае едно нещо: не можете да използвате компоненти от 20-ти век, за да направите електроника от 21-ви век.
Например бързият напредък в науката за материалите и нанотехнологиите създаде нови материали с характеристиките, необходими за изграждане на индуктори и кондензатори с висока плътност и висока производителност.
Разработването на оборудване, използващо тези материали, изисква точно измерване на електрически и магнитни свойства, като диелектрична проницаемост и пропускливост, в диапазон от работни честоти и температурни диапазони.
Диелектричните материали играят ключова роля в електронните компоненти като кондензатори и изолатори. Диелектричната константа на даден материал може да се регулира чрез контролиране на неговия състав и/или микроструктура, особено на керамиката.
Много е важно да се измерват диелектричните свойства на новите материали в началото на цикъла на разработване на компонентите, за да се предскаже тяхното представяне.
Електрическите свойства на диелектричните материали се характеризират с тяхната комплексна диелектрична проницаемост, която се състои от реални и въображаеми части.
Реалната част от диелектричната константа, наричана още диелектрична константа, представлява способността на материала да съхранява енергия, когато е подложен на електрическо поле. В сравнение с материали с по-ниска диелектрична константа, материалите с по-висока диелектрична константа могат да съхраняват повече енергия на единица обем , което ги прави полезни за кондензатори с висока плътност.
Материалите с по-ниски диелектрични константи могат да се използват като полезни изолатори в системите за предаване на сигнали, точно защото не могат да съхраняват големи количества енергия, като по този начин минимизират забавянето на разпространението на сигнала през всички изолирани от тях проводници.
Въображаемата част от комплексната диелектрична проницаемост представлява енергията, разсейвана от диелектричния материал в електрическото поле. Това изисква внимателно управление, за да се избегне разсейването на твърде много енергия в устройства като кондензатори, направени с тези нови диелектрични материали.
Има различни методи за измерване на диелектричната константа. Методът на паралелната плоча поставя изпитвания материал (MUT) между два електрода. Уравнението, показано на фигура 1, се използва за измерване на импеданса на материала и превръщането му в комплексна диелектрична проницаемост, която се отнася до дебелината на материала и площта и диаметъра на електрода.
Този метод се използва главно за нискочестотно измерване. Въпреки че принципът е прост, точното измерване е трудно поради грешки в измерването, особено за материали с ниски загуби.
Комплексната диелектрична проницаемост варира в зависимост от честотата, така че трябва да се оценява при работната честота. При високи честоти грешките, причинени от измервателната система, ще се увеличат, което ще доведе до неточни измервания.
Приспособлението за изпитване на диелектрични материали (като Keysight 16451B) има три електрода. Два от тях образуват кондензатор, а третият осигурява защитен електрод. Защитният електрод е необходим, защото когато се установи електрическо поле между двата електрода, част от електрическо поле ще тече през MUT, инсталиран между тях (виж Фигура 2).
Съществуването на това периферно поле може да доведе до погрешно измерване на диелектричната константа на MUT. Защитният електрод поглъща тока, протичащ през периферното поле, като по този начин подобрява точността на измерване.
Ако искате да измерите диелектричните свойства на даден материал, важно е да измервате само материала и нищо друго. Поради тази причина е важно да се уверите, че пробата от материала е много плоска, за да елиминирате всички въздушни междини между нея и електрод.
Има два начина да се постигне това. Първият е да се приложат тънкослойни електроди върху повърхността на материала, който ще се тества. Вторият е да се изведе комплексната диелектрична проницаемост чрез сравняване на капацитета между електродите, който се измерва в присъствие и отсъствие на материали.
Предпазният електрод помага за подобряване на точността на измерване при ниски честоти, но може да повлияе неблагоприятно на електромагнитното поле при високи честоти. Някои тестери предоставят опционални приспособления от диелектричен материал с компактни електроди, които могат да разширят полезния честотен диапазон на тази измервателна техника. Софтуерът може също помогнете за елиминиране на ефектите от периферния капацитет.
Остатъчните грешки, причинени от приспособления и анализатори, могат да бъдат намалени чрез отворена верига, късо съединение и компенсация на товара. Някои импедансни анализатори имат вградена тази функция за компенсация, която помага да се правят точни измервания в широк честотен диапазон.
Оценяването на това как свойствата на диелектричните материали се променят с температурата изисква използването на стаи с контролирана температура и топлоустойчиви кабели. Някои анализатори предоставят софтуер за управление на горещата клетка и топлоустойчивия кабелен комплект.
Подобно на диелектричните материали, феритните материали непрекъснато се подобряват и се използват широко в електронното оборудване като индуктивни компоненти и магнити, както и компоненти на трансформатори, абсорбери и супресори на магнитно поле.
Ключовите характеристики на тези материали включват тяхната пропускливост и загуба при критични работни честоти. Анализатор на импеданс с приспособление за магнитен материал може да осигури точни и повтарящи се измервания в широк честотен диапазон.
Подобно на диелектричните материали, пропускливостта на магнитните материали е сложна характеристика, изразена в реални и въображаеми части. Реалният термин представлява способността на материала да провежда магнитен поток, а въображаемият член представлява загубата в материала. Материалите с висока магнитна пропускливост могат да бъдат използвани за намаляване на размера и теглото на магнитната система. Компонентът на загубата на магнитна пропускливост може да бъде сведен до минимум за максимална ефективност в приложения като трансформатори или увеличен в приложения като екраниране.
Комплексната пропускливост се определя от импеданса на индуктора, образуван от материала. В повечето случаи тя варира в зависимост от честотата, така че трябва да се характеризира при работната честота. При по-високи честоти точното измерване е трудно поради паразитния импеданс на За материали с ниски загуби фазовият ъгъл на импеданса е критичен, въпреки че точността на фазовото измерване обикновено е недостатъчна.
Магнитната пропускливост също се променя с температурата, така че измервателната система трябва да може точно да оцени температурните характеристики в широк честотен диапазон.
Комплексната пропускливост може да бъде получена чрез измерване на импеданса на магнитните материали. Това се прави чрез увиване на няколко проводника около материала и измерване на импеданса спрямо края на проводника. Резултатите може да варират в зависимост от това как е навит проводникът и взаимодействието на магнитното поле със заобикалящата го среда.
Приспособлението за изпитване на магнитен материал (вижте Фигура 3) осигурява индуктор с един оборот, който обгражда тороидалната намотка на MUT. Няма поток на изтичане в индуктивността с един оборот, така че магнитното поле в приспособлението може да се изчисли чрез електромагнитна теория .
Когато се използва във връзка с анализатор на импеданс/материал, простата форма на коаксиалното приспособление и тороидалния MUT могат да бъдат точно оценени и могат да постигнат широко честотно покритие от 1kHz до 1GHz.
Грешката, причинена от системата за измерване, може да бъде елиминирана преди измерването. Грешката, причинена от анализатора на импеданса, може да бъде калибрирана чрез тричленна корекция на грешката. При по-високи честоти калибрирането на кондензатора с ниски загуби може да подобри точността на фазовия ъгъл.
Приспособлението може да осигури друг източник на грешка, но всяка остатъчна индуктивност може да бъде компенсирана чрез измерване на приспособлението без MUT.
Както при измерването на диелектрика, за оценка на температурните характеристики на магнитните материали са необходими температурна камера и топлоустойчиви кабели.
По-добрите мобилни телефони, по-усъвършенстваните системи за подпомагане на водача и по-бързите лаптопи разчитат на непрекъснат напредък в широк набор от технологии. Можем да измерим напредъка на полупроводниковите процесни възли, но серия от поддържащи технологии се развиват бързо, за да позволят тези нови процеси да бъдат пуснат в употреба.
Най-новите постижения в науката за материалите и нанотехнологиите направиха възможно производството на материали с по-добри диелектрични и магнитни свойства от преди. Измерването на тези постижения обаче е сложен процес, особено защото няма нужда от взаимодействие между материалите и приспособленията, върху които те са инсталирани.
Добре обмислените инструменти и приспособления могат да преодолеят много от тези проблеми и да осигурят надеждни, повтарящи се и ефективни измервания на свойствата на диелектрика и магнитния материал на потребители, които нямат специфичен опит в тези области. Резултатът трябва да бъде по-бързо внедряване на съвременни материали навсякъде електронната екосистема.
“Electronic Weekly” си сътрудничи с RS Grass Roots, за да се съсредоточи върху представянето на най-умните млади електронни инженери в Обединеното кралство днес.
Изпращайте нашите новини, блогове и коментари директно във вашата пощенска кутия! Регистрирайте се за електронния седмичен бюлетин: стил, гуру на джаджи и ежедневни и седмични обзори.
Прочетете нашето специално допълнение по случай 60-ата годишнина на Electronic Weekly и очаквайте с нетърпение бъдещето на индустрията.
Прочетете първия брой на Electronic Weekly онлайн: 7 септември 1960 г. Ние сканирахме първото издание, за да можете да му се насладите.
Прочетете нашето специално допълнение по случай 60-ата годишнина на Electronic Weekly и очаквайте с нетърпение бъдещето на индустрията.
Прочетете първия брой на Electronic Weekly онлайн: 7 септември 1960 г. Ние сканирахме първото издание, за да можете да му се насладите.
Слушайте този подкаст и чуйте Chetan Khona (директор на индустрията, визия, здравеопазване и наука, Xilinx) да говори за това как Xilinx и индустрията на полупроводниците отговарят на нуждите на клиентите.
Използвайки този уебсайт, вие се съгласявате с използването на бисквитки. Electronics Weekly е собственост на Metropolis International Group Limited, член на Metropolis Group;можете да видите нашата политика за поверителност и бисквитки тук.