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Giovanni D'Amore a discuté de l'utilisation d'analyseurs d'impédance et d'appareils professionnels pour caractériser les matériaux diélectriques et magnétiques.
Nous sommes habitués à réfléchir aux progrès technologiques à partir des générations de modèles de téléphones mobiles ou des nœuds des processus de fabrication de semi-conducteurs. Ceux-ci fournissent des raccourcis utiles mais obscurs dans les technologies génériques (comme dans le domaine de la science des matériaux).
Quiconque a démonté un téléviseur CRT ou allumé une vieille alimentation sait une chose : on ne peut pas utiliser des composants du 20e siècle pour fabriquer des appareils électroniques du 21e siècle.
Par exemple, les progrès rapides de la science des matériaux et de la nanotechnologie ont créé de nouveaux matériaux présentant les caractéristiques nécessaires pour construire des inductances et des condensateurs haute densité et hautes performances.
Le développement d'équipements utilisant ces matériaux nécessite une mesure précise des propriétés électriques et magnétiques, telles que la permittivité et la perméabilité, sur une gamme de fréquences de fonctionnement et de plages de températures.
Les matériaux diélectriques jouent un rôle clé dans les composants électroniques tels que les condensateurs et les isolants. La constante diélectrique d'un matériau peut être ajustée en contrôlant sa composition et/ou sa microstructure, notamment les céramiques.
Il est très important de mesurer les propriétés diélectriques des nouveaux matériaux dès le début du cycle de développement des composants afin de prédire leurs performances.
Les propriétés électriques des matériaux diélectriques sont caractérisées par leur permittivité complexe, composée de parties réelles et imaginaires.
La partie réelle de la constante diélectrique, également appelée constante diélectrique, représente la capacité d'un matériau à stocker de l'énergie lorsqu'il est soumis à un champ électrique. Par rapport aux matériaux ayant des constantes diélectriques inférieures, les matériaux ayant des constantes diélectriques plus élevées peuvent stocker plus d'énergie par unité de volume. , ce qui les rend utiles pour les condensateurs haute densité.
Les matériaux ayant des constantes diélectriques inférieures peuvent être utilisés comme isolants utiles dans les systèmes de transmission de signaux, précisément parce qu'ils ne peuvent pas stocker de grandes quantités d'énergie, minimisant ainsi le délai de propagation du signal à travers les fils isolés par eux.
La partie imaginaire de la permittivité complexe représente l'énergie dissipée par le matériau diélectrique dans le champ électrique. Cela nécessite une gestion minutieuse pour éviter de dissiper trop d'énergie dans des dispositifs tels que les condensateurs fabriqués avec ces nouveaux matériaux diélectriques.
Il existe différentes méthodes de mesure de la constante diélectrique. La méthode des plaques parallèles place le matériau testé (MUT) entre deux électrodes. L'équation illustrée à la figure 1 est utilisée pour mesurer l'impédance du matériau et la convertir en une permittivité complexe, qui fait référence à l’épaisseur du matériau ainsi qu’à la surface et au diamètre de l’électrode.
Cette méthode est principalement utilisée pour les mesures à basse fréquence. Bien que le principe soit simple, une mesure précise est difficile en raison d'erreurs de mesure, en particulier pour les matériaux à faibles pertes.
La permittivité complexe varie avec la fréquence, elle doit donc être évaluée à la fréquence de fonctionnement. Aux hautes fréquences, les erreurs provoquées par le système de mesure augmenteront, entraînant des mesures inexactes.
Le dispositif de test de matériaux diélectriques (tel que Keysight 16451B) comporte trois électrodes. Deux d'entre elles forment un condensateur et la troisième fournit une électrode de protection. L'électrode de protection est nécessaire car lorsqu'un champ électrique est établi entre les deux électrodes, une partie du le champ électrique circulera à travers le MUT installé entre eux (voir Figure 2).
L'existence de ce champ marginal peut conduire à une mesure erronée de la constante diélectrique du MUT. L'électrode de protection absorbe le courant circulant à travers le champ marginal, améliorant ainsi la précision de la mesure.
Si vous souhaitez mesurer les propriétés diélectriques d'un matériau, il est important de mesurer uniquement le matériau et rien d'autre. Pour cette raison, il est important de s'assurer que l'échantillon de matériau est très plat pour éliminer tout espace d'air entre celui-ci et le matériau. électrode.
Il existe deux manières d'y parvenir. La première consiste à appliquer des électrodes à couche mince sur la surface du matériau à tester. La seconde consiste à dériver la permittivité complexe en comparant la capacité entre les électrodes, qui est mesurée en présence et en absence. de matériaux.
L'électrode de garde contribue à améliorer la précision des mesures aux basses fréquences, mais elle peut avoir un effet négatif sur le champ électromagnétique aux hautes fréquences. Certains testeurs proposent des supports en matériau diélectrique en option avec des électrodes compactes qui peuvent étendre la plage de fréquences utile de cette technique de mesure. Le logiciel peut également aider à éliminer les effets de la capacité marginale.
Les erreurs résiduelles causées par les appareils et les analyseurs peuvent être réduites par une compensation de circuit ouvert, de court-circuit et de charge. Certains analyseurs d'impédance ont intégré cette fonction de compensation, qui permet d'effectuer des mesures précises sur une large plage de fréquences.
L'évaluation de l'évolution des propriétés des matériaux diélectriques en fonction de la température nécessite l'utilisation de pièces à température contrôlée et de câbles résistants à la chaleur. Certains analyseurs fournissent un logiciel pour contrôler la cellule chaude et le kit de câbles résistant à la chaleur.
Comme les matériaux diélectriques, les matériaux ferrite s'améliorent régulièrement et sont largement utilisés dans les équipements électroniques comme composants d'inductance et aimants, ainsi que comme composants de transformateurs, absorbeurs et suppresseurs de champ magnétique.
Les principales caractéristiques de ces matériaux incluent leur perméabilité et leur perte aux fréquences de fonctionnement critiques. Un analyseur d'impédance doté d'un support en matériau magnétique peut fournir des mesures précises et répétables sur une large plage de fréquences.
Comme les matériaux diélectriques, la perméabilité des matériaux magnétiques est une caractéristique complexe exprimée en parties réelles et imaginaires. Le terme réel représente la capacité du matériau à conduire le flux magnétique, et le terme imaginaire représente la perte dans le matériau. Les matériaux à haute perméabilité magnétique peuvent être utilisé pour réduire la taille et le poids du système magnétique. La composante de perte de perméabilité magnétique peut être minimisée pour une efficacité maximale dans des applications telles que les transformateurs, ou maximisée dans des applications telles que le blindage.
La perméabilité complexe est déterminée par l'impédance de l'inducteur formé par le matériau. Dans la plupart des cas, elle varie avec la fréquence, elle doit donc être caractérisée à la fréquence de fonctionnement. À des fréquences plus élevées, une mesure précise est difficile en raison de l'impédance parasite du luminaire.Pour les matériaux à faibles pertes, l'angle de phase de l'impédance est critique, bien que la précision de la mesure de phase soit généralement insuffisante.
La perméabilité magnétique change également avec la température, de sorte que le système de mesure doit être capable d'évaluer avec précision les caractéristiques de température sur une large plage de fréquences.
La perméabilité complexe peut être dérivée en mesurant l'impédance des matériaux magnétiques. Cela se fait en enroulant des fils autour du matériau et en mesurant l'impédance par rapport à l'extrémité du fil. Les résultats peuvent varier en fonction de la façon dont le fil est enroulé et de l'interaction. du champ magnétique avec son environnement.
Le dispositif de test de matériaux magnétiques (voir Figure 3) fournit un inducteur à un tour qui entoure la bobine toroïdale du MUT. Il n'y a pas de flux de fuite dans l'inductance à un tour, de sorte que le champ magnétique dans le dispositif peut être calculé par la théorie électromagnétique. .
Lorsqu'il est utilisé conjointement avec un analyseur d'impédance/matériau, la forme simple du luminaire coaxial et du MUT toroïdal peut être évaluée avec précision et peut atteindre une large couverture de fréquence de 1 kHz à 1 GHz.
L'erreur provoquée par le système de mesure peut être éliminée avant la mesure. L'erreur provoquée par l'analyseur d'impédance peut être calibrée grâce à une correction d'erreur à trois termes. À des fréquences plus élevées, l'étalonnage du condensateur à faible perte peut améliorer la précision de l'angle de phase.
Le luminaire peut fournir une autre source d'erreur, mais toute inductance résiduelle peut être compensée en mesurant le luminaire sans le MUT.
Comme pour la mesure diélectrique, une chambre thermique et des câbles résistants à la chaleur sont nécessaires pour évaluer les caractéristiques thermiques des matériaux magnétiques.
De meilleurs téléphones mobiles, des systèmes d'aide à la conduite plus avancés et des ordinateurs portables plus rapides reposent tous sur des progrès continus dans un large éventail de technologies. Nous pouvons mesurer les progrès des nœuds de processus des semi-conducteurs, mais une série de technologies de support se développent rapidement pour permettre à ces nouveaux processus d'être mettre en service.
Les dernières avancées en science des matériaux et en nanotechnologie ont permis de produire des matériaux dotés de meilleures propriétés diélectriques et magnétiques qu'auparavant. Cependant, mesurer ces progrès est un processus compliqué, notamment parce qu'il n'y a pas besoin d'interaction entre les matériaux et les fixations sur lesquelles ils sont installés.
Des instruments et accessoires bien pensés peuvent résoudre bon nombre de ces problèmes et apporter des mesures fiables, reproductibles et efficaces des propriétés des matériaux diélectriques et magnétiques aux utilisateurs qui n'ont pas d'expertise spécifique dans ces domaines. Le résultat devrait être un déploiement plus rapide de matériaux avancés dans l'ensemble du secteur. l’écosystème électronique.
«Electronic Weekly» a collaboré avec RS Grass Roots pour se concentrer sur la présentation des jeunes ingénieurs électroniciens les plus brillants du Royaume-Uni aujourd'hui.
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Écoutez ce podcast et écoutez Chetan Khona (directeur de l'industrie, de la vision, de la santé et de la science, Xilinx) expliquer comment Xilinx et l'industrie des semi-conducteurs répondent aux besoins des clients.
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