Tờ thông số của một tấm laminate ghi hằng số điện môi 3,8 và hệ số tổn hao 0,008. Con số đó được đo ở 1 MHz. Mạch của bạn chạy ở 10 GHz. Hai giá trị này không nhất thiết giống nhau. Và độ chênh giữa chúng đủ để làm trở kháng đường truyền lệch khỏi thiết kế và làm ngân sách suy hao của liên kết tốc độ cao sai hoàn toàn.
Đó là lý do đo vật liệu điện môi là một phép đo riêng, có tiêu chuẩn riêng và có bộ sai số riêng. Chứ không phải một dòng chép lại từ catalogue nhà cung cấp. Bài viết đi qua nguyên lý, phương pháp bản cực song song theo ASTM D150, nguồn sai số lớn nhất của phép đo này. Và ngưỡng tần số buộc bạn phải đổi phương pháp.
Hằng số điện môi và hệ số tổn hao thực sự là gì
Khi đặt một vật liệu cách điện vào giữa hai bản cực, điện dung tăng lên so với khi giữa hai bản là không khí. Tỉ số đó chính là hằng số điện môi tương đối, ký hiệu εr. Nhưng vật liệu thực không phản ứng tức thời với điện trường: một phần năng lượng bị tiêu tán thành nhiệt. Vì vậy hằng số điện môi là một số phức:
εr = ε′r − j·ε″r
Phần thực ε′r là phần tích trữ năng lượng — thứ quyết định trở kháng đặc tính và tốc độ lan truyền trên đường truyền. Phần ảo ε″r là phần tiêu tán. Tỉ số giữa hai phần là hệ số tổn hao, hay hệ số tiêu tán:
tan δ = ε″r / ε′r
Điểm mấu chốt: cả hai đại lượng đều phụ thuộc tần số. Cơ chế phân cực lưỡng cực còn theo kịp điện trường ở megahertz sẽ tụt lại ở gigahertz, làm ε′r giảm và tan δ thường tăng. Một con số Dk duy nhất không kèm tần số đo là một con số không dùng được cho thiết kế.
Phương pháp bản cực song song: nền của ASTM D150
Cách trực tiếp nhất để lấy ε′r và tan δ là biến mẫu vật thành chất điện môi của một tụ phẳng, đo điện dung và hệ số tiêu tán, rồi giải ngược. Đây là nguyên lý của phương pháp bản cực song song, được chuẩn hoá trong ASTM D150 cho vật liệu cách điện rắn.
Đồ gá Keysight 16451B hiện thực hoá phương pháp này và tuân thủ ASTM D150. Theo tài liệu kỹ thuật của đồ gá, các thông số quan trọng là: dải tần làm việc đến 30 MHz, điện áp áp dụng tối đa ±42 V đỉnh (tổng AC và DC), cấu hình bốn cực đầu cuối (4-terminal pair) với chiều dài cáp cài đặt 1 m, nhiệt độ vận hành 0 °C đến 55 °C, khối lượng 3,7 kg kèm phụ kiện.
Đồ gá cung cấp ba phương pháp đo, và việc chọn đúng phương pháp quan trọng hơn việc chọn máy:
- Điện cực tiếp xúc, kim loại cứng — Electrode-A đường kính ϕ38 mm và Electrode-B đường kính ϕ5 mm. Dùng cho vật liệu chưa phủ điện cực màng mỏng. Đo ở chế độ Cp-D.
- Điện cực tiếp xúc, màng mỏng — Electrode-C và Electrode-D, dùng khi đã phủ một lớp màng dẫn lên hai mặt mẫu.
- Điện cực không tiếp xúc, phương pháp khe khí — đo hai lần, có và không có mẫu vật giữa hai bản cực. Đo ở chế độ Cs-D.
Với phương pháp tiếp xúc, hằng số điện môi được tính từ điện dung song song tương đương:
εr = ta · Cp / (π · (d/2)² · ε0)
trong đó ta là bề dày trung bình của mẫu, d là đường kính điện cực được bảo vệ, và ε0 = 8,854 × 10⁻¹² F/m. Với phương pháp khe khí, công thức dùng hai giá trị điện dung Cs1 (không có mẫu) và Cs2 (có mẫu), cùng khe đặt tg và bề dày mẫu ta.
Khe khí: nguồn sai số lớn nhất, và nó lớn đến mức nào
Đây là phần quyết định chất lượng phép đo, và cũng là phần bị coi nhẹ nhất. Khi ép điện cực kim loại trực tiếp lên mẫu, dù mẫu được gia công phẳng và song song đến đâu, vẫn luôn còn một lớp khe khí cực mỏng giữa bề mặt điện cực và bề mặt mẫu. Điện dung đo được khi đó là điện dung của vật liệu nối tiếp với điện dung của lớp khe khí đó — và kết quả luôn thấp hơn giá trị thật.
Tài liệu của 16451B lượng hoá hiệu ứng này theo tỉ số t/d, với t là bề dày khe khí và d là bề dày mẫu. Bảng sai số cho thấy quy luật rất rõ: sai số tăng nhanh theo cả tỉ số khe khí lẫn hằng số điện môi của vật liệu.
Với tỉ số khe khí chỉ 0,01, vật liệu có ε′r = 2 chỉ sai khoảng 1%, nhưng vật liệu có ε′r = 10 đã sai 8%, và vật liệu có ε′r = 50 sai tới 33%. Ở tỉ số 0,05, con số tương ứng là 5%, 30% và 70%.
Đọc bảng này ra thành nguyên tắc thực hành: vật liệu càng mỏng và hằng số điện môi càng cao thì khe khí càng nguy hiểm. Với gốm điện môi cao hoặc màng mỏng, phương pháp tiếp xúc kim loại cứng gần như chắc chắn cho kết quả sai lệch hai chữ số phần trăm. Cách triệt tiêu duy nhất là phủ điện cực màng mỏng lên hai mặt mẫu — tốn thêm một bước chuẩn bị mẫu, nhưng đó là cách đạt độ chính xác cao nhất.
Hiệu ứng biên và hằng số diện tích hiệu dụng
Điện cực bảo vệ (guard electrode) có nhiệm vụ hút đường sức tản ở mép ra khỏi điện cực đo, nhưng nó không triệt tiêu hoàn toàn. Phần còn lại làm diện tích biểu kiến của điện cực lớn hơn diện tích hình học, và do đó đẩy hằng số điện môi tính ra cao hơn thực tế.
Tài liệu đưa ra hằng số diện tích hiệu dụng để chia lại. Với Electrode-A ϕ38 mm, hệ số này xấp xỉ 1,0105; với Electrode-B ϕ5 mm, xấp xỉ 1,0526. Nói cách khác, bỏ qua hiệu chỉnh này gây sai số khoảng 1% với điện cực lớn nhưng tới hơn 5% với điện cực nhỏ. Đó là một lý do cụ thể để ưu tiên điện cực đường kính lớn khi mẫu vật cho phép — sai số cơ khí của bản thân đường kính cũng vậy: dung sai điển hình khoảng ±0,13% cho ϕ38 mm so với khoảng ±1,0% cho ϕ5 mm.
Quy trình thực hành: bảy điểm không được bỏ
- Bù OPEN và SHORT trước mọi phép đo, ở đúng cấu hình cáp sẽ dùng.
- Chỉnh song song điện cực và kiểm tra lại bằng phép đo điện dung: ở khe 0,01 mm, Electrode-A phải cho 700 pF đến 1000 pF và Electrode-B cho 12 pF đến 17 pF. Ngoài dải này phải chỉnh lại.
- Không dùng panme gắn trên 16451B để đo bề dày mẫu. Tài liệu nói rõ điều này; hãy dùng panme chính xác riêng và đo tại nhiều điểm trên vùng đo.
- Chỉnh và đo ở cùng điều kiện nhiệt độ, vì thay đổi nhiệt độ làm kích thước cơ khí thay đổi.
- Giữ bề mặt điện cực sạch, không xước. Một vết xước hoặc vết bẩn có thể khiến điện dung không rơi vào dải giới hạn.
- Đo trên vùng điện dung mà máy đo được chính xác — thực tế là trên khoảng 1 pF.
- Ghi lại tần số, mức kích thích và nhiệt độ cùng với kết quả. Một giá trị Dk không kèm ba thông tin này không tái lập được.
Trần tần số: khi nào phải bỏ bản cực song song
Đây là cái bẫy hay gặp nhất. Máy phân tích trở kháng Keysight E4990A phủ tới 120 MHz, nhưng đồ gá 16451B chỉ được quy định đến 30 MHz. Trần của phép đo là trần của đồ gá, không phải của máy. Cấu hình bốn cực đầu cuối với cáp 1 m và bản thân hình học điện cực đặt ra giới hạn đó.
Phía trên ngưỡng này, ngành dùng các phương pháp khác. IPC-TM-650 2.5.5.9 mở rộng chính nguyên lý bản cực song song lên dải 1 MHz đến 1,5 GHz cho vật liệu mạch in; còn ở dải X-band, IPC-TM-650 2.5.5.5 dùng phương pháp cộng hưởng stripline. Từ vài GHz trở lên, phép đo chuyển hẳn sang miền tham số S: hốc cộng hưởng, đường truyền hoặc kỹ thuật không gian tự do, đo bằng máy phân tích mạng như Keysight N5227B phủ 900 Hz đến 67 GHz.
Nguyên tắc chọn: đừng ngoại suy Dk từ 1 MHz lên 10 GHz. Nếu ứng dụng nằm ở gigahertz, phép đo cũng phải nằm ở gigahertz.
Chọn thiết bị Keysight để đo vật liệu điện môi
- E4990A — máy phân tích trở kháng 20 Hz đến 10/20/30/50/120 MHz tuỳ tuỳ chọn, độ chính xác trở kháng cơ bản 0,08% (điển hình 0,045%), dải đo trở kháng 25 mΩ đến 40 MΩ ở mức chính xác 10%, nguồn phân cực DC 40 V tích hợp. Đây là lựa chọn mặc định khi ghép với 16451B. Bài đo đặc tuyến trở kháng theo tần số đi sâu hơn vào phần thiết lập máy.
- E4980A — máy đo LCR để bàn, phù hợp khi phép đo chỉ cần một số điểm tần số cố định thay vì quét đặc tuyến đầy đủ.
- N5227B — khi vật liệu phải được đặc trưng ở dải gigahertz bằng phương pháp cộng hưởng hoặc đường truyền.
Kết luận
Phép đo điện môi là một trong số ít phép đo mà sai số của chuẩn bị mẫu lớn hơn sai số của thiết bị nhiều lần. Một máy phân tích trở kháng chính xác 0,045% ghép với một mẫu vật có khe khí tỉ số 0,01 và ε′r = 50 vẫn cho kết quả sai 33%. Thứ tự ưu tiên vì thế rất rõ: chuẩn bị mẫu trước, chọn phương pháp thứ hai, chọn máy thứ ba — và chỉ so sánh các con số Dk khi chúng cùng tần số, cùng nhiệt độ, cùng phương pháp.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích trở kháng, máy đo LCR và máy phân tích mạng. Cần tư vấn cấu hình đồ gá cho vật liệu cụ thể hoặc lên lịch hiệu chuẩn định kỳ, xin liên hệ hotline 0908 173 345.
