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1、1,第二章 电介质材料,第一节、电介质的基本物理性质,1.1 电介质的介电常数,如果将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之间，由于电介质的极化，可造成电容器的电容量比以真空为介质时的电容量增加若干倍，电介质的这一性质称为介电性。电容量增加的倍数称为电介质的介电常数，或称介电渗透率，用来表示材料介电性的大小。,2,电介质的极化,极化：在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。,3,4,5,1.2 复介电常数,对于真空中的平板电容器，在其上加一个交变电压，则电极上出现电荷（该电荷与外电压同相）,其电流为：,与外电压有相差90度，是一种非损耗
2、性电流,如果极板间加入材料是弱电性的，或极性的，或两者均有，总之材料具有一定的电导，则在材料中必然会存在一个与导电性能有关的电流GU，这个电流与外电压的频率是没有关系的。则电容器总的电流应为两部分之和，可表示为：,6,由于：,另：电流密度可收可表示为：,故可定义复介电常数：,故电流密度为：,损耗角定义为：,7,1.3 多相系统电介质材料的介电常数,如果二相的介电常数相差不大，而且均匀分布时，其混合物的介电常数为：,当介电常数为 的球形颗粒均匀地分散在介电常数为 的基相中时，其混合物的介电常数为：,8,1.4 介电常数的温度系数,指随温度的变化，介电常数的相对变化率，即：,此参数可正可负,当一种
3、材料由两种介质复合而成，且这两种介质的粒度都非常小，分布均匀时，该材料的温度系数可由定义式微分得到，即：,9,2 介质损耗,在恒定电场下的损耗能量与通过其内部的电流有关，电流包括：介质的几何电容的充电所造成的电容电流，不损耗能量；由各种极化的建立所造成的电流，所引起的损耗称为极化损耗；则介质的电导造成的电流，所引起的损耗称为电导损耗。在直流电场下，介质损耗率取决于材料的电导率；在交变电场下，介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与松弛极化过程有关，与频率有关。其交流电压下的介质等效电导率仅由介质本身决定，称为损耗因素。可表示为：,10,3 介电强度,当电场强度超过某一临界时，介质由介电状态变为导
4、电状态，称介电强度的破坏，或介质的击穿。相应的临界电场称为介电强度或击穿强度。,击穿强度类型分为三种：热击穿，电击穿，局部放电击穿 热击穿：本质是处于电场中的介质，由于其中的受热，当外加电压足够高时，可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将越来越高，直到出现永久性损坏。电击穿：本质是在强电场下，固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子。这些电一方面在外电场下被加速，获得动能；另一方面与晶格振动相互作用，把电场的能量传递给晶格。在一定的温度和场强下平衡，固体有稳定的电导；当电子从电场中得到的能量大于传递给晶格的能量时，电子的动能越来越大，至电子能量大到与晶
5、格碰撞能产生电离时，自由电子数急剧增加，电导进入不稳定阶段，发生击穿。,11,第二节 微波介电陶瓷,评价微波介电陶瓷的主要技术参数是介电常数，品质因数Q和频率温度系数TCF。,微波介质陶瓷（MWDC）是指应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段，300MHz300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是近年来国内外对微波介质材料研究领域的一个热点方向。这主要是适应微波移动通讯的发展需求。,12,频率温度系数TCF:,为介电常数 的温度系数；为热膨胀系数。,用于微波频段的介质一般要满足如下4个要求：（1）高介电常数（2）低介质损耗（高Q）（3）温度膨胀系数小（4）低频率温度系数T
6、CF,13,微波介质材料,微波介质谐振器优点：,(l)小型化(高介电常数)众所周知，微波设备实现小型化、高稳定及廉价的方式是微波电路的集成化。在微波电路集成化的进程中，金属波导实现了平面微带集成化，微波管实现了小型化。但是，微波电路中各种金属谐振腔由于体积和重量太大，难以和微带电路相集成，解决这一困难的出路在于使用微波介质陶瓷材料制作谐振器。已经知道，谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比。所以电介质材料的介电常数越大，所需要的电介质陶瓷块体就越小，谐振器的尺寸也就越小。因此，微波介质陶瓷材料的高介电常数有利于微波介质滤波器的小型化，可使滤波器同微波管、微带线一道实现微波电路混合集成
7、化，使器件尺寸达到毫米量级，其价格也比金属谐振腔低廉得多。,14,(2)高稳定性(接近于零的频率温度系数）通信器件的工作环境温度不可能一成不变。如果微波介质材料的谐振频率随温度变化较大，滤波器的载波信号在不同的温度下就会漂移，从而影响设备的使用性能。这就要求材料的谐振频率不能随温度变化太大。温度的实际要求范围大致是40-100，在这个范围内，材料的频率温度系数不大于l0ppm/。目前，己实用化的微波介质陶瓷材料的频率温度系数可达0 ppm/，从而可以实现器件的高稳定性和高可靠性。,(3)低损耗(高品质因子Q)滤波器的一个重要要求是插入损耗低，微波介质材料的介质损耗是影响介质滤波器插入损耗的一个
8、主要因素。微波介质材料Q值与介质损耗成反比关系。Q值越大，滤波器的插入损耗就越低。,15,微波介质陶瓷材料(BaO-TiO2),16,17,微波介质陶瓷材料A(B1/3B2/3)O3钙钛矿型陶瓷A-Ba,Sr,B-Mg,Zn.Mn,B-Nb or Ta,18,工艺,19,微波介质材料系列:BaO-TiO2A(B1/3B2/3)O3(Zr,Sn)TiO4低温烧结Bi基材料:低介电常数 中介电常数 高介电常数高介电微波介质材料(Ln为稀土材料)BaO-Ln2O3-TiO2钨青铜系(BLT)铅基复合钙钛矿系：FeNb或MgNb酸盐CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系其他系列的微波陶瓷材料(Ba,
9、Sr)ZrO3(BSZ)、CaZrO3、Ca(Zr,Ti)O3(CZT)Sr(Zr,Ti)O3(SZT)、(Ba,Sr)(Zr,Ta)O3,20,第三节电容器介电陶瓷材料 一.结构与成份:结构组成：主晶相次晶相玻璃相气相瓷料的化学成份、制造工艺共同影响瓷介的性能二.介电陶瓷的分类与特点,21,22,2.型介电陶瓷 滑石瓷:MgO-Al2O3-SiO2,主晶相：偏硅酸镁氧化铝瓷:BaO-Al2O3-SiO2,主晶相：刚玉，莫来石,23,低介电陶瓷配方,24,3.II型介电陶瓷分类：分为强非线性和弱非线性瓷两种主要要求：大的介电常数，温度稳定性好(往往相矛盾)介电常数与温度关系：,25,配制原则：
10、选用自发极化很强的铁电陶瓷移峰剂压峰剂4.III型介电陶瓷分类：表面型介电陶瓷：阻挡层型：以金属电极与半导体表面所形成的阻挡层作为介质层氧化层型：以半导体瓷表面的氧化层作为介质层晶界层型介电陶瓷：半导体晶粒具有良好的导电性，以绝缘性的晶界层作为工作介质,26,独石电容器陶瓷(多层电容器用)特点：介电常数是普通陶瓷电容器的三倍，特别适用于高频HIC(薄厚膜混合集成)电路的外贴元件和其他小型化、可靠性要求高的电子设备中。分类：高温烧结型：烧结温度高于1300oC，电极材料只能采用Pt,Pd等耐高温金属，产品成本昂贵，仅用于较特殊的整抗中,27,低温烧结型：*低温烧结I(高频)型独石电容器材料MgO
11、-Bi2O3-Nb2O3 ZnO-Bi2O3-Nb2O3 Pb(Mg1/2W1/2)O3-Pb(Mg1/2Nb2/3)O3(PMW-PMN),28,PMW-PMN系相图：,29,*低温烧结II(低频)型独石电容器材料Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-Bi2O3Pb(Mg1/2Nb1/2)O3-PbTiO3-Pb(Cd1/2W1/2)O3改性的Pb(Mg1/2Nb1/2)O3-PbTiO3-Pb(Cd1/2W1/2)O3中温烧结型：中温烧结I型(高频)独石电容器BaO-TiO3-Na2O3系统CaO-TiO3-SiO2系统中温烧结II型(低频)独石器瓷料以BaTiO3为基的瓷料含铅的复合钙钛矿型化合物,
