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1、第二章电介质材料1本讲稿第一页，共二十九页电介质的极化电介质的极化极化极化：在电场作用下，在电场作用下，电介质中束缚着电介质中束缚着的电荷发生位移的电荷发生位移或者极性按电场或者极性按电场方向转动的现象，方向转动的现象，称为称为电介质的极电介质的极化。化。本讲稿第二页，共二十九页本讲稿第三页，共二十九页本讲稿第四页，共二十九页1.2 复介电常数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，对于真空中的平板电容器，在其上加一个交变电压，则电极上出现电荷则电极上出现电荷（该电荷与外电压同相）（该电荷与外电压同相）其电流为：其电流为：与外电压有相差与外电压有相差90度，是度，是一种非损耗性
2、电流一种非损耗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，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：两部分之和，可表示为：本讲稿第五页，共二十九页由于：由于：另：电流密度可另：电流密度可收可表示为：收可表示为：故可定义复介电常数：故可定义复介电常数：故电流密度为：故电流密度为：损耗角定义为：损耗角
3、定义为：U本讲稿第六页，共二十九页1.3 多相系统电介质材料的介电常数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：电常数为：当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球形颗粒均匀地分散在介电常数为 的基相中时，的基相中时，其混合物的介电常数为：其混合物的介电常数为：本讲稿第七页，共二十九页1.4 介电常数的温度系数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：指随温度的变化，介电常数的相对变化率，即：此参数可正可负此参数可正可负当一种材料由两种介质复合而成，
4、且这两种介质的粒度都非常小，分当一种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：布均匀时，该材料的温度系数可由定义式微分得到，即：本讲稿第八页，共二十九页2 介质损耗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，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
5、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：质本身决定，称为损耗因素。可表示为：本讲稿第九页，共二十九页3 介电强度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电状态，称当电场强度超过某一临界时，介质由介电状态变为导电状
6、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。或击穿强度。击穿强度类型分为三种：热击穿强度类型分为三种：热击穿，电击穿，局部放电击穿击穿，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，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。直到出现永久性损坏。电击
7、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格碰撞能产生电离时，自由电子数急剧增能越来越大，至
8、电子能量大到与晶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。加，电导进入不稳定阶段，发生击穿。本讲稿第十页，共二十九页第二节第二节 微波介电陶瓷微波介电陶瓷 评价微波介电陶瓷的主要技术参数是评价微波介电陶瓷的主要技术参数是介电常介电常数数 ，品质因数，品质因数Q Q和频率温度系数和频率温度系数TCFTCF。微波介质陶瓷（微波介质陶瓷（MWDC）是指应用于微波频段）是指应用于微波频段(主要是主要是UHF、SHF频段，频段，300MHz300GHz)电路中作为介质材料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并完成一种或多种功能的陶瓷，是近年来
9、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。的发展需求。本讲稿第十一页，共二十九页频率温度系数频率温度系数TCF:TCF:为介电常数为介电常数 的温度系数；的温度系数；为热膨胀系数。为热膨胀系数。用于微波频段的介质一般要满足如下用于微波频段的介质一般要满足如下4 4个要个要求：求：（1 1）高介电常数）高介电常数 （2 2）低介质损耗（高）低介质损耗（高Q Q）（3 3）温度膨胀系数小）温度膨胀系数小 （4 4）低频率温度系数）低频率温度系数TCFTCF本讲稿第十二页，共二十九页微波介质材料微波介质材料微波
10、介质谐振器优点：微波介质谐振器优点：(l)小型化小型化(高介电常数高介电常数)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
11、。已经知道，谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平材料制作谐振器。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化，使器件尺寸达到毫米量级，其价格也比金属谐振腔微波电路混合集成化，使器件尺寸达到毫米
12、量级，其价格也比金属谐振腔低廉得多。低廉得多。本讲稿第十三页，共二十九页(2)高稳定性高稳定性(接近于零的频率温度系数）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
13、率温度系数不大于，在这个范围内，材料的频率温度系数不大于l0ppm/。目前，己实。目前，己实用化的微波介质陶瓷材料的频率温度系数可达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，从而可以实现器件的高稳定性和高可靠性。定性和高可靠性。(3)低损耗低损耗(高品质因子高品质因子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主要因素。微波介质材料波器插入损耗的一个主要因素。微波介质材料Q值与介质损耗成反比关系。值与介质损耗成反比关系。Q值越值越大，滤波器的插入
14、损耗就越低。大，滤波器的插入损耗就越低。本讲稿第十四页，共二十九页微波介质陶瓷材料微波介质陶瓷材料(BaO-TiO2)本讲稿第十五页，共二十九页本讲稿第十六页，共二十九页微波介质陶瓷材料微波介质陶瓷材料A(B1/3B2/3)O3钙钛矿型陶瓷A-Ba,Sr,B-Mg,Zn.Mn,B-Nb or Ta本讲稿第十七页，共二十九页工工艺艺本讲稿第十八页，共二十九页微波介质材料系列微波介质材料系列:BaO-TiO2A(B1/3B2/3)O3(Zr,Sn)TiO4低温烧结低温烧结Bi基材料基材料:低介电常数低介电常数 中介电常数中介电常数 高介电常数高介电常数高介电微波介质材料高介电微波介质材料(Ln为稀
15、土材料为稀土材料)BaO-Ln2O3-TiO2钨青铜系钨青铜系(BLT)铅基复合钙钛矿系：铅基复合钙钛矿系：FeNb或或MgNb酸盐酸盐CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系系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本讲稿第十九页，共二十九页第三节电容器介电陶瓷材料 一一.结构与成份结构与成份: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二二.介电陶瓷的分类与特点介电陶瓷的分类与特点本讲稿第二十页，共二十九页本讲稿
16、第二十一页，共二十九页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，莫来石本讲稿第二十二页，共二十九页低介电陶瓷配方本讲稿第二十三页，共二十九页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：本讲稿第二十四页，共二十九页配制原则：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：表面型介电陶瓷表面型介电陶瓷：阻挡层型：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：氧化层型：以半导体瓷表面的氧化层作为介质层晶界层
17、型介电陶瓷晶界层型介电陶瓷：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本讲稿第二十五页，共二十九页独石电容器陶瓷(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：烧结温度高于高温烧结型：烧结温度高于1300oC，电极材料只，电极材料只能采用能采用Pt,Pd等耐高温金属，产品成本昂贵，仅用于等耐高温金属，产品成本昂贵，仅用于较特殊的整抗中较特殊的整抗中本讲稿第二十六页，共二十九页低温烧结型：*低温烧结I(高频)型独石电容器材料MgO-Bi2O3-Nb2O3 ZnO-Bi
18、2O3-Nb2O3 Pb(Mg1/2W1/2)O3-Pb(Mg1/2Nb2/3)O3 (PMW-PMN)本讲稿第二十七页，共二十九页PMW-PMN系相图：本讲稿第二十八页，共二十九页*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本讲稿第二十九页，共二十九页