Spektroskopia

impedancyjna

Pyt. 30

Maciej Ignaczak

• Metoda pomiarowa w badaniach

materiałów elektronicznych
- pomiary woltamperometryczne
- impedancyjne

Spektroskopia impedancyjna od

wielu lat należy do podstawowych
metod badawczych obiektów
technicznych modelowanych
obwodami elektrycznymi.

Zastosowania

• Elektrochemia – badanie powłok

antykorozyjnych

• Biomedycyna – badanie szkliwa

pokrywającego zęby

• Elektronika – badanie dielektryków

pokrywających przewodniki

Materiały o bardzo dużej impedancji

|Z

x

| <= 100G

Rodzaje spektroskopii

W zależności od badanego materiału

oraz mierzonej wielkości
wyróżniamy spekltroskopię:

- admitancyjną - Y()
- dielektryczną – C()
- fotoadmitancyjną
- modułu elektrycznego – P (?)

Spektroskopia impedancyjna - oznacza

pomiar liniowej, elektrycznej
odpowiedzi badanego materiału na
pobudzenie małym sygnałem
elektromagnetycznym w szerokim
paśmie częstotliwości i analizę tej
odpowiedzi w celu uzyskania
użytecznej informacji o
fizykochemicznych właściwościach
badanego materiału.

|Z

x

| <= 100G



 Hz do 1MHz

- pomiar sprowadza się do określenia

wartości amplitudy prądu płynącego

przez obiekt i przesunięcia fazowego

między tym prądem a przyłożonym

napięciem.

- obejmuje narzędzia pomiarowe i

wypracowane metody analizy

wyników pomiarów.

u

x

i

x

Z

x

H

L

G

Stanowisko
pomiarowe

Idea sp. impedancyjnej

Analiza odpowiedzi

- W dziedzinie czasu

Metoda ta polega na pomiarze odpowiedzi badanego obiektu na

skokowy wzrost i zanik napięcia (metoda funkcji skokowej). Z
charakterystyk ładowania i rozładowania wylicza się, np.
składowe admitancyjne (Y()):

Y=G()+jC()

       C()=C



+ 1/V

0

ƒ



I

d

(t) cos(t)dt

G()=G

dc

+ /V

0

ƒ



I

d

(t) sin(t)dt

G

dc

= (I

c

(t)-I

d

(t)) / V

-

C() i G() są pojemnością i przewodnością badanej struktury, którą

przedstawia się w postaci równoległego układu zastępczego.
-C



jest pojemnością obiektu mierzoną przy odpowiednio dużej

częstotliwości;
-V jest wartością skoku napięcia
-I

c

(t) i I

d

(t) są odpowiednio prądami ładowania i rozładowania badanej

struktury.

- W dziedzinie częstotliwości

Wykorzystuje się tu cyfrowy analizator

odpowiedzi w funkcji częstotliwości

pobudzenie - x(t)=X

0

sin(t)

odp - otrzymuje się w postaci funkcji S(t).

Sygnał odpowiedzi S(t) jest skorelowany z dwoma

synchronicznymi sygnałami odniesienia.

Pierwszy z nich jest zgodny w fazie z x(t), a

drugi jest przesunięty o 90

0

.

Aby otrzymać informację o składowej

impedancji

Z()=Re(Z)+Im(Z)

Należy te sygnały odpowiednio przemnożyć, a

następnie scałkować w wybranym przedziale

czasu.

Analiza i interpretacja

• Analiza i dopasowanie (fitowanie)

danych doświadczalnych do
odpowiedzi modelu matematycznego
opiera się na metodzie najmniejszych
kwadratów. Do symulacji i fitowania
stosuje się obecnie najczęściej
programy komputerowe opracowane
przez MacDonalda i Boukampa.

Przed interpretacją wyniki pomiarów

przedstawia się najczęściej w postaci
wykresów:

-

Bodego |Z| = f

1

() i f

2

(),

gdzie Z()=|Z|exp

j

-

Nyquista Z’ = f(Z’’),

gdzie Z()= Z’+jZ’’

-

Cole – Cole Y’/j f(Y’’/),

gdzie Y()= Y’+jY’’

Wykreślenie powyższych charakterystyk może

ujawnić wiele mechanizmów występujących
jednocześnie i interesujących nas zjawisk. Jeśli
ponadto znana jest struktura mierzonego
materiału, to badane zjawisko morze być
przyporządkowane określonemu materiałowi.

Przykładowy wykres modułu i fazy napięć u

i

/u

u

(sygnałów pomiarowych w układzie z sondą
ostrzową)

dielektryczną –

TSP, TSD wzorst przewodnictwa wraz ze wzrostem T

Spektroskopia dielektryczna umożliwia badanie procesów relaksacyjnych
w polimerach w funkcji częstości przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego
oraz w funkcji temperatury. Wielkością mierzoną w eksperymencie
dielektrycznym jest pojemność kondensatora, na podstawie
której można obliczyć przenikalność dielektryczną materiału
znajdującego się między okładkami kondensatora. Zmiany części rzeczywistej
oraz części urojonej przenikalności dielektrycznej w funkcji częstości
przyłożonego pola oraz w funkcji temperatury (Rys.) są konsekwencją
zachodzących w polimerze procesów relaksacyjnych.