第二章電介質(zhì)材料ppt課件

1、第二章第二章 電介質(zhì)材料電介質(zhì)材料第一節(jié)、電介質(zhì)的基本物理性質(zhì)第一節(jié)、電介質(zhì)的基本物理性質(zhì)1.1 電介質(zhì)的介電常數(shù)電介質(zhì)的介電常數(shù) 如果將某一均勻的電介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)而如果將某一均勻的電介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)而置于其兩極之間，由于電介質(zhì)的極化，可造成電容置于其兩極之間，由于電介質(zhì)的極化，可造成電容器的電容量比以真空為介質(zhì)時(shí)的電容量增加若干倍，器的電容量比以真空為介質(zhì)時(shí)的電容量增加若干倍，電介質(zhì)的這一性質(zhì)稱(chēng)為介電性。電容量增加的倍數(shù)電介質(zhì)的這一性質(zhì)稱(chēng)為介電性。電容量增加的倍數(shù)稱(chēng)為電介質(zhì)的介電常數(shù)稱(chēng)為電介質(zhì)的介電常數(shù) ，或稱(chēng)介電滲透率，用，或稱(chēng)介電滲透率，用來(lái)表示材料介電性的大小。來(lái)表示材料介電

2、性的大小。電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化極化極化 ： 在電場(chǎng)作用下，在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中束縛著電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移的電荷發(fā)生位移或者極性按電場(chǎng)或者極性按電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，方向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為稱(chēng)為電介質(zhì)的極電介質(zhì)的極化。化。1.2 復(fù)介電常數(shù)復(fù)介電常數(shù)對(duì)于真空中的平板電容器，在其上加一個(gè)交變電壓，對(duì)于真空中的平板電容器，在其上加一個(gè)交變電壓，則電極上出現(xiàn)電荷則電極上出現(xiàn)電荷（該電荷與外電壓同相）（該電荷與外電壓同相）tieUCUCQ000UCiQI00其電流為：其電流為：與外電壓有相差與外電壓有相差90度，度，是一種非損耗性電流是一種非損耗性電流如果極板間加入材料是弱電性的，或極性的，或兩

3、者均有，總之如果極板間加入材料是弱電性的，或極性的，或兩者均有，總之材料具有一定的電導(dǎo)，則在材料中必然會(huì)存在一個(gè)與導(dǎo)電性能有材料具有一定的電導(dǎo)，則在材料中必然會(huì)存在一個(gè)與導(dǎo)電性能有關(guān)的電流關(guān)的電流GU，這個(gè)電流與外電壓的頻率是沒(méi)有關(guān)系的。則電容，這個(gè)電流與外電壓的頻率是沒(méi)有關(guān)系的。則電容器總的電流應(yīng)為兩部分之和，可表示為：器總的電流應(yīng)為兩部分之和，可表示為：UGCiI)(0由于：由于：dSG另：電流密度另：電流密度可收可表示為：可收可表示為：故可定義復(fù)介電常數(shù)：故可定義復(fù)介電常數(shù)：ii*dSC故電流密度為：故電流密度為：Eij)(Eij*損耗角定義為：損耗角定義為：電容項(xiàng)損耗項(xiàng)tanUUCi0

4、1.3 多相系統(tǒng)電介質(zhì)材料的介電常數(shù)多相系統(tǒng)電介質(zhì)材料的介電常數(shù)如果二相的介電常數(shù)相差不大，而且均勻分布時(shí)，其混合物如果二相的介電常數(shù)相差不大，而且均勻分布時(shí)，其混合物的介電常數(shù)為：的介電常數(shù)為：2211lnlnlnxx當(dāng)介電常數(shù)為當(dāng)介電常數(shù)為 的球形顆粒均勻地分散在介電常數(shù)為的球形顆粒均勻地分散在介電常數(shù)為 的的基相中時(shí)，其混合物的介電常數(shù)為：基相中時(shí)，其混合物的介電常數(shù)為：dmdmdmddmdmmxxx)332()332(1.4 介電常數(shù)的溫度系數(shù)介電常數(shù)的溫度系數(shù)指隨溫度的變化，介電常數(shù)的相對(duì)變化率，即：指隨溫度的變化，介電常數(shù)的相對(duì)變化率，即：dTdTK1此參數(shù)可正可負(fù)此參數(shù)可正可負(fù)當(dāng)

5、一種材料由兩種介質(zhì)復(fù)合而成，且這兩種介質(zhì)的粒度都非當(dāng)一種材料由兩種介質(zhì)復(fù)合而成，且這兩種介質(zhì)的粒度都非常小，分布均勻時(shí)，該材料的溫度系數(shù)可由定義式微分得到，常小，分布均勻時(shí)，該材料的溫度系數(shù)可由定義式微分得到，即：即：2211TKxTKxTK2 介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗在恒定電場(chǎng)下的損耗能量與通過(guò)其內(nèi)部的電流有關(guān)，電流包在恒定電場(chǎng)下的損耗能量與通過(guò)其內(nèi)部的電流有關(guān)，電流包括：介質(zhì)的幾何電容的充電所造成的電容電流，不損耗能量；括：介質(zhì)的幾何電容的充電所造成的電容電流，不損耗能量；由各種極化的建立所造成的電流，所引起的損耗稱(chēng)為極化損由各種極化的建立所造成的電流，所引起的損耗稱(chēng)為極化損耗；則介質(zhì)的電導(dǎo)造成的

6、電流，所引起的損耗稱(chēng)為電導(dǎo)損耗。耗；則介質(zhì)的電導(dǎo)造成的電流，所引起的損耗稱(chēng)為電導(dǎo)損耗。在直流電場(chǎng)下，介質(zhì)損耗率取決于材料的電導(dǎo)率；在交變電在直流電場(chǎng)下，介質(zhì)損耗率取決于材料的電導(dǎo)率；在交變電場(chǎng)下，介質(zhì)損耗不僅與自由電荷的電導(dǎo)有關(guān)，還與松弛極化場(chǎng)下，介質(zhì)損耗不僅與自由電荷的電導(dǎo)有關(guān)，還與松弛極化過(guò)程有關(guān)，與頻率有關(guān)。其交流電壓下的介質(zhì)等效電導(dǎo)率僅過(guò)程有關(guān)，與頻率有關(guān)。其交流電壓下的介質(zhì)等效電導(dǎo)率僅由介質(zhì)本身決定，稱(chēng)為損耗因素。可表示為：由介質(zhì)本身決定，稱(chēng)為損耗因素?？杀硎緸椋簍an3 介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變

7、為導(dǎo)電狀態(tài)，稱(chēng)介電強(qiáng)度的破壞，或介質(zhì)的擊穿。相應(yīng)的臨界電場(chǎng)稱(chēng)為介稱(chēng)介電強(qiáng)度的破壞，或介質(zhì)的擊穿。相應(yīng)的臨界電場(chǎng)稱(chēng)為介電強(qiáng)度或擊穿強(qiáng)度。電強(qiáng)度或擊穿強(qiáng)度。擊穿強(qiáng)度類(lèi)型分為三種：熱擊穿強(qiáng)度類(lèi)型分為三種：熱擊穿，電擊穿，局部放電擊穿擊穿，電擊穿，局部放電擊穿 熱擊穿：本質(zhì)是處于電場(chǎng)中的介質(zhì)，由于其中的受熱，當(dāng)外加電壓足熱擊穿：本質(zhì)是處于電場(chǎng)中的介質(zhì)，由于其中的受熱，當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，可能從散熱與發(fā)熱的熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入不平衡狀態(tài)，若發(fā)出的熱夠高時(shí)，可能從散熱與發(fā)熱的熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入不平衡狀態(tài)，若發(fā)出的熱量比散去的多，介質(zhì)溫度將越來(lái)越高，直到出現(xiàn)永久性損壞。量比散去的多，介質(zhì)溫度將越來(lái)越高，直到出現(xiàn)永久性

8、損壞。 電擊穿：本質(zhì)是在強(qiáng)電場(chǎng)下，固體導(dǎo)帶中可能因冷發(fā)射或熱發(fā)射存在電擊穿：本質(zhì)是在強(qiáng)電場(chǎng)下，固體導(dǎo)帶中可能因冷發(fā)射或熱發(fā)射存在一些電子。這些電一方面在外電場(chǎng)下被加速，獲得動(dòng)能；另一方面與晶一些電子。這些電一方面在外電場(chǎng)下被加速，獲得動(dòng)能；另一方面與晶格振動(dòng)相互作用，把電場(chǎng)的能量傳遞給晶格。在一定的溫度和場(chǎng)強(qiáng)下平格振動(dòng)相互作用，把電場(chǎng)的能量傳遞給晶格。在一定的溫度和場(chǎng)強(qiáng)下平衡，固體有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)電子從電場(chǎng)中得到的能量大于傳遞給晶格的衡，固體有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)電子從電場(chǎng)中得到的能量大于傳遞給晶格的能量時(shí)，電子的動(dòng)能越來(lái)越大，至電子能量大到與晶格碰撞能產(chǎn)生電離能量時(shí)，電子的動(dòng)能越來(lái)越大，至電子能量

9、大到與晶格碰撞能產(chǎn)生電離時(shí)，自由電子數(shù)急劇增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，發(fā)生擊穿。時(shí)，自由電子數(shù)急劇增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，發(fā)生擊穿。第二節(jié)第二節(jié) 微波介電陶瓷微波介電陶瓷 評(píng)價(jià)微波介電陶瓷的主要技術(shù)參數(shù)是評(píng)價(jià)微波介電陶瓷的主要技術(shù)參數(shù)是介電常介電常數(shù)數(shù) ，品質(zhì)因數(shù)，品質(zhì)因數(shù)Q Q和頻率溫度系數(shù)和頻率溫度系數(shù)TCFTCF。r 微波介質(zhì)陶瓷（微波介質(zhì)陶瓷（MWDC）是指應(yīng)用于微波頻段）是指應(yīng)用于微波頻段(主要是主要是UHF、SHF頻段，頻段，300MHz300GHz)電路中作為介質(zhì)材電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)微波料并完成一種或多種功能的陶瓷，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)微波

10、介質(zhì)材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向。這主要是適應(yīng)微波移介質(zhì)材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向。這主要是適應(yīng)微波移動(dòng)通訊的發(fā)展需求。動(dòng)通訊的發(fā)展需求。12TCFT頻率溫度系數(shù)頻率溫度系數(shù)TCF:TCF:Tr為介電常數(shù)為介電常數(shù) 的溫度系數(shù)；的溫度系數(shù)； 為熱膨脹系數(shù)。為熱膨脹系數(shù)。 用于微波頻段的介質(zhì)一般要滿足如下用于微波頻段的介質(zhì)一般要滿足如下4 4個(gè)個(gè)要求：要求： （1 1）高介電常數(shù)）高介電常數(shù) （2 2）低介質(zhì)損耗（高）低介質(zhì)損耗（高Q Q） （3 3）溫度膨脹系數(shù)?。囟扰蛎浵禂?shù)小 （4 4）低頻率溫度系數(shù)）低頻率溫度系數(shù)TCFTCF微波介質(zhì)材料微波介質(zhì)材料微波介質(zhì)諧振器優(yōu)點(diǎn)：微波介質(zhì)諧振器優(yōu)點(diǎn)：

11、 (l)小型化小型化(高介電常數(shù)高介電常數(shù))眾所周知，微波設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化、高穩(wěn)定及廉價(jià)的方式是微眾所周知，微波設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化、高穩(wěn)定及廉價(jià)的方式是微波電路的集成化。在微波電路集成化的進(jìn)程中，金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)波電路的集成化。在微波電路集成化的進(jìn)程中，金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了平面微帶集成化，微波管實(shí)現(xiàn)了小型化。但是，微波電路中了平面微帶集成化，微波管實(shí)現(xiàn)了小型化。但是，微波電路中各種金屬諧振腔由于體積和重量太大，難以和微帶電路相集成，各種金屬諧振腔由于體積和重量太大，難以和微帶電路相集成，解決這一困難的出路在于使用微波介質(zhì)陶瓷材料制作諧振器。解決這一困難的出路在于使用微波介質(zhì)陶瓷材料制作諧振器。已經(jīng)知道，諧振器

12、的尺寸和電介質(zhì)材料的介電常數(shù)的平方根成已經(jīng)知道，諧振器的尺寸和電介質(zhì)材料的介電常數(shù)的平方根成反比。所以電介質(zhì)材料的介電常數(shù)越大，所需要的電介質(zhì)陶瓷反比。所以電介質(zhì)材料的介電常數(shù)越大，所需要的電介質(zhì)陶瓷塊體就越小，諧振器的尺寸也就越小。因此，微波介質(zhì)陶瓷材塊體就越小，諧振器的尺寸也就越小。因此，微波介質(zhì)陶瓷材料的高介電常數(shù)有利于微波介質(zhì)濾波器的小型化，可使濾波器料的高介電常數(shù)有利于微波介質(zhì)濾波器的小型化，可使濾波器同微波管、微帶線一道實(shí)現(xiàn)微波電路混合集成化，使器件尺寸同微波管、微帶線一道實(shí)現(xiàn)微波電路混合集成化，使器件尺寸達(dá)到毫米量級(jí)，其價(jià)格也比金屬諧振腔低廉得多。達(dá)到毫米量級(jí)，其價(jià)格也比金屬諧振

13、腔低廉得多。 (2)高穩(wěn)定性高穩(wěn)定性(接近于零的頻率溫度系數(shù)）接近于零的頻率溫度系數(shù)）通信器件的工作環(huán)境溫度不可能一成不變。如果微波介質(zhì)材料的諧振頻率通信器件的工作環(huán)境溫度不可能一成不變。如果微波介質(zhì)材料的諧振頻率隨溫度變化較大，濾波器的載波信號(hào)在不同的溫度下就會(huì)漂移，從而影響設(shè)備隨溫度變化較大，濾波器的載波信號(hào)在不同的溫度下就會(huì)漂移，從而影響設(shè)備的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度變化太大。溫度的實(shí)際要求的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度變化太大。溫度的實(shí)際要求范圍大致是范圍大致是40-100，在這個(gè)范圍內(nèi)，材料的頻率溫度系數(shù)不大于，在這個(gè)范圍內(nèi)，材料的頻率溫度系數(shù)不大于l

14、0ppm/。目前，己實(shí)用化的微波介質(zhì)陶瓷材料的頻率溫度系數(shù)可達(dá)。目前，己實(shí)用化的微波介質(zhì)陶瓷材料的頻率溫度系數(shù)可達(dá)0 ppm/，從而可以實(shí)現(xiàn)器件的高穩(wěn)定性和高可靠性。從而可以實(shí)現(xiàn)器件的高穩(wěn)定性和高可靠性。 (3)低損耗低損耗(高品質(zhì)因子高品質(zhì)因子Q)濾波器的一個(gè)重要要求是插入損耗低，微波介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗是影響介濾波器的一個(gè)重要要求是插入損耗低，微波介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗是影響介質(zhì)濾波器插入損耗的一個(gè)主要因素。微波介質(zhì)材料質(zhì)濾波器插入損耗的一個(gè)主要因素。微波介質(zhì)材料Q值與介質(zhì)損耗成反比關(guān)系。值與介質(zhì)損耗成反比關(guān)系。Q值越大，濾波器的插入損耗就越低。值越大，濾波器的插入損耗就越低。 微波介質(zhì)陶瓷材料

15、微波介質(zhì)陶瓷材料(BaO-TiO2)微波介質(zhì)陶瓷材料微波介質(zhì)陶瓷材料A(B1/3B2/3)O3鈣鈦礦型陶瓷A-Ba,Sr, B-Mg,Zn.Mn,B-Nb or Ta工工藝藝微波介質(zhì)材料系列微波介質(zhì)材料系列:BaO-TiO2A(B1/3B2/3)O3(Zr,Sn)TiO4低溫?zé)Y(jié)低溫?zé)Y(jié)Bi基材料基材料: 低介電常數(shù)低介電常數(shù) 中介電常數(shù)中介電常數(shù) 高介電常數(shù)高介電常數(shù)高介電微波介質(zhì)材料高介電微波介質(zhì)材料(Ln為稀土材料為稀土材料) BaO-Ln2O3-TiO2鎢青銅系鎢青銅系(BLT) 鉛基復(fù)合鈣鈦礦系：鉛基復(fù)合鈣鈦礦系：FeNb或或MgNb酸鹽酸鹽CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系系

16、其他系列的微波陶瓷材料其他系列的微波陶瓷材料(Ba,Sr)ZrO3(BSZ)、CaZrO3、Ca(Zr,Ti)O3(CZT)Sr(Zr,Ti)O3(SZT)、(Ba,Sr)(Zr,Ta)O3第三節(jié)電容器介電陶瓷材料 一一.結(jié)構(gòu)與成份結(jié)構(gòu)與成份:結(jié)構(gòu)組成：主晶相次晶相玻璃相氣相瓷料的化學(xué)成份、制造工藝共同影響瓷介的性能二二.介電陶瓷的分類(lèi)與特點(diǎn)介電陶瓷的分類(lèi)與特點(diǎn)2.型介電陶瓷 滑石瓷:MgO-Al2O3-SiO2, 主晶相：偏硅酸鎂氧化鋁瓷:BaO-Al2O3-SiO2, 主晶相：剛玉，莫來(lái)石低介電陶瓷配方3.II型介電陶瓷分類(lèi)：分為強(qiáng)非線性和弱非線性瓷兩種主要要求：大的介電常數(shù)，溫度穩(wěn)定性好

17、(往往相矛盾)介電常數(shù)與溫度關(guān)系：配制原則：選用自發(fā)極化很強(qiáng)的鐵電陶瓷移峰劑壓峰劑4.III型介電陶瓷分類(lèi)：表面型介電陶瓷表面型介電陶瓷：阻擋層型：阻擋層型：以金屬電極與半導(dǎo)體表面所形成的阻擋層作為介質(zhì)層氧化層型：氧化層型：以半導(dǎo)體瓷表面的氧化層作為介質(zhì)層晶界層型介電陶瓷晶界層型介電陶瓷：半導(dǎo)體晶粒具有良好的導(dǎo)電性，以絕緣性的晶界層作為工作介質(zhì)獨(dú)石電容器陶瓷(多層電容器用)特點(diǎn)：介電常數(shù)是普通陶瓷電容器的三倍，特別適用于高頻HIC(薄厚膜混合集成)電路的外貼元件和其他小型化、可靠性要求高的電子設(shè)備中。分類(lèi)： 高溫?zé)Y(jié)型：燒結(jié)溫度高于高溫?zé)Y(jié)型：燒結(jié)溫度高于1300oC，電極材，電極材料只能采用料只能采用Pt,Pd等耐高溫金屬，產(chǎn)品成本昂貴，等耐高溫金屬，產(chǎn)品成本昂貴，僅用于較特殊的整抗中僅用于較特殊的整抗中低溫?zé)Y(jié)型：*低溫?zé)Y(jié)I(高頻)型獨(dú)石電容器材料MgO-Bi2O3-Nb2O3 ZnO-Bi2O3-Nb2O3