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Interview: Innovative Impedanzmessung

Zurich Instruments ist ein Hersteller von Prüf- und Messgeräten mit Sitz in Zürich, Schweiz, der Lock-In-Verstärker, Phasenregelkreise, Impedanzanalysatoren, Arbiträrsignalgeneratoren und Boxcar-Averager entwickelt und herstellt. Wir sprachen mit Dr. Tim Ashworth, Application Manager bei Zurich Instruments, über die neuesten Innovationen im Bereich der Impedanzanalyse und den im vergangenen Jahr eingeführten MFIA, ein Mittelfrequenz-Impedanzanalysator und hochgenaues LCR-Messgerät.

AaT: Wie funktionieren Impedanzanalysatoren und was sind die Herausforderungen bei der Impedanzmessung?

Tim Ashworth: Impedanzmessungen werden in der Regel mit verschiedenen Frequenzen durchgeführt. Dies ist eine gängige Methode zur Charakterisierung von elektrischen Komponenten und Materialien wie Dielektrika, biologischen Materialien und Keramiken. Die meisten am Markt erhältlichen Impedanzanalysatoren verfügen über eine veraltete Benutzersoftware und haben vor allem im unteren Frequenzbereich Defizite.

Da sich die Impedanz über den Frequenzbereich um viele Grössenordnungen ändern kann, müssen die Messgeräte einen weiten Impedanzbereich mit hoher Messgenauigkeit abdecken können, um gute Messresultate zu erzielen. Weitere Herausforderungen treten beim Anschliessen des Messobjekts an das Messinstrument auf. Dies geschieht in der Regel mit einem speziellen Kabel oder einer Probenhalterung. Diese kann parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten ins Spiel bringen, was die Genauigkeit der Impedanzmessung deutlich reduzieren kann.

AaT: Welche Innovationen bringt der MFIA mit sich, um diesen Herausforderungen zu begegnen?

Tim Ashworth: Zurich Instruments hat bei der Entwicklung des MFIA-Impedanzanalysators folgenden innovativen Ansatz zur Impedanzanalyse verfolgt: der MFIA misst direkt die Spannung und den Strom durch das zu prüfende Bauteil. Dadurch ist keine Rückkopplung mehr notwendig, wie bei vielen Geräten mit einer automatisch abgleichenden Messbrücke. Durch den Wegfall dieser Rückkopplungsschleife sind niedrigere Messfrequenzen bis in den Millihertz Bereich möglich. Die Hardware des MFIA liefert damit eine unübertroffene Genauigkeit für Messungen über einen grossen Impedanzbereich.

Der größte Innovationsschritt liegt jedoch in unserer leistungsfähigen Software. Diese umfasst viele einfach zu bedienende Software-Tools, wie z. B. den parametrischen Sweeper, mit dem der Benutzer viele verschiedene Parameter messen und Impedanzparameter in einem dynamischen Grafikfenster darstellen und analysieren kann. Dies ermöglicht eine nahtlose Impedanzmessung von 1 mHz bis 5 MHz bei uneingeschränkter Datenpunktdichte. Die Daten werden in Echtzeit angezeigt, das resultierende Multi-Trace-Diagramm kann in Sekundenschnelle angepasst, und dann als Vektorgrafik exportiert werden.

AaT: Wie unterscheidet sich der MFIA von anderen Geräten am Markt?

Tim Ashworth: Der MFIA verfügt über eine moderne, branchenführende Software-Schnittstelle mit vielen benutzerfreundlichen Tools, die den Prozess der Impedanzmessung vom Labor bis zur Erstellung des Berichts erheblich beschleunigen.

Es ist sehr wichtig, dass die Daten zuverlässig und genau sind. Der MFIA enthält daher eine einzigartige Datenüberprüfungsfunktion, den sogenannten Vertrauensindikator (confidence-indicator), der Datenpunkte , die auf unzuverlässigen Fundamentaldaten basieren, mit einem Warnhinweis markiert. Damit erhält der Anwender nicht nur genaue, sondern auch zuverlässige Messwerte. Die Grundgenauigkeit ist mit 0,05% über einen weiten Frequenzbereich von 1 mHz bis 500 kHz einzigartig. Darüber hinaus ermöglicht unser umfassendes Genauigkeitsdiagramm dem Anwender, die erreichbare Genauigkeit eines spezifischen Parametersatzes schnell zu erkennen.

AaT: Der MFIA Impedanzanalysator basiert auf dem MFLI Lock-In-Verstärker, was bedeutet das für den Anwender?

Tim Ashworth: Der MFIA Impedanz Analyzer bietet die volle Funktionalität unseres MFLI Lock-In-Verstärkers in einer Box! Der MFLI wurde 2015 auf den Markt gebracht und hat weltweit tausende zufriedene Anwender. Der MFLI ist ein leistungsstarker Lock-In-Verstärker, mit dem der Anwender kleine periodische Signale selbst bei hohem Hinterrauschen messen kann. Dank des Dynamikbereichs von 120 dB lassen sich Signale messen, selbst wenn das Hintergrundrauschen bis zu einer Million mal stärker ist als das eigentliche Signal. Viele Messungen können sehr schnell erfolgen, die minimale Zeitkonstante beträgt nur 1 Mikrosekunde. Dies ist beispielsweise sehr nützlich bei der Messung von transienten Vorgängen an Kapazitäten.

AaT: Wie kann der MFIA Impedanzanalysator Anwender unterstützen, die sich zum ersten Mal mit der Impedanzanalyse beschäftigen?

Tim Ashworth: Die zuvor genannten Vertrauensindikatoren sind ein wesentliches Merkmal bei der Impedanzmessung. Sie schaffen Vertrauen in die Messdaten, sowohl für neue als auch erfahrene Anwender. Darüber hinaus bieten wir mit dem Compensation-Advisor eine weitere innovative Funktion an. Dieser führt den Benutzer durch den Prozess der Kompensation von parasitären Störgrössen bspw. aufgrund der Probenhalterung. Das gibt dem Anwender mehr Sicherheit, dass am Ende auch unter schwierigen Bedingungen korrekte Werte gemessen werden.

AaT: Wo kommt der MFIA zum Einsatz?

Tim Ashworth: Der MFIA eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen die Impedanz bei niedrigen bis mittleren Frequenzen genau gemessen werden muss, einschliesslich Anwendungen, bei denen hochohmige Messungen erforderlich sind. Besonders Materialforscher benötigen genaue Messtechnik für die Charakterisierung von Dielektrika (Polymere und Keramik), elektronischen Bauelementen (Superkondensatoren und High-Q-Kondensatoren) und Bio-Impedanzen.

AaT: Welche Perspektiven gibt es im Bereich der Impedanzmessung?

Tim Ashworth: Zurich Instruments ist ein junges, dynamisches Unternehmen, das beständig innovative Produkte entwickelt und verbessert. Technologieführerschaft ist unser Ziel, deshalb integrieren wir immer mehr Funktionen in unsere erstklassige Hardware und sorgen dafür, dass sie einfach zu bedienen ist. So profitieren unsere Kunden von effizienten Arbeitsabläufen und reduzierter Komplexität beim Mess-Setup, sparen Zeit bei der Messung und können sich auf ihre eigentlichen Ziele konzentrieren.

Dank des MFIA ist ein Hauch von Innovation in ein Forschungsgebiet gelangt, das lange Zeit von Instrumentenherstellern vernachlässigt wurde. So können nun auch unerfahrene Benutzer genaue Messungen mit hoher Zuverlässigkeit durchführen.

AaT: Vielen Dank für das Interview!

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