Costante dielettrica in un condensatore pianoIn questo articolo scopriamo come analizzare le caratteristiche fondamentali dei materiali misurandone le proprietà dielettriche.

Esistono varie tecniche per misurare le proprietà dielettriche dei materiali, ognuna più adatta a determinati tipi di applicazioni. Ne esaminiano sei diverse.

Se vi capita di pensare alle proprietà dielettriche della materia, sarà ricordando il contesto degli esperimenti di fisica sull’immagazzinamento di carica ai tempi della scuola o, forse, quando siete impegnati a valutare in che modo la scelta del materiale dielettrico influenza le caratteristiche del condensatore con cui state lavorando.

Invece, le proprietà dielettriche dei materiali giocano un ruolo rilevante in moltissimi ambiti industriali, nei modi più svariati. La possibilità di misurare accuratamente tali proprietà è quindi importante in molti contesti. Questo articolo illustra alcune tecniche chiave per la misura della costante dielettrica e le aree applicative in cui trovano impiego.

Quando è importante conoscere le proprietà dielettriche

In quali settori applicativi è importante misurare le caratteristiche dielettriche dei materiali?

Sicuramente, come già menzionato, in campo elettronico per caratterizzare le prestazioni dei condensatori, ma non solo.

Infatti, sono molto importanti anche le proprietà dielettriche dei substrati impiegati nella realizzazione dei circuiti stampati: quando si utilizzano le piste sul circuito stampato per realizzare antenne, quando si introducono delle ferriti per controllare la propagazione del campo elettromagnetico, quando si lavora con strati assorbenti e si sviluppano dei fantocci da usarsi in sistemi di misura con tassi di assorbimento specifici.

L’industria aerospaziale e della difesa si preoccupano delle proprietà dielettriche nel contesto dello sviluppo di tecnologie stealth, di materiali che assorbono le radiazioni e nelle cupole che proteggono le antenne.

In un contesto industriale più ampio, i fabbricanti devono caratterizzare i materiali ceramici e compositi che sviluppano per i componenti delle autovetture e per materiali di rivestimento, polimerici e plastici impiegati per realizzare fibre, pellicole, materiali di isolamento, idrogel per pannolini usa e getta, lenti a contatto soffici e cristalli liquidi per gli schermi. Questi materiali possono finire anche in vernici, pneumatici e adesivi e nelle rispettive applicazioni.

La misura delle proprietà dielettriche è fondamentale e strategica anche nell’industria alimentare ed ha un forte impatto nello studio dei processi di scarto, nella compatibilità con la cottura in forni a microonde, nell’imballaggio e nella misura dell’umidità.

Anche le industrie legate allo sfruttamento delle foreste e delle miniere impiegano le misure dielettriche per registrare il contenuto di umidità nel legno e nella carta e per analizzare il contenuto del petrolio. Infine, la ricerca farmaceutica impiega tali misure nella ricerca sui sistemi impiantabili, nella caratterizzazione dei tessuti umani, nonché per progettare sistemi a biomassa e di fermentazione.

Tecniche di misura

Esistono numerose tecniche per misurare le proprietà dielettriche di un materiale, attraverso una combinazione di strumenti precisi, attrezzature per contattare il materiale in prova, e di un software che renda più facile misurare parametri come la permittività, permeabilità e visualizzare i risultati sottoforma di grafici o tabelle.

Ad esempio, Keysight Technologies offre una vasta gamma di strumenti come analizzatori di reti, analizzatori di impedenza e misuratori LCR che possono fornire risultati accurati a frequenze fino a 1,5 THz.

Inoltre, mette a disposizione attrezzature per il collegamento con sonde coassiali, elettrodi a facce piane e parallele, per misure con linee di trasmissione coassiali o guide d’onda, in cavità risonanti e in spazio libero, come illustrato in figura 1.

Tecniche di misura delle proprietà dielettriche dei materialiFigura 1: Tecniche di misura delle proprietà dielettriche dei materiali

Come funzionano e quali sono pregi e difetti di tutte queste tecniche?

Metodo con sonda coassiale

Il metodo della sonda coassiale è il migliore per materiali liquidi e semi-solidi, come polveri o gel. Oltre ad essere semplice, comodo e non distruttivo, richiede una misura singola. Un tipico sistema di misura consiste di un analizzatore di reti o di impedenza, la sonda coassiale ed il software.

La scelta del tipo di sonda e dello strumento di misura dipende dalla frequenza di indagine, compresa in generale nell’intervallo da 10 MHz a 50 GHz.

Esistono sonde per temperature estreme che operano da -40°C a +200°C, montate anche su ampie flange, per la misura sia sulla superficie piatta di materiali solidi che in liquidi o semi-solidi.

Le sonde con un profilo più sottile possono essere utili per misure nei serbatoi di fermentazione, nei reattori chimici ed in altri apparati con piccole aperture. Invece le sonde ad alte prestazioni combinano molte di queste caratteristiche in un dispositivo che può essere sterilizzato in autoclave ed è quindi impiegabile in ambito alimentare, medico e chimico.

Esempio di un kit di sonde dielettricheFigura 2: Un esempio di un kit di sonde dielettriche

Metodo della linea di trasmissione

Il metodo della linea di trasmissione è una tecnica a banda larga per materiali solidi lavorabili che vengono racchiusi in una linea di trasmissione. Lo spettro di frequenze esplorabili è limitato principalmente dalle dimensioni del supporto del campione.

Metodo in spazio libero

Gli approcci in spazio libero impiegano antenne per focalizzare l’energia alle microonde su o attraverso una lamina del materiale. Questo metodo non a contatto può essere applicato a materiali che si trovano ad elevate temperature ed è particolarmente utile alle lunghezze d’onda millimetriche.

Metodo in cavità risonante

Le cavità risonanti sono strutture ad elevato fattore di qualità Q che risuonano a certe frequenze.

La presenza del campione modifica la frequenza di risonanza ed il fattore di qualità della cavità. Da tali variazioni è possibile ricavare la costante dielettrica. Ad esempio, Keysight offre per questo scopo il risonatore a cilindri separati 85072A operante a 10 GHz, così come risonatori dielettrici split-post.

Metodo con condensatore a facce piane e parallele

Il metodo del condensatore a facce piane e parallele richiede di bloccare un sottile foglio del materiale tra due elettrodi in modo da formare un condensatore, proprio come nei libri di testo di fisica.

Questo metodo è il migliore in termini di accuratezza, in particolare a bassa frequenza e per materiali solidi già in forma di fogli o liquidi.

In questo caso, un tipico banco di misura comprende un misuratore LCR o un analizzatore di impedenza.

Metodo della misura di induttanza

Questo approccio deriva il valore della costante dielettrica di un materiale dalla misura della sua induttanza, come se fosse un nucleo toroidale.

Del filo viene avvolto attorno al materiale e la sua induttanza viene misurata ai capi di filo.

Keysight offre l’attrezzatura 16454A per materiali magnetici che rappresenta la struttura ideale per induttori a singolo avvolgimento, dato che il flusso non fuoriesce quando un nucleo toroidale viene posto al suo interno.

La figura 3 sottostante riporta in una mappa i vari approcci descritti ed i tipi di attrezzature di interfaccia al variare dei diversi materiali e delle frequenze di indagine.

Mappa dei tipi di sonde e di attrezzature disponibili a seconda del tipo di materiale e delle frequenze di indagineFigura 3: Mappa dei tipi di sonde e di attrezzature disponibili a seconda del tipo di materiale e delle frequenze di indagine offerti da Keysight Technologies

Software

I risultati di alcune misure dielettriche possono essere complicati da interpretare in termini di costante dielettrica e permeabilità.

Pacchetti software come la suite N1500A di analisi dei materiali di Keysight consentono di semplificare l’impiego dell’analizzatore di reti, guidando l’utente attraverso la verifica del banco di misura, nelle varie fasi della misura ed infine nella conversione dei parametri S risultanti in formati che rappresentano le caratteristiche del materiale.

Il software supporta una grande varietà di metodi di misura e di modelli matematici, al fine di adattarsi alla maggior parte della applicazioni. Il software può anche essere necessario per modellizzare le interazioni tra gli elettrodi ed il materiale, per consentire la corretta estrazione delle proprietà intrinseche dello stesso.

Schermata di definizione delle caratteristiche del porta campione con possibilità di scorporo dell’effetto degli elettrodiFigura 4: Schermata di definizione delle caratteristiche del porta campione con possibilità di scorporo dell’effetto degli elettrodiLa figura 4 mostra come sia possibile definire il campione rispetto al supporto. Una tecnica chiamata de-embedding consente di scorporare il contributo alla misura di elementi presenti in entrambi i lati del campione.

L’effetto dell’accoppiamento di questi materiali accessori viene sottratto matematicamente in modo da mostrare solo le proprietà elettromagnetiche del campione. Questo è utile quando il campione non è rigido o spesso abbastanza per sostenersi da solo o non può essere staccato da un substrato.

 

*Giovanni D’Amore lavora come Marketing Brand Manager in Keysight Technologies

Categoria: Misure Analogiche

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