DE102020109183A1

DE102020109183A1 - Verfahren zur Messung einer Permittivität von Materialien

Info

Publication number: DE102020109183A1
Application number: DE102020109183.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Bromberg
Original assignee: Kiefel GmbH
Current assignee: Kiefel GmbH
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-10-07
Also published as: DE112021002040A5; WO2021197534A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Messung einer Permittivität (1) eines Materials eines Probenkörpers (2) zum Aufnehmen von mehreren Messpunkten (10, 20, 30, 40) bei zumindest einer Messspannung (12), eine Vorrichtung (300) zur Durchführung des Verfahrens (100) sowie eine Anpass-Schaltung (200), in welcher das vermessene Material des Probenkörpers (2) verwendet wird, wobei das Verfahren (100) mit Hilfe einer Kondensatoranordnung (3) umfassend zumindest einen Kondensator (4) mit Elektroden (9) mit veränderlichem Elektrodenabstand (11, 21, 31, 41) und/oder mehrere Kondensatoren (4) mit Elektroden mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen (11, 21, 31, 41) durchgeführt wird, wobei in den jeweiligen Verfahrensschritten ein Raum zwischen dem Probenkörper (2) und den Elektroden (9) des oder der Kondensatoren (4) mit dem ersten Füllmedium (5) mit einer ersten Permittivität (7) oder mit einem zweiten Füllmedium (6) mit einer zweiten Permittivität (8) ungleich der ersten Permittivität (7) gefüllt ist, sowie einer Extrapolation (50, 60) der Messwerte (10, 20, 30, 40) auf einen Abstand in Richtung Null des Elektrodenabstands durchgeführt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Permittivität von Materialen, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Anpass-Schaltung, die das vermessene Material verwendet.
Hintergrund der Erfindung
Eine Vielzahl von Industriezweigen benötigt ein besseres Verständnis der Materialien, mit denen sie arbeiten, um Konstruktionszyklen zu verkürzen und Prozessüberwachung und Qualitätssicherung zu vereinfachen. Viele Einsatzmöglichkeiten elektrischer Materialien sind von ihren dielektrischen Eigenschaften abhängig. Durch eine genaue Kenntnis dieser Eigenschaften könnten Materialien zielgerichteter in geeignete Anwendungen implementiert werden. Die Kenntnis der dielektrischen Parameter eines Materials kann kritische Designparameter liefern, besonders für viele elektronische Anwendungen. Als Beispiel kann man den Verlust eines Kabelisolators, die Impedanz einer Leitung oder die Frequenz eines dielektrischen Resonators anhand ihrer dielektrischen Eigenschaften bestimmen. Neben Anwendungen im Bereich der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie profitiert auch besonders die Medizintechnik von genauen Kenntnissen dielektrischer Eigenschaften verschiedener Materialien.
Eine besondere Herausforderung im Stand der Technik ist es, die Dielektrizitätszahlen hochpermittiver Materialien mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Beispielsweise sinkt die relative Bandbreite einer Hochfrequenzschaltung mit der Hochfrequenz-Leistung der Schaltung. Silizium-LDMOS-Schaltungen im Radiofrequenz- und Hochfrequenzbereich mit beispielsweise 1kW Ausgangsleistung haben üblicherweise nur wenige Prozent relativer Bandbreite.
Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren zur Messung der Dielektrizitätszahl eines Materials bekannt, welches einen im Wesentlichen planparallel und scheibenförmig ausgeformter Probenkörper aus einem dielektrischen Material verwendet. Die planparallele Probe des zu vermessenden Materials wird zwischen die, vorzugsweise kreisrunden, planparallelen und mit Guard-Elektroden versehenden Elektroden eines Plattenkondensators gebracht und mit den Elektroden des Plattenkondensators, unter Beibehaltung der Planparallelität, in direkten Kontakt gebracht. Der jeweilige Abstand der Elektroden des Plattenkondensators lässt sich mit einer hervorragenden Genauigkeit bestimmen. Der Abstand der Elektroden wird dergestalt eingestellt, dass der Raum zwischen den Elektroden im Wesentlichen zur Gänze durch die zu vermessende Probe ausgefüllt wird. Die Dielektrizitätszahl des zu vermessenden Materials wird dadurch bestimmt, dass zunächst bei vorgegebener Probengeometrie und gegebenem Kondensatoraufbau die Kapazität des Plattenkondensators gemessen wird. Dem Stand der Technik ist der formelmäßige Zusammenhang zwischen der Probengeometrie, dem Kondensatoraufbau, der Dielektrizitätszahl des zu vermessenden Materials sowie dem sich daraus ergebenden Kapazitätswert bekannt. Dies erlaubt dem Stand der Technik, bei gegebener Probengeometrie und gegebenem Kondensatoraufbau aus dem gemessenen Kapazitätswert die Dielektrizitätszahl des zu vermessenden Materials zu bestimmen.
Es hat sich herausgestellt, dass obiges Verfahren gerade bei hochpermittiven Materialien stark fehlerbehaftet ist. Neben Dicke und Permittivität der zu vermessenden Probe hängt der Wert der Kapazität zwischen den Elektroden des dielektrisch verfüllten Plattenkondensators auch von der Dicke der Luftschicht, die sich aufgrund der Unebenheit der Oberfläche des zu vermessenden Materials und der Elektroden zwischen Elektroden und Probe bildet, ab. Selbst bei einer Probendicke von 1 mm führt, bei einer Dielektrizitätszahl von 200, bereits eine mittlere Oberflächenrauhigkeit des zu vermessenden Materials von 250 nm zu einem Messfehler in der Permittivität von 10%.
Es wäre daher wünschenswert, Dielektrizitätszahlen namentlich hochpermittiver dielektrischer Materialien im Hochfrequenzbereich, insbesondere im Radiofrequenzbereich, zuverlässiger und genauer, als dies bisher möglich war, nichtdestruktiv zu messen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Dielektrizitätszahlen von Materialien zuverlässig, genau und nichtdestruktiv gemessen werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Messen einer Permittivität eines Materials eines Probenkörpers durch Aufnehmen von mehreren Messpunkten bei zumindest einer Messspannung mit Hilfe einer Kondensatoranordnung umfassend zumindest einen Kondensator mit Elektroden mit veränderlichem Elektrodenabstand und/oder mehrere Kondensatoren mit Elektroden mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen, umfassend die Schritte:

- Aufnehmen eines ersten Messpunktes aus einem ersten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren der Kondensatoranordnung gemessen wurde, und einem ersten Elektrodenabstand größer als eine Dicke des zwischen den Elektroden angeordneten Probenkörpers, wobei der Elektrodenabstand für die Elektroden dieses Kondensators gemessen wurde, wobei ein Raum zwischen dem Probenkörper und den Elektroden des Kondensators mit einem ersten Füllmedium mit einer ersten Permittivität gefüllt ist;
- Aufnehmen mindestens eines zweiten Messpunktes aus einem zweiten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren der Kondensatoranordnung gemessen wurde, und einem zweiten Elektrodenabstand größer als die Dicke des zwischen den Elektroden angeordneten Probenkörpers und ungleich dem ersten Elektrodenabstand, wobei der Elektrodenabstand für die Elektroden dieses Kondensators gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper und den Elektroden des Kondensators mit dem ersten Füllmedium gefüllt ist;
- Aufnehmen eines dritten Messpunktes aus einem dritten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren der Kondensatoranordnung gemessen wurde, und einem dritten Elektrodenabstand größer als die Dicke des zwischen den Elektroden angeordneten Probenkörpers, wobei der Elektrodenabstand für die Elektroden dieses Kondensators gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper und den Elektroden des Kondensators mit einem zweiten Füllmedium mit einer zweiten Permittivität ungleich der ersten Permittivität gefüllt ist;
- Aufnehmen mindestens eines vierten Messpunktes aus einem vierten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren der Kondensatoranordnung gemessen wurde, und einem vierten Elektrodenabstand größer als die Dicke des zwischen den Elektroden angeordneten Probenkörpers und ungleich dem dritten Elektrodenabstand, wobei der Elektrodenabstand für die Elektroden dieses Kondensators gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper und den Elektroden des Kondensators mit dem zweiten Füllmedium gefüllt ist;
- Durchführen einer ersten Extrapolation der ersten und zumindest zweiten Messpunkte über den Elektrodenabstand Richtung Null des Elektrodenabstands;
- Durchführen einer zweiten Extrapolation der dritten und zumindest vierten Messpunkte über den Elektrodenabstand Richtung Null des Elektrodenabstands; wobei die erste und zweite Extrapolation einen Schnittpunkt miteinander besitzen, wobei ein dem Schnittpunkt entsprechender Kapazitätswert als ein ausgezeichneter Kapazitätswert und ein dem Schnittpunkt entsprechender Wert des Elektrodenabstandes als eine effektive Dicke des Probenkörpers bestimmt wird; und
- Bestimmen der Permittivität des Materials des Probenkörpers aus dem ausgezeichneten Kapazitätswert und der effektiven Dicke.

Unter „Permittivität“ versteht man eine Materialeigenschaft elektrisch isolierender, polarer oder unpolarer Stoffe, die auch Dielektrika genannt werden. In der Elektrodynamik und auch in der Elektrostatik gibt sie die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder an. Die Permittivität ε eines Materials wird als Vielfaches der Permittivität des Vakuums, der Naturkonstante ε₀, angegeben. Diese ist demnach ε = ε₀*ε_r, wobei der Faktor ε_r die materialabhängige relative Permittivität ist. Die „relative Permittivität“ eines Mediums wird auch Permittivitäts- oder Dielektrizitätszahl genannt. In der englischsprachigen Literatur und in der Halbleitertechnik wird die relative Permittivität auch mit κ (kappa) oder - wie etwa bei den high-k-Dielektrika bzw. bei den low-k-Dielektrika - mit k bezeichnet. Auch wird die relative Permittivität weiterhin (relative) Dielektrizitätskonstante genannt. Da ε₀ eine Konstante ist, können die Begriffe „Permittivität“ und „relative Permittivität“ eines Materials als Synonyme behandelt werden. Die relative Permittivität ist im Allgemeinen eine Funktion mehrerer Parameter, insbesondere der Frequenz und der Temperatur, und hängt auch vom magnetischen und vom äußeren elektrischen Feld ab.
Das Material des Probenkörpers kann jegliche Permittivität besitzen, beispielsweise kann das Material dabei ein hochpermittives Material sein. Unter „hochpermittiven Materialien“, bzw. High-k-Dielektrika versteht man Materialien, bzw. Stoffe mit einer Permittivität größer als herkömmliches Siliziumdioxid (ε_r = 3,9) oder Siliziumoxinitrid (ε_r < 6). Bevorzugt werden hier Permittivitäten größer als die von Al₂O₃ betrachtet (ε_r = 10). Bezeichnung „high-k“ ist dem Englischen entlehnt, wo die Permittivität häufig mit κ (Kappa), bei Fehlen dieses Symbols auch mit k, bezeichnet wird. Hochpermittive Materialien werden zum Beispiel als Gate-Dielektrika in integrierten Schaltungen und Speichern eingesetzt, um bei kleinen Strukturen die Tunnelströme zu reduzieren. Besonders bei der Speicherherstellung sind große Kapazitäten (zur Speicherung des Zustandes zwischen den Refreshzyklen) mit niedrigen Leckströmen (Verlustleistung) wichtig. Die Kapazität C eines einfachen Plattenkondensators beträgt zum Beispiel C = ε₀* ε_r*A/d. Dabei ist d der Plattenabstand, A die Fläche der Kondensatorplatten, ε₀ die Permittivität des Vakuums und ε_r die relative Permittivität der Isolationsschicht. Demnach kann durch den Einsatz von High-k-Materialien (größeres ε_r) die Dicke der Isolatorschicht in Metall-Isolator-Halbleiter-Strukturen bei gleichbleibender Kapazität erhöht werden, wodurch Leckströme durch den dickeren Isolator drastisch verringert werden. Für den Vergleich werden die (kapazitiven) Eigenschaften solcher Schichten häufig zu einem Parameter zusammengefasst, der EOT („äquivalente Oxiddicke“).
Die Permittivitäten der ersten und zweiten Füllmedien können beim erfindungsgemäßen Verfahren beliebige Permittivitäten besitzen, sofern diese für die ersten und zweiten Füllmedien unterschiedlich (ungleich) sind.
Der Begriff „Dicke“ bezieht sich hier auf die Dicke des Probenkörpers in Richtung des Elektrodenabstands des jeweiligen in der Kondensatoranordnung zur Aufnahme der Messpunkte verwendeten Kondensators. Die Dicke des Probenkörpers schließt dabei die Größe der Oberflächenrauhigkeit des Probekörpers mit ein und unterscheidet sich somit von der mit dem Verfahren am Ende bestimmten effektiven Dicke, die sich für den Probenkörper mit einer ideal glatten Oberfläche ergeben würde.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann die Kondensatoranordnung unterschiedlich ausgeführt sein. Sie umfasst dabei in einer Ausführungsform zumindest einen Kondensator mit Elektroden mit veränderlichem Elektrodenabstand. In einer anderen alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kondensatoranordnung mehrere Kondensatoren mit Elektroden mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen umfassen. Diese Kondensatoren können dabei entweder einen nicht veränderlichen Elektrodenabstand besitzen und/oder Kondensatoren sein, die zwar im Prinzip einen veränderlichen Elektrodenabstand besitzen, der aber für das erfindungsgemäße Verfahren nicht verändert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die Kondensatoranordnung auch eine Mischanordnung aus Kondensatoren mit veränderlichem Elektrodenabstand und Kondensatoren mit nicht veränderlichem Elektrodenabstand sein.
Das mit dem erfinderischen Verfahren zu vermessende Material wird als Probenkörper zwischen den Elektroden des oder der Kondensatoren platziert. Zur Aufnahme der Messpunkte kann einerseits ein Kondensator mit veränderlichem Elektrodenabstand verwendet werden. Nach jeder Veränderung des Elektrodenabstands muss der Elektrodenabstand neu gemessen (aufgenommen) werden. Der jeweilige nächste Kapazitätswert wird bei dem geänderten Elektrodenabstand der Elektroden dieses Kondensators gemessen. Bei der Verwendung eines einzelnen Kondensators mit veränderlichem Elektrodenabstand muss nach Aufnahme der Messpunkte unter Verwendung des ersten Füllmediums dieses erste Füllmedium für die Aufnahme der weiteren Messpunkte unter Verwendung des zweiten Füllmediums gegen das zweite Füllmedium ausgetauscht werden. In einer alternativen Ausführungsform kann zur Aufnahme der Messpunkte auch eine Anordnung verwendet werden, die mehrere Kondensatoren mit jeweils festem Elektrodenabstand umfasst, wobei zumindest einer der Kondensatoren einen unterschiedlichen Elektrodenabstand als der oder die anderen Kondensatoren besitzt. Der Probenkörper wird hier nacheinander zwischen den Elektroden dieser jeweiligen Kondensatoren für die nachfolgende Messung des Kapazitätswertes angeordnet. In diesem Fall müssen die Elektrodenabstände nicht bei jeder Messung neu gemessen (aufgenommen) werden, sondern nur einmal für jeden verwendeten Kondensator, beispielsweise vor Beginn der Messung der Kapazitätswerte. Die Kondensatoranordnung kann auch in zwei separate Subanordnungen aufgeteilt sein, die jeweils mit unterschiedlichen Füllmedien betrieben werden, sodass ein Wechsel der Füllmedien entfällt. Die Bezeichnung „erster, zweiter, dritter, vierter, ..., Elektrodenabstand, der für die Elektroden dieses Kondensators gemessen wurde“ bezeichnet hiermit also auch die Messung der jeweiligen Elektrodenabstände für jeden der Kondensatoren bei Installation oder Inbetriebnahme der Kondensatoranordnung mit mehreren Kondensatoren mit jeweils während des Verfahrens konstant belassenen, aber unterschiedlichen Elektrodenabständen.
Die Messung des Kapazitätswertes der Kondensatoranordnung erfolgt unter Beaufschlagung der Kondensatoranordnung mit einer Messspannung, beispielsweise mit einem elektrischen Feld durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorbestimmten Frequenz, bei der die Permittivität gemessen werden soll, zwischen den Elektroden des Kondensators in einer für das Verfahren geeigneten Weise. Die Kondensatoranordnung besteht dabei aus dem Kondensator mit seinen Elektroden und einem dazwischen angeordneten Probenkörper aus dem zu vermessenden Material sowie aus den Füllmedien, mit denen jeweils die Räume zwischen dem Probenkörper und den Elektroden des Kondensators gefüllt werden.
Unter „Spannung“ bzw. „Messspannung“ versteht man eine elektrische Potentialdifferenz, die hier an den Kondensator angelegt wird. Die Messspannung kann eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein. Unter Wechselspannung versteht man eine elektrische Spannung, deren Polarität in Gegensatz zur Gleichspannung in regelmäßiger Wiederholung wechselt. Die Periode der Wiederholung bestimmt die Frequenz der Wechselspannung. In einem Kondensator, welcher mit Wechselspannung betrieben wird, bilden sich im Dielektrikum Wechselfelder, also Polarisationsfelder, die der angelegten äußeren Feldgröße um einen gewissen Phasenwinkel nacheilen. Die Orientierung der Ladungsträger im Dielektrikum bleibt in der Phase zeitlich hinter der Umpolarisierung des Wechselfeldes zurück, welches dazu führt, dass die relative Permittivität im Allgemeinen komplexwertig ist (ε_r= ε_r'+ iε_r''). Dabei können in Real- und Imaginärteil die Beiträge verschiedener Mechanismen im Material (z. B. Bandübergänge) angegeben und in ihrer Frequenzabhängigkeit addiert werden.
Unter „Messpunkt“ versteht man entweder die Kombination aus einem gemessenen Kapazitätswert (z.B. gemessen in Farad) und dazugehörigem gemessenen Elektrodenabstand zwischen den Elektroden des Kondensators, mit dem gerade diese Kapazitätsmessung durchgeführt wurde, oder aus anderen gemessenen Größen, aus denen sich die Kapazitätswerte beziehungsweise Elektrodenabständen bestimmen oder berechnen lassen.
Der Elektrodenabstand entspricht dabei der Dicke des Probenkörpers plus der Dicke des Füllmediums zwischen den Elektroden. Der Abstand der Elektroden (Elektrodenabstand) zueinander wird für die einzelnen Messpunkte variiert, um genug Messpunkte für eine präzise Extrapolation zu erhalten. Ein dem Abstandswert im Schnittpunkt entsprechender Abstandswert für die Elektroden des Kondensators entspricht dabei der effektiven Dicke des Probenkörpers, ein dem Kapazitätswert im Schnittpunkt entsprechender Kapazitätswert der Kondensatoranordnung entspricht dem ausgezeichneten Kapazitätswert. Die Permittivität des zu vermessenden Materials des Probenkörpers unter Verwendung der effektiven Dicke und des ausgezeichneten Kapazitätswertes zu bestimmen, erlaubt eine genauere Bestimmung der Permittivität des zu vermessenden Materials als dem Stand der Technik bekannte Verfahren.
Mit zunehmender Frequenz wird der Effekt des Nacheilens stärker. Indem sie isolierende Materialien schnell und wiederkehrend umpolarisieren, wandeln Wechselfelder hoher Frequenz die elektromagnetische Feldenergie in Wärmeenergie um. Dieser Wärmeverlust wird dielektrischer Verlust genannt und durch den Imaginärteil ε_r''der komplexwertigen relativen Permittivität beschrieben. In einer Ausführungsform entspricht die Messfrequenz einer Betriebsfrequenz einer Schaltung umfassend das Material des Probenkörpers. Dadurch kann die für diese Schaltung relevante Permittivität genau bestimmt werden. In einer Ausführungsform liegt eine Betriebsfrequenz im Radiofrequenzbereich. In diesem Fall liegt die Messfrequenz ebenfalls im Radiobereich. In einer weiteren Ausführungsform liegt die Betriebsfrequenz zwischen 3 MHz und 300 MHz. In diesem Fall liegt die Messfrequenz ebenfalls in diesem Bereich. Besonders in diesem Frequenzbereich liefert der Stand der Technik bisher keine geeigneten Messverfahren.
Unter „Kondensator“ versteht man ein elektrisches Bauelement mit der Fähigkeit, elektrische Ladung und die damit zusammenhängende Energie in einem elektrischen Feld zu speichern. Die gespeicherte Ladung pro Spannung wird als elektrische Kapazität bezeichnet. In einem Wechselstromkreis wirkt ein Kondensator als Wechselstromwiderstand mit einem frequenzabhängigen Impedanzwert. Kondensatoren sind aufgebaut aus zwei elektrisch leitfähigen Elektroden, die durch ein isolierendes Material, das Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Der Begriff „Kondensator“ bezeichnet in der vorliegenden Erfindung ein Paar von Elektroden, zwischen denen für das erfindungsgemäße Verfahren sowohl der Probenkörper als auch das erste oder zweite Füllmedium als das isolierende Dielektrikum platziert werden. Unter „Kapazitätsmessung“ versteht man die Messung der Größe der Kapazität, welches von der Fläche der Elektroden, dem Material des Dielektrikums und dem Abstand der Elektroden zueinander abhängt. Der Abstand der Elektroden zueinander wird auch als „Elektrodenabstand“ bezeichnet. Dabei können Kondensatoren als Plattenkondensatoren, Zylinderkondensatoren oder Kugelkondensatoren ausgestaltet sein.
Bei einer Kondensatoranordnung umfassend zumindest einen Kondensator mit Elektroden mit veränderlichem Elektrodenabstand können die jeweils für die Messung des Kapazitätswertes eingestellten Elektrodenabstände vor oder nach der Messung der Kapazitätswerte gemessen werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt eines Austauschens des ersten Füllmediums gegen das zweite Füllmedium nach Aufnahme der ersten und zweiten Messpunkte, bei denen der Raum zwischen dem Probenkörper und den Elektroden des Kondensators mit dem ersten Füllmedium gefüllt ist. Dieser Schritt ist beispielsweise erforderlich, sofern in der Kondensatoranordnung nur ein Kondensator mit veränderlichem Elektrodenabstand verwendet wird oder in der Kondensatoranordnung mit mehreren Kondensatoren keine separaten Subanordnungen für das Verfahren verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform unter Verwendung der Kondensatoranordnung umfassend mehrere Kondensatoren mit Elektroden mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen, wird der Probenkörper für die jeweilige Messung des Kapazitätswertes von dem vorangegangenen Kondensator in den nachfolgenden Kondensator transferiert. Dieser Transfer kann manuell oder automatisiert erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform werden in einer solchen Kondensatoranordnung die Elektrodenabstände der jeweiligen Kondensatoren vor der Kapazitätsmessung zur Aufnahme des ersten Messpunktes gemessen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Elektroden im Wesentlichen eben und planparallel. Plattenkondensatoren mit ebenen und planparallelen Elektroden sind die gängigsten Ausführungsformen und für den Versuchsaufbau sehr geeignet. Weiterhin ermöglichen diese eine einfache Berechnung des zu erwartenden Kapazitätswertes des Plattenkondensators. In einer Ausführungsform können die Elektroden kreisrund sein. Die Elektroden können außerdem mit Guard-Elektroden versehen sein. Die Guard-Elektroden ermöglichen ein homogeneres Feld für die Messung der Kapazitäten und erlauben so genauere Messungen.
Hierbei kann der Probenkörper, der zwischen den Elektroden des Kondensators zum Messen angeordnet ist, eine planparallele Geometrie aufweisen. In einer Ausführungsform entsprechen die den Elektroden zugewandten Seiten des Probenkörpers in ihren Dimensionen zumindest den Elektroden. Eine planparallele Geometrie des Probenkörpers ermöglicht einen einfachen Versuchsaufbau sowie eine Verwendung von bekannten Berechnungsformeln aus dem Stand der Technik. Auch finden bei der Herstellung elektronischer Bauteile häufig planparallele Halbzeuge Einsatz, so dass sich eine Ausführungsform mit planparalleler Geometrie besonders für produktionsbegleitende Messungen anbietet.
Unter „Füllmedium“ versteht man einen Stoff im beliebigen Aggregatzustand, welcher in den Kondensator zwischen den Elektroden und den Probenkörper gegeben wird. Die Füllmedien können vorzugsweise gasförmig und/oder flüssig sein. Hierbei muss für das erfinderische Verfahren noch nicht einmal die Permittivität des Füllmediums genau bekannt sein, da im erfinderischen Verfahren auf eine Dicke gleich Null des Füllmediums extrapoliert wird. In einer Ausführungsform unterscheiden sich die Permittivität des ersten Füllmediums und die Permittivität des zweiten Füllmediums um einen Faktor 2, vorzugsweise um einen Faktor 4, besonders bevorzugt um einen Faktor größer als 4.
In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eines der Füllmedien, vorzugsweise das zweite Füllmedium, eine Flüssigkeit. Eine weitere Spezifizierung der Ausführungsform kann sein, dass das zweite Füllmedium Methanol ist. Mit einer hohen Permittivität von 34 hat Methanol weiterhin den Vorteil, verlustarm zu sein. Andere Flüssigkeiten, die sowohl eine hohe Permittivität besitzen, als auch kleine Verluste aufweisen, sind auch geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren. Das andere Füllmedium, vorzugsweise das erste Füllmedium, kann Luft sein. Luft ist einfach verfügbar, weist nur kleine Verluste auf und besitzt eine niedrige Permittivität. Somit können sich die Permittivitäten der Messungen von Luft und Methanol stark unterscheiden, welches für das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ermöglicht, Dielektrizitätszahlen namentlich hochpermittiver dielektrischer Materialien vor allem im Hochfrequenzbereich, insbesondere im Radiofrequenzbereich, zuverlässiger nichtdestruktiv und genauer zu messen, als dies bisher möglich war.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Messen einer Permittivität eines Materials eines Probenkörpers umfassend eine Kondensatoranordnung mit zumindest einem Kondensator mit Elektroden mit veränderlichem Elektrodenabstand und/oder mehrerer Kondensatoren mit Elektroden mit jeweils unterschiedlichen während des Messens der Permittivität konstant belassenen Elektrodenabständen, wobei ein Raum zwischen dem Probenkörper und den Elektroden des oder der Kondensatoren mit einem ersten Füllmedium mit einer ersten Permittivität oder mit einem zweiten Füllmedium mit einer zweiten Permittivität ungleich der ersten Permittivität gefüllt ist, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, das Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Aufnehmen von Messpunkten aus jeweiligen Kapazitätswerten und Elektrodenabständen bei unterschiedlichen Elektrodenabständen und Füllmedien bei zumindest einer an die Kondensatorschaltung angelegten Messspannung auszuführen. Mit der Vorrichtung ist es möglich, Dielektrizitätszahlen namentlich hochpermittiver dielektrischer Materialien vor allem im Hochfrequenzbereich, insbesondere im Radiofrequenzbereich, zuverlässiger nichtdestruktiv und genauer messen zu können, als dies bisher möglich war. Die Vorrichtung kann zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Steuer- und Analyseeinheit umfassen, die unter anderem die erste und zweite Extrapolation durchführt, die effektive Dicke des Probenkörpers und den ausgezeichneten Kapazitätswert sowie der Permittivität des Materials des Probenkörpers bestimmt. Die Steuer- und Analyseeinheit kann jede dafür geeignete Einheit sein. Insbesondere kann diese Einheit eine Prozessor-, Speicher- und Ausgabeeinheit umfassen.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung mit mehreren Kondensatoren mit jeweils festem Elektrodenabstand besitzt zumindest einer der Kondensatoren einen unterschiedlichen Elektrodenabstand zu den Elektrodenabständen des oder der anderen Kondensatoren. In diesem Fall müssen die Elektrodenabstände nicht bei jeder Messung neu aufgenommen werden, sondern nur einmal für jeden verwendeten Kondensator.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Kondensatoranordnung zwei separate Sub-Anordnungen, wobei die erste Subanordnung unter Verwendung des ersten Füllmediums zur Aufnahme des ersten und zumindest zweiten Messpunktes und die zweite Subanordnung unter Verwendung des zweiten Füllmediums zur Aufnahme des dritten und zumindest vierten Messpunktes ausgestaltet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anpass-Schaltung umfassend ein hochpermittives Material mit einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Permittivität des hochpermittiven Materials.
In einer Ausführungsform liegt eine Betriebsfrequenz der Anpass-Schaltung bei einer Frequenz, bei der die Anpass-Schaltung ein optimales Verhalten zeigt, indem das hochpermittive Material mit bestimmter Permittivität verwendet wird. In einer weiteren Ausführungsform besitzt die Anpass-Schaltung eine reduzierte lineare Abmessung relativ zu den entsprechenden Anpass-Schaltungen nach dem Stand der Technik. Um die linearen Abmessungen von Anpass-Schaltungen im Hochfrequenzbereich, insbesondere Radiofrequenzbereich, zu reduzieren, besteht die Möglichkeit, die Permittivität der verwendeten Schaltungsträger zu erhöhen. Dies fand bisher jedoch seine Grenze im Fehlen einer hinreichend präzisen Möglichkeit, im Radiofrequenzbereich den Permittivitätswert eines hochpermittiven Dielektrikums zu vermessen. Bereits wenige Prozent Ablage der Permittivität vom Sollwert sorgen für eine nämliche Ablage in der Betriebsfrequenz, bei der die Schaltung das optimale Verhalten zeigt. Radiofrequenzschaltungen mit hohen Ausgangsleistungen und entsprechend geringen Bandbreiten konnten daher in der Vergangenheit nicht durch Verwendung hochpermittiver Dielektrika als Schaltungsträger in ihren Abmessungen reduziert werden. Die linearen Abmessungen von Hochfrequenzschaltungen skalieren mit der inversen Wurzel der Dielektrizitätskonstanten. Beispielsweise verkleinert sich eine Schaltungsfläche einer Anpass-Schaltung bei einem Übergang von einem Al₂O₃ Dielektrikum, mit einer Permittivität von 10, zu einem Barium-Aluminiumtitanat Dielektrikum, mit einem Permittivität von 200, um einen Faktor 20.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie „ein“, „zwei“ usw. im Regelfall als „mindestens“-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...‟ , „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein können.
Es versteht sich, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen oder Merkmale daraus auch in beliebigen von den Ansprüchen und von deren Rückbezüge abweichenden Kombinationen miteinander kombiniert werden können, um Lösungen der voranstehenden Aufgabe im Rahmen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Figurenliste

1: schematischer Messaufbau für ein erfindungsgemäßes Verfahren mit (a) erstem Füllmedium und (b) zweitem Füllmedium;
2: ein erfindungsgemäßes Verfahren;
3: ein Diagramm zur Messgenauigkeit von Permittivitäten über der Frequenz;
4: eine erfindungsgemäße Anpass-Schaltung; und
5: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt einen schematischen Messaufbau für ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 mit (a) erstem Füllmedium 5 und (b) zweitem Füllmedium 6 zum Messen einer Permittivität 1 eines Materials eines Probenkörpers 2, wobei eine Messspannung 12 an eine dafür verwendete Kondensatoranordnung 3 zumindest während der jeweiligen Messungen angelegt ist. Die hier schematisch dargestellte Kondensatoranordnung 3 umfassend einen Kondensator 4 mit Elektroden 9 mit veränderlichem Elektrodenabstand 11, 21, 31, 41. Alternative hier nicht dargestellte Kondensatoranordnungen 3 können auch mehrere Kondensatoren 4 mit Elektroden 9 mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen 11, 21, 31, 41 umfassen und dennoch dieselben Ergebnisse wie die hier gezeigte Kondensatoranordnung 3 liefern. In 1a ist die Anordnung zum Aufnehmen eines ersten Messpunktes 10 aus einem ersten Kapazitätswert mit dem dafür verwendeten Kondensator 4 gezeigt. Der gemessene ersten Elektrodenabstand 11 für diesen Kondensator 4 ist dabei größer als eine Dicke 2d des zwischen den Elektroden 9 angeordneten Probenkörpers 2, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit einem ersten Füllmedium 5 mit einer ersten Permittivität 7 gefüllt ist. In 1b ist die Anordnung zum Aufnehmen eines zweiten Messpunktes 20 aus einem zweiten Kapazitätswert mit dem dafür verwendeten Kondensator 4 gezeigt, dessen Elektroden 9 gegenüber 1a nun auf den zweiten Elektrodenabstand 21 ungleich dem ersten Elektrodenabstand 11 eingestellt sind. Der gemessene zweite Elektrodenabstand 21 für diesen Kondensator 4 ist dabei größer als die Dicke 2d des zwischen den Elektroden 9 angeordneten Probenkörpers 2, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit dem ersten Füllmedium 5 gefüllt ist. In 1c ist die Anordnung zum Aufnehmen eines dritten Messpunktes 30 aus einem dritten Kapazitätswert mit dem dafür verwendeten Kondensator 4 gezeigt. Hierzu ist nun das erste Füllmedium 5 durch das zweite Füllmedium 6 ersetzt worden. Der gemessene dritte Elektrodenabstand 31 für diesen Kondensator 4 ist dabei größer als eine Dicke 2d des zwischen den Elektroden 9 angeordneten Probenkörpers 2, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit dem zweiten Füllmedium 6 mit einer zweiten Permittivität 8 ungleich der ersten Permittivität 7 gefüllt ist. In 1d ist die Anordnung zum Aufnehmen eines vierten Messpunktes 40 aus einem vierten Kapazitätswert mit dem dafür verwendeten Kondensator 4 gezeigt, dessen Elektroden 9 gegenüber 1c nun auf den vierten Elektrodenabstand 41 ungleich dem dritten Elektrodenabstand 31 eingestellt sind. Der gemessene vierte Elektrodenabstand 41 für diesen Kondensator 4 ist dabei größer als die Dicke 2d des zwischen den Elektroden 9 angeordneten Probenkörpers 2, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit dem zweiten Füllmedium 6 gefüllt ist. Hierbei können die ersten und dritten Elektrodenabstände 11, 31 gleich oder unterschiedlich sein. Das Gleiche gilt für die zweiten und vierten Elektrodenabstände 21, 41.
Die an die Kondensatoranordnung 3 angelegte Messspannung 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Wechselspannung mit einer vorbestimmten Messfrequenz. Die Messfrequenz kann dabei einer Betriebsfrequenz 80 einer Schaltung, beispielsweise der Anpass-Schaltung 200, umfassend das Material des Probenkörpers 2 entsprechen. Die hier gezeigten Elektroden 9 sind im Wesentlichen eben und planparallel. Die Elektroden 9 können dabei rechteckig, kreisrund oder anders geformt sein. Der hier gezeigte Probenkörper 2 weist eine planparallele Geometrie auf. Die den Elektroden 9 zugewandten Seiten 2a, 2b des Probenkörpers 2 entsprechen hier in ihren Dimensionen den Elektroden 9. Die Elektroden 9 können dabei mit Guard Elektroden versehen sein. Die Permittivitäten 7, 8 des ersten Füllmediums 5 und des zweiten Füllmediums 6 müssen unterschiedlich sein, beispielweise unterscheiden sie sich um einen Faktor 2, vorzugsweise um einen Faktor 4, besonders bevorzugt um einen Faktor größer als 4, unterscheiden. Hierbei können die Füllmedien 5, 6 gasförmig und/oder flüssig sein, wobei mindestens das zweite Füllmedium 6 eine Flüssigkeit sein kann. In diesem Fall kann das erste Füllmedium 5 Luft und das zweite Füllmedium 6 Methanol sein.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zum Messen einer Permittivität 1 eines Materials eines Probenkörpers 2 zum Aufnehmen von mehreren Messpunkten 10, 20, 30, 40 bei zumindest einer Messspannung 12 mit Hilfe einer Kondensatoranordnung 3 umfassend zumindest einen Kondensator 4 mit Elektroden 9 mit veränderlichem Elektrodenabstand 11, 21, 31, 41 und/oder mehrere Kondensatoren 4 mit Elektroden mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen 11, 21, 31, 41, umfassend die Schritte des Aufnehmens 110 eines ersten Messpunktes 10 aus einem ersten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren 4 der Kondensatoranordnung 3 gemessen wurde, und einem ersten Elektrodenabstand 11 größer als eine Dicke 2d des zwischen den Elektroden 9 angeordneten Probenkörpers 2, der für die Elektroden 9 dieses Kondensators 4 gemessen wurde, wobei ein Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit einem ersten Füllmedium 5 mit einer ersten Permittivität 7 gefüllt ist; des Aufnehmens 120 mindestens eines zweiten Messpunktes 20 aus einem zweiten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren 4 der Kondensatoranordnung 3 gemessen wurde, und einem zweiten Elektrodenabstand 21 größer als die Dicke 2d des zwischen den Elektroden 9 angeordneten Probenkörpers 2 und ungleich dem ersten Elektrodenabstand 11, der für die Elektroden 9 dieses Kondensators 4 gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit dem ersten Füllmedium 5 gefüllt ist; des Aufnehmens 130 eines dritten Messpunktes 30 aus einem dritten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren 4 der Kondensatoranordnung 3 gemessen wurde, und einem dritten Elektrodenabstand 31 größer als die Dicke 2d des zwischen den Elektroden 9 angeordneten Probenkörpers 2, der für die Elektroden 9 dieses Kondensators 4 gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit einem zweiten Füllmedium 6 mit einer zweiten Permittivität 8 ungleich der ersten Permittivität 7 gefüllt ist; des Aufnehmens 140 mindestens eines vierten Messpunktes 40 aus einem vierten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren 4 der Kondensatoranordnung 3 gemessen wurde, und einem vierten Elektrodenabstand 41 größer als die Dicke 2d des zwischen den Elektroden 9 angeordneten Probenkörpers 2 und ungleich dem dritten Elektrodenabstand 31, der für die Elektroden 9 dieses Kondensators 4 gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit dem zweiten Füllmedium 6 gefüllt ist; des Durchführens 150 einer ersten Extrapolation 50 der ersten und zumindest zweiten Messpunkte 10, 20 über den Elektrodenabstand Richtung Null des Elektrodenabstands; des Durchführens 160 einer zweiten Extrapolation 60 der dritten und zumindest vierten Messpunkte 30, 40 über den Elektrodenabstand Richtung Null des Elektrodenabstands; wobei die erste und zweite Extrapolation 50, 60 einen Schnittpunkt miteinander besitzen, wobei ein dem Schnittpunkt entsprechender Kapazitätswert als ein ausgezeichneter Kapazitätswert und ein dem Schnittpunkt entsprechender Wert des Elektrodenabstandes als eine effektive Dicke des Probenkörpers 2 bestimmt wird; und des Bestimmens 170 der Permittivität 1 des Materials des Probenkörpers 2 aus dem ausgezeichneten Kapazitätswert und der effektiven Dicke. Das Verfahren 100 kann zudem den weiteren Schritt eines Austauschens 180 des ersten Füllmediums 5 gegen das zweite Füllmedium 6 nach Aufnahme 110, 120 der ersten und zweiten Messpunkte 10, 20 umfassen, bei denen der Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit dem ersten Füllmedium 5 gefüllt war und nun für die nachfolgenden dritten und vierten Messpunkte 30, 40 mit dem zweiten Füllmedium 6 gefüllt wird. Sofern eine Kondensatoranordnung 3 umfassend mehrere Kondensatoren 4 mit Elektroden 9 mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen 11, 21, 31, 41 verwendet wird, wird der Probenkörper 2 für die jeweilige Messung des Kapazitätswertes von dem vorangegangenen Kondensator 4 in den nachfolgenden Kondensator 4 transferiert 190 (diese Ausführungsform ist hier gestrichelt gezeigt). Bei Verwendung einer solchen Kondensatoranordnung 3 können alle Elektrodenabstände 11, 21, 31, 41 der jeweiligen später verwendeten Kondensatoren 4 auch vor der Kapazitätsmessung zur Aufnahme 110 des ersten Messpunktes 10 gemessen werden.
Durch Bestimmung der Dielektrizitätszahl 1 des zu vermessenden Materials des Probenkörpers 2 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 wird die Messunsicherheit, welche sich aufgrund der vormals unbekannten Dicke einer Luftschicht zwischen dem zu vermessenden Material 2 und den Kondensatorplatten 9 ergeben hatte, vermieden, zumindest aber deutlich reduziert. Das erfindungsgemäße Verfahren 100 erlaubt es so, die Permittivität 1 eines, namentlich hochpermittiven, Radiofrequenzdielektrikums genauer als nach dem Stand der Technik zu bestimmen.
3 zeigt ein Diagramm zur Messgenauigkeit von Permittivitäten 1 über eine Frequenz bzw. Betriebsfrequenz 80 bei unterschiedlichen Permittivitäten des permittiven Materials. Das Diagramm veranschaulicht typische Messgenauigkeiten, wie sie z.B. durch die Firma Keysight, einen Hersteller von Testfassungen für Messungen nach dem Stand der Technik, angegeben werden.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Anpass-Schaltung 200 für den Hochfrequenzbereich umfassend ein hochpermittives Material 2 mit einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 bestimmten Permittivität 1 des hochpermittiven Materials 2. Das Material 2 kann dazu in einem Bauteil 70 der Anpass-Schaltung 200 verwendet werden. Die Betriebsfrequenz 80 der Anpass-Schaltung 200 kann dadurch bei einer Frequenz liegen, bei der die Anpass-Schaltung ein optimales Verhalten zeigt. Des Weiteren kann die Anpass-Schaltung 200 dadurch eine reduzierte lineare Abmessung besitzen. Die Betriebsfrequenz 80 der Anpass-Schaltung 200 kann im Radiofrequenzbereich liegen, vorzugsweise liegt die Betriebsfrequenz 80 zwischen 3 MHz und 300 MHz.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 300 zum Messen einer Permittivität 1 eines Materials eines Probenkörpers 2 umfassend eine Kondensatoranordnung 3 mit zumindest einem Kondensator 4 mit Elektroden 9 mit veränderlichem Elektrodenabstand 11,21,31,41 und/oder mit mehrere Kondensatoren 4 mit Elektroden 9 mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen 11, 21, 31, 41, wobei ein Raum zwischen dem Probenkörper 2 und den Elektroden 9 des oder der Kondensatoren 4 mit dem ersten Füllmedium 5 mit einer ersten Permittivität 7 oder einem zweiten Füllmedium 6 mit einer sich von der ersten Permittivität 7 unterscheidenden zweiten Permittivität 8 gefüllt ist, wobei die Vorrichtung 300 dazu ausgestaltet ist, das erfindungsgemäße Verfahren 100 zum Aufnehmen von mehreren Messpunkten 10, 20, 30, 40 aus jeweiligen Kapazitätswerten und Elektrodenabständen bei unterschiedlichen Elektrodenabständen 11, 21, 31, 41 und Füllmedien 5, 6 bei zumindest einer an die Kondensatoranordnung 3 angelegten Messspannung 12 auszuführen. Die Vorrichtung 300 umfasst hier zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Steuer- und Analyseeinheit 310, die unter anderem die erste und zweite Extrapolation 50, 60 durchführt, die effektive Dicke des Probenkörpers 2 und den ausgezeichneten Kapazitätswert sowie der Permittivität 1 des Materials des Probenkörpers 2 bestimmt. Die Steuer- und Analyseeinheit 310 kann jede dafür geeignete Einheit sein. Insbesondere kann diese Einheit 310 eine Prozessor-, Speicher- und Ausgabeeinheit umfassen. In einer Ausführungsform (hier gestrichelt gezeigt), kann die Kondensatoranordnung 3 zwei separate Sub-Anordnungen 3', 3" umfasst, wobei die erste Subanordnung 3' unter Verwendung des ersten Füllmediums 5 zur Aufnahme 110, 120 des ersten und zumindest zweiten Messpunktes 10, 20 und die zweite Subanordnung 3'' unter Verwendung des zweiten Füllmediums 6 zur Aufnahme 130, 140 des dritten und zumindest vierten Messpunktes 30, 40 ausgestaltet ist.
An dieser Stelle sei explizit darauf hingewiesen, dass Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen und/oder Figuren beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um auch erläuterte Merkmale, Effekte und Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen bzw. erzielen zu können.
Es versteht sich, dass es sich bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel lediglich um eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt. Insofern beschränkt sich die Ausgestaltung der Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel.
Bezugszeichenliste

1: Permittivität des zu vermessenden Materials
2: Probenkörper aus dem zu vermessenden Material
2a, 2b: Seiten des Probenkörpers
2d: Dicke des Probenkörpers
3: Kondensatoranordnung
3', 3": Subanordnungen der Kondensatoranordnung
4: Kondensator
5: erstes Füllmedium
6: zweites Füllmedium
7: Permittivität des ersten Füllmediums
8: Permittivität des zweiten Füllmediums
9: Elektroden des Kondensators oder der Kondensatoren
10: erster Messpunkt aus Kapazitätswert und Elektrodenabstand
11: Elektrodenabstand, z.B. erster Elektrodenabstand
12: Messspannung angelegt an die Kondensatoranordnung
20: zweiter Messpunkt aus Kapazitätswert und Elektrodenabstand
21: Elektrodenabstand, z.B. zweiter Elektrodenabstand
30: dritter Messpunkt aus Kapazitätswert und Elektrodenabstand
31: Elektrodenabstand, z.B. dritter Elektrodenabstand
40: vierter Messpunkt aus Kapazitätswert und Elektrodenabstand
41: Elektrodenabstand, z.B. vierter Elektrodenabstand
50: erste Extrapolation
60: zweite Extrapolation
70: Bauteil
80: Betriebsfrequenz
100: erfindungsgemäßes Verfahren
110 - 190: Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
200: erfindungsgemäße Anpass-Schaltung
300: erfindungsgemäße Vorrichtung
310: Steuer- und Analyseeinheit

Claims

Ein Verfahren (100) zum Messen einer Permittivität (1) eines Materials eines Probenkörpers (2) zum Aufnehmen von mehreren Messpunkten (10, 20, 30, 40) bei zumindest einer Messspannung (12) mit Hilfe einer Kondensatoranordnung (3) umfassend zumindest einen Kondensator (4) mit Elektroden (9) mit veränderlichem Elektrodenabstand (11, 21, 31, 41) und/oder mehrere Kondensatoren (4) mit Elektroden (9) mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen (11, 21, 31, 41), umfassend die Schritte: - Aufnehmen (110) eines ersten Messpunktes (10) aus einem ersten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren (4) der Kondensatoranordnung (3) gemessen wurde, und einem ersten Elektrodenabstand (11) größer als eine Dicke (2d) des zwischen den Elektroden (9) angeordneten Probenkörpers (2), wobei der Elektrodenabstand (11) für die Elektroden (9) dieses Kondensators (4) gemessen wurde, wobei ein Raum zwischen dem Probenkörper (2) und den Elektroden (9) des Kondensators (4) mit einem ersten Füllmedium (5) mit einer ersten Permittivität (7) gefüllt ist; - Aufnehmen (120) mindestens eines zweiten Messpunktes (20) aus einem zweiten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren (4) der Kondensatoranordnung (3) gemessen wurde, und einem zweiten Elektrodenabstand (21) größer als die Dicke (2d) des zwischen den Elektroden (9) angeordneten Probenkörpers (2) und ungleich dem ersten Elektrodenabstand (11), wobei der Elektrodenabstand (21) für die Elektroden (9) dieses Kondensators (4) gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper (2) und den Elektroden (9) des Kondensators (4) mit dem ersten Füllmedium (5) gefüllt ist; - Aufnehmen (130) eines dritten Messpunktes (30) aus einem dritten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren (4) der Kondensatoranordnung (3) gemessen wurde, und einem dritten Elektrodenabstand (31) größer als die Dicke (2d) des zwischen den Elektroden (9) angeordneten Probenkörpers (2), wobei der Elektrodenabstand (31) für die Elektroden (9) dieses Kondensators (4) gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper (2) und den Elektroden (9) des Kondensators (4) mit einem zweiten Füllmedium (6) mit einer zweiten Permittivität (8) ungleich der ersten Permittivität (7) gefüllt ist; - Aufnehmen (140) mindestens eines vierten Messpunktes (40) aus einem vierten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren (4) der Kondensatoranordnung (3) gemessen wurde, und einem vierten Elektrodenabstand (41) größer als die Dicke (2d) des zwischen den Elektroden (9) angeordneten Probenkörpers (2) und ungleich dem dritten Elektrodenabstand (31), wobei der Elektrodenabstand (41) für die Elektroden (9) dieses Kondensators (4) gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Probenkörper (2) und den Elektroden (9) des Kondensators (4) mit dem zweiten Füllmedium (6) gefüllt ist; - Durchführen (150) einer ersten Extrapolation (50) der ersten und zumindest zweiten Messpunkte (10, 20) über den Elektrodenabstand Richtung Null des Elektrodenabstands; - Durchführen (160) einer zweiten Extrapolation (60) der dritten und zumindest vierten Messpunkte (30, 40) über den Elektrodenabstand Richtung Null des Elektrodenabstands; wobei die erste und zweite Extrapolation (50, 60) einen Schnittpunkt miteinander besitzen, wobei ein dem Schnittpunkt entsprechender Kapazitätswert als ein ausgezeichneter Kapazitätswert und ein dem Schnittpunkt entsprechender Wert des Elektrodenabstandes als eine effektive Dicke des Probenkörpers (2) bestimmt wird; und - Bestimmen (170) der Permittivität (1) des Materials des Probenkörpers (2) aus dem ausgezeichneten Kapazitätswert und der effektiven Dicke.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Permittivität (1) eine frequenzabhängige Permittivität ist und für die Messspannung (12) eine Wechselspannung mit einer vorbestimmten Messfrequenz verwendet wird.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei die Messfrequenz einer Betriebsfrequenz (80) einer Schaltung (200) umfassend das Material des Probenkörpers (2) entspricht.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 3, wobei die Betriebsfrequenz (80) im Radiofrequenzbereich liegt.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 4, wobei die Betriebsfrequenz (80) zwischen 3 MHz und 300 MHz liegt.
Das Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend den weiteren Schritt eines Austauschens (180) des ersten Füllmediums (5) gegen das zweite Füllmedium (6) nach Aufnahme (110, 120) der ersten und zweiten Messpunkte (10, 20), bei denen der Raum zwischen dem Probenkörper (2) und den Elektroden (9) des Kondensators (4) mit dem ersten Füllmedium (5) gefüllt ist
Das Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Kondensatoranordnung (3) umfassend mehrere Kondensatoren (4) mit Elektroden (9) mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen (11, 21, 31, 41) verwendet wird, wird der Probenkörper (2) für die jeweilige Messung des Kapazitätswertes von dem vorangegangenen Kondensator (4) in den nachfolgenden Kondensator (4) transferiert (190).
Das Verfahren (100) nach Anspruch 7, wobei die Kondensatoranordnung (3) umfassend mehrere Kondensatoren (4) mit Elektroden (9) mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen (11, 21, 31, 41) verwendet wird, werden die Elektrodenabstände (11, 21, 31, 41) der jeweiligen Kondensatoren (4) vor der Kapazitätsmessung zur Aufnahme (110) des ersten Messpunktes (10) gemessen.
Das Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (9) im Wesentlichen eben und planparallel sind.
Das Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (9) kreisrund sind.
Das Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Probenkörper (2) eine planparallele Geometrie aufweist.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 11, wobei die den Elektroden (9) zugewandten Seiten (2a, 2b) des Probenkörpers (2) in ihren Dimensionen zumindest den Elektroden (9) entsprechen.
Das Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (9) mit Guard Elektroden versehen sind.
Das Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Permittivitäten (7, 8) des ersten Füllmediums (5) und des zweiten Füllmediums (6) sich um einen Faktor 2, vorzugsweise um einen Faktor 4, besonders bevorzugt um einen Faktor größer als 4, unterscheiden.
Das Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Füllmedien (5, 6) gasförmig und/oder flüssig sind.
Das Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens das zweite Füllmedium (6) eine Flüssigkeit ist.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 15 oder 16, wobei das erste Füllmedium (5) Luft und das zweite Füllmedium (6) Methanol ist.
Eine Vorrichtung (300) zum Messen einer Permittivität (1) eines Materials eines Probenkörpers (2) umfassend eine Kondensatoranordnung (3) mit zumindest einem Kondensator (4) mit Elektroden (9) mit veränderlichem Elektrodenabstand (11, 21, 31, 41) und/oder mit mehrere Kondensatoren (4) mit Elektroden (9) mit jeweils unterschiedlichen während des Verfahrens konstant belassenen Elektrodenabständen (11, 21, 31, 41), wobei ein Raum zwischen dem Probenkörper (2) und den Elektroden (9) des oder der Kondensatoren (4) mit dem ersten Füllmedium (5) mit einer ersten Permittivität (7) oder einem zweiten Füllmedium (6) mit einer sich von der ersten Permittivität (7) unterscheidenden zweiten Permittivität (8) gefüllt ist, wobei die Vorrichtung (300) dazu ausgestaltet ist, das Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Aufnehmen von mehreren Messpunkten (10, 20, 30, 40) aus jeweiligen Kapazitätswerten und Elektrodenabständen bei unterschiedlichen Elektrodenabständen (11, 21, 31, 41) und Füllmedien (5, 6) bei zumindest einer an die Kondensatoranordnung (3) angelegten Messspannung (12) auszuführen.
Die Vorrichtung (300) nach Anspruch 18, wobei die Kondensatoranordnung (3) zwei separate Sub-Anordnungen (3', 3") umfasst, wobei die erste Subanordnung (3') unter Verwendung des ersten Füllmediums (5) zur Aufnahme (110, 120) des ersten und zumindest zweiten Messpunktes (10, 20) und die zweite Subanordnung (3'') unter Verwendung des zweiten Füllmediums (6) zur Aufnahme (130, 140) des dritten und zumindest vierten Messpunktes (30, 40) ausgestaltet ist.
Eine Anpass-Schaltung (200) umfassend ein hochpermittives Material (2) mit einer gemäß einem Verfahren (100) nach einen der Ansprüche 1 bis 14 bestimmten Permittivität (1) des hochpermittiven Materials (2).
Die Anpass-Schaltung (200) nach Anspruch 20, wobei eine Betriebsfrequenz (80) der Anpass-Schaltung (200) bei einer Frequenz liegt, bei der die Anpass-Schaltung (200) ein optimales Verhalten zeigt, indem das hochpermittive Material mit bestimmter Permittivität (1) verwendet wird.
Die Anpass-Schaltung (200) nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Anpass-Schaltung (200) eine reduzierte lineare Abmessung besitzt.