Medindo propriedades críticas de materiais de capacitores e indutores

Giovanni D'Amore discute abordagens para caracterizar materiais dielétricos e magnéticos usando analisadores de impedância e acessórios especializados.

Estamos acostumados a pensar no progresso tecnológico em termos de gerações de modelos de telefones celulares ou nós de processo de fabricação de semicondutores. Estes fornecem uma abreviação útil, mas ofuscam o progresso em tecnologias facilitadoras, como as da ciência dos materiais.

Qualquer um que tenha retirado a parte traseira de uma televisão CRT ou aberto uma fonte de alimentação antiga saberá de uma coisa: você não poderia construir eletrônicos do século 21 usando componentes do século 20.

figura 1

Por exemplo, o rápido progresso na ciência dos materiais e na nanotecnologia criou novos materiais com as características necessárias para construir indutores e capacitores densos e de alto desempenho.

O desenvolvimento de dispositivos que usam esses materiais exige medições precisas de características elétricas e magnéticas, como permissividade e permeabilidade, em uma faixa de frequências e temperaturas operacionais.

Propriedades complexas

Os materiais dielétricos desempenham um papel fundamental em componentes eletrônicos, como capacitores e isoladores. A constante dielétrica de um material pode ser ajustada controlando sua composição e/ou microestrutura, especialmente para cerâmicas.

É importante medir as propriedades dielétricas de um novo material no início do ciclo de desenvolvimento de um componente para prever seu desempenho.

As propriedades elétricas de um material dielétrico são caracterizadas por sua permissividade complexa, que é composta de componentes reais e imaginários.

A parte real da permissividade, também chamada de constante dielétrica, representa a capacidade do material de armazenar energia quando submetido a um campo elétrico. Materiais com uma constante dielétrica mais alta podem armazenar mais energia por unidade de volume do que aqueles com constantes dielétricas mais baixas, tornando-os úteis para capacitores densos.

Materiais com constantes dielétricas mais baixas são isolantes úteis em sistemas de transmissão de sinal, precisamente porque sua incapacidade de armazenar muita energia minimiza o atraso de propagação do sinal através de quaisquer fios que isolem.

A componente imaginária da permissividade complexa representa a energia dissipada por um material dielétrico quando está em um campo elétrico. Isso precisa ser cuidadosamente gerenciado para evitar que dispositivos como capacitores construídos com esses novos materiais dielétricos dissipem muita energia.

Medindo propriedades dielétricas

Existem várias maneiras de medir uma constante dielétrica. O método de placas paralelas coloca o material sob teste (MUT) entre dois eletrodos. A impedância do material é medida e convertida para a permissividade complexa usando as equações mostradas na Figura 1, que referenciam sua espessura e a área e diâmetro dos eletrodos.

Figura 1- protetor de capacitor

Esta abordagem é usada principalmente para medições em baixas frequências. Embora o princípio seja simples, medições precisas são difíceis devido aos erros de medição, especialmente para materiais de baixa perda.

A permissividade complexa varia com a frequência e, portanto, deve ser avaliada na frequência de operação. Em altas frequências, os erros devido ao sistema de medição aumentam, tornando a medição imprecisa.

Um dispositivo de teste de material dielétrico, como o Keysight 16451B, tem três eletrodos. Dois deles formam um capacitor e o terceiro fornece um eletrodo de proteção. O eletrodo de proteção é necessário porque quando um campo elétrico é estabelecido entre dois eletrodos, parte dele fluirá além do MUT montado entre eles (ver Figura 2).

A existência deste campo marginal pode levar a uma medição incorreta da constante dielétrica do MUT. O eletrodo de proteção absorve a corrente que flui através do campo de franja, melhorando assim a precisão da medição.

Preparando uma amostra

Se você deseja medir as propriedades dielétricas de um material, é importante que você meça apenas o material e nada mais. Por isso, é fundamental que a amostra de material seja bem plana, para eliminar qualquer entreferro entre ela e os eletrodos.