第6章-電子與微電子材料-6.2-介電材料概要

6.FCC結(jié)構(gòu)的鎳原子半徑為0.1243nm。試求鎳的晶格參數(shù)和密度。17.鈾具有斜方結(jié)構(gòu)，其晶格參數(shù)為a=0.2854nm，b=0.5869nm，c=0.4955nm；其原子半徑為0.138nm，密度為19.05gcm-3。試求每單位晶胞的原子數(shù)目及積累系數(shù)。斜方晶系即正交晶系：a≠b≠c,α=β=γ2315.說明為什么只有置換型固溶體的兩個(gè)組份之間才能相互完全溶解，而填隙型固溶體則不能。答：置換型固溶體：溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所組成的固溶體。間隙型固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶體間隙位置所形成的固溶體。由于溶劑晶體間隙有限，能填入異質(zhì)原子或離子的數(shù)目也有限，因此間隙型固溶體是有限固溶體。4（1）主鏈結(jié)構(gòu)①當(dāng)主鏈中含C-O，C-N，Si-O鍵時(shí)，柔順性好。因?yàn)镺、N原子四周的原子比C原子少，內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位阻??；而Si-O-Si的鍵角也大于C-C-C鍵，因而其內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻更小，即使在低溫下也具有良好的柔順性。如：影響高分子鏈柔性的因素5②苯環(huán)或共軛雙鍵：

當(dāng)主鏈中由共軛雙鍵組成時(shí)，由于共軛雙鍵因p電子云重疊不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因而柔順性差，是剛性鏈。如：聚乙炔和聚苯6例1：

順聚丁二烯σ=1.68

聚乙烯σ=1.84③孤立雙鍵：例2：

聚氯丁二烯（氯丁橡膠）聚氯乙烯7⑵取代基（側(cè)基）①極性：取代基的極性越大，極性基團(tuán)數(shù)目越多，相互作用越強(qiáng)，單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)越困難，分子鏈柔順性越差。如：8②非極性空間位阻分子鏈間距取代基為剛性，空間位阻越大，柔性越低。9取代基為柔性，分子鏈間距越大，柔性越高。10

對(duì)稱性取代基，可使分子鏈間的距離增大，相互作用減弱，柔順性大。側(cè)基對(duì)稱性越高，分子鏈柔順性越好。如：（3）氫鍵假如高分子鏈的分子內(nèi)或分子間可以形成氫鍵，氫鍵的影響比極性更顯著，可大大增加分子鏈的剛性，降低柔性。（4）交聯(lián)柔性下降交聯(lián)密度低——影響較小交聯(lián)密度增加——柔性急劇下降交聯(lián)密度極高——?jiǎng)傂匀纾篬1]硫化橡膠

[2]熱固性塑料116.2介電材料

什么是介電材料？DielectricMaterial

絕緣材料？導(dǎo)體材料？半導(dǎo)體材料？介電材料＝電介質(zhì)特征：束縛電荷E電荷中心重合電荷中心不重合電介質(zhì)的極化類比磁化概念兩個(gè)問題12

電介質(zhì)材料是指電阻率大于的材料，是相對(duì)于金屬材料和半導(dǎo)體材料而區(qū)分的。金屬材料：共有化電子半導(dǎo)體材料：載流子電介質(zhì)材料：束縛電荷13電介質(zhì)材料的分類及應(yīng)用絕緣材料：電阻率很高，能承受很強(qiáng)的電場，不易被擊穿。主要是高分子電介質(zhì)和無堿玻璃。電容器材料：主要是陶瓷材料，包括兩種，一種是具有嚴(yán)格溫度系數(shù)的高頻穩(wěn)定型陶瓷，一種是介電系數(shù)特殊大的鐵電陶瓷。壓電材料：是具有能使機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的材料。在實(shí)際應(yīng)用中，主要的壓電材料是壓電陶瓷，廣泛用于情感元件、電聲器件等方面。電介質(zhì)材料的分類14在外電場作用下，材料發(fā)生兩種響應(yīng)：電傳導(dǎo)電感應(yīng)絕緣起滿足電容作用的器件32種點(diǎn)群-20個(gè)點(diǎn)群具有壓電性10個(gè)含單一對(duì)稱軸，具有自發(fā)極化（熱釋電）自發(fā)極化能被電場轉(zhuǎn)向（鐵電）15壓電材料液晶電介質(zhì)結(jié)構(gòu)材料電介質(zhì)功能材料介電材料電介質(zhì)材料電介質(zhì)材料的應(yīng)用166.2.1材料的介電性特征介電常數(shù)1）材料因素：ε材料在電場中被極化的實(shí)力2）尺寸因素：d和A：平板間的距離和面積假如介電介質(zhì)為真空：在平行板電容器間放置某些材料，會(huì)使電容器存儲(chǔ)電荷的實(shí)力增加，C>C0真空介電常數(shù)：ε0=8.85×10-12F.m-1(法拉/米)相對(duì)介電常數(shù)：εr介電常數(shù)（電容率）：=0r(F/m)介電常數(shù)是描述某種材料放入電容器中增加電容器存儲(chǔ)電荷實(shí)力的物理量。17極化：電介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)正負(fù)電荷中心分別，轉(zhuǎn)變成偶極子；電偶極距：極化率：單位電場強(qiáng)度下質(zhì)點(diǎn)電偶極距的大小，表征電介質(zhì)的極化實(shí)力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)，單位F.m2；極化強(qiáng)度：電介質(zhì)單位體積內(nèi)的電偶極距總和，與面電荷密度單位一樣，C/m2；電介質(zhì)極化系數(shù)：將宏觀電場E和宏觀物理量P聯(lián)系起來；極化現(xiàn)象及其物理量18電介質(zhì)：絕緣體，無自由電荷。電介質(zhì)極化特點(diǎn)：內(nèi)部場強(qiáng)一般不為零。1.有極分子和無極分子電介質(zhì)有極分子：分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心不重合。負(fù)電荷中心正電荷中心無極分子：分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心重合如氦(He)、氫(H2)、甲烷(CH4)等++H+HO

介質(zhì)極化和靜態(tài)介電常數(shù)19無外電場時(shí)，有極分子電矩取向不同，整個(gè)介質(zhì)不帶電。（2）有極分子的取向極化在外電場中有極分子的固有電矩要受到一個(gè)力矩作用，電矩方向轉(zhuǎn)向和外電場方向趨于一樣。2.電介質(zhì)的極化（1）無極分子的位移極化加上外電場后，在電場作用下介質(zhì)分子正負(fù)電荷中心不再重合，出現(xiàn)分子電矩。20真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－自由電荷+－偶極子束縛電荷1.具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象電介質(zhì)的極化21電介質(zhì)極化的微觀機(jī)理（類型）彈性位移極化（瞬時(shí)極化）取向極化（弛豫極化）電子位移極化（ElectronicPolarizability）

Responseisfast,τissmall離子位移極化（IonicPolarizability）

Responseisslower偶極子取向極化（DipolarPolarizability）

Responseisstillslower空間電荷極化

(SpaceChargePolarizability)Responseisquiteslow,τislarge松弛極化電子松弛極化離子松弛極化22極化類型電子極化電子云與原子核的相對(duì)位移誘導(dǎo)電偶極子離子極化陰、陽離子的相對(duì)位移誘導(dǎo)電偶極子轉(zhuǎn)向極化固有電偶極子的指向在外場中轉(zhuǎn)向空間電荷極化在絕緣體界面移動(dòng)載流子形成的極化電介質(zhì)的極化23極化機(jī)制極化的基本形式：第一種：位移式極化------彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。第二種：該極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，其完成需要一定的時(shí)間，且是非彈性的，需要消耗一定的能量。24位移極化取向極化①位移極化

Displacementpolarization

主要是電子發(fā)生位移②取向極化Orientationpolarization

由于熱運(yùn)動(dòng)這種取向只能是部分的，遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律。25(1)電子位移極化電子位移極化和電子松弛極化電子位移極化無外電場作用+

E電子位移極化±-26電子云位移極化的特點(diǎn)：a)極化所需時(shí)間極短，在一般頻率范圍內(nèi)，可以認(rèn)為ε與頻率無關(guān)；

b)具有彈性，沒有能量損耗。

c)溫度對(duì)電子式極化影響不大。(1)電子位移極化：

電場作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移(電子云發(fā)生了變更而使正、負(fù)電荷中心分別的物理過程)

電子云位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中。27另一方面，殼層電子與原子核之間的相互吸引力的作用是使正負(fù)電中心重合。就是在這二各力的作用下原子處于一種新的平衡狀態(tài)。在這個(gè)新平衡狀態(tài)中該原子具有一個(gè)有限大小的感應(yīng)偶極矩，用Pe表示感應(yīng)偶極矩的大小，Pe與電場之間的關(guān)系為：其中e稱為電子位移極化率。28利用玻爾原子模型，可具體估算出的大小，即結(jié)論：電子極化率的大小與原子（離子）的半徑有關(guān)29(2)離子位移極化離子位移極化：離子在電場的作用下，偏移平衡位置引起的極化。在交變電場作用下，離子在電場中的運(yùn)動(dòng)設(shè)想為彈簧振子。－++－EX+X-感生的電偶極矩為：

=q(x+－x-)=

iEloc30positivenegativeEP31離子位移極化的特點(diǎn)：a)時(shí)間很短，在頻率不太高時(shí)，可以認(rèn)為ε與頻率無關(guān)；b)屬彈性極化，能量損耗很小。c)離子位移極化受兩個(gè)相反因素的影響：溫度上升時(shí)離子間的結(jié)合力降低，使極化程度增加；但離子的密度隨溫度上升而減小，使極化程度降低。通常，前一種因素影響較大.32(3)松弛極化松弛質(zhì)點(diǎn)：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。松弛極化：松弛質(zhì)點(diǎn)由于熱運(yùn)動(dòng)使之分布混亂，電場力使之按電場規(guī)律分布，在確定溫度下發(fā)生極化。松弛極化的特點(diǎn)：比位移極化移動(dòng)較大距離，移動(dòng)時(shí)需克服確定的勢壘，極化建立時(shí)間長，需吸取確定的能量，是一種非可逆過程。33(ⅰ)

離子松弛極化結(jié)構(gòu)正常區(qū)缺陷區(qū)U松U’松U導(dǎo)電34離子松弛極化率：T=q2x2/12kT溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)阻礙增加，極化率減小。離子松弛極化率比電子位移極化率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，可導(dǎo)致材料大的介電常數(shù)。35(ii)

電子松弛極化電子松弛極化：材料中弱束縛電子在晶格熱振動(dòng)下，吸收一定能量由低級(jí)局部能級(jí)躍遷到較高能級(jí)處于激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個(gè)陽離子結(jié)點(diǎn)，移到另一個(gè)陽離子結(jié)點(diǎn)；外加電場使其運(yùn)動(dòng)具有一定的方向性，由此引起極化，使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。36(4)轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化：具有恒定偶極矩的極性分子在外加電場作用下，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場方向一致，與極性分子的熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡狀態(tài)，整體表現(xiàn)為宏觀偶極矩。轉(zhuǎn)向極化比電子極化率高得多。37轉(zhuǎn)向極化在離子晶體中的應(yīng)用－－－－+－－－－+－－－+－－－+－－－－+++++++－+－－－－+－－－－+－－－－+－－－+－－－－++++++++一對(duì)晶格空位的定向38(5)空間電荷極化空間電荷極化：在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運(yùn)動(dòng)的障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。----++++----++++----++++外電場P39l在外電場中的電介質(zhì)分子無極分子只有位移極化，感生電矩的方向沿外場方向。無外場下，所具有的電偶極矩稱為固有電偶極矩。在外電場中產(chǎn)生感應(yīng)電偶極矩（約是前者的10-5)。有極分子有上述兩種極化機(jī)制。在高頻下只有位移極化。40空間電荷極化的特點(diǎn)：①時(shí)間較長；②屬非彈性極化，有能量損耗；③隨溫度的上升而下降；④主要存在于直流和低頻下，高頻時(shí)因空間電荷來不及移動(dòng)，沒有或很少有這種極化現(xiàn)象。41自發(fā)極化假如晶胞不僅結(jié)構(gòu)上沒有對(duì)稱中心，而且在無外力作用時(shí)晶胞本身的正、負(fù)電荷中心不相重合，即晶胞具有極性，那么，由于晶體構(gòu)造的周期性和重復(fù)性。晶胞的固有電矩便會(huì)沿著同一方向排列整齊，使晶體處在高度的極化狀態(tài)下，由于這種極化狀態(tài)是在外場為零時(shí)自發(fā)地建立起來的，因此稱為自發(fā)極化。42

各種極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流——光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強(qiáng)很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流——超高頻隨溫度變化有極大值有電子位移松弛極化高價(jià)金屬氧化物直流——超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機(jī)直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有43各種極化機(jī)制的頻率范圍44空間電荷極化轉(zhuǎn)向極化離子極化電子極化色散損耗等效電路微波紅外紫外馳豫空間電荷極化轉(zhuǎn)向極化共振離子極化電子極化相對(duì)介電常數(shù)的頻率相關(guān)性45宏觀極化強(qiáng)度與微觀極化率外加電場E外E1

外加電場E外(物體外部固定電荷所產(chǎn)生。即極板上的所有電荷所產(chǎn)生）構(gòu)成物體的所有質(zhì)點(diǎn)電荷的電場之和E1

（退極化電場，即由材料表面感應(yīng)的電荷所產(chǎn)生）E宏=E外+E11.宏觀電場：－++++－－－－++－－+－++++－－－462.原子位置上的局部電場Eloc

（有效電場）

Eloc=E外+E1+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－－－E外E1E2E3對(duì)于氣體質(zhì)點(diǎn)，其質(zhì)點(diǎn)間的相互作用可以忽略，局部電場與外電場相同。對(duì)于固體介質(zhì)，周圍介質(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的局部電場有影響。作用于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)電場周圍介質(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的電場貢獻(xiàn)。47影響介電常數(shù)的因素：介電類型溫度系數(shù)介電常數(shù)與溫度呈強(qiáng)的非線性關(guān)系，用溫度系數(shù)描述溫度特征難度大介電常數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，可以用溫度系數(shù)描述介電常數(shù)與溫度的關(guān)系48材料的介電性——電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的往往會(huì)發(fā)生電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽┑臓顩r，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場作用下，單位時(shí)間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。49介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)的全部電流包括：①由樣品幾何電容的充電所造成的位移電流或電容電流，這部分電流不損耗能量；②由各種介質(zhì)極化的建立引起的電流，此電流與松弛極化或慣性極化、共振等有關(guān)，引起的損耗稱為極化損耗；由介質(zhì)的電導(dǎo)（漏導(dǎo)）造成的電流，這一電流與自由電荷有關(guān)，引起的損耗稱為電導(dǎo)損耗。50介電損耗—電導(dǎo)（或漏導(dǎo)）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電質(zhì)點(diǎn)。帶電質(zhì)點(diǎn)在外電場的作用下沿著與電場平行的方向做貫穿電極之間的運(yùn)動(dòng)。實(shí)質(zhì)相當(dāng)于溝通、直流電流流過電阻做功，一切好用工程介質(zhì)材料不論是在直流或在溝通電場作用下，都會(huì)發(fā)生漏導(dǎo)損耗。51由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，這里的極化一般是指弛豫型的。結(jié)論：①當(dāng)外電場頻率很低，即ω→0時(shí)，各種極化都能跟上電場的變更，即全部極化都能完全建立，介電常數(shù)達(dá)到最大，而不造成損耗；②當(dāng)外電場頻率漸漸上升時(shí)，松弛極化從某一頻率起先跟不上外電場變更，此時(shí)松弛極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)減小，使ω隨頻率上升而顯著下降，同時(shí)產(chǎn)生介質(zhì)損耗，當(dāng)ω→∞時(shí)，損耗達(dá)到最大；③當(dāng)外電場頻率達(dá)到很高時(shí)，松弛極化來不及建立，對(duì)介電常數(shù)無貢獻(xiàn)，介電常數(shù)僅由位移極化確定，ω→0時(shí)，tanδ→∞，此時(shí)無極化損耗。（說明：損耗角，大小可以作為絕緣材料的判據(jù)σ=ωεtanδ）介電損耗—極化損耗521）電離損耗又稱游離損耗，主要發(fā)生在含有氣相的材料中。它們?cè)谕怆妶鰪?qiáng)度超過了氣孔內(nèi)氣體電離所須要的電場強(qiáng)度時(shí)，由于氣體電離而吸取能量，造成損耗，即電離損耗。當(dāng)固態(tài)絕緣物中含有氣孔時(shí)，由于在正常條件下氣體的耐受電壓實(shí)力一般比固態(tài)絕緣物的低，而且電容率也比固態(tài)小，必需盡量減小介質(zhì)中的氣孔。材料的介電損耗532）結(jié)構(gòu)損耗在高頻、低溫下，與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度親密相關(guān)的介質(zhì)損耗。試驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)緊密的晶體或玻璃體的結(jié)構(gòu)損耗都是很小的。一般材料，在高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗；在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；在高頻、低溫下主要為結(jié)構(gòu)損耗。材料的介電損耗541介質(zhì)在電場中的破壞介質(zhì)的擊穿：外加電場強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象。介電強(qiáng)度：相應(yīng)的臨界電場強(qiáng)度。2熱擊穿熱擊穿的本質(zhì)：處于電場中的介質(zhì)，由于介質(zhì)損耗而受熱；當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，散熱和發(fā)熱從平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入非平衡狀態(tài)，介質(zhì)的溫度將越來越高，直至出現(xiàn)永久性破壞。介電強(qiáng)度55固體介質(zhì)電擊穿的碰撞電離理論：在強(qiáng)電場作用下，固體導(dǎo)帶中可能因冷或熱發(fā)射存在一些電子，這些電子被加速，獲得動(dòng)能；高速電子與晶格振動(dòng)相互作用，把能量傳遞給晶格；

上述兩個(gè)過程在一定溫度和場強(qiáng)下平衡時(shí)，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)電子從電場中獲得能量大于傳遞給晶格振動(dòng)能量時(shí)，電子動(dòng)能越來越大；

大到一定值，電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使電子數(shù)目迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生擊穿。電擊穿56介電材料的類型有哪些？氣體電介質(zhì)液體電介質(zhì)固體電介質(zhì)無機(jī)電介質(zhì)有機(jī)電介質(zhì)低介裝置陶瓷高介電容器瓷獨(dú)石電容器瓷強(qiáng)介鐵電陶瓷壓電與電光陶瓷微波介質(zhì)陶瓷玻璃電介質(zhì)57

低介裝置陶瓷用于電子技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)中起絕緣作用的陶瓷裝置零件、陶瓷基片以及多層陶瓷包封等的瓷料。陶瓷基片電子陶瓷零件58應(yīng)用：高頻絕緣子骨架、電子管底座、電阻器基片、厚膜混合集成電路基片、微波集成電路基片等。典型材料：氧化鋁—滑石—堇青石—鎂橄欖石—氧化鈹BeO氮化鋁AlN氮化硼B(yǎng)N透亮陶瓷LTCC基片瓷

低介裝置陶瓷59LTCC基片低溫陶瓷共燒技術(shù)(LTCC)是一種先進(jìn)的混合電路封裝技術(shù)，可以將無源元件埋置于基板內(nèi)部，而將有源元件貼裝于基板表面，共同實(shí)現(xiàn)確定功能。

低介裝置陶瓷60Philips公司的SIP全功能藍(lán)牙組件環(huán)路濾波、天線濾波等無源元件集成在LTCC多層基板內(nèi)部。

ST公司的三頻GSM/GPRS收發(fā)器模塊

該產(chǎn)品將l部手機(jī)的外圍元器件數(shù)量從80個(gè)削減到5個(gè)，封裝面積縮小了5倍。

低介裝置陶瓷61接受FERRO公司ULF系列粉料制作的LTCC電容試驗(yàn)室自制NiZnCu鐵氧體粉料制作的LTCC電感

低介裝置陶瓷62LTCC疊層片式低通濾波器有效圖形層為32層三維尺寸2.0mm×1.2mm×0.9mm

低介裝置陶瓷63陶瓷封裝多芯片組件MCMMCM——將多個(gè)半導(dǎo)體集成電路以裸芯片的狀態(tài)搭載在不同類型的布線基板上，經(jīng)整體封裝而構(gòu)成的多芯片組件。MCM的核心是多層基板技術(shù)。MCM的應(yīng)用：武器系統(tǒng)、航天電子、高頻雷達(dá)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、通信、傳真、數(shù)據(jù)處理、高清晰度電視劇、攝像機(jī)、汽車電子等。

低介裝置陶瓷64

電性能：(a)介電常數(shù)低，(b)介電損耗小，(c)抗電強(qiáng)度高，(d)絕緣電阻高，

機(jī)械性能：(a)抗彎強(qiáng)度，(b)抗拉強(qiáng)度，

熱性能：(a)線熱膨脹系數(shù)小(b)熱導(dǎo)率高(c)熱穩(wěn)定性好性能特點(diǎn)

低介裝置陶瓷65

高介電容器瓷用于制備電容器的瓷料，介電常數(shù)的變更范圍很大(120至600以上)，規(guī)格品種很多。紙質(zhì)電容器陶瓷電容器電解電容器鉭電容器可變電容器電容器是一種儲(chǔ)能元件66

微波介質(zhì)陶瓷微波一般指頻段介于電磁波譜中的超短波和紅外波之間的電磁波，頻率范圍從300MHz到3000GHz。

分米波：300MHz-3GHz，1m-10cm，特高頻。

厘米波：3GHz-30GHz，10cm-1cm，超高頻。

毫米波：30GHz-300GHz，1cm-1mm，極高頻。

亞毫米波：300GHz-3000GHz，1mm-0.1mm，極超高頻。67微波介質(zhì)陶瓷是近年才快速發(fā)展起來的一類新型功能電子陶瓷。以其優(yōu)異的微波介電性質(zhì)在微波電路系統(tǒng)中發(fā)揮著介質(zhì)隔離、介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)諧振等一系列電路功能。正在對(duì)微波電路的小型化、集成化、高品質(zhì)化作出重要貢獻(xiàn)。

微波介質(zhì)陶瓷68應(yīng)用分類

微波介質(zhì)陶瓷

用作微波電路的介質(zhì)基片，起著電路元器件及線路的承載、支撐、絕緣作用。

用作微波電路的電容器，起著電路或元件之間的耦合和儲(chǔ)能作用。用作微波電路的介質(zhì)天線，起著集中吸取存儲(chǔ)電磁波能量的作用。用作微波電路的介質(zhì)波導(dǎo)，起著導(dǎo)引電磁波沿確定方向傳播的作用。

用作微波電路的介質(zhì)諧振器件，起著電路中LC諧振電路的作用。69GPS微波介質(zhì)陶瓷天線：具有扁平狀小型結(jié)構(gòu)、低反射、軸比小、低剖面的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于1.575GHz頻段的手機(jī)、導(dǎo)航儀、PDA等。

微波介質(zhì)基片：在中低溫?zé)Y(jié),具有優(yōu)異的微波介電性能和溫度穩(wěn)定性。西安廣芯電子科技有限公司70片式藍(lán)牙天線長：長度僅5-9mm，具有重量輕、高增益、結(jié)構(gòu)緊密、帶寬寬、低成本的特點(diǎn)，可應(yīng)用于2.4GHz頻段的藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)、小靈通、個(gè)人數(shù)字蜂窩電話及家庭網(wǎng)絡(luò)無線射頻系統(tǒng)等。

71壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加壓力、張力、切向力時(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷。逆壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加電場引起極化，則將產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。1.壓電效應(yīng)壓電材料及熱釋電材料72正（順）壓電效應(yīng)示意圖F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－73極化方向+++++－－－－－－－－－－－－+++++++極化方向+++++－－－－－－－－－－－－+++++++自由電荷釋放電荷極化方向+++++－－－－－－－－－－－－++++++++++++－－－－－正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)74正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系：

D=dTd:壓電常數(shù)逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場強(qiáng)度有如下關(guān)系：

S=dEd:壓電常數(shù)注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。75石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)確定的。圖中是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。圖中“＋”代表硅離子Si4+，“－”代表氧離子O2-。石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理76硅氧離子的排列示意圖(a)xy(b)+xy++---77當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。如圖所示。

(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因?yàn)镻=qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。78(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力（Fx<0）作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之發(fā)生變更，如圖5-5（b）所示。此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們?cè)趚方向上的重量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0在y、z方向上的重量為:(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=079當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力（Fx＞0）作用時(shí)，其變更狀況如圖5-5（c）所示。電偶極矩P1增大，P2、P3減小，此時(shí)它們?cè)趚、y、z三個(gè)方向上的重量為(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0(c)Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向照舊不出現(xiàn)電荷。802.壓電材料的性能（1）機(jī)電偶合系數(shù)（2）機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（3）頻率常數(shù)（4）壓電常數(shù)（5）彈性模量、相對(duì)介電常數(shù)、居里溫度等。介電質(zhì)的基本性能：介電常數(shù)、介電損耗等特殊應(yīng)用要求的性能：如：濾波器要求諧振頻率穩(wěn)定性高813.壓電振子諧振特性及振動(dòng)模式阻抗頻率反諧振諧振壓電振子：極化后的壓電體。諧振的產(chǎn)生：對(duì)壓電振子施加交變電場，當(dāng)電場頻率與壓電體的固有頻率一樣時(shí)，產(chǎn)生諧振。(1)諧振特性82（2）壓電振子的振動(dòng)模式伸縮振動(dòng)、切變振動(dòng)、彎曲振動(dòng)薄片型極化方向薄長片極化方向厚度振動(dòng)徑向振動(dòng)輪廓振動(dòng)或長度振動(dòng)橫向效應(yīng)沿軸向振動(dòng)厚度切變振動(dòng)83伸縮振動(dòng)：極化方向與電場方向平行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。包括長度伸縮振動(dòng)、厚度伸縮振動(dòng)。切變振動(dòng)：極化方向與電場方向垂直時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。包括平面切變振動(dòng)、厚度切變振動(dòng)?？v向效應(yīng)：彈性波傳播方向與極化軸平行。橫向效應(yīng)：彈性波傳播方向與極化軸垂直。彎曲振動(dòng)：具有兩種以上激勵(lì)電極的振子，在極化方向與電場方向平行而施加的方式不同時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)。包括厚度彎曲和橫向彎曲。84各種振動(dòng)模式可達(dá)到的頻率范圍振動(dòng)模式頻率

1K10K100K1M10M100M1G彎曲振動(dòng)長度振動(dòng)輪廓振動(dòng)徑向振動(dòng)厚度振動(dòng)能阱振動(dòng)聲表面波854.壓電材料及其應(yīng)用鈦酸鋇鈦酸鉛鋯酸鉛鈦鋯酸鉛非鈣鈦礦型：

焦綠石、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁（1）材料鈣鈦礦型86（2）應(yīng)用電聲器：揚(yáng)聲器、送話筒、水下通訊和探測：水聲換能器、魚群探測器雷達(dá)中的陶瓷表面波器件通訊設(shè)備：陶瓷濾波器精密測量：壓力計(jì)紅外技術(shù)：紅外熱電探測器高壓電源：變壓器87高壓引線壓電陶瓷點(diǎn)火器墊塊外殼沖擊塊V88～V2～V2輸入輸出伸縮振動(dòng)壓電陶瓷變壓器89彎曲振動(dòng)～～剪切振動(dòng)90全波模諧振○○應(yīng)力分布位移分布○○應(yīng)力分布位移分布半波模諧振91++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++單片陶瓷壓電膜壓電換能器92－+++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－串聯(lián)型雙膜片壓電振子+++++_____+++++_____V等效電路93并聯(lián)型++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－+雙膜片壓電振子+++++_____+++++_____94壓電陶瓷濾波器mVfr2fa2fr1fa1fmV1221f損耗在頻率附近的信號(hào)衰減最小fa2（2的反諧振）=fr1（1的諧振）95典型壓電材料及應(yīng)用壓電材料分類壓電單晶、壓電陶瓷、壓電薄膜和壓電高分子材料從晶體結(jié)構(gòu)分，鈣鈦礦型、鎢青銅型、焦綠石型及鉍層結(jié)構(gòu)等從化合物成分角度分：一元系統(tǒng)、二元系統(tǒng)，三元系統(tǒng)一元系統(tǒng)BaTiO3和PbTiO3PbTiO3TC=490℃PbTiO3工藝性能差，Pb蒸發(fā)，出現(xiàn)“粉化”現(xiàn)象，Li2O、NiO、MnO2引入形成緩沖晶界96熱釋電晶體材料（Pgro-electriccrystals）1.熱釋電效應(yīng)某些晶體當(dāng)溫度變更時(shí)，產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，并且電極化強(qiáng)度隨溫度變更而發(fā)生變更。一般地，電極化強(qiáng)度隨著溫度上升，出現(xiàn)某方向極化的增加，隨著溫度下降，沿此方向的極化的減弱。這種現(xiàn)象稱作熱釋電效應(yīng)。具有這種效應(yīng)的晶體稱作熱釋電晶體。熱釋電晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度PS與溫度變更ΔT成線性關(guān)系，ΔPS=PSΔTPS或用表示，稱作熱釋電晶體的熱釋電常數(shù)。我們已經(jīng)知道，壓電晶體的結(jié)構(gòu)特征是無對(duì)稱中心，熱釋電晶體首先是壓電晶體，故它們也沒有對(duì)稱中心，另外，還必需有一個(gè)極軸。97熱釋電效應(yīng)與晶體結(jié)構(gòu)具有自發(fā)式極化是前提條件32種晶體對(duì)稱型中，有