Sechs Techniken zur Messung dielektrischer Eigenschaften

Wenn Sie überhaupt über dielektrische Eigenschaften nachdenken, dann wahrscheinlich im Zusammenhang mit Schulphysikexperimenten zur Ladungsspeicherung oder vielleicht im Zusammenhang mit der Art und Weise, wie die Wahl der dielektrischen Materialien die Eigenschaften eines Kondensators beeinflusst, mit dem Sie arbeiten. Es stellt sich jedoch heraus, dass die dielektrischen Eigenschaften von Materialien aus unterschiedlichen Gründen für alle Branchen von Bedeutung sind. Daher ist es in vielen Zusammenhängen wichtig, diese Eigenschaften genau zu messen. Dieser Artikel befasst sich mit einigen Schlüsseltechniken zur Messung dielektrischer Eigenschaften und einigen Anwendungsbereichen für jede dieser Techniken.

MesstechnikenEs gibt verschiedene Techniken zum Messen dielektrischer Eigenschaften, wobei eine Kombination aus präzisen Instrumenten, Testvorrichtungen zum Halten des zu testenden Materials (MUT) und Software zum Einsatz kommt, die die Messung komplexer Permittivitäts- und Permeabilitätsfaktoren und die Anzeige der Ergebnisse erleichtert.

Keysight Technologies verfügt beispielsweise über Instrumente wie Netzwerkanalysatoren, Impedanzanalysatoren und LCR-Messgeräte, die bei angelegten Frequenzen von bis zu 1,5 THz genaue Ergebnisse liefern können. Es bietet auch Vorrichtungen an, die die in Abbildung 1 gezeigten Koaxialsonden-, Parallelplatten-, Koaxial-/Wellenleiter-Übertragungsleitungs-, Freiraum- und Hohlraumresonator-Messtechniken anwenden.

Wie funktionieren diese und welche Vorteile und Grenzen haben sie?

Koaxialsondenmethode Die Koaxialsondenmethode eignet sich am besten für Flüssigkeiten und halbfeste (pulverförmige) Materialien. Es ist einfach, bequem, zerstörungsfrei und erfordert nur eine einzige Messung. Ein typisches Messsystem besteht aus einem Netzwerkanalysator oder Impedanzanalysator, einer Koaxialsonde und Software.

Die Wahl der Sonde und des Analysators hängt von der Messfrequenz ab, der Gesamtbereich liegt jedoch zwischen 10 MHz und 50 GHz. Es gibt Hochtemperatursonden, die Temperaturen von –40 bis 200 °C standhalten, und diese können mit einem großen Flansch hergestellt werden, sodass sie feste Materialien mit flacher Oberfläche sowie Flüssigkeiten und halbfeste Stoffe messen können. Schlanke Sonden eignen sich für Messungen in Gärtanks, chemischen Reaktionskammern und anderen Geräten mit kleinen Öffnungen, während Hochleistungssonden viele dieser Eigenschaften in einem Gerät vereinen, das in einem Autoklaven sterilisiert werden kann – nützlich für die Lebensmittel-, Medizin- und Chemieindustrie Branchen.

Übertragungsleitungsmethode Die Übertragungsleitungsmethode ist eine Breitbandtechnik für bearbeitbare Festkörper, bei der das MUT in eine geschlossene Übertragungsleitung eingebaut wird. Die Frequenzabdeckung wird hauptsächlich durch die Größe des Probenhalters begrenzt.

Freiraummethode Bei Freiraumansätzen werden Antennen verwendet, um Mikrowellenenergie auf oder durch eine Materialplatte zu fokussieren. Diese berührungslose Methode kann auf Materialien bei hohen Temperaturen angewendet werden und ist besonders nützlich bei Millimeterwellenfrequenzen.

Hohlraumresonanzmethode Hohlraumresonatoren sind Strukturen mit hohem Q, die bei bestimmten Frequenzen in Resonanz treten. Eine Probe des Materials beeinflusst die Mittenfrequenz und den Q-Faktor des Hohlraums, was wiederum die Berechnung seiner Permittivität ermöglicht. Keysight bietet für diesen Zweck beispielsweise den 10-GHz-Split-Cylinder-Resonator 85072A sowie dielektrische Split-Post-Resonatoren an.

Methode mit Parallelplattenkondensatoren Bei der Methode mit Parallelplattenkondensatoren wird eine dünne Materialschicht zwischen zwei Elektroden gelegt, um einen Kondensator zu bilden. Die Methode eignet sich am besten für genaue Niederfrequenzmessungen dünner Schichten oder Flüssigkeiten.

Ein typisches Messsystem mit der Parallelplattenmethode besteht aus einem LCR-Messgerät oder Impedanzanalysator.

Induktivitätsmessmethode Bei diesem Ansatz wird die Permeabilität eines Materials durch Messung seiner Induktivität wie bei einem Ringkern ermittelt. Der Draht wird um den MUT gewickelt und seine Induktivität wird in Bezug auf die Enden des Drahtes bewertet. Keysight bietet die Prüfvorrichtung für magnetisches Material 16454A an, die eine ideale Struktur für Single-Turn-Induktoren darstellt, da sie keinen Fluss verliert, wenn ein Ringkern darin eingesetzt wird.

Abbildung 3 unten zeigt die verschiedenen Ansätze und Prüfvorrichtungstypen gegenüber den zu prüfenden Materialien und den Messfrequenzen.

Software Die Interpretation der Ergebnisse einiger dielektrischer Messungen als Permittivitäts- und Permeabilitätsmessungen kann schwierig sein. Software wie die Materialmesssuite Keysight N1500A kann die Arbeit mit einem Netzwerkanalysator erleichtern, indem sie Benutzer durch den Testaufbau und die Messphasen führt und dann die daraus resultierenden S-Parameter-Daten in die von Ihnen gewählten Formate umwandelt. Die Software unterstützt eine Vielzahl von Messmethoden und mathematischen Modellen, um den meisten Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Möglicherweise muss die Software auch die Interaktion zwischen der Vorrichtung und dem MUT modellieren, um die Extraktion der Eigenschaften des Schüttguts zu ermöglichen.

Eine Technik namens De-embedding ermöglicht es, eine Probe auf einer oder beiden Seiten mit einem dielektrischen Träger zu versehen. Dadurch werden die Auswirkungen des Trägers mathematisch entfernt, sodass nur die elektromagnetischen Eigenschaften der Probe angegeben werden. Dies ist nützlich, wenn eine Probe nicht steif oder dick genug ist, um alleine zu stehen, oder wenn sie nicht von einem Substrat entfernt werden kann.

AutorenprofilGiovanni D'Amore ist Marketing-Markenmanager bei Keysight Technologies.