Six techniques pour mesurer les propriétés diélectriques

Si vous pensez aux propriétés diélectriques, c'est probablement dans le contexte d'expériences de physique scolaire sur le stockage de charge, ou peut-être la manière dont le choix des matériaux diélectriques influence les caractéristiques d'un condensateur avec lequel vous travaillez. Il s'avère cependant que les propriétés diélectriques des matériaux sont importantes pour toutes sortes d'industries pour différentes raisons. La mesure précise de ces propriétés est donc importante dans de nombreux contextes. Cet article examine certaines techniques clés de mesure des propriétés diélectriques et certains des domaines d'application de chacune d'entre elles.

Techniques de mesureIl existe plusieurs techniques pour mesurer les propriétés diélectriques, en utilisant une combinaison d'instruments précis, de dispositifs de test pour maintenir le matériau à tester (MUT) et de logiciels qui facilitent la mesure de facteurs complexes de permittivité et de perméabilité et l'affichage des résultats.

Keysight Technologies, par exemple, dispose d'instruments tels que des analyseurs de réseau, des analyseurs d'impédance et des compteurs LCR qui peuvent fournir des résultats précis à des fréquences appliquées allant jusqu'à 1,5 THz. Il propose également des appareils qui appliquent la sonde coaxiale, la plaque parallèle, les lignes de transmission coaxiales/guides d'ondes, les techniques de mesure en espace libre et à cavité résonnante illustrées à la Figure 1.

Comment fonctionnent chacun d'entre eux, et quels sont leurs avantages et leurs limites ?

Méthode de la sonde coaxiale La méthode de la sonde coaxiale est la meilleure pour les liquides et les matériaux semi-solides (poudre). Il est simple, pratique, non destructif et ne nécessite qu'une seule mesure. Un système de mesure typique se compose d'un analyseur de réseau ou d'un analyseur d'impédance, d'une sonde coaxiale et d'un logiciel.

Le choix de la sonde et de l'analyseur dépend de la fréquence de mesure, mais la plage globale va de 10 MHz à 50 GHz. Il existe des sondes à haute température qui résistent à -40 à 200° C, et celles-ci peuvent être fabriquées avec une grande bride afin qu'elles puissent mesurer des matériaux solides à surface plane ainsi que des liquides et des semi-solides. Les sondes minces sont utiles pour mesurer dans les cuves de fermentation, les chambres de réaction chimique et d'autres équipements à petites ouvertures, tandis que les sondes hautes performances combinent bon nombre de ces caractéristiques dans un appareil qui peut être stérilisé dans un autoclave - utile pour l'alimentation, la médecine et la chimie les industries.

Méthode de la ligne de transmission La méthode de la ligne de transmission est une technique à large bande pour les solides usinables, qui place le MUT à l'intérieur d'une ligne de transmission fermée. La couverture de fréquence est limitée principalement par la taille du porte-échantillon.

Méthode de l'espace libre Les approches de l'espace libre utilisent des antennes pour concentrer l'énergie micro-onde sur ou à travers une dalle de matériau. Cette méthode sans contact peut être appliquée à des matériaux à haute température et est particulièrement utile aux fréquences millimétriques.

Méthode de la cavité résonnante Les cavités résonnantes sont des structures à Q élevé qui résonnent à certaines fréquences. Un échantillon du matériau affecte la fréquence centrale et le facteur Q de la cavité, ce qui permet à son tour de calculer sa permittivité. Par exemple, Keysight propose à cet effet le résonateur à cylindre divisé 85072A 10 GHz, ainsi que des résonateurs diélectriques à montant divisé.

Méthode du condensateur à plaques parallèles La méthode du condensateur à plaques parallèles consiste à prendre en sandwich une fine feuille de matériau entre deux électrodes pour former un condensateur. La méthode fonctionne mieux pour des mesures précises et à basse fréquence de feuilles minces ou de liquides.

Un système de mesure typique utilisant la méthode des plaques parallèles consiste en un compteur LCR ou un analyseur d'impédance.

Méthode de mesure de l'inductance Cette approche dérive la perméabilité d'un matériau en mesurant son inductance comme s'il s'agissait d'un noyau toroïdal. Le fil est enroulé autour du MUT et son inductance est évaluée par rapport aux extrémités du fil. Keysight propose le montage de test de matériau magnétique 16454A, qui forme une structure idéale pour les inducteurs à un tour, car il ne fuit pas de flux lorsqu'un noyau toroïdal y est inséré.

La figure 3, ci-dessous, cartographie les différentes approches et types de montages de test par rapport aux matériaux soumis à des fréquences de test et de mesure.

Logiciel Les résultats de certaines mesures diélectriques peuvent être complexes à interpréter comme des mesures de permittivité et de perméabilité. Des logiciels tels que la suite de mesures de matériaux Keysight N1500A peuvent faciliter le travail avec un analyseur de réseau, en guidant les utilisateurs tout au long des étapes de configuration et de mesure des tests, puis en convertissant les données de paramètres S résultantes qu'ils produisent dans les formats de votre choix. Le logiciel prend en charge une variété de méthodes de mesure et de modèles mathématiques, pour répondre à la plupart des besoins des applications. Le logiciel peut également être nécessaire pour modéliser toute interaction entre l'appareil et le MUT pour permettre l'extraction des propriétés du matériau en vrac.

Une technique appelée désintégration permet à un échantillon d'être soutenu par un support diélectrique sur un ou les deux côtés. Il supprime mathématiquement les effets du support, de sorte que les propriétés électromagnétiques de l'échantillon uniquement sont rapportées. Ceci est utile lorsqu'un échantillon n'est pas suffisamment rigide ou épais pour tenir debout tout seul, ou lorsqu'il ne peut pas être retiré d'un substrat.

Profil de l'auteurGiovanni D'Amore est responsable marketing de la marque chez Keysight Technologies.