誘電特性を測定するための 6 つの手法

誘電特性について考える場合、それはおそらく、電荷蓄積に関する学校の物理学の実験の文脈で、またはおそらく、誘電材料の選択が作業中のコンデンサの特性に影響を与える方法の文脈で考えられるでしょう。 しかし、材料の誘電特性はさまざまな理由であらゆる種類の産業にとって重要であることが判明しました。 したがって、これらの特性を正確に測定することは、多くの状況において重要です。 この記事では、誘電特性を測定するためのいくつかの主要な技術と、それぞれの応用分野のいくつかについて説明します。

測定技術誘電特性を測定するには、精密機器、試験対象物質 (MUT) を保持する試験治具、複雑な誘電率と透磁率の測定と結果の表示を容易にするソフトウェアを組み合わせて使用​​するいくつかの手法があります。

たとえば、Keysight Technologies は、最大 1.5THz の適用周波数で正確な結果を提供できるネットワーク アナライザ、インピーダンス アナライザ、LCR メータなどの機器を備えています。 また、図 1 に示す同軸プローブ、平行平板、同軸/導波管伝送線路、自由空間および共鳴空洞測定技術を適用する治具も提供します。

これらはそれぞれどのように機能し、利点と制限は何ですか?

同軸プローブ法 同軸プローブ法は、液体および半固体（粉末）材料に最適です。 シンプルかつ便利で非破壊的であり、必要なのは 1 回の測定のみです。 一般的な測定システムは、ネットワーク アナライザまたはインピーダンス アナライザ、同軸プローブ、およびソフトウェアで構成されます。

プローブとアナライザーの選択は測定周波数によって異なりますが、全体の範囲は 10MHz ～ 50GHz です。 -40℃～200℃まで耐えられる高温プローブもあり、フランジを大きくとることができるため、液体や半固体だけでなく、平面状の固体の測定も可能です。 スリムなプローブは発酵タンク、化学反応チャンバー、その他の開口部の小さな機器での測定に役立ちますが、高性能プローブはこれらの特性の多くをオートクレーブで滅菌できるデバイスに組み合わせており、食品、医療、化学分野に役立ちます。産業。

伝送線路法 伝送線路法は、密閉された伝送線路内に MUT を配置する、機械加工可能な固体用の広帯域技術です。 周波数範囲は主にサンプルホルダーのサイズによって制限されます。

自由空間法 自由空間法では、アンテナを使用して、材料のスラブ上または材料のスラブを通してマイクロ波エネルギーを集中させます。 この非接触方法は高温の材料に適用でき、特にミリ波周波数で有用です。

共鳴空洞法 共鳴空洞は、特定の周波数で共鳴する高 Q 構造です。 材料のサンプルはキャビティの中心周波数と Q 値に影響を与え、それによって誘電率を計算できるようになります。 たとえば、Keysight は、この目的のために 85072A 10GHz スプリットシリンダー共振器と、スプリットポスト誘電体共振器を提供しています。

平行平板コンデンサ法 平行平板コンデンサ法では、2 つの電極の間に材料の薄いシートを挟んでコンデンサを形成します。 この方法は、薄いシートや液体の正確な低周波測定に最適です。

平行平板法を使用する一般的な測定システムは、LCR メーターまたはインピーダンス アナライザーで構成されます。

インダクタンス測定方法 このアプローチでは、トロイダルコアであるかのようにそのインダクタンスを測定することによって、材料の透磁率を導き出します。 ワイヤは MUT の周りに巻き付けられ、そのインダクタンスはワイヤの端を基準にして評価されます。 キーサイトは、16454A磁性材料テスト・フィクスチャを提供しています。これは、トロイダル・コアを挿入しても磁束が漏れないため、シングル・ターン・インダクタにとって理想的な構造を形成します。

下の図 3 は、さまざまなアプローチと試験治具のタイプを、試験対象の材料および測定周波数に対してマッピングしています。

ソフトウェア一部の誘電体測定の結果は、誘電率および透磁率の測定として解釈するには複雑になる場合があります。 Keysight N1500A材料測定スイートなどのソフトウェアを使用すると、テストのセットアップと測定の段階をユーザーにガイドし、結果として出力されるSパラメータ・データを選択した形式に変換することで、ネットワーク・アナライザの操作が容易になります。 このソフトウェアは、ほとんどのアプリケーションのニーズを満たすために、さまざまな測定方法と数学的モデルをサポートしています。 ソフトウェアは、バルク材料特性の抽出を可能にするために、フィクスチャと MUT の間の相互作用をモデル化することも必要になる場合があります。

ディエンベディングと呼ばれる技術により、サンプルの片面または両面を誘電体で裏打ちすることができます。 数学的にバッキングの影響を除去するため、サンプルのみの電磁特性が報告されます。 これは、サンプルが自立できるほど硬くない、または厚くない場合、またはサンプルを基板から取り外すことができない場合に役立ちます。

著者プロフィールGiovanni D'Amore は、Keysight Technologies のマーケティング ブランド マネージャーです。