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Giovanni D'Amore は、誘電体および磁性材料の特性を評価するためのインピーダンス アナライザーと専門的な治具の使用について説明しました。
私たちは、携帯電話のモデルの世代や半導体製造プロセスのノードから技術の進歩について考えることに慣れています。これらは、実現技術 (材料科学の分野など) における便利な簡略化された、しかし目立たない進歩を提供します。
ブラウン管テレビを分解したり古い電源を入れたりしたことがある人なら、1 つのことを知っているでしょう。20 世紀の部品を使って 21 世紀の電子機器を作ることはできないということです。
たとえば、材料科学とナノテクノロジーの急速な進歩により、高密度、高性能のインダクタやコンデンサの構築に必要な特性を備えた新しい材料が生み出されました。
これらの材料を使用した機器の開発には、さまざまな動作周波数および温度範囲にわたって、誘電率や透磁率などの電気的および磁気的特性を正確に測定する必要があります。
誘電材料は、コンデンサや絶縁体などの電子部品において重要な役割を果たします。材料、特にセラミックの組成や微細構造を制御することで、材料の誘電率を調整できます。
新しい材料の性能を予測するには、コンポーネント開発サイクルの早い段階で新しい材料の誘電特性を測定することが非常に重要です。
誘電材料の電気的特性は、実数部と虚数部で構成される複素誘電率によって特徴付けられます。
誘電率の実部 (誘電率とも呼ばれます) は、電界にさらされたときに材料がエネルギーを蓄積する能力を表します。誘電率が低い材料と比較して、誘電率が高い材料は、単位体積あたりにより多くのエネルギーを蓄積できます。そのため、高密度コンデンサに役立ちます。
誘電率が低い材料は、まさに大量のエネルギーを蓄えることができないため、信号伝送システムで有用な絶縁体として使用でき、それによって絶縁されたワイヤを介した信号伝播遅延を最小限に抑えることができます。
複素誘電率の虚数部は、電界において誘電体材料によって散逸されるエネルギーを表します。これには、これらの新しい誘電体材料で作られたコンデンサなどのデバイスで過剰なエネルギーが散逸しないように、慎重な管理が必要です。
誘電率の測定にはさまざまな方法があります。平行平板法では、2 つの電極の間に被測定材料 (MUT) を配置します。図 1 に示す式を使用して材料のインピーダンスを測定し、それを複素誘電率に変換します。材料の厚さと電極の面積と直径を指します。
この方法は主に低周波測定に使用されます。原理は簡単ですが、特に低損失材料では測定誤差があり、正確な測定が困難です。
複素誘電率は周波数によって変化するため、動作周波数で評価する必要があります。高周波数では、測定システムによって引き起こされる誤差が増加し、測定が不正確になります。
誘電体テスト・フィクスチャ (Keysight 16451B など) には 3 つの電極があります。そのうち 2 つはコンデンサを形成し、3 つ目は保護電極を提供します。保護電極が必要なのは、2 つの電極間に電界が確立されると、コンデンサの一部がコンデンサの一部を保護するためです。電界は、それらの間に設置された MUT を通って流れます (図 2 を参照)。
このフリンジフィールドの存在は、MUT の誘電率の誤った測定につながる可能性があります。保護電極がフリンジフィールドを流れる電流を吸収するため、測定精度が向上します。
材料の誘電特性を測定したい場合は、材料のみを測定し、他には何も測定しないことが重要です。このため、材料サンプルが非常に平らであり、サンプルとサンプルの間に空隙がないようにすることが重要です。電極。
これを達成するには2つの方法があります。1つ目は、試験材料の表面に薄膜電極を適用することです。2つ目は、電極の有無で測定される電極間の静電容量を比較することによって複素誘電率を導き出すことです。材料の。
ガード電極は低周波での測定精度を向上させるのに役立ちますが、高周波では電磁場に悪影響を与える可能性があります。一部のテスターでは、この測定技術の有効周波数範囲を拡張できるコンパクトな電極を備えたオプションの誘電体材料固定具が提供されています。フリンジ容量の影響を排除するのに役立ちます。
治具やアナライザによって引き起こされる残留誤差は、開回路、短絡、負荷補償によって軽減できます。一部のインピーダンス アナライザにはこの補償機能が組み込まれており、これにより広い周波数範囲にわたって正確な測定を行うことができます。
誘電材料の特性が温度によってどのように変化するかを評価するには、温度制御された部屋と耐熱ケーブルの使用が必要です。一部の分析装置には、ホットセルと耐熱ケーブル キットを制御するソフトウェアが付属しています。
フェライト材料も誘電体材料と同様に改良が進み、インダクタンス部品や磁石、トランス、磁界吸収体、抑制器などの部品として電子機器に広く使用されています。
これらの材料の主な特性には、重要な動作周波数での透磁率と損失が含まれます。磁性材料固定具を備えたインピーダンス アナライザは、広い周波数範囲にわたって正確で再現性のある測定を提供できます。
誘電体材料と同様に、磁性材料の透磁率は実数部と虚数部で表される複雑な特性です。実数項は材料の磁束伝導能力を表し、虚数項は材料内の損失を表します。高い透磁率を持つ材料は、磁気システムのサイズと重量を削減するために使用されます。透磁率の損失成分は、変圧器などのアプリケーションで効率を最大化するために最小限に抑えることができ、シールドなどのアプリケーションで最大化することができます。
複素透磁率は、材料によって形成されるインダクタのインピーダンスによって決まります。ほとんどの場合、複素透磁率は周波数によって変化するため、動作周波数で特性評価する必要があります。より高い周波数では、インダクタの寄生インピーダンスのため、正確な測定が困難になります。低損失材料の場合、インピーダンスの位相角は重要ですが、位相測定の精度は通常不十分です。
透磁率は温度によっても変化するため、測定システムは広い周波数範囲にわたって温度特性を正確に評価できる必要があります。
複素透磁率は、磁性材料のインピーダンスを測定することで導き出すことができます。これは、材料の周りにいくつかのワイヤを巻き付け、ワイヤの端に対するインピーダンスを測定することによって行われます。結果は、ワイヤの巻き方と相互作用によって異なる場合があります。磁場とその周囲の環境の関係。
磁性材料テスト フィクスチャ (図 3 を参照) は、MUT のトロイダル コイルを囲む単巻インダクタを提供します。単巻インダクタンスには漏れ磁束がないため、フィクスチャ内の磁場は電磁理論によって計算できます。 。
インピーダンス/材料アナライザと組み合わせて使用​​すると、同軸フィクスチャとトロイダル MUT の単純な形状を正確に評価でき、1kHz から 1GHz までの広い周波数カバレッジを実現できます。
測定システムに起因する誤差は、測定前に除去できます。インピーダンス・アナライザに起因する誤差は、3項誤差補正によって校正できます。より高い周波数では、低損失コンデンサの校正により位相角精度を向上できます。
フィクスチャは別の誤差の原因となる可能性がありますが、残留インダクタンスは MUT なしでフィクスチャを測定することで補償できます。
磁性材料の温度特性を評価するには、誘電体測定と同様に恒温槽と耐熱ケーブルが必要です。
より優れた携帯電話、より高度な運転支援システム、より高速なラップトップはすべて、幅広いテクノロジーの継続的な進歩に依存しています。半導体プロセス ノードの進歩を測定することはできますが、これらの新しいプロセスを可能にする一連のサポート テクノロジーが急速に開発されています。使用されます。
材料科学とナノテクノロジーの最新の進歩により、以前よりも優れた誘電特性と磁性特性を備えた材料を製造できるようになりました。しかし、特に材料とその上の固定具の間の相互作用が必要ないため、これらの進歩を測定することは複雑なプロセスです。それらはインストールされています。
よく考え抜かれた機器と治具は、これらの問題の多くを克服し、これらの分野の特別な専門知識を持たないユーザーでも、信頼性が高く、再現性があり、効率的な誘電体および磁性材料の特性測定を実現できます。その結果、先進的な材料をより迅速に導入できるようになります。電子エコシステム。
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このポッドキャストを聞いて、ザイリンクスのインダストリー、ビジョン、ヘルスケア、サイエンス担当ディレクターの Chetan Khona が、ザイリンクスと半導体業界が顧客のニーズにどのように対応しているかについて語ります。
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