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Giovanni D'Amore analizó el uso de analizadores de impedancia y accesorios profesionales para caracterizar materiales dieléctricos y magnéticos.
Estamos acostumbrados a pensar en el progreso tecnológico de las generaciones de modelos de teléfonos móviles o de los nodos del proceso de fabricación de semiconductores. Estos proporcionan avances útiles pero oscuros en tecnologías habilitadoras (como el campo de la ciencia de materiales).
Cualquiera que haya desarmado un televisor CRT o haya encendido una vieja fuente de alimentación sabrá una cosa: no se pueden utilizar componentes del siglo XX para fabricar productos electrónicos del siglo XXI.
Por ejemplo, los rápidos avances en la ciencia de los materiales y la nanotecnología han creado nuevos materiales con las características necesarias para construir inductores y condensadores de alta densidad y alto rendimiento.
El desarrollo de equipos que utilizan estos materiales requiere una medición precisa de las propiedades eléctricas y magnéticas, como la permitividad y la permeabilidad, en una variedad de frecuencias operativas y rangos de temperatura.
Los materiales dieléctricos desempeñan un papel clave en componentes electrónicos como condensadores y aisladores. La constante dieléctrica de un material se puede ajustar controlando su composición y/o microestructura, especialmente la cerámica.
Es muy importante medir las propiedades dieléctricas de nuevos materiales en las primeras etapas del ciclo de desarrollo de componentes para predecir su rendimiento.
Las propiedades eléctricas de los materiales dieléctricos se caracterizan por su permitividad compleja, que consta de partes reales e imaginarias.
La parte real de la constante dieléctrica, también llamada constante dieléctrica, representa la capacidad de un material para almacenar energía cuando se somete a un campo eléctrico. En comparación con materiales con constantes dieléctricas más bajas, los materiales con constantes dieléctricas más altas pueden almacenar más energía por unidad de volumen. , lo que los hace útiles para condensadores de alta densidad.
Los materiales con constantes dieléctricas más bajas pueden usarse como aislantes útiles en sistemas de transmisión de señales, precisamente porque no pueden almacenar grandes cantidades de energía, minimizando así el retraso en la propagación de la señal a través de los cables aislados por ellos.
La parte imaginaria de la permitividad compleja representa la energía disipada por el material dieléctrico en el campo eléctrico. Esto requiere una gestión cuidadosa para evitar disipar demasiada energía en dispositivos como los condensadores fabricados con estos nuevos materiales dieléctricos.
Existen varios métodos para medir la constante dieléctrica. El método de placas paralelas coloca el material bajo prueba (MUT) entre dos electrodos. La ecuación que se muestra en la Figura 1 se utiliza para medir la impedancia del material y convertirla en una permitividad compleja, que se refiere al espesor del material y al área y diámetro del electrodo.
Este método se utiliza principalmente para mediciones de baja frecuencia. Aunque el principio es simple, la medición precisa es difícil debido a errores de medición, especialmente para materiales con bajas pérdidas.
La permitividad compleja varía con la frecuencia, por lo que debe evaluarse a la frecuencia de operación. A altas frecuencias, los errores causados ​​por el sistema de medición aumentarán, lo que resultará en mediciones inexactas.
El dispositivo de prueba de material dieléctrico (como Keysight 16451B) tiene tres electrodos. Dos de ellos forman un condensador y el tercero proporciona un electrodo protector. El electrodo protector es necesario porque cuando se establece un campo eléctrico entre los dos electrodos, parte del El campo eléctrico fluirá a través del MUT instalado entre ellos (ver Figura 2).
La existencia de este campo marginal puede provocar una medición errónea de la constante dieléctrica del MUT. El electrodo de protección absorbe la corriente que fluye a través del campo marginal, mejorando así la precisión de la medición.
Si desea medir las propiedades dieléctricas de un material, es importante que solo mida el material y nada más. Por esta razón, es importante asegurarse de que la muestra del material sea muy plana para eliminar cualquier espacio de aire entre él y el electrodo.
Hay dos formas de lograr esto. La primera es aplicar electrodos de película delgada a la superficie del material a probar. La segunda es derivar la permitividad compleja comparando la capacitancia entre los electrodos, que se mide en presencia y ausencia. de materiales.
El electrodo de protección ayuda a mejorar la precisión de la medición en bajas frecuencias, pero puede afectar negativamente el campo electromagnético en altas frecuencias. Algunos probadores proporcionan accesorios de material dieléctrico opcionales con electrodos compactos que pueden ampliar el rango de frecuencia útil de esta técnica de medición. El software también puede ayudar a eliminar los efectos de la capacitancia de franjas.
Los errores residuales causados ​​por accesorios y analizadores se pueden reducir mediante circuito abierto, cortocircuito y compensación de carga. Algunos analizadores de impedancia tienen incorporada esta función de compensación, que ayuda a realizar mediciones precisas en un amplio rango de frecuencia.
Evaluar cómo cambian las propiedades de los materiales dieléctricos con la temperatura requiere el uso de habitaciones con temperatura controlada y cables resistentes al calor. Algunos analizadores proporcionan software para controlar la celda caliente y el kit de cables resistentes al calor.
Al igual que los materiales dieléctricos, los materiales de ferrita están mejorando constantemente y se utilizan ampliamente en equipos electrónicos como componentes de inductancia e imanes, así como componentes de transformadores, absorbentes y supresores de campos magnéticos.
Las características clave de estos materiales incluyen su permeabilidad y pérdida en frecuencias operativas críticas. Un analizador de impedancia con un accesorio de material magnético puede proporcionar mediciones precisas y repetibles en un amplio rango de frecuencia.
Al igual que los materiales dieléctricos, la permeabilidad de los materiales magnéticos es una característica compleja expresada en partes reales e imaginarias. El término real representa la capacidad del material para conducir el flujo magnético y el término imaginario representa la pérdida en el material. Los materiales con alta permeabilidad magnética pueden ser se utiliza para reducir el tamaño y el peso del sistema magnético. El componente de pérdida de la permeabilidad magnética se puede minimizar para obtener la máxima eficiencia en aplicaciones como transformadores, o maximizar en aplicaciones como blindaje.
La permeabilidad compleja está determinada por la impedancia del inductor formado por el material. En la mayoría de los casos, varía con la frecuencia, por lo que debe caracterizarse en la frecuencia de funcionamiento. A frecuencias más altas, la medición precisa es difícil debido a la impedancia parásita del Accesorio. Para materiales de bajas pérdidas, el ángulo de fase de la impedancia es crítico, aunque la precisión de la medición de fase suele ser insuficiente.
La permeabilidad magnética también cambia con la temperatura, por lo que el sistema de medición debería poder evaluar con precisión las características de la temperatura en un amplio rango de frecuencia.
La permeabilidad compleja se puede derivar midiendo la impedancia de materiales magnéticos. Esto se hace envolviendo algunos cables alrededor del material y midiendo la impedancia relativa al extremo del cable. Los resultados pueden variar dependiendo de cómo se enrolla el cable y la interacción. del campo magnético con el entorno que lo rodea.
El dispositivo de prueba de material magnético (consulte la Figura 3) proporciona un inductor de una sola vuelta que rodea la bobina toroidal del MUT. No hay flujo de fuga en la inductancia de una sola vuelta, por lo que el campo magnético en el dispositivo se puede calcular mediante la teoría electromagnética. .
Cuando se utiliza junto con un analizador de impedancia/material, la forma simple del dispositivo coaxial y el MUT toroidal se pueden evaluar con precisión y se puede lograr una amplia cobertura de frecuencia de 1 kHz a 1 GHz.
El error causado por el sistema de medición se puede eliminar antes de la medición. El error causado por el analizador de impedancia se puede calibrar mediante una corrección de errores de tres términos. A frecuencias más altas, la calibración del capacitor de bajas pérdidas puede mejorar la precisión del ángulo de fase.
El dispositivo puede proporcionar otra fuente de error, pero cualquier inductancia residual se puede compensar midiendo el dispositivo sin el MUT.
Al igual que con la medición dieléctrica, se requiere una cámara de temperatura y cables resistentes al calor para evaluar las características de temperatura de los materiales magnéticos.
Mejores teléfonos móviles, sistemas de asistencia al conductor más avanzados y computadoras portátiles más rápidas dependen de avances continuos en una amplia gama de tecnologías. Podemos medir el progreso de los nodos de proceso de semiconductores, pero una serie de tecnologías de soporte se están desarrollando rápidamente para permitir que estos nuevos procesos sean poner en uso.
Los últimos avances en ciencia de materiales y nanotecnología han hecho posible producir materiales con mejores propiedades dieléctricas y magnéticas que antes. Sin embargo, medir estos avances es un proceso complicado, especialmente porque no hay necesidad de interacción entre los materiales y los accesorios sobre los que se encuentran. están instalados.
Los instrumentos y accesorios bien pensados ​​pueden superar muchos de estos problemas y brindar mediciones de propiedades de materiales dieléctricos y magnéticos confiables, repetibles y eficientes a usuarios que no tienen experiencia específica en estos campos. El resultado debería ser una implementación más rápida de materiales avanzados en todo el mundo. El ecosistema electrónico.
“Electronic Weekly” colaboró ​​con RS Grass Roots para centrarse en presentar a los jóvenes ingenieros electrónicos más brillantes del Reino Unido en la actualidad.
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Escuche este podcast y escuche a Chetan Khona (Director de Industria, Visión, Atención Médica y Ciencia, Xilinx) hablar sobre cómo Xilinx y la industria de semiconductores responden a las necesidades de los clientes.
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