Mesure des propriétés matérielles critiques des condensateurs et des inductances

Giovanni D'Amore discute des approches de caractérisation des matériaux diélectriques et magnétiques à l'aide d'analyseurs d'impédance et d'appareils spécialisés.

Nous sommes habitués à penser le progrès technologique en termes de générations de modèles de téléphones mobiles ou de nœuds de processus de fabrication de semi-conducteurs. Ceux-ci fournissent un raccourci utile, mais éclipsent les progrès des technologies habilitantes, telles que celles de la science des matériaux.

Quiconque a retiré l'arrière d'un téléviseur CRT ou ouvert une ancienne alimentation électrique sait une chose : vous ne pouvez pas construire de l'électronique du 21e siècle en utilisant des composants du 20e siècle.

Figure 1

Par exemple, les progrès rapides de la science des matériaux et de la nanotechnologie ont créé de nouveaux matériaux dotés des caractéristiques nécessaires à la construction d'inductances et de condensateurs denses et performants.

Le développement de dispositifs utilisant ces matériaux exige une mesure précise des caractéristiques électriques et magnétiques, telles que la permittivité et la perméabilité, sur une plage de fréquences et de températures de fonctionnement.

Propriétés complexes

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 pour les céramiques.

Il est important de mesurer les propriétés diélectriques d'un nouveau matériau très tôt dans le cycle de développement d'un composant afin de prédire ses performances.

Les propriétés électriques d'un matériau diélectrique sont caractérisées par sa permittivité complexe, composée à la fois de composants réels et imaginaires.

La partie réelle de la permittivité, également appelée constante diélectrique, représente la capacité du matériau à stocker de l'énergie lorsqu'il est soumis à un champ électrique. Les matériaux avec une constante diélectrique plus élevée peuvent stocker plus d'énergie par unité de volume que ceux avec des constantes diélectriques plus faibles, ce qui les rend utiles pour les condensateurs denses.

Les matériaux à constantes diélectriques inférieures constituent des isolants utiles dans les systèmes de transmission de signaux, précisément parce que leur incapacité à stocker beaucoup d'énergie minimise le délai de propagation du signal à travers les fils qu'ils isolent.

La composante imaginaire de la permittivité complexe représente l'énergie dissipée par un matériau diélectrique lorsqu'il est dans un champ électrique. Cela doit être géré avec soin pour éviter que des dispositifs tels que des condensateurs construits à l'aide de ces nouveaux matériaux diélectriques ne dissipent trop d'énergie.

Mesure des propriétés diélectriques

Il existe différentes manières de mesurer une constante diélectrique. La méthode des plaques parallèles place le matériau sous test (MUT) entre deux électrodes. L'impédance du matériau est mesurée et convertie en permittivité complexe à l'aide des équations illustrées à la figure 1, qui font référence à son épaisseur ainsi qu'à la surface et au diamètre des électrodes.

Figure 1- garde de condensateur

Cette approche est principalement utilisée pour les mesures à basses fréquences. Bien que le principe soit simple, des mesures précises sont difficiles en raison des erreurs de mesure, en particulier pour les matériaux à faible perte.

La permittivité complexe varie avec la fréquence et doit donc être évaluée à la fréquence de fonctionnement. Aux hautes fréquences, les erreurs dues au système de mesure augmentent, rendant la mesure imprécise.

Un appareil de test de matériau diélectrique, tel que le Keysight 16451B, comporte trois électrodes. Deux d'entre eux forment un condensateur et le troisième fournit une électrode de garde. L'électrode de garde est nécessaire car lorsqu'un champ électrique est établi entre deux électrodes, une partie de celui-ci s'écoulera au-delà du MUT monté entre elles (voir Figure 2).

L'existence de ce champ de franges peut conduire à une mauvaise mesure de la constante diélectrique du MUT. L'électrode de garde absorbe le courant traversant le champ de franges, améliorant ainsi la précision de la mesure.

Préparation d'un échantillon

Si vous souhaitez mesurer les propriétés diélectriques d'un matériau, il est important de ne mesurer que le matériau et rien d'autre. Pour cette raison, il est essentiel de s'assurer que l'échantillon de matériau est bien plat, afin d'éliminer tout espace d'air entre celui-ci et les électrodes.

Il existe deux façons d'y parvenir. La première consiste à appliquer des électrodes à couche mince à la surface du matériau testé. La seconde consiste à dériver la permittivité complexe en comparant les capacités entre les électrodes, mesurées avec et sans le matériau présent.

Une électrode de garde permet d'améliorer la précision des mesures à basses fréquences, mais à des fréquences plus élevées, elle peut avoir un impact défavorable sur le champ électromagnétique. Certains testeurs sont proposés avec une fixation en matériau diélectrique en option, qui possède des électrodes compactes qui étendent la plage de fréquences utile de cette technique de mesure. Le logiciel peut également aider à éliminer l'effet des capacités de frange.

Les erreurs résiduelles dues à la fixation et à l'analyseur peuvent être réduites par une compensation d'ouverture, de court-circuit et de charge. Certains analyseurs d'impédance intègrent cette fonction de compensation, ce qui permet des mesures précises sur une large plage de fréquences.

L'évaluation de la variation des caractéristiques d'un matériau diélectrique avec la température nécessite l'utilisation d'une chambre à température contrôlée et des câbles résistants à la chaleur sont nécessaires. Certains analyseurs sont proposés avec un logiciel pour contrôler une chambre thermique et des kits de câbles résistants à la chaleur.

Mesure de matériaux magnétiques

Comme les matériaux diélectriques, les matériaux en ferrite s'améliorent régulièrement et sont largement utilisés dans les équipements électroniques en tant que composants inductifs et aimants, et en tant que composants de transformateurs, d'absorbeurs de champ magnétique et de suppresseurs.

Les propriétés clés de ces matériaux incluent leur perméabilité et leurs pertes aux fréquences de fonctionnement clés. Les analyseurs d'impédance avec fixations en matériau magnétique peuvent fournir des mesures précises et reproductibles sur une large gamme de fréquences.

Comme pour les matériaux diélectriques, la perméabilité d'un matériau magnétique est une propriété complexe exprimée à la fois en parties réelles et imaginaires. Le terme réel représente la capacité d'un matériau à conduire le flux magnétique et le terme imaginaire représente les pertes dans le matériau. Les matériaux à grande perméabilité sont utiles pour réduire la taille et le poids des systèmes magnétiques. La composante de perte de la perméabilité d'un matériau magnétique peut être minimisée pour une efficacité maximale dans des applications telles que les transformateurs, ou maximisée pour des applications telles que le blindage.

La perméabilité complexe est déterminée par l'impédance d'un inducteur formé avec le matériau. Dans la plupart des cas, elle varie avec la fréquence et doit donc être caractérisée à la fréquence de fonctionnement. À des fréquences plus élevées, des mesures précises sont difficiles en raison de l'impédance parasite de l'appareil. Pour les matériaux à faibles pertes, l'angle de phase de l'impédance est critique, bien que la précision des mesures de phase soit souvent insuffisante.

La perméabilité varie également avec la température, et les systèmes de mesure doivent donc être capables d'évaluer avec précision les caractéristiques de température sur une large gamme de fréquences.

La perméabilité complexe peut être dérivée en mesurant l'impédance du matériau magnétique. Cela se fait en enroulant du fil autour du matériau et en mesurant l'impédance par rapport aux extrémités du fil. Le résultat peut changer en fonction de la manière dont le fil est enroulé et de la manière dont le champ magnétique interagit avec son environnement.

Figure 3 - Dispositif d'essai de matériau magnétique

Le dispositif de test de matériau magnétique (voir la figure 3) fournit une inductance à un tour qui s'enroule autour d'un tore du MUT. Il n'y a pas de flux de fuite dans l'inductance à un tour et le champ magnétique dans l'appareil peut donc être calculé à partir de la théorie électromagnétique.

La forme simple du montage coaxial et du MUT toroïdal permet à la fois une évaluation précise et une large couverture de fréquence, de 1 kHz à 1 GHz, lorsqu'il est combiné avec un analyseur d'impédance/matériau.

Les erreurs dues au système de mesure peuvent être supprimées avant la mesure. L'erreur due à l'analyseur d'impédance peut être calibrée par une correction d'erreur à trois termes. À des fréquences plus élevées, la précision de l'angle de phase peut être améliorée par l'étalonnage du condensateur à faible perte.

Le luminaire peut fournir une autre source d'erreur, mais toute inductance résiduelle dans celui-ci peut être compensée en mesurant le luminaire sans le MUT en place.

Comme pour les mesures diélectriques, l'évaluation des caractéristiques de température d'un matériau magnétique nécessite une chambre de température et des câbles résistants à la chaleur.

De meilleurs téléphones portables, des systèmes d'aide à la conduite plus avancés et des ordinateurs portables plus rapides reposent tous sur des avancées continues dans un large éventail de technologies. On peut mesurer les progrès des nœuds de processus de semi-conducteurs, mais toute une gamme de technologies de support se développe aussi rapidement pour permettre de mettre ces nouveaux processus en œuvre.

Les progrès récents de la science des matériaux et de la nanotechnologie ont permis de produire des matériaux dotés de propriétés diélectriques et magnétiques bien meilleures que celles disponibles auparavant. Cependant, la mesure de ces progrès est un processus complexe, notamment en raison des interactions indésirables entre les matériaux et les luminaires dans lesquels ils sont montés.

Des instruments et des montages bien pensés peuvent surmonter bon nombre de ces problèmes et apporter des mesures de propriétés diélectriques et magnétiques fiables, reproductibles et efficaces 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 de l'écosystème électronique.

Giovanni D'Amore, responsable marketing de marque, Keysight Technologies