Az elektronikus termékek nőttön-növő funkcionalitását alapvetően a piacon megjelenő új alkatrészek teszik lehetővé, amelyek mögött pedig komoly anyag- és folyamattechnológiai kutatások állnak. Az anyagtechnológiai kutatások célja nem csupán a teljesítménynövelés, hanem egyúttal a méret- és energiafogyasztás-csökkentés is. A dielektromos anyagok szerepe az elektronikai áramkörök bizonyos alkatrészeiben (például kondenzátorok és szigetelők) meghatározó, így ezek alapanyagainak pontos karakterizálása a fejlesztés minél korábbi szakaszában létfontosságú ahhoz, hogy a végterméknél az elvárt teljesítmény és funkcionalitás rendelkezésre álljon. A ferriteket szintén széles körben alkalmazzák számítástechnikai, távközlési, teljesítményelektronikai stb. rendszerekben és termékekben világszerte, amelyekben alapvetően induktív alkatrészként, transzformátoralkatrészként, mágnesként, mágnesestér-elnyomóként teljesítenek szolgálatot.
Az impedanciaanalizátor mérőkészülékek és alkalmas mérőbefogók segítségével a dielektrikumok és ferritek pontosan, megbízhatóan, költséghatékonyan és szakértői szintű elméleti ismeretek nélkül is karakterizálhatók széles frekvenciatartományokban. Az anyagjellemzési célú mérési feladatok akkor láthatók el igazán hatékonyan, ha az analizátorok biztosítják a kellő pontosságot, rugalmasságot és számítási kapacitást, támogatják a megfelelő elvi méréstechnikai megoldásokat, valamint lehetőséget adnak a minták mérőrendszerhez illesztésére.
A Keysight Technologies (korábbi nevén Agilent Technologies, ill. Hewlett-Packard elektronikai teszt- és mérőműszer-üzletág) kínálatának mindig jelentős részét képviselték az alkatrészmérési és impedanciamérési megoldások. A közelmúltban mutatkoztak be immár a Keysight Technologies neve alatt az E4990A impedanciaanalizátor és E4991B RF impedanciaanalizátor-újdonságok, amelyek jelentős fejlesztéseket tartalmaznak a korábbi generációkhoz képest, és igazodnak a kor követelményeihez. Cikkünkben a dielektrikumok és mágneses anyagok méréstechnikai sajátosságai útján mutatjuk be röviden a két új műszer és mérőbefogóik alkalmazását.
Az elektronikában használt dielektrikumok és mérési lehetőségeik
A dielektrikumok elektromos jellemzőit a komplex permittivitás adja meg. A permittivitás valós része, a dielektromos állandó az anyag energiatárolási képességét fejezi ki külső elektromos tér jelenlétében. A nagy dielektromos állandójú anyagok kisebb térfogatban több elektromos energia tárolására képesek, míg a kisebb dielektromos állandójúak elsősorban inkább jelátvitelre alkalmasak, hiszen ez utóbbinál a terjedési késleltetés a fontosabb szempont. A permittivitás képzetes része az anyagban végbemenő disszipációt írja le. A veszteséges anyag plusz teljesítményfelhasználást jelenthet. A kerámiák mikrostruktúrájának vagy anyagok nanoösszetételének változtatásával különböző dielektromos állandójú alapanyagok hozhatók létre.
A dielektromos állandók mérésére számos lehetőség áll rendelkezésre, az elektromágneses terek legalább alapszintű elméleti ismerete azonban mindegyikhez elengedhetetlen. A párhuzamos fegyverzetes kapacitás módszerét előszeretettel alkalmazzák alacsonyabb frekvenciákon, lényege pedig, hogy a két kondenzátorelektróda között elhelyezkedő anyag kapacitását állapítjuk meg a mérés során. Az alapelv egyszerű, a pontos mérés viszont annál kevésbé, hiszen a mérési hibák mértéke jelentős, különösképpen a kisveszteségű anyagok esetében. A komplex permittivitás a frekvencia függvényében nem állandó, és frekvenciában ott kell mérni értelemszerűen, ahol az anyagot használni fogják. Magasabb frekvenciákon azonban a mérőrendszer által bevitt mérési hibák jelentősek lesznek.
A dielektrikumok mérése
A párhuzamos fegyverzetes módszer két elektródával működik, amelyek a bemérés alatt álló anyagot (MUT-t) ölelik közre. Az MUT impedanciája mérésre és komplex permittivitásadatra átalakításra kerül az anyag és az elektródák méretének figyelembevételével.
A Keysight 16541B dielektrikum mérőbefogó 30 MHz frekvenciáig szolgáltat pontos méréstechnikai megoldást, amennyiben a Keysight E4990A impedanciaanalizátorral együtt használják (lásd 1. ábra). Az ASTM D150 szabvánnyal kompatibilis 16541B három elektródával rendelkezik, amelyek közül kettő alakít ki kondenzátort, a harmadik pedig védőelektródaként (guard) funkcionál. A fegyverzetek közötti elektromos tér egy része a dielektrikumon kívül folyik el, amely „kieső" kapacitás keletkezését eredményezi. Ezt a kapacitást a védőelektróda jó hatékonysággal semlegesíti a pontos mérés érdekében.
Az MUT előkészítését illetően fontos, hogy az anyag felülete sima, így az érintkezés az elektróda és az anyag között légrésmentes legyen. A felületi érdesség által okozott probléma kétféleképpen is kiküszöbölhető:
- lehetséges a dielektrikum felületére vékonyfilm-elektródákat felvinni, valamint
- lehetséges kontaktusmentes elektródákkal dolgozni, amely a komplex permittivitásértéket származtatja az MUT-vel a fegyverzetek között, ill. nélküle mért kapacitásértékekből.
A 16451B mindkét módszert támogatja. További előny, hogy Keysight gyártmányú impedanciaanalizátor használata esetén a fázispontosság kimagasló, így egészen tan δ = 0,006 veszteségű anyagok is mérhetők, illetve a mérőbefogó említett kieső kapacitását a Keysight analizátorok képesek figyelembe venni a mérési eredmények pontosítása érdekében.
A védőelektródás méréstechnika kis frekvenciákon igazán hatékony, nagyobb frekvenciákon viszont kevésbé. A Keysight 16453A dielektrikum-mérőbefogó egyedülálló tervezésű, kompakt elektródákkal rendelkezik, amelyekkel kiterjeszthető ez a frekvenciatartomány (lásd 2. ábra). A kieső kapacitás hatása szoftveres úton kiválóan kompenzálható a nagyobb frekvenciákra optimalizált Keysight E4991B impedancia-/anyaganalizátor mérőműszerrel.
A mérőbefogó velejáró hibáit O/S/L (üresjárati, rövidzárlatos, precíziós terheléses) kompenzáció útján el lehet távolítani. A Keysight impedanciaanalizátorokon az O/S/L kompenzáció az alaptudás része a teljes működési frekvenciatartományra nézve.
Az ismertetett módszerek és mérőeszközök az elektromágneses terek elméletének behatóbb ismerete nélkül is lehetővé teszik különböző anyagok dielektromos tulajdonságainak nagy pontosságú mérését. A kalibrációkat, kompenzációt és számításokat mind az analizátorok végzik el, a mérési eredményeket pedig közvetlenül szolgáltatják.
A 3. ábra különböző dielektrikumok permittivitásmérési eredményeit mutatja az E4990A/16451B és E4991B/16453A analizátor-mérőbefogó párosításokkal.
A dielektrikumok hőmérsékleti karakterisztikáinak kiértékeléséhez hőkamrára és hőálló kábelezésre is szükség van. A Keysight a kamravezérlés és adatelemzés céljára szolgáltat opcionális szoftvert, ill. hőálló kábeleket az ebben érdekelt felhasználók számára.
Az elektronikában használt mágneses anyagok és mérési lehetőségeik
Az anyagtudományi és nanotechnológiai kutatások új típusú ferritek kifejlesztését tették lehetővé. Ezen anyagok mágneses tulajdonságainak (permeabilitás, veszteség) pontos ismerete rendkívül fontos a velük megépített alkatrészek paramétereinek meghatározásához.
A komplex permeabilitás az anyagoknál a mágneses terekkel való viszonyt fejezi ki. A valós és képzetes részek adják meg, hogy az anyag hogyan vezeti a mágneses fluxust és hogyan disszipál. A nagy permeabilitású anyagoknál a fő szempont a kis méretek és tömeg. A maximális hatékonyság érdekében a veszteségi jellemzőket kell a lehető legkisebbre szorítani, mágneses árnyékolóknál pedig a nagy veszteség a legfontosabb.
A komplex permeabilitás meghatározása az MUT által létrehozott induktív elem impedanciájaként történik. A legtöbb esetben ez az érték a frekvenciában nem állandó, és azon a frekvencián kell megmérni, amely az anyag felhasználása szempontjából érdekes. Nagyobb frekvenciákon komplikáltabb nagy pontosságú méréseket kivitelezni, a mérőbefogókban jelentkező parazitahatások erősödése miatt. Kisveszteségű anyagoknál az impedancia fázisszöge elsődleges fontosságú, azonban a fázispontosság sok esetben nem kielégítő. A permeabilitás ezenfelül hőmérsékletfüggést is tanúsít, ezért elvárható, hogy a mérőrendszer a teljes támogatott frekvenciatartományban a hőmérsékleti karakterisztika elemzésére is képes legyen.
A mágneses anyagok mérése
A komplex permeabilitás a mágneses tulajdonságú anyag impedanciájának méréséből származtatható. Ennek módja, hogy fémhuzallal körbetekerjük az anyagot, és a huzal végeinek figyelembevételével mérjük az impedanciát. Az eredmény a huzal feltekercselésének és a mágneses tér kölcsönhatásainak függvényében változik.
A Keysight 16454A mágnesesanyag-mérőbefogó (lásd 4. ábra) alapja egy egymenetes tekercs, ezzel ideális struktúrát valósít meg a mérés szempontjából. Az egymenetes tekercselés miatt nincs szivárgó-fluxus, a mágneses mezőre vonatkozó számítások alapja kizárólag az elektromágneses terek elméleti összefüggései.
A koaxiális mérőbefogó egyszerű formája és a toroid MUT nemcsak pontos mérést, hanem széles működési frekvenciatartományt is támogat, hiszen a 16454A mérőbefogó a teljes 1 kHz – 1 GHz frekvenciasávot a Keysight E4991B impedancia-/anyaganalizátor mérőműszerrel támogatja (lásd 5. ábra).
A mérőrendszer hibáit a mérés előtt szokás kompenzálni. Az impedanciaanalizátor alaphibáit a szokásos O/S/L kalibrációs hármassal kiváló hatékonysággal ki lehet küszöbölni, míg magasabb frekvenciákon a fázisszög pontossága az E4991B-be épített kisveszteségű kondenzátoros kalibráció segítségével javítható. A mérési hibák további forrása természetesen maga a mérőbefogó, amelynek remanens induktivitását rövidzárlatos kalibrációval ki lehet kompenzálni (ez valójában a mérőbefogó toroidmag nélküli lemérését jelenti).
Akárcsak a Keysight által kínált dielektrikummérési megoldásoknál, az ismertetett módszerek és mérőeszközök ezúttal is lehetővé teszik az elektromágneses terek elméletének behatóbb ismerete nélkül a különböző anyagok mágneses tulajdonságainak nagy pontosságú mérését. A kalibrációkat, kompenzációt és számításokat permeabilitásmérés esetében is mind az analizátorok végzik el, a mérési eredményeket pedig közvetlenül szolgáltatják.
A 6. ábrán látható grafikon három különböző ferritmag permeabilitásmérési eredményeit mutatja az E4990A és E4991B analizátorok 16454A mérőbefogóval végzett mérése esetén.
A dielektrikumok méréstechnikájához hasonlóan, a mágneses anyagok hőmérsékleti karakterisztikáinak kiértékeléséhez hőkamrára és hőálló kábelezésre szintén szükség van. A Keysight a kamravezérlés és adatelemzés céljára szolgáltat opcionális szoftvert, ill. hőálló kábeleket az ebben érdekelt E4991B-felhasználók számára.
Összefoglalás
Az anyag- és folyamattechnológiai fejlődés új méréstechnikai megoldásokat követel, amelyek minden korábbinál nagyobb pontossággal és szolgáltatáskészlettel igazodnak az új követelményekhez, és teljesítmény és funkcionalitás tekintetében is a legújabb elvárásoknak megfelelően teljesítenek.
Az újgenerációs impedanciaanalizátorok és kompatibilis mérőbefogók kiváló minőségű, szabványosított méréseket támogatnak dielektrikumok, mágneses anyagok, folyadékok és még talajminták és kőzetek esetében is. A Keysight Technologies mérőeszközök tekintetében többféle analizátort és mérőbefogót is kínál, amelyek biztosítják a teljesítményt és rugalmasságot minták, frekvenciák és paraméterek mérése vonatkozásában is. A mérési pontosságot a cég által fejlesztett, teljes körű kalibrációs és kompenzációs technikák szavatolják, az adatelemzést különböző szoftverek emelik magas szintre.
