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.