第二章電介質(zhì)材料

第二章電介質(zhì)材料1第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日電介質(zhì)的極化極化：

在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日1.2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，則電極上出現(xiàn)電荷（該電荷與外電壓同相）其電流為：與外電壓有相差90度，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。則電容器總的電流應(yīng)為兩部分之和，可表示為：第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日由于：另：電流密度可收可表示為：故可定義復(fù)介電常數(shù)：故電流密度為：損耗角定義為：U第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日1.3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)，其混合物的介電常數(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)為的基相中時(shí)，其混合物的介電常數(shù)為：第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日1.4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：此參數(shù)可正可負(fù)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，即：第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日2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，所引起的損耗稱為極化損耗；則介質(zhì)的電導(dǎo)造成的電流，所引起的損耗稱為電導(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)率僅由介質(zhì)本身決定，稱為損耗因素?？杀硎緸椋旱诰彭?yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日3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)，稱介電強(qiáng)度的破壞，或介質(zhì)的擊穿。相應(yīng)的臨界電場(chǎng)稱為介電強(qiáng)度或擊穿強(qiáng)度。擊穿強(qiáng)度類型分為三種：熱擊穿，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。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。第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)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)是介電常數(shù)，品質(zhì)因數(shù)Q和頻率溫度系數(shù)TCF。微波介質(zhì)陶瓷（MWDC）是指應(yīng)用于微波頻段(主要是UHF、SHF頻段，300MHz～300GHz)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。第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日頻率溫度系數(shù)TCF:為介電常數(shù)的溫度系數(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4個(gè)要求：（1）高介電常數(shù)（2）低介質(zhì)損耗（高Q）（3）溫度膨脹系數(shù)?。?）低頻率溫度系數(shù)TCF第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日微波介質(zhì)材料微波介質(zhì)諧振器優(yōu)點(diǎn)：

(l)小型化(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。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。

第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日(2)高穩(wěn)定性(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l0ppm/℃。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)0ppm/℃，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(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。Q值越大，濾波器的插入損耗就越低。

第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日微波介質(zhì)陶瓷材料(BaO-TiO2)第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日微波介質(zhì)陶瓷材料[A(B1/3B’2/3)O3鈣鈦礦型陶瓷A-Ba,Sr,B-Mg,Zn.Mn,B’-NborTa]第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日工藝第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日微波介質(zhì)材料系列:BaO-TiO2A(B1/3B’2/3)O3(Zr,Sn)TiO4低溫?zé)Y(jié)Bi基材料:低介電常數(shù)中介電常數(shù)高介電常數(shù)高介電微波介質(zhì)材料(Ln為稀土材料)BaO-Ln2O3-TiO2鎢青銅系(BLT)鉛基復(fù)合鈣鈦礦系：FeNb或MgNb酸鹽CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系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第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)電容器介電陶瓷材料

一.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.介電陶瓷的分類與特點(diǎn)第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日2.Ｉ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)石第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日低介電陶瓷配方第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日3.II型介電陶瓷分類：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(往往相矛盾)介電常數(shù)與溫度關(guān)系：第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日配制原則：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：表面型介電陶瓷：

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：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：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)第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日５．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：

高溫?zé)Y(jié)型：燒結(jié)溫度高于1300oC，電極材料只能采用Pt,Pd等耐高溫金屬，產(chǎn)品成本昂貴，僅用于較特殊的整抗中．第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日低溫?zé)Y(jié)型：*低溫?zé)Y(jié)I(高頻)型獨(dú)石電容器材料MgO-Bi2O3-Nb2O3ZnO-Bi2O3-Nb2O3

Pb(Mg1/2W1/2)O3-Pb(Mg1/2Nb2/3)O3(PMW-PMN)第二十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日PMW-PMN系相圖：第二十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日*低溫?zé)Y(jié)II(低頻)型獨(dú)石電容器材料Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-Bi2O3Pb(Mg1/2Nb1/2)O3-PbTiO3-Pb(Cd1/2W1