WO2021197534A1 - Verfahren zur messung einer permittivität von materialien - Google Patents

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WO2021197534A1
WO2021197534A1 PCT/DE2021/100173 DE2021100173W WO2021197534A1 WO 2021197534 A1 WO2021197534 A1 WO 2021197534A1 DE 2021100173 W DE2021100173 W DE 2021100173W WO 2021197534 A1 WO2021197534 A1 WO 2021197534A1
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capacitor
permittivity
sample body
electrode spacing
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PCT/DE2021/100173
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Christoph Bromberger
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Kiefel Gmbh
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
    • G01R27/2635—Sample holders, electrodes or excitation arrangements, e.g. sensors or measuring cells
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    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring a permittivity of materials, a device for carrying out the method and a matching circuit that uses the measured material.
  • a particular challenge in the prior art is to record the dielectric constant of high permittivity materials with high accuracy.
  • the relative bandwidth of a high frequency circuit decreases with the high frequency performance of the circuit.
  • Silicon LDMOS circuits in the radio frequency and high frequency range with, for example, 1 kW output power usually only have a few percent relative bandwidth.
  • a method for measuring the relative permittivity of a material is known from the prior art, which uses a substantially plane-parallel and disk-shaped sample body made of a dielectric material. The plane-parallel sample of the material to be measured is placed between the preferably circular, plane-parallel electrodes of a plate capacitor provided with guard electrodes and brought into direct contact with the electrodes of the plate capacitor while maintaining the plane-parallelism.
  • the respective distance between the electrodes of the plate capacitor can be determined with excellent accuracy.
  • the distance between the electrodes is set in such a way that the space between the electrodes is essentially completely filled by the sample to be measured.
  • the dielectric constant of the material to be measured is determined by first measuring the capacitance of the plate capacitor with a given sample geometry and a given capacitor structure.
  • the prior art knows the formulaic relationship between the sample geometry, the capacitor structure, the dielectric constant of the material to be measured and the resulting capacitance value. This allows the prior art to determine the dielectric constant of the material to be measured from the measured capacitance value for a given sample geometry and a given capacitor structure.
  • the value of the capacitance between the electrodes of the dielectrically filled plate capacitor also depends on the thickness of the air layer that forms between the electrodes and the sample due to the unevenness of the surface of the material to be measured and the electrodes. Even with a sample thickness of 1 mm, with a dielectric constant of 200, an average surface roughness of the material to be measured of 250 nm leads to a measurement error in the permittivity of 10%. It would therefore be desirable to non-destructively measure dielectric constants, namely high permittivities, the dielectric materials in the high frequency range, especially in the radio frequency range, more reliably and more accurately than was previously possible.
  • a method for measuring a permittivity of a material of a sample body by recording several measuring points at at least one measuring voltage with the aid of a capacitor arrangement comprising at least one capacitor with electrodes with variable electrode spacing and / or several capacitors with electrodes each with different electrodes during the process electrode spacing left constant, comprising the steps:
  • Permittivity is understood to be a material property of electrically insulating, polar or non-polar substances, which are also called dielectrics. In electrodynamics and in electrostatics, too, it indicates the ability of a material to polarize through electric fields.
  • the “relative permittivity” of a medium is also called the permittivity or dielectric constant.
  • the relative permittivity is also referred to as K (kappa) or - as in the case of high-k dielectrics or low-k dielectrics - with k.
  • the relative permittivity will also continue to be called the (relative) dielectric constant. Since eo is a constant, the terms “permittivity” and “relative permittivity” of a material can be treated as synonyms.
  • the relative permittivity is generally a function of several parameters, in particular the frequency and the temperature, and also depends on the magnetic and the external electric field.
  • the material of the sample body can have any permittivity, for example the material can be a high permittivity.
  • the term “high-k” is borrowed from English, where permittivity is often referred to as k (kappa), or k in the absence of this symbol.
  • High permeability materials are used, for example, as gate dielectrics in integrated circuits and memories in order to reduce the tunnel currents in small structures.
  • d is the plate spacing
  • A the area of the capacitor plates
  • eo the permittivity of the vacuum
  • e G the relative permittivity of the insulation layer.
  • the permittivities of the first and second filling media can have any desired permittivities, provided that these are different (unequal) for the first and second filling media.
  • the term “thickness” relates here to the thickness of the test body in the direction of the electrode spacing of the respective capacitor used in the capacitor arrangement for receiving the measuring points.
  • the thickness of the specimen includes the size of the surface roughness of the specimen and thus differs from the effective thickness determined with the method at the end, which would result for the specimen with an ideally smooth surface.
  • the capacitor arrangement can be designed differently for the method according to the invention. In one embodiment, it comprises at least one capacitor with electrodes with a variable electrode spacing. In another alternative embodiment of the method according to the invention, the capacitor arrangement can comprise a plurality of capacitors with electrodes each having different electrode spacings which are kept constant during the method. These capacitors can either have a non-variable electrode spacing and / or capacitors which in principle have a variable electrode spacing, but which is not changed for the method according to the invention. In a further embodiment, the capacitor arrangement can also be a mixed arrangement of capacitors with a variable electrode spacing and capacitors with a non-variable electrode spacing. The material to be measured using the inventive method is placed as a sample body between the electrodes of the capacitor or capacitors.
  • a capacitor with a variable electrode spacing can be used to record the measuring points.
  • the electrode distance must be re-measured (recorded).
  • the respective next capacitance value is measured with the changed electrode spacing of the electrodes of this capacitor.
  • this first filling medium after recording the measuring points using the first filling medium, this first filling medium must be exchanged for the second filling medium for recording the further measuring points using the second filling medium.
  • an arrangement can also be used to record the measuring points which comprises a plurality of capacitors each with a fixed electrode spacing, at least one of the capacitors having a different electrode spacing than the other capacitor or capacitors.
  • the sample body is arranged here one after the other between the electrodes of these respective capacitors for the subsequent measurement of the capacitance value.
  • the electrode spacings do not have to be measured (recorded) anew with each measurement, but only once for each capacitor used, for example before starting the measurement of the capacitance values.
  • the capacitor arrangement can also be divided into two separate sub-arrangements, which are each operated with different filling media, so that there is no need to change the filling media.
  • the term "first, second, third, fourth, ..., electrode spacing that was measured for the electrodes of this capacitor” also refers to the measurement of the respective electrode spacings for each of the capacitors when installing or commissioning the capacitor arrangement with several capacitors with each electrode spacings that were kept constant but varied during the procedure.
  • the measurement of the capacitance value of the capacitor arrangement is carried out by applying a measurement voltage to the capacitor arrangement, for example with an electric field by applying an alternating voltage with a predetermined frequency, at which the permittivity is to be measured, between the electrodes of the capacitor in one for the process appropriate way.
  • the capacitor arrangement consists of the capacitor with its electrodes and a sample body arranged between them made of the material to be measured and the filling media with which the spaces between the sample body and the electrodes of the capacitor are filled.
  • Voltage or “measuring voltage” is understood to mean an electrical potential difference that is applied to the capacitor here.
  • the measurement voltage can be a direct or an alternating voltage.
  • AC voltage is an electrical voltage whose polarity, in contrast to DC voltage, changes in regular repetition. The period of repetition determines the frequency of the alternating voltage.
  • alternating fields are formed in the dielectric, i.e. polarization fields that lag behind the applied external field size by a certain phase angle.
  • measuring point means either the combination of a measured capacitance value (e.g. measured in Farads) and the associated measured electrode spacing between the electrodes of the capacitor with which this capacitance measurement was carried out, or of other measured variables from which the capacitance values or electrode spacings are derived determine or have it calculated.
  • the distance between the electrodes corresponds to the thickness of the specimen plus the thickness of the filling medium between the electrodes.
  • the distance between the electrodes (electrode spacing) is varied for the individual measuring points in order to obtain enough measuring points for precise extrapolation.
  • a distance value for the electrodes of the capacitor that corresponds to the distance value at the point of intersection corresponds to the effective thickness of the specimen
  • a capacitance value of the capacitor arrangement that corresponds to the capacitance value at the point of intersection corresponds to the marked capacitance value. Determining the permittivity of the material to be measured of the sample body using the effective thickness and the excellent capacitance value allows a more precise determination of the permittivity of the material to be measured than the prior art
  • the measurement frequency corresponds to an operating frequency of a circuit comprising the material of the specimen an operating frequency in the radio frequency range.
  • the measurement frequency is also in the radio range.
  • the operating frequency is between 3 MHz and 300 MHz. In this case, the measurement frequency is also in this range. The state of the art delivers in this frequency range in particular no suitable measurement methods so far.
  • Capacitor is an electrical component with the ability to store electrical charge and the associated energy in an electrical field. The stored charge per voltage is called electrical capacitance. In an alternating current circuit, a capacitor acts as an alternating current resistor a frequency-dependent impedance value. Capacitors are made up of two electrically conductive electrodes that are separated from one another by an insulating material, the dielectric. In the present invention, the term “capacitor” denotes a pair of electrodes between which both the sample body and the first or second filling medium as the insulating dielectric are placed for the method according to the invention.
  • Capacitance measurement means the measurement of the size of the capacitance, which depends on the area of the electrodes, the material of the dielectric and the distance between the electrodes. The distance between the electrodes is also known as the “electrode distance”. Capacitors can be designed as plate capacitors, cylinder capacitors or spherical capacitors.
  • the electrode spacings set in each case for the measurement of the capacitance value can be measured before or after the measurement of the capacitance values.
  • the method comprises the further step of exchanging the first filling medium for the second filling medium after recording the first and second measuring points at which the space between the sample body and the electrodes of the capacitor is filled with the first filling medium. This step is necessary, for example, if only one capacitor with a variable electrode spacing is used in the capacitor arrangement or if no separate sub-arrangements are used for the method in the capacitor arrangement with a plurality of capacitors.
  • the sample body for the respective measurement of the capacitance value is transferred from the previous capacitor to the next capacitor. This transfer can be done manually or automatically.
  • the electrode spacings of the respective capacitors are measured in such a capacitor arrangement before the capacitance measurement for recording the first measuring point.
  • the electrodes are essentially flat and plane-parallel. Plate capacitors with flat and plane-parallel electrodes are the most common designs and are very suitable for experimental setups. Furthermore, they enable a simple calculation of the expected capacitance value of the plate capacitor.
  • the electrodes can be circular.
  • the electrodes can also be provided with guard electrodes. The guard electrodes enable a more homogeneous field for the measurement of the capacitance and thus allow more precise measurements.
  • the sample body which is arranged between the electrodes of the capacitor for measurement, can have a plane-parallel geometry.
  • the dimensions of the sides of the test body facing the electrodes correspond at least to the electrodes.
  • a plane-parallel geometry of the specimen enables a simple test setup and the use of known calculation formulas from the prior art.
  • Plane-parallel semi-finished products are also often used in the manufacture of electronic components, so that an embodiment with plane-parallel geometry is particularly suitable for measurements during production.
  • “Filling medium” is understood to mean a substance in any aggregate state, which is placed in the capacitor between the electrodes and the specimen.
  • the filling media can preferably be gaseous and / or liquid.
  • the permittivity of the filling medium does not even have to be precisely known for the inventive method, since the inventive method extrapolates to a thickness of the filling medium equal to zero.
  • the permittivity of the first filling medium and the permittivity of the second filling medium differ by a factor of 2, preferably by a factor of 4, particularly preferably by a factor greater than 4.
  • At least one of the filling media, preferably the second filling medium is a liquid.
  • the second filling medium is methanol. With a high permittivity of 34, methanol still has the advantage of being low-loss. Other liquids that have both a high permittivity and low losses are also suitable for the method according to the invention.
  • the other filling medium, preferably the first filling medium can be air. Air is readily available, has only small losses and has a low permittivity. The permittivities of the measurements of air and methanol can thus differ greatly, which is advantageous for the method according to the invention.
  • dielectric constants namely high permittivity of dielectric materials, especially in the high frequency range, especially in the radio frequency range, more reliably, non-destructively and more accurately than was previously possible.
  • the invention further relates to a device for measuring a permittivity of a material of a sample body comprising a capacitor arrangement with at least one capacitor with electrodes with variable electrode spacing and / or several capacitors with electrodes each with different electrodes during the measurement the permittivity left constant electrode spacings, a space between the sample body and the electrodes of the capacitor or capacitors is filled with a first filling medium with a first permittivity or with a second filling medium with a second permittivity unequal to the first permittivity, the device being designed for this purpose is to carry out the method according to one of the preceding claims for recording measuring points from respective capacitance values and electrode spacings with different electrode spacings and filling media with at least one measuring voltage applied to the capacitor circuit.
  • the device can comprise a control and analysis unit which, among other things, carries out the first and second extrapolation, determines the effective thickness of the sample body and the excellent capacitance value as well as the permittivity of the material of the sample body.
  • the control and analysis unit can be any suitable unit.
  • this unit can comprise a processor, memory and output unit.
  • the device with a plurality of capacitors, each with a fixed electrode spacing, at least one of the capacitors has a different electrode spacing from the electrode spacings of the other capacitor or capacitors.
  • the electrode spacings do not have to be re-recorded for each measurement, but only once for each capacitor used.
  • the capacitor arrangement comprises two separate sub-arrangements, the first sub-arrangement using the first filling medium for receiving the first and at least second measuring points and the second sub-arrangement using the second filling medium being configured for receiving the third and at least fourth measuring points is.
  • the invention also relates to a method for reducing a linear dimension of a matching circuit comprising a high permittivity material, the operating frequency of which is at a frequency at which the matching circuit shows an optimal behavior, with the steps:
  • the method for reducing a linear dimension of a matching circuit is based on the precise determination of the permittivity of the material of the specimen, which is then also used in the matching circuit. While the method for measuring a permittivity of a material has as its object the determination of the permittivity itself, the object of the above method is made possible in the first place by precisely this determination of the permittivity and uses the precisely determined permittivity to reduce the linear dimension of the matching circuit at the same time Operation of this circuit with an operating frequency at which this material just shows its optimal behavior. This operating frequency can only be optimally selected by precisely determining the permittivity of the material.
  • the invention further relates to a matching circuit comprising a high permeability material with a permittivity of the high permittivity material determined according to the method according to the invention.
  • an operating frequency of the matching circuit is at a frequency at which the matching circuit exhibits optimal behavior in that the high- permittive material with a certain permittivity is used.
  • the matching circuit has a reduced linear dimension relative to the corresponding matching circuits according to the prior art. In order to reduce the linear dimensions of matching circuits in the high frequency range, in particular radio frequency range, it is possible to increase the permittivity of the circuit carriers used. So far, however, this has found its limit in the lack of a sufficiently precise possibility of measuring the permittivity value of a high permittivity dielectric in the radio frequency range. Already a few percent deviation of the permittivity from the nominal value ensure the same deviation in the operating frequency at which the circuit shows the optimal behavior.
  • radio frequency circuits with high output powers and correspondingly low bandwidths could therefore not be reduced in their dimensions by using high-permeability dielectrics as circuit carriers.
  • the linear dimensions of high frequency circuits scale with the inverse root of the dielectric constant. For example, a circuit area of a matching circuit is reduced by a factor of 20 when there is a transition from an Al2O3 dielectric with a permittivity of 10 to a barium-aluminum titanate dielectric with a permittivity of 200.
  • Fig. 1 Schematic measurement setup for a method according to the invention with (a) the first
  • Fig. 6 a method for reducing a linear dimension of a matching circuit according to the present invention.
  • Fig.l shows a schematic measurement setup for a method 100 according to the invention with (a) first filling medium 5 and (b) second filling medium 6 for measuring a permittivity 1 of a material of a specimen 2, with a measurement voltage 12 being applied to a capacitor arrangement 3 used for this purpose is applied during the respective measurements.
  • the capacitor arrangement 3 shown schematically here comprises a capacitor 4 with electrodes 9 with variable electrode spacing 11, 21, 31, 41.
  • capacitor arrangements 3 not shown here can also have several capacitors 4 with electrodes 9 each with different electrode spacings 11, 21 that are kept constant during the process , 31, 41 and still provide the same results as the capacitor arrangement 3 shown here.
  • the arrangement for recording a first measuring point 10 from a first capacitance value with the capacitor 4 used for this is shown.
  • the measured first electrode spacing 11 for this capacitor 4 is greater than a thickness 2d between the Electrodes 9 arranged sample body 2, wherein the space between the sample body 2 and the electrodes 9 of the capacitor 4 is filled with a first filling medium 5 with a first permittivity 7.
  • Fig. Lb the arrangement for receiving a two th measuring point 20 from a second capacitance value with the capacitor 4 used for this purpose is shown, the electrodes 9 of which are now set to the second electrode spacing 21 unequal to the first electrode spacing 11 compared to FIG.
  • the measured second electrode spacing 21 for this capacitor 4 is greater than the thickness 2d of the sample body 2 arranged between the electrodes 9, the space between the sample body 2 and the electrodes 9 of the capacitor 4 being filled with the first filling medium 5.
  • FIG. 1c shows the arrangement for picking up a third measuring point 30 from a third capacitance value with the capacitor 4 used for this purpose.
  • the first filling medium 5 has now been replaced by the second filling medium 6.
  • the measured third electrode spacing 31 for this capacitor 4 is greater than a thickness 2d of the sample body 2 arranged between the electrodes 9, the space between the sample body 2 and the electrodes 9 of the capacitor 4 with the second filling medium 6 having a second permittivity 8 being unequal the first permittivity 7 is filled.
  • FIG. 1d shows the arrangement for recording a fourth measuring point 40 from a fourth capacitance value with the capacitor 4 used for this purpose, the electrodes 9 of which are now set to the fourth electrode spacing 41 unequal to the third electrode spacing 31 compared to FIG.
  • the measured fourth electrode spacing 41 for this capacitor 4 is greater than the thickness 2d of the sample body 2 arranged between the electrodes 9, the space between the sample body 2 and the electrodes 9 of the capacitor 4 being filled with the second filling medium 6.
  • the first and third electrode spacings 11, 31 can be the same or different.
  • the measurement voltage 12 applied to the capacitor arrangement 3 is, in this exemplary embodiment, an alternating voltage with a predetermined measurement frequency.
  • the measurement frequency can correspond to an operating frequency 80 of a circuit, for example the matching circuit 200, comprising the material of the sample body 2.
  • the electrodes 9 shown are essentially flat and plane-parallel.
  • the electrodes 9 can be rectangular, circular or otherwise shaped.
  • the sample body 2 shown here has a plane-parallel geometry.
  • the dimensions of the sides 2a, 2b of the sample body 2 facing the electrodes 9 correspond here to the electrodes 9.
  • the electrodes 9 can be provided with guard electrodes.
  • the permittivities 7, 8 of the first filling medium 5 and of the second filling medium 6 must be different, for example they differ by a factor of 2, preferably by a factor of 4, particularly preferably by a factor greater than 4.
  • the filling media 5, 6 can be gaseous and / or liquid, wherein at least the second filling medium 6 can be a liquid.
  • the first filling medium 5 can be air and the second filling medium 6 can be methanol.
  • FIG. 2 shows a method 100 according to the invention for measuring a permittivity 1 of a material of a sample body 2 for recording several measuring points 10, 20, 30, 40 with at least one measuring voltage 12 with the aid of a capacitor arrangement 3 comprising at least one capacitor 4 with electrodes 9 with variable Electrode spacing 11, 21, 31, 41 and / or a plurality of capacitors 4 with electrodes each having different electrode spacings 11, 21, 31, 41 that are kept constant during the method, comprising the steps of recording 110 a first measuring point 10 from a first capacitance value, which with the or one of the capacitors 4 of the capacitor arrangement 3 was measured, and a first electrode spacing 11 greater than a thickness 2d of the sample body 2 arranged between the electrodes 9, which was measured for the electrodes 9 of this capacitor 4, with a space between the sample body 2 and the electrodes 9 of the capacitor 4 with a first filling medium 5 is filled with a first permittivity 7; of the transducer 120 at least one second measuring point 20 from a second capacitance value, which was measured with the or one of the
  • the method 100 can also include the further step of exchanging 180 the first filling medium 5 for the second filling medium 6 after receiving 110, 120 of the first and second measuring points 10, 20, in which the space between the sample body 2 and the electrodes 9 of the Capacitor 4 was filled with the first filling medium 5 and now for the subsequent third and fourth measuring points 30, 40 is filled with the second filling medium 6.
  • a capacitor arrangement 3 comprising a plurality of capacitors 4 with electrodes 9, each with different electrode spacings 11, 21, 31, 41, which are kept constant during the process, is used, the specimen 2 for the respective measurement of the capacitance value of the previous capacitor 4 in the subsequent capacitor 4 transfers 190 (this embodiment is shown here in phantom).
  • all electrode spacings 11, 21, 31, 41 of the respective capacitors 4 used later can also be measured before the capacitance measurement for recording 110 of the first measuring point 10.
  • the method 100 according to the invention thus makes it possible to determine the permittivity 1 of a radio frequency dielectric, namely a high permittivity, more precisely than according to the prior art.
  • FIG. 3 shows a diagram for the measurement accuracy of permittivities 1 over a frequency or operating frequency 80 with different permittivities of the permittive material.
  • the diagram illustrates typical measurement accuracies, such as those specified by Keysight, a manufacturer of test sockets for measurements according to the state of the art.
  • the 4 shows a matching circuit 200 according to the invention for the high frequency range comprising a high permittivity material 2 with a permittivity 1 of the high permittivity material 2 determined according to the inventive method 100.
  • the material 2 can be used for this in a component 70 of the matching circuit 200.
  • the operating frequency 80 of the matching circuit 200 can thereby be at a frequency which the matching circuit shows an optimal behavior. Furthermore, the matching circuit 200 can thereby have a reduced linear dimension.
  • the operating frequency 80 of the matching circuit 200 can be in the radio frequency range, preferably the operating frequency 80 is between 3 MHz and 300 MHz.
  • FIG. 5 shows a device 300 according to the invention for measuring a permittivity 1 of a material of a sample body 2 comprising a capacitor arrangement 3 with at least one capacitor 4 with electrodes 9 with variable electrode spacing 11, 21, 31, 41 and / or with several capacitors 4 with electrodes 9 each with different electrode spacings 11, 21, 31, 41 left constant during the process, a space between the sample body 2 and the electrodes 9 of the capacitor or capacitors 4 with the first filling medium 5 with a first permittivity 7 or a second filling medium 6 with a The second permittivity 8, which differs from the first permittivity 7, is filled, the device 300 being configured to use the method 100 according to the invention for recording a plurality of measuring points 10, 20, 30, 40 from respective capacitance values and electrode spacings at different electrode spacings 11, 21, 31 , 41 and filling media 5, 6 in at least one to carry out measurement voltage 12 applied to the capacitor arrangement 3.
  • the device 300 here comprises a control and analysis unit 310 for carrying out the method according to the invention, which, among other things, carries out the first and second extrapolations 50, 60, determines the effective thickness of the sample body 2 and the excellent capacitance value as well as the permittivity 1 of the material of the sample body 2 .
  • the control and analysis unit 310 can be any suitable unit.
  • this unit 310 can comprise a processor, memory and output unit.
  • the capacitor arrangement 3 can comprise two separate sub-arrangements 3 ', 3, the first sub-arrangement 3 using the first filling medium 5 for receiving 110, 120 of the first and at least second measuring points 10, 20 and the second sub-arrangement 3 ′′ is designed using the second filling medium 6 for receiving 130, 140 of the third and at least fourth measuring points 30, 40.
  • 6 shows a method 400 for reducing a linear dimension of a matching circuit 200 according to the present invention, comprising a high permittive material 2, the operating frequency 80 of which is at a frequency at which the matching circuit 200 exhibits optimal behavior.
  • the method comprises the steps of using 410 the high permittivity material 2, whose permittivity with a method 100 for
  • Electrode gap e.g. first electrode gap
  • Electrode gap e.g. second electrode gap
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  • Electrode gap e.g. fourth electrode gap

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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

Verfahren zur Messung einer Permittivität von Materialien
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 Radio frequenz- 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 aus geformter 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 verfullten 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 fuhrt, 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 die lektrischer Materialien im Hochfrequenzbereich, insbesondere im Radio frequenzbereich, 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 Aufhehmen 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:
Aufhehmen 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;
Aufhehmen 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 Polarisationsfahigkeit eines Materials durch elektrische Felder an. Die Permittivität e eines Materials wird als Vielfaches der Permitti- vität des Vakuums, der Naturkonstante eo, angegeben. Diese ist demnach e = eo*eG, wobei der Faktor eG 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 K (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 eo 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 (eG = 3,9) oder Siliziumoxinitrid (eG < 6). Bevorzugt werden hier Permittivitäten größer als die von AI2O3 betrachtet (eG = 10). Bezeichnung „high-k“ ist dem Englischen entlehnt, wo die Permittivität häufig mit k (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 = eo* ar*A/d. Dabei ist d der Plattenabstand, A die Fläche der Kondensatorplatten, eo die Permittivität des Vakuums und eG die relative Permittivität der Isolationsschicht. Demnach kann durch den Einsatz von High-k-Materialien (größeres eG) die Dicke der Isolatorschicht in Metall-Iso- lator-Halbleiter-Stmkturen bei gleichbleibender Kapazität erhöht werden, wodurch Leck ströme durch den dickeren Isolator drastisch verringert werden. Für den Vergleich werden die (kapazitiven) Eigenschaften solcher Schichten häufig zu einem Parameter zusammen gefasst, 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 Mess punkte kann einerseits ein Kondensator mit veränderlichem Elektrodenabstand verwen det 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 entfallt. 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 Beaufschla gung der Kondensatoranordnung mit einer Messspannung, beispielsweise mit einem elektrischen Feld durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorbestimmten Fre quenz, bei der die Permittivität gemessen werden soll, zwischen den Elektroden des Kon densators 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 Gleichoder 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 (sr= e + ίeG"). 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 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 Radio frequenzbereich. In diesem Fall liegt die Messfrequenz ebenfalls im Radiobereich. In einer weiteren Ausfährungsform 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 leitfahigen 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 Ausfuhrungsform 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 Füll medien können vorzugsweise gasförmig und/oder flüssig sein. Hierbei muss für das er finderische 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 erfmdungsgemäße 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 erfmdungsgemäße Verfahren von Vorteil ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ermöglicht, Dielektrizitätszahlen namentlich hochpermittiver dielektrischer Materialien vor allem im Hochfrequenzbereich, insbesondere im Radio frequenzbereich, 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 Füll medium mit einer ersten Permittivität oder mit einem zweiten Füllmedium mit einer zwei ten Permittivität ungleich der ersten Permittivität gefüllt ist, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, das Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Aufneh- men von Messpunkten aus jeweiligen Kapazitätswerten und Elektrodenabständen bei unterschiedlichen Elektrodenabständen und Füllmedien bei zumindest einer an die Kondensatorschaltung angelegten Messspannung auszufuhren. 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 erfmdungsgemäßen 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 Ausfährungsform 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 ein Verfahren zur Reduzierung einer linearen Abmes sung einer Anpass-Schaltung umfassend ein hochpermittives Material, deren Betriebsfre quenz bei einer Frequenz liegt, bei der die Anpass-Schaltung ein optimales Verhalten zeigt, mit den Schritten:
Verwenden des hochpermittiven Materials, dessen Permittivität mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen einer Permittivität eines Materials vermessen wurde, und skalieren der linearen Abmessung der Anpass-Schaltung mit einer inversen Wurzel der mit dem Verfahren vermessenen Permittivität.
Dem Verfahren zur Reduzierung einer linearen Abmessung einer Anpass-Schaltung liegt die genaue Bestimmung der Permittivität des Materials des Probenkörpers zugrunde, das dann auch in der Anpass-Schaltung verwendet wird. Während das Verfahren zum Messen einer Permittivität eines Materials die Bestimmung der Permittivität selbst zum Gegenstand haben, wird der Gegenstand des obigen Verfahrens durch eben diese Bestimmung der Permittivität überhaupt erst ermöglicht und verwendet die exakt bestimmte Permittivität zum Reduzieren der linearen Abmessung der Anpass-Schaltung bei gleichzeitigem Betrieb dieser Schaltung mit einer Betriebsfrequenz, bei der dieses Material gerade sein optimales Verhalten zeigt. Diese Betriebsfrequenz kann erst durch die exakte Bestimmung der Permittivität des Material optimal gewählt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anpass-Schaltung umfassend ein hochpermittives Material mit einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Permittivität des hochpermittiven Materials.
In einer Ausfiihrungsform liegt eine Betriebsfrequenz der Anpass-Schaltung bei einer Frequenz, bei der die Anpass-Schaltung ein optimales Verhalten zeigt, indem das hoch- permittive Material mit bestimmter Permittivität verwendet wird. In einer weiteren Aus führungsform 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 Radio frequenzbereich, 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 Radio frequenzbereich 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 AI2O3 Dielektrikum, mit einer Permittivität von 10, zu einem Barium- Alumini- umtitanat Dielektrikum, mit einem Permittivität von 200, um einen Faktor 20.
Es sei ausdrücklich daraufhingewiesen, 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 Air 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. Kurze Beschreibung der Figuren
Fig.1 : schematischer Messaufbau für ein erfmdungsgemäßes Verfahren mit (a) erstem
Füllmedium und (b) zweitem Füllmedium;
Fig.2: ein erfmdungsgemäßes Verfahren;
Fig.3 : ein Diagramm zur Messgenauigkeit von Permittivitäten über der Frequenz;
Fig.4: eine erfindungsgemäße Anpass-Schaltung;
Fig.5: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, und
Fig.6: ein Verfahren zur Reduzierung einer linearen Abmessung einer Anpass-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Fig.l zeigt einen schematischen Messaufbau für ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 mit (a) erstem Füllmedium 5 und (b) zweitem Füllmedium 6 zum Messen einer Permitti- vität 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 Fig.la ist die Anordnung zum Aufhehmen 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 Probenkör per 2 und den Elektroden 9 des Kondensators 4 mit einem ersten Füllmedium 5 mit einer ersten Permittivität 7 gefüllt ist. In Fig. lb ist die Anordnung zum Aufhehmen eines zwei ten Messpunktes 20 aus einem zweiten Kapazitätswert mit dem dafür verwendeten Kon densator 4 gezeigt, dessen Elektroden 9 gegenüber Fig.la 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 Fig. lc ist die Anordnung zum Aufhehmen 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 Fig.ld ist die Anordnung zum Aufhehmen eines vierten Messpunktes 40 aus einem vierten Kapazitätswert mit dem dafür verwendeten Kondensator 4 gezeigt, dessen Elektroden 9 gegenüber Fig.lc 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 An- pass-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 Proben körper 2 weist eine planparallele Geometrie auf. Die den Elektroden 9 zugewandten Sei ten 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.
Fig.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 Aufnehmern 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 Aus- tauschens 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 wäh rend 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 erfmdungsgemäßen 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.
Fig.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.
Fig.4 zeigt eine erfindungsgemäße Anpass-Schaltung 200 für den Hochfrequenzbereich umfassend ein hochpermittives Material 2 mit einer gemäß dem erfmdungsgemäßen 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 Radio frequenzbereich liegen, vorzugsweise liegt die Betriebsfrequenz 80 zwischen 3 MHz und 300 MHz.
Fig.5 zeigt eine erfmdungsgemäße 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 erfmdungsgemäße Verfahren 100 zum Aufhehmen 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 Ausfährungsform (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. Fig.6 zeigt ein Verfahren 400 zur Reduzierung einer linearen Abmessung einer Anpass- Schaltung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung umfassend ein hochpermittives Mate rial 2, deren Betriebsfrequenz 80 bei einer Frequenz liegt, bei der die Anpass-Schaltung 200 ein optimales Verhalten zeigt. Das Verfahren umfasst die Schritte des Verwendens 410 des hochpermittiven Materials 2, dessen Permittivität mit einem Verfahren 100 zum
Messen einer Permittivität eines Materials gemäß der vorliegenden Erfindung vermessen wurde, und des Skalierens 420 der linearen Abmessung der Anpass-Schaltung 200 mit einer inversen Wurzel der mit dem Verfahren 100 vermessenen Permittivität. An dieser Stelle sei explizit daraufhingewiesen, 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.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
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 erfmdungsgemäße Vorrichtung
310 Steuer- und Analyseeinheit

Claims

Patentansprüche:
1. Ein Verfahren (100) zum Messen einer Permittivität (1) eines Materials eines Pro benkörpers (2) zum Aufnehmen von mehreren Messpunkten (10, 20, 30, 40) bei zumindest einer Messspannung (12) mit Hilfe einer Kondensatoranordnung (3) um fassend 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) gefällt ist;
Aufnehmen (130) eines dritten Messpunktes (30) aus einem dritten Kapazitätswert, der mit dem oder einem der Kondensatoren (4) der Kondensatoran- Ordnung (3) gemessen wurde, und einem dritten Elektrodenabstand (31) grö ßer als die Dicke (2d) des zwischen den Elektroden (9) angeordneten Proben körpers (2), wobei der Elektrodenabstand (31) für die Elektroden (9) dieses Kondensators (4) gemessen wurde, wobei der Raum zwischen dem Proben körper (2) und den Elektroden (9) des Kondensators (4) mit einem zweiten Füllmedium (6) mit einer zweiten Permittivität (8) ungleich der ersten Per- mittivität (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;
Durchfuhren (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.
2. Das Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Permittivität (1) eine frequenzab hängige Permittivität ist und für die Messspannung (12) eine Wechselspannung mit einer vorbestimmten Messfrequenz verwendet wird.
3. Das Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei die Messfrequenz einer Betriebsfrequenz (80) einer Schaltung (200) umfassend das Material des Probenkörpers (2) entspricht.
4. Das Verfahren (100) nach Anspruch 3, wobei die Betriebsfrequenz (80) im Radiofrequenzbereich liegt.
5. Das Verfahren (100) nach Anspruch 4, wobei die Betriebsfrequenz (80) zwischen 3 MHz und 300 MHz liegt.
6. 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
7. 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).
8. Das Verfahren (100) nach Anspruch 7, wobei die Kondensatoranordnung (3) um fassend mehrere Kondensatoren (4) mit Elektroden (9) mit jeweils unterschiedli chen 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.
9. Das Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (9) im Wesentlichen eben und planparallel sind.
10. Das Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (9) kreisrund sind.
11. Das Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Probenkörper (2) eine planparallele Geometrie aufweist.
12. 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.
13. Das Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (9) mit Guard Elektroden versehen sind.
14. Das Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Per- mittivitäten (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.
15. Das Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Füll medien (5, 6) gasförmig und/oder flüssig sind.
16. Das V erfahren ( 100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens das zweite Füllmedium (6) eine Flüssigkeit ist.
17. Das Verfahren (100) nach Anspruch 15 oder 16, wobei das erste Füllmedium (5) Luft und das zweite Füllmedium (6) Methanol ist.
18. 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) auszu- fiihren.
19. 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.
20. Verfahren (400) zur Reduzierung einer linearen Abmessung einer Anpass-Schal- tung (200) umfassend ein hochpermittives Material (2), deren Betriebsfrequenz (80) bei einer Frequenz liegt, bei der die Anpass- Schaltung (200) ein optimales Verhalten zeigt, mit den Schritten:
Verwenden (410) des hochpermittiven Materials (2), dessen Permittivität mit einem Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 1 - 17 vermessen wurde, und
Skalieren (420) der linearen Abmessung der Anpass-Schaltung (200) mit einer inversen Wurzel der mit dem Verfahren (100) vermessenen Permittivität.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE68912209T2 (de) * 1988-06-13 1994-04-28 T A Instr Inc Dielektrisches Analysegerät mit parallelen Platten.
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