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电容的静电容量与老化

作者:杨光明来源:青佺电子 日期:2013年12月3日 13:33

电容的静电容量与老化
一.             如何理解电容器的静电容量
    A.电容量
电容器的基本特性是能够储存电荷(Q),而 Q 值与电容量(C)和外加电压(V)成正比。 Q = CV
因此充电电流被定义为: I= dQ/dt = CdV/dt
当外加在电容器上的电压为 1伏特,充电电流为 1安培,充电时间为 1秒时,我们将电容量定义为 1法拉。 C = Q/V = 库仑/伏特 = 法拉
由于法拉是一个很大的测量单位,在实际使用中很难达到,因此通常采用的是法拉的分数,即:
皮法(pF) = 10-12 F  
纳法(nF) = 10-9 F
微法(mF)= 10-6 F
毫法(mF)= 10-3 F
B.电容量影响因素
对于任何给定的电压,单层电容器的电容量正比于器件的几何尺寸和介电常数:
C = KA/f(t)
K = 介电常数
A = 电极面积
t = 介质层厚度
f = 换算因子
在英制单位体系中,f = 4.452,尺寸 A 和 t 的单位用英寸,电容量用皮法表示。单层电容器为例,电极面积1.0×1.0″,介质层厚度 0.56″,介电常数 2500,
C = 2500(1.0)(1.0)/4.452(0.56)= 10027 pF
如果采用公制体系,换算因子 f = 11.31,尺寸单位改为 cm,
C = 2500(2.54)(2.54)/11.31(0.1422)= 10028 pF
正如前面讨论的电容量与几何尺寸关系,增大电极面积和减小介质层厚度均可获得更大的电容量。然而,对于单层电容器来说,无休止地增大电极面积或减小介质层厚度是不切实际的。因此,平行列阵迭片电容器的概念被提出,用以制造具有更大比体积电容的完整器件,如下图所示。
在这种“多层”结构中,由于多层电极的平行排列以及在相对电极间的介质层非常薄,电极面积 A 得以大大增加,因此电容量 C 会随着因子 N(介质层数)的增加和介质层厚度 t’的减小而增大。这里 A’指的是交迭电极的重合面积。
C = KA’N/4.452(t’)     
以前在 1.0×1.0×0.56″的单片电容器上所获得的容量,现在如果采用相同的介质材料,以厚度为 0.001″的 30层介质相迭加成尺寸仅为 0.050×0.040×0.040″的多层元件即可获得(这里重合电极面积 A’为 0.030×0.020″)。
C = 2500(0.030)(0.020)30/4.452(0.01)= 10107 pF
上面的实例表明在多层结构电容器尺寸相对于单层电容器小 700倍的情况下仍能提供相同的电容量。因此通过优化几何尺寸,选择有很高介电常数和良好电性能(能在形成薄层结构后保持良好的绝缘电阻和介质强度)的介质材料即可设计和制造出具有最大电容量体积系数的元件。
二.             如何理解电容器的容量老化
     铁电体陶瓷电容器的容量和介质损耗会展现出随时间延长而衰减的趋势。这种被称为老化的现象是可逆的,其产生的原因在于铁电体晶体结构随温度而变化。 铁电介质以钛酸钡(BaTiO3)为主要成分,加入一定的氧化物以改变材料晶体惯态和对称性,产生出铁电畴。在居里点(120℃)附近,BaTiO3晶体结构由四方相转变为立方相,自发极化不再发生。而当冷却通过居里点时,材料晶体结构又重新由立方相转变为四方相,其点阵4+结构中不存在对称中心。Ti 离子可以占据两个非对称位置中的一个,从而导致永久性电偶极。
由于相邻晶胞相互作用的影响足以建立起极化畴,因此这些电偶极是自发产生和略微有序的。平行极化畴是随机取向的(在没有外加电场作用的情况下),给系统提供应变能。而应变能的松弛正是材料介电常数老化的原因,具有下列时间关系:
K = K0 -m log t 这里 K = 任意时间 t 处的介电常数
K0 = 时间t0(t0 < t)处的介电常数
m = 衰减速率
上面公式是对数关系,如果采用半对数图处理所得数据,其结果将会近似于一条直线,正如下图所示。每十倍时内K(或电容量)变化的百分数可以通过计算得出,用做衡量瓷料优劣的一个指标。 与微观结构有关,进而对极化产生影响的的因素(材料纯度、晶粒尺寸、烧结情况、晶界、空隙率,内应力)同样也决定了畴壁移动和重新取向的自由程度。
例 (a) 老化速率 = -5% / 5 十倍时 = 1.0% / 十倍时(小时)
例 (b) 老化速率 = -15% / 6 十倍时 = 2.5% / 十倍时(小时)
由此可知,材料老化的速率与材料组分和工艺过程密切相关,同时对那些影响材料介电常数的因素也非常敏感。 铁电体容量的时间损耗是不可避免的,尽管通过把介质加热到居里点以上,使材料晶体结构变回“顺电”立方态的方法可以得到恢复。但一旦冷却下来,材料晶体结构再次转变为四方相,自发极化再次出现,产生的新极化畴使得老化过程重新开始。 顺电体,例如NPO,中由于不存在自发极化的机制,因此观察不到老化现象。老化速率受电容器“电压状态”的影响。元件在高温(低于居里温度)直流偏压负荷试验中表现出了容量损耗,但老化速率很低。从理论上讲,高温下的电压负荷会促进极化畴的的弛豫。当然,如果实际温度超过了居里点,电压效应则会消失