Misurazione delle proprietà critiche dei materiali di condensatori e induttori

Giovanni D'Amore discute gli approcci alla caratterizzazione dei materiali sia dielettrici che magnetici utilizzando analizzatori di impedenza e dispositivi specialistici.

Siamo abituati a pensare al progresso tecnologico in termini di generazioni di modelli di telefoni cellulari o di nodi del processo produttivo dei semiconduttori. Questi forniscono un’utile scorciatoia, ma mettono in ombra il progresso nelle tecnologie abilitanti, come quelle nella scienza dei materiali.

Chiunque abbia staccato la parte posteriore di un televisore CRT o aperto un vecchio alimentatore saprà una cosa: non è possibile costruire dispositivi elettronici del 21° secolo utilizzando componenti del 20° secolo.

Figura 1

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 densi e ad alte prestazioni.

Lo sviluppo di dispositivi che utilizzano questi materiali richiede una misurazione accurata delle caratteristiche elettriche e magnetiche, come permettività e permeabilità, in una gamma di frequenze e temperature operative.

Proprietà complesse

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, soprattutto nel caso della ceramica.

È importante misurare le proprietà dielettriche di un nuovo materiale nelle prime fasi del ciclo di sviluppo di un componente per prevederne le prestazioni.

Le proprietà elettriche di un materiale dielettrico sono caratterizzate dalla sua complessa permettività, composta da componenti sia reali che immaginarie.

La parte reale della permettività, chiamata anche costante dielettrica, rappresenta la capacità del materiale di immagazzinare energia quando è sottoposto a un campo elettrico. I materiali con una costante dielettrica più elevata possono immagazzinare più energia per unità di volume rispetto a quelli con costanti dielettriche inferiori, rendendoli utili per condensatori densi.

I materiali con costanti dielettriche inferiori costituiscono isolanti utili nei sistemi di trasmissione del segnale, proprio perché la loro incapacità di immagazzinare molta energia riduce al minimo il ritardo di propagazione del segnale attraverso i cavi che isolano.

La componente immaginaria della permettività complessa rappresenta l'energia dissipata da un materiale dielettrico quando si trova in un campo elettrico. Questo deve essere gestito con attenzione per evitare che dispositivi come i condensatori costruiti utilizzando questi nuovi materiali dielettrici dissipino troppa energia.

Misurazione delle proprietà dielettriche

Esistono vari modi per misurare la costante dielettrica. Il metodo a piastre parallele mette il materiale in prova (MUT) tra due elettrodi. L'impedenza del materiale viene misurata e convertita in permettività complessa utilizzando le equazioni mostrate nella Figura 1, che fanno riferimento al suo spessore, all'area e al diametro degli elettrodi.

Figura 1- protezione del condensatore

Questo approccio viene utilizzato principalmente per misurazioni a basse frequenze. Sebbene il principio sia semplice, misurazioni precise sono difficili a causa degli errori di misurazione, soprattutto per i materiali a bassa perdita.

La permettività complessa varia con la frequenza e quindi dovrebbe essere valutata alla frequenza operativa. Alle alte frequenze gli errori dovuti al sistema di misura aumentano, rendendo la misura imprecisa.

Un dispositivo per test di materiali dielettrici, come Keysight 16451B, ha tre elettrodi. Due di essi formano un condensatore e il terzo funge da elettrodo di guardia. L'elettrodo di guardia è necessario perché quando si stabilisce un campo elettrico tra due elettrodi, parte di esso fluirà oltre il MUT montato tra di loro (vedere Figura 2).

L'esistenza di questo campo marginale può portare ad una misurazione errata della costante dielettrica del MUT. L'elettrodo di guardia assorbe la corrente che scorre attraverso il campo marginale, migliorando così la precisione della misurazione.

Preparazione di un campione

Se vuoi misurare le proprietà dielettriche di un materiale, è importante misurare solo il materiale e nient'altro. Per questo motivo è fondamentale assicurarsi che il campione di materiale sia molto piatto, per eliminare qualsiasi spazio d'aria tra esso e gli elettrodi.