Rohde & Schwarz unterstützt die materialwissenschaftliche Forschung mit seinem einzigartigen Know-how in der HF-Technik. Im Juli 2021 konnten wir darüber hinaus Zurich Instruments in die Rohde & Schwarz Firmengruppe aufnehmen. Zurich Instruments bietet Lösungen für die Impedanzmessung und Materialwissenschaft, die das Portfolio von Rohde & Schwarz perfekt ergänzen.
Impedanz-Analysator – Niederfrequenzmessungen
Ein Dielektrikum ist ein elektrischer Isolator, der aufgrund seiner Polarisierbarkeit bei Gleichstrom eine sehr geringe Leitfähigkeit aufweist. Eine solche Substanz kann auch zum Speichern von Ladungen im niedrigen und mittleren Frequenzbereich genutzt werden. Dieser kapazitive Effekt macht Dielektrika nützlich zur Ladungsspeicherung und -ableitung. Es ist wichtig, die Dielektrizitätszahl von Materialien zu kennen, die für Kondensatoren oder Dünnfilm-Dielektrika eingesetzt werden. Zu den Anwendungsbereichen gehören:
- Verlustarme elektrische Komponenten
- Energiespeicher wie Superkondensatoren
- High-k- und Low-k-Gates in Halbleiterbauelementen
- Piezo- und ferroelektrische Sensoren und Wandler
Eine Impedanzanalyse eines Dielektrikums ist erforderlich, um die physikalischen Materialeigenschaften zu bestimmen sowie die Bauteil-Performance zu optimieren.
Für Messungen bei niedrigen Frequenzen ist ein Impedanz-Analysator das Gerät der Wahl. Der MFIA von Zurich Instruments kann Messungen über einen Frequenzbereich von 1 mHz bis 5 MHz durchführen und verschiedene Impedanzparameter berechnen, z. B. die Dielektrizitätszahl und den Verlustfaktor.
Die dielektrische Charakterisierung mit Hilfe eines Impedanz-Analysators erfolgt an einer Probe genau definierter Geometrie, die mit zwei Elektroden kontaktiert ist. Meist kommt ein Aufbau mit parallelen Platten zum Einsatz. Anhand dieser Geometrie kann die Dielektrizitätszahl (Permittivität) abgeleitet werden, da sie dem Verhältnis der Materialkapazität zur Luftkapazität entspricht.
Vektornetzwerkanalysator (VNA) – Hochfrequenzcharakterisierung
Für die Hochfrequenzcharakterisierung wird ein VNA benötigt. Die Messmethode hängt vom erforderlichen Frequenzbereich und der gewünschten Messgeschwindigkeit und -genauigkeit ab. Die vier gängigsten Methoden sind:
- Transmissions-/Reflexionsmethode
- Freiraummethode
- Methode der offenen Koaxialsonde
- (Hohlraum-) Resonator-Methode
Darüber hinaus sind auch die physikalischen und dielektrischen Eigenschaften des Materials wichtig. Handelt es sich bei dem Material beispielsweise um einen Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Pulver? Ist das Material sehr heiß oder weist es eine besondere Form auf? Von diesen Eigenschaften hängt maßgeblich ab, welche Charakterisierungsmethode sich am besten eignet.
Je nach Messmethode sind zusätzlich zum VNA auch unterschiedliche Materialproben-Prüfadapter erforderlich.
