电子陶瓷第四章第五讲.ppt

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1、第四章 电子陶瓷基本性质,总体上说，电介质的极化包含以上各部分的和，即电介质总的极化率为：,工频,声频,无线电频率,红外,紫外,频率 f,界面极化,松弛极化,离子位移极化,电子位移极化,第四章 电子陶瓷基本性质,1.4 多相陶瓷材料的介电性能 一、混合物法则 由成分、结构、化学组成等不同的晶体所组成的多相陶瓷材料 设只有两相组成陶瓷：,第四章 电子陶瓷基本性质,x1、x2为体积分数 1、2为介电常数 并联时：k=1 串联时：k=-1 混合分布：k0,第四章 电子陶瓷基本性质,第四章 电子陶瓷基本性质,当介电常数为的球形颗粒分布在介电常数为的基相中，有：,第四章 电子陶瓷基本性质,二、介电常数的

2、温度系数 介电常数的温度系数介电常数随温度变化而产生的相对变化率：,第四章 电子陶瓷基本性质,可以用实验的方法测试TK:,第四章 电子陶瓷基本性质,不同的极化机制，有不同的TK:对电子式极化：T上升，降低，极化强度下降，TK为负；对离子式极化：T上升，离子极化率增加，TK为正。,第四章 电子陶瓷基本性质,不同的应用，要求TK不同：如滤波旁路和隔直流的电容器，TK0 热补偿电容器，TK0 高精度电子仪器：TK=0 目前希望TK=0，而尽可能大。,第四章 电子陶瓷基本性质,对两相复合材料：,第四章 电子陶瓷基本性质,即可以在TK0的材料中加入适量的TK0材料，可以达到TK=0目的。如微波通信、卫星

3、通信、航空航天器件等。,第四章 电子陶瓷基本性质,2、介质损耗 陶瓷介质在电导和极化过程中有能量消耗，一部分电场能转变为热能。单位时间内消耗的电能叫介质损耗。在直流下，介质损耗仅由电导引起，电导率就能表示介质损耗的大小。单位体积的介质损耗p与电场E的关系为：p=E2,第四章 电子陶瓷基本性质,即电场强度一定时，介质损耗与电导率成正比。在交流下，电导和极化共同引起介质损耗，可利用有损耗介质构成的电容器等效电路来研究。有耗电容器等效电路由一理想电容器（无耗电容器）和一纯电阻并联或串联组成，如图所示。,有耗电容器等效电路示意图,矢量图中的角称为损耗角，它是有耗电容器中电流超前电压的相位角与无耗电容器

4、的相位角90之间的差值。电子陶瓷的损耗角一般都小于1。由前图的并联电路得：tg=IR/Ic=1/CPRP 式中：为角频率；Cp为等效并联电容；Pp为等效并联电阻。,第四章 电子陶瓷基本性质,由串联电路得tg=UR/Uc=CSRS 式中 CS为等效串联电容；Rs为等效串联电阻。所以:1/CPRP=CSRS,第四章 电子陶瓷基本性质,第四章 电子陶瓷基本性质,tg又可以表示为：tg=Pe/P 式中 Pe为有功功率。即介质损耗的功率；Pe为无功功率。,第四章 电子陶瓷基本性质,tg的具体意义是有耗电容器每周期消耗的电能与其所储存电能的比值。tg经常用来表示介质损耗的大小。应该注意，用tg表示介质损耗

5、时必须同时指明测量（或工作）频率。因为介质损耗：Pe=Pe tg=CtgU2 单位体积的介质损耗为：,第四章 电子陶瓷基本性质,p=tg E2 可见，介质损耗与频率有关。式中tg称损耗因数，在外界条件一定时，它是介质本身的特定参数。,第四章 电子陶瓷基本性质,式中tg称等效电导率，它不是常数。频率高时，tg增大，介质损耗增大。因此，工作在高频高功率下的介质，要求损耗小，tg必须在控制很小的范围。一般高频介质tg应小于610-4，高频率高功率介质tg应小于310-4。可见生产上控制tg是很重要的。,第四章 电子陶瓷基本性质,介质的tg对湿度很敏感。受潮的试样tg急剧增大。试样吸潮越严重，tg增大

6、越厉害，常利用此性质来判断瓷体烧结的好坏。介质损耗对化学组成、相组成、结构等因素很敏感，凡是影响电导和极化的因素都影响介质损耗。,第四章 电子陶瓷基本性质,介电损耗tg的物理意义是在交变电场作用下电介质的电位移矢量D与电场强度E之间的相位差。,第四章 电子陶瓷基本性质,介电常数表为一复数：,第四章 电子陶瓷基本性质,介电常数的实部反映了电介质储存电荷的能力，虚部反映了电介质在电荷移动过程中引起的电场能量损耗，它们均与电场频率有关。电介质的损耗多来自漏电损耗：极化损耗。,第四章 电子陶瓷基本性质,漏电损耗是因为电介质的直流电导损耗以及由于离子迁移受阻和偶极子弛豫损耗而引起能量的损失。极化损耗是因

7、为材料中电子和离子的非弹性位移引起的。,第四章 电子陶瓷基本性质,第四章 电子陶瓷基本性质,在交变电场作用下，不同极化机制对外电场的响应不同，或者说存在频率色散，介质中的极化是一些弛豫过程。极化过程需要经历一段时间达到平衡态，存在有介电损耗。静态介电常数与动态介电常数不相同。,第四章 电子陶瓷基本性质,考虑单一弛豫的极化过程，引入衰减函数 s、分别为材料极低频和极高频介电常数的实部，代表偶极子弛豫时间，它与偶极子的惰性及基体的粘滞性有关。,第四章 电子陶瓷基本性质,Debye曾经提出一个模型，对于永久偶极矩为的点偶极子，如果分布均匀，其复数介电常数可写为：上式称为Debye方程，遵从该方程的效

8、应称为Debye弛豫。,第四章 电子陶瓷基本性质,第四章 电子陶瓷基本性质,如果弛豫时间不止一个，设F()为其分布函数，那么有：,3、阻抗与导纳,一、阻抗,对一单口网络，端口电压相量与电流相量之比，定义为该网络的阻抗Z。,上式定义为欧姆定律的相量形式。,即：,单位,无源单口网络的电路模型：,2、阻抗Z 取决于网络结构、元件参数和电源的 频率。,3、阻抗Z是一个复数。,对于阻抗需要说明以下几点：,1、单一元件R、L、C的阻抗分别为：,式中：,实部R：电阻分量,虚部X：电抗分量,（直角坐标形式）,式中，,（可正可负）,阻抗三角形,与 同相,与 相差,电压三角形,相量图,串联等效电路,阻抗性质为阻性

9、，电路为电阻性电路或谐振电路。,阻抗性质为感性，电路为电感性电路。,4、由于电路结构、参数或电源频率的不同阻抗角 可能会出现以下三种情况：,阻抗性质为容性，电路为电容性电路。,容性相量图,如果单口无源网络，端口上电压相量和电流相量参考方向一致，其导纳定义为,对导纳说明以下几点：,其中导纳Y的单位是西门子（S）,1、单一元件R、L、C的导纳分别为：,二、导纳,2、单口网络的Y由网络结构、元件参数和电源 的频率决定。,3、导纳Y是一个复数,上式：,称为导纳角，它是电流和电压的相位差。,（直角坐标形式）,实部G：电导分量,虚部B：电纳分量,单口无源网络的并联等效电路,（正值）,（可正可负）,导纳性质

10、为阻性，电路为电阻性电路或谐振电路。,导纳性质为感性，电路为电感性电路。,导纳性质为容性，电路为电容性电路。,1、极坐标形式Z、Y之间的等效互换,2、直角坐标形式Z、Y间的等效互换,若,则,即：,(1)已知 Z=R+jX,三、阻抗与导纳的等效互换,由单口无源网络的阻抗Z和导纳Y的定义可知，对于同一单口无源网络Z与Y互为倒数，即,或,(2)已知 Y=G+jB，求等效阻抗 Z,（推导过程略）,其中：,注意：,n个阻抗串联：,两个阻抗串联电路的分压公式：,四、无源网络的等效变换,1、单口无源网络中各阻抗为串联时，等效阻抗为：,一般,两个阻抗并联时，等效阻抗为：,分流公式为：,n个电阻并联：,2、单口

11、无源网络中各阻抗为并联时，等效阻抗为：,或,使用以上公式时注意以下几点：,熟记基本元件的阻抗和导纳。,同一元件或同一端口的阻抗和导纳互为倒数。,一般来讲，以上各公式中的阻抗和导纳用各自的模表示时，各等式不成立。,和电阻电路中的分压、分流公式相同，在使用时，要注意符号与参考方向的关系。,例：,阻抗分析仪和LCR表是非常通用的测量器件的电子仪器。根据阻抗范围和频率范围的不同，有一系列不同原理的仪器来满足测试要求。图1是不同阻抗范围和不同频率范围的阻抗测量方法。,五、阻抗的测试,阻抗测试方法,图2是自动平衡电桥法的原理框图。通过精确测量加载到被测件DUT的电压和电流，从而精确测量出DUT阻抗值。从图

12、2中可以看出：通过DUT的电流等于通过电阻Rr的电流，而通过Rr的电流可以通过测量V2计算出来。,自动平衡电桥法,通常，在低频（100KHz）的LCR表里，使用一个简单的运算放大器作为I-V转换器，缺点是运算放大器的频响在高频段较差。对于频率高于1MHz的LCR表或阻抗分析仪，I-V转换器由精密的零位检测器，相位检测器和积分器（环路滤波）组成。这种仪器可以测量高达110MHz的频率范围。,图3是RF I-V法原理框图。RF I-V法是I-V技术在高频范围的扩展，可以测量高达3GHz频率范围的阻抗值。RF I-V电路和路径必须仔细设计，以确保能够以50ohm阻抗与被测件OUT相连。,RF IV法

13、,如果连接路径的阻抗不是50ohm，不想要的反射将发生，将导致电流和电压的测量误差增大。RF I-V法细分为高阻和低阻两种测量模式。实际上，测量仪器保持不变，只是改变测试头，达到两种测量模式的要求。高阻测量模式，测试电流很小，为了正确的探测电流，电流探头要尽量靠近DUT；低阻测量模式，为了灵敏的得到电压值，电压探头要尽量靠近OUT。,网络反射法即是网络分析仪方法,网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传输参数，从而对网络中元器件特性的全部参数进行全面描述的测量仪器，用于实现对线性网络的频率特性测量。网络分析仪能够完成反射、传输两种基本测量，从而确定几乎所有的网络特性，S参数是其中最基本的特性。,

14、标量网络分析仪：只测量线性系统的幅度信息；矢量网络分析仪：可同时进行幅度传输特性和相位特性测量。,系统组成原理,基本的网络分析仪主要由信号源、S参量测量装置及矢量电压表组成。,信号源：向被测网络提供入射信号或激励；S参量测量装置：实际上是反射测量电路与传输测量电路的组合，首先将入射、反射及传输信号分离开，然后通过转换开关分别进行测量；矢量电压表：测量入射、反射和传输信号的幅值及它们之间的相位差。也可以通过幅相接收机实现此功能。,标量网络分析仪,a1为入射波、b1为反射波、b2为传输波，它们的测量通道分别为R（参考）、A、B。通过这些信号可确定正向S参数|S11|、|S21|。将被测网络的激励端

15、与测试端反接，同理可测得|S22|、|S12|。,矢量网络分析仪,一种外差式矢量网络分析仪的组成框图如下：,1、自动平衡电桥法优缺点：1）最准确，基本测试精度0.05%；2）最宽的阻抗测量范围：C,L,D,Q,R,X,G,B,Z,Y,O.；3）最宽的电学测量条件范围；4）简单易用；5）低频：f100MHz的最准确测试方法；5）接地器件测试。,3、网络分析仪法优缺点：1）高频 适用：f100KHz 最佳：f3GHz 2）适中的精度；3）有限的阻抗测试范围。,第四章 电子陶瓷基本性质,4、绝缘强度 电介质能绝缘和储存电荷，是指在一定的电压范围（弱电场范围）内，介质保持介电状态。当电场强度超过某一临

16、界值时，介质由介电状态变为导电状态，这种现象称介质的击穿。,第四章 电子陶瓷基本性质,由于击穿时电流剧烈增大，在击穿处往往产生局部高温。火花，造成材料本身不可逆的破坏。可以发现，在击穿处有小孔、裂缝，或击穿时整个瓷体炸裂。,第四章 电子陶瓷基本性质,击穿时的电压称击穿电压Uj，相应的电场强度称击穿电场强度或绝缘强度等，用Ej表示。在电场均匀时，Ej=Uj/d 式中：d为击穿处介质的厚度；Ej的单位常用kV/cm。,第四章 电子陶瓷基本性质,某些陶瓷如III型电容器瓷和各种半导体瓷，击穿时往往不造成瓷体的机构破坏，电场降低后仍能恢复介电状态，这种情况也应认为击穿已经发生。陶瓷材料的击穿电压与试样

17、的厚度、电极的大小、形状、试验时的温度、电压的种类、加压时间、试样周围的环境等许多因素有关。,第四章 电子陶瓷基本性质,击穿过程进行得很快（约10-7秒），过程比较复杂。陶瓷材料的击穿强度一般在460 kV/mm。介质击穿大致可分为电击穿和热击穿。电击穿是在电场直接作用下，介质中载流子迅速增加。这个过程约在10-7秒完成，往往击穿突然发生。,第四章 电子陶瓷基本性质,击穿电场强度较高，大约为106107V/cm左右。一般认为，电击穿的发生是由于晶体能带在强电场作用下发生变化，电子直接由满带跃迁到空带发生电离所致。,第四章 电子陶瓷基本性质,热击穿是介质在电场作用下发生热不稳定，因温度升高而破坏

18、。热不稳定是指在电场作用下，由于介质的电导和介质损耗，将电场能变成热能。热量在介质内部积累，温度升高，电导和损耗随温度的升高而加大，又导致温度的再升高，产生的热量大于散失的热量。由于热击穿有一个热量积累过程，所以不象电击穿那样迅速，往往介质温度急剧升高。击穿电场强度较低，104105V/cm。,第四章 电子陶瓷基本性质,在直流电场下对陶瓷介质的试验表明，温度较高时可能发生热击穿，温度较低时往往发生电击穿。一般电击穿的Ej与温度无关，热击穿的Ej随温度升高而降低。但是，电击穿和热击穿温度范围的划分，并不十分准确，它与试样的组成、冷却情况、电压形式等有关，尤其电场频率对其影响很大。,第四章 电子陶

19、瓷基本性质,例如，在高频交流电压下或试样散热条件不好时，热击穿的范围就能扩大到较低的温度。在均匀电场下，电性质均匀的固体介质厚度小于10-4cm时，电击穿时的Ej与试样厚度无关，热穿时的Ej 则随试样厚度增加而减小。但陶瓷是不均匀介质，通常Ej随试样厚度增加而降低。,第四章 电子陶瓷基本性质,此外，在均匀电场中，加压时间小于10-7秒时，电击穿与加压时间无关；热击穿随加压时间的增加而降低。电击穿时，Ej与试样周围媒质的温度无关；热击穿时，Ej则随周围媒质温度的增加而降低，与媒质散热情况密切关系。,第四章 电子陶瓷基本性质,4.4 光学性质（简略）光学性质是指电子陶瓷在红外光、可见光、紫外线及各

20、种射线作用下的一些性质。在光学领域里，主要光学材料是光学玻璃和单晶。近年来，随着遥感、计算机、激光、光纤通讯等技术的发展和“透明陶瓷”的出现，陶瓷材料在光学领域有了较重要的应用。,第四章 电子陶瓷基本性质,光学材料的性质一般指它的反射、折射和吸收等性质。对陶瓷材料，主要指透光性。光照射到介质上，一部分被反射，一部分进入介质内部，发生散射和吸收，还有一部分透过介质，即Ip=IR+IS+IA+IT,第四章 电子陶瓷基本性质,式中 Ip为入射光强度；IR为反射光强度；IS为散射光强度；IA为吸收光强度；IT为透射光强度。归一化后可得：1=R+S+A+T 式中 R为反射率；S为散射率；A为吸收率；T为

21、透射率。,第四章 电子陶瓷基本性质,通常，吸收率甚小，主要是散射损失。光和物质的作用是光子和物质中电子的互作用结果。光子的能量可转移给电子，引起电子极化，或电子吸收能量转变成热能，引起光子能量损失。,第四章 电子陶瓷基本性质,散射主要是由瓷体中的气孔引起的，因为瓷体和气孔的折射率相差很大。例如Al2O3瓷，折射率为1.8，气孔折射率为1。瓷体中气孔的大小通常为0.52 m，接近可见光和红外光的波长，因而散射最大。要提高陶瓷材料的透射率，必须降低气孔含量。,第四章 电子陶瓷基本性质,4.5交叉耦合性质电子陶瓷的电学、力学、热学、光学、声学、磁学等性质，都与其化学组成、微观结构有密切关系。外界的宏

22、观作用往往引起材料组成和结构的改变，从而使表征材料特征的某一参数或几个参数变化。,第四章 电子陶瓷基本性质,电子谐振通常吸收可见光的能量离子谐振则吸收红外光能物质对光的吸收率与光的频率有关。,第四章 电子陶瓷基本性质,陶瓷材料的各种性质并不是孤立的，而是和它的组成、结构等紧密联系在一起的。陶瓷材料某些性质相联系又相区别的关系叫做材料性质之间的转换和耦合。如加有电场情况下某些陶瓷的机械性能会有较大幅度的变化，可以用逆压电效应来表征。,第四章 电子陶瓷基本性质,加有的电场情况下某些陶瓷的光学常数如折射率会随外加电场发生较大幅度的变化，可以用电光效应来表征。在受热情况下，某些陶瓷的表面会有感生电荷产

23、生，可以用热释电效应来表征。此外，还有光电效应、磁光效应、声光效应等等。,第四章 电子陶瓷基本性质,各种效应的关系可以如下图表示：,热,光,力,磁,电,热释电效应电热效应,电磁效应磁电效应,磁光效应电热效应,电光效应光电效应,压电效应逆压电效应,第四章 电子陶瓷基本性质,可见，电子陶瓷材料的耦合性质是内容非常广泛的一种性质，应作为一种特殊性加以研究。随着现代信息技术的发展，电子陶瓷材料的这种耦合性质将越来越受到重视。,第四章 电子陶瓷基本性质,作业：1、书中93页1216题,第四章 电子陶瓷基本性质,2、对于离子晶体，如两个离子间的排斥能为玻恩函数：求一对正负离子的位移极化率为多少？,第四章 电子陶瓷基本性质,3、如A原子的半径是B原子的半径的两倍。在其他条件不变的情况下，A原子的电子极化率是B原子的电子极化率的多少倍？4、金红石(TiO2)的介电常数为100，求气孔率为5%的金红石陶瓷的介电常数为多少？,