多層片式陶瓷電容器(MLCC)有很多優(yōu)點(diǎn),其中以小尺寸和優(yōu)異的儲(chǔ)能能力為首。然而在某些條件下,當(dāng)加載直流DC電壓時(shí),MLCC的電容量會(huì)下降。這個(gè)特點(diǎn)稱為MLCC的直流偏壓特性,它的存在給了不熟悉MLCC特性的設(shè)計(jì)工程師一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)越來(lái)越多的工程師發(fā)現(xiàn)了MLCC的優(yōu)勢(shì),特別是在無(wú)線接口應(yīng)用上的重要意義,很有必要理解直流偏壓特性。近年來(lái)材料技術(shù)的新進(jìn)展已減輕鈦酸鋇基(BaTiO3)陶瓷的這種影響。另外,供應(yīng)商提供的簡(jiǎn)明有效的在線軟件工具幫助工程師應(yīng)對(duì)直流偏壓特性做好相應(yīng)的策劃。這些供應(yīng)商的在線設(shè)計(jì)工具通過(guò)清晰地解析高容量值和強(qiáng)直流偏壓特性之間的關(guān)系,能避免工程師犯同樣的錯(cuò)誤。MLCC是發(fā)展創(chuàng)新性技術(shù)的關(guān)鍵,因此,理解它的性能和利用好供應(yīng)商的引導(dǎo)性設(shè)計(jì)工具是設(shè)計(jì)工程師工作的重要部分。
陶瓷的優(yōu)點(diǎn)
陶瓷元件,無(wú)論是哪個(gè)制造商,已是小型化的先鋒產(chǎn)品。陶瓷原材料已專業(yè)制造用于縮小電容器尺寸和為MLCC主導(dǎo)未來(lái)開(kāi)拓道路。MLCC的低阻抗,甚高的容量體積比,常常常成為比電解電容更優(yōu)先考慮的選擇(包括固態(tài)和液態(tài)的電解電容)。
陶瓷的大量需求同樣是因是它的鐵電性能,這能產(chǎn)生介電特性(當(dāng)陶瓷晶粒響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力時(shí))和鐵電性。鐵電陶瓷提供的鐵電常數(shù)數(shù)倍于其它的自然材料。更進(jìn)一步說(shuō),這個(gè)過(guò)程引起了自發(fā)極化和反自化極化。
鐵電性和自發(fā)極化
1921年發(fā)現(xiàn)了鐵電性,當(dāng)1950年BaTiO3的應(yīng)用,鐵電體就開(kāi)始在電子應(yīng)用擔(dān)當(dāng)了更巨大的角色。鐵電材料是四方相,四角共用氧原子。但鐵電體同樣可歸類為三種其它類型:有機(jī)聚合物、陶瓷聚合物復(fù)合材料和含活性氫復(fù)合物。
即使是在四方相中四角共用氧原子,BaTiO3被認(rèn)為屬于鈣鈦礦族(見(jiàn)圖1)。特別地,BaTiO3是MLCC制造的理想材料,因?yàn)樗叵赂叩慕殡姵?shù)。 例如,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BaTiO3陶瓷的介電常數(shù)值高達(dá)7000 ,而其它陶瓷,如TiO2,介電常數(shù)在20~70之間。在很窄的溫度范圍內(nèi),介電常數(shù)可高達(dá)15000,而大部分的陶瓷和聚合物材料小于10。
圖1 BaTiO3 陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在居里溫度點(diǎn)(約130℃,指鐵電陶瓷的相比溫度)以上是立方相。溫度低于居里點(diǎn)時(shí),其中的一個(gè)晶軸(C軸)伸長(zhǎng),別一晶軸輕微收縮,轉(zhuǎn)變國(guó)四方相(圖2)。此時(shí),位于晶胞軸向的Ti 4+原子遠(yuǎn)離晶胞中心,發(fā)生極了。換名句話說(shuō),極化是由晶體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱引起的,它是在沒(méi)有外電場(chǎng)或壓力作用下發(fā)生的。這類型的極化被稱為自化極化。
圖2 純BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)和相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化
待續(xù)......