Medición de propiedades críticas de materiales de capacitores e inductores

Giovanni D'Amore analiza enfoques para caracterizar materiales tanto dieléctricos como magnéticos utilizando analizadores de impedancia y accesorios especializados.

Estamos acostumbrados a pensar en el progreso tecnológico en términos de generaciones de modelos de teléfonos móviles o nodos de procesos de fabricación de semiconductores. Estos proporcionan una abreviatura útil, pero eclipsan el progreso en las tecnologías habilitadoras, como las de la ciencia de los materiales.

Cualquiera que haya quitado la parte trasera de un televisor CRT o abierto una fuente de alimentación antigua sabrá una cosa: no se pueden construir componentes electrónicos del siglo XXI con componentes del siglo XX.

Figura 1

Por ejemplo, el rápido progreso en la ciencia de los materiales y la nanotecnología ha creado nuevos materiales con las características necesarias para construir capacitores e inductores densos y de alto rendimiento.

El desarrollo de dispositivos que utilizan estos materiales exige una medición precisa de las características eléctricas y magnéticas, como la permitividad y la permeabilidad, en un rango de frecuencias y temperaturas operativas.

Propiedades complejas

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 para la cerámica.

Es importante medir las propiedades dieléctricas de un material nuevo al principio del ciclo de desarrollo de un componente para predecir su rendimiento.

Las propiedades eléctricas de un material dieléctrico se caracterizan por su permitividad compleja, que se compone de componentes tanto reales como imaginarios.

La parte real de la permitividad, también llamada constante dieléctrica, representa la capacidad del material para almacenar energía cuando se somete a un campo eléctrico. Los materiales con una constante dieléctrica más alta pueden almacenar más energía por unidad de volumen que aquellos con constantes dieléctricas más bajas, lo que los hace útiles para condensadores densos.

Los materiales con constantes dieléctricas más bajas son aislantes útiles en los sistemas de transmisión de señales, precisamente porque su incapacidad para almacenar mucha energía minimiza el retraso en la propagación de la señal a través de los cables que aíslan.

La componente imaginaria de la permitividad compleja representa la energía disipada por un material dieléctrico cuando se encuentra en un campo eléctrico. Esto debe gestionarse con cuidado para evitar que dispositivos como los condensadores fabricados con estos nuevos materiales dieléctricos disipen demasiada energía.

Medición de propiedades dieléctricas

Hay varias formas de medir una constante dieléctrica. El método de placas paralelas pone el material bajo prueba (MUT) entre dos electrodos. La impedancia del material se mide y se convierte a la permitividad compleja utilizando las ecuaciones que se muestran en la Figura 1, que hacen referencia a su espesor y al área y diámetro de los electrodos.

Figura 1- protector del capacitor

Este enfoque se utiliza principalmente para mediciones a bajas frecuencias. Si bien el principio es sencillo, las mediciones precisas son difíciles debido a los errores de medición, especialmente para materiales de baja pérdida.

La permitividad compleja varía con la frecuencia y, por lo tanto, debe evaluarse a la frecuencia de operación. A altas frecuencias, aumentan los errores debidos al sistema de medición, lo que hace que la medición sea imprecisa.

Un dispositivo de prueba de material dieléctrico, como el Keysight 16451B, tiene tres electrodos. Dos de ellos forman un condensador y el tercero proporciona un electrodo de protección. El electrodo de protección es necesario porque cuando se establece un campo eléctrico entre dos electrodos, parte de él fluirá más allá del MUT montado entre ellos (consulte la Figura 2).

La existencia de este campo marginal puede dar lugar a una medición errónea de la constante dieléctrica del MUT. El electrodo protector absorbe la corriente que fluye a través del campo marginal, mejorando así la precisión de la medición.

Preparando una muestra

Si desea medir las propiedades dieléctricas de un material, es importante que solo mida el material y nada más. Por esta razón, es vital asegurarse de que la muestra de material sea muy plana, para eliminar cualquier espacio de aire entre esta y los electrodos.

Hay dos maneras de lograr esto. El primero es aplicar electrodos de película delgada a la superficie del material bajo prueba. El segundo es derivar la permitividad compleja comparando las capacitancias entre los electrodos, medidas con y sin el material presente.

Un electrodo de protección ayuda a mejorar la precisión de la medición a bajas frecuencias, pero a frecuencias más altas puede tener un impacto desfavorable en el campo electromagnético. Algunos probadores se ofrecen con un accesorio de material dieléctrico opcional, que tiene electrodos compactos que amplían el rango de frecuencia útil de esta técnica de medición. El software también puede ayudar a eliminar el efecto de las capacitancias marginales.

Los errores residuales debidos al accesorio y al analizador se pueden reducir mediante la compensación de apertura, cortocircuito y carga. Algunos analizadores de impedancia tienen esta función de compensación incorporada, lo que ayuda a permitir mediciones precisas en un amplio rango de frecuencias.

Evaluar cómo las características de un material dieléctrico varían con la temperatura exige el uso de una cámara de temperatura controlada y se requieren cables resistentes al calor. Algunos analizadores se ofrecen con software para controlar una cámara térmica y juegos de cables resistentes al calor.

Medición de materiales magnéticos

Al igual que los materiales dieléctricos, los materiales de ferrita están mejorando constantemente y se usan ampliamente en equipos electrónicos como componentes inductivos e imanes, y como partes de transformadores, absorbedores y supresores de campos magnéticos.

Las propiedades clave de estos materiales incluyen su permeabilidad y sus pérdidas en las frecuencias operativas clave. Los analizadores de impedancia con accesorios de material magnético pueden proporcionar mediciones precisas y repetibles en un amplio rango de frecuencia.

Al igual que con los materiales dieléctricos, la permeabilidad de un material magnético es una propiedad compleja que se expresa tanto en partes reales como imaginarias. El término real representa la capacidad de un material para conducir flujo magnético y el término imaginario representa las pérdidas en el material. Los materiales con una gran permeabilidad son útiles para reducir el tamaño y el peso de los sistemas magnéticos. El componente de pérdida de la permeabilidad de un material magnético puede minimizarse para obtener la máxima eficiencia en aplicaciones como transformadores o maximizarse para aplicaciones como blindaje.

La permeabilidad compleja está determinada por la impedancia de un inductor formado con el material. En la mayoría de los casos, varía con la frecuencia, por lo que debe caracterizarse a la frecuencia de funcionamiento. A frecuencias más altas, las mediciones precisas son difíciles debido a la impedancia parásita del dispositivo. Para materiales de baja pérdida, el ángulo de fase de la impedancia es fundamental, aunque la precisión de las mediciones de fase suele ser insuficiente.

La permeabilidad también varía con la temperatura, por lo que los sistemas de medición deberían poder evaluar las características de la temperatura con precisión en un amplio rango de frecuencias.

La permeabilidad compleja se puede derivar midiendo la impedancia del material magnético. Esto se hace enrollando un alambre alrededor del material y midiendo la impedancia con respecto a los extremos del alambre. El resultado puede cambiar según cómo se enrolle el cable y cómo interactúe el campo magnético con su entorno.

Figura 3: dispositivo de prueba de material magnético

El dispositivo de prueba de material magnético (consulte la Figura 3) proporciona un inductor de una sola vuelta que envuelve un toroide del MUT. No hay flujo de fuga en el inductor de una sola vuelta, por lo que el campo magnético en el accesorio se puede calcular a partir de la teoría electromagnética.

La forma simple del dispositivo coaxial y el MUT toroidal permite una evaluación precisa y una amplia cobertura de frecuencia, de 1 kHz a 1 GHz, cuando se combina con un analizador de impedancia/material.

Los errores debidos al sistema de medición se pueden eliminar antes de la medición. El error debido al analizador de impedancia se puede calibrar mediante la corrección de error de tres términos. A frecuencias más altas, la precisión del ángulo de fase puede mejorarse mediante la calibración del condensador de baja pérdida.

El dispositivo puede proporcionar otra fuente de error, pero cualquier inductancia residual puede compensarse midiendo el dispositivo sin el MUT en su lugar.

Al igual que con las mediciones dieléctricas, la evaluación de las características de temperatura de un material magnético requiere una cámara de temperatura y cables resistentes al calor.

Los mejores teléfonos móviles, los sistemas de asistencia al conductor más avanzados y las computadoras portátiles más rápidas dependen de los avances continuos en una amplia gama de tecnologías. Podemos medir el progreso en los nodos de proceso de semiconductores, pero se está desarrollando rápidamente una amplia gama de tecnologías de apoyo para hacer posible que estos nuevos procesos funcionen.

Los avances recientes en la ciencia de los materiales y la nanotecnología han hecho posible producir materiales con propiedades dieléctricas y magnéticas mucho mejores que las que estaban disponibles antes. Sin embargo, medir estos avances es un proceso complejo, especialmente debido a las interacciones no deseadas entre los materiales y los accesorios en los que están montados.

Los instrumentos y accesorios bien pensados ​​pueden superar muchos de estos problemas y brindar mediciones confiables, repetibles y eficientes de las propiedades de los materiales magnéticos y dieléctricos a los usuarios que no tienen experiencia específica en estas áreas. El resultado debería ser un despliegue más rápido de materiales avanzados en todo el ecosistema electrónico.

Giovanni D'Amore, director de marketing de marca, Keysight Technologies