陶瓷電容器靜電容量隨時間變化的原理
發(fā)布時間:2020-09-01 來源:MURATA 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】陶瓷電容器中,尤其是高誘電率系列電容器(B/X5R、R/X7R特性),具有靜電容量隨時間延長而降低的特性。當(dāng)在時鐘電路等中使用時,應(yīng)充分考慮此特性,并在實際使用條件及實際使用設(shè)備上進行確認。
例如,如下圖所示,經(jīng)過的時間越長,其實效靜電容量越低。(在對數(shù)時間圖上基本呈直線線性降低)
*下圖橫軸表示電容器的工作時間(Hr),縱軸表示的是相對于初始值的靜電容量的變化率的圖表。
如圖中所示,靜電容量隨著時間延長而降低的特性稱為靜電容量的經(jīng)時變化(老化)。
此外,對于老化特性,不僅僅限于本公司的產(chǎn)品,在所有高誘電率型電容器中都有此現(xiàn)象,在溫度補償用電容器中沒有老化特性。
另外,因老化而導(dǎo)致靜電容量變小的電容器,當(dāng)由于工序中的焊接作業(yè)等使溫度再次被加熱到居里溫度(約125°C)以上時,靜電容量將得到恢復(fù)。
而且,當(dāng)電容器溫度降至居里溫度以下時,將再一次開始老化。
關(guān)于老化特性的原理
陶瓷電容器中的高誘電率系列電容器,現(xiàn)在主要使用以BaTiO3(鈦酸鋇)作為主要成分的電介質(zhì)。
BaTiO3具有如下圖所示的鈣鈦礦(perovskite)形的晶體結(jié)構(gòu),在居里溫度以上時,為立方晶體(cubic),Ba2+離子位于頂點,O2-離子位于表面中心,Ti4+離子位于立方體中心的位置。
上圖是在居里溫度(約125℃)以上時的立方體(cubic)的晶體結(jié)構(gòu),在此溫度以下的常溫領(lǐng)域,為一個軸(C軸)伸長,其他軸略微縮短的正方晶系(tetragonal)晶體結(jié)構(gòu)。
此時,作為Ti4+離子在結(jié)晶單位的延長方向上發(fā)生了偏移的結(jié)果,產(chǎn)生極化,不過,這個極化即使在沒有外部電場或電壓的情況下也會產(chǎn)生,因此,稱為自發(fā)極化(spontaneous polarization)。
像這樣,具有自發(fā)極化,而且可以根據(jù)外部電場轉(zhuǎn)變自發(fā)極化的朝向的特性,被特稱為強誘電型。
(有時將菱面體晶系稱為三方晶系,把斜方晶系稱為單斜晶系。)
另外,當(dāng)將BaTiO3加熱到居里溫度以上時,晶體結(jié)構(gòu)將從正方晶體向立方晶體進行相轉(zhuǎn)移。伴隨此變化自發(fā)極化將消失,并且疇也將不存在。
當(dāng)將其冷卻到居里溫度以下時,在居里溫度附近,從立方晶體向正方晶體發(fā)生相轉(zhuǎn)移,并且C軸方向?qū)⒀娱L約1%,其他軸將略微縮短,自發(fā)極化及疇將生成。同時晶粒將受到因變形而產(chǎn)生的壓力。
在此時,晶粒內(nèi)生成多個微小的疇,各個疇所具有的自發(fā)極化處于即使在低電場的情況下也很容易發(fā)生相轉(zhuǎn)變的狀態(tài)。
如果在居里溫度以下,以無負載的狀態(tài)放置,隨著時間的延長,朝著隨機方向生成的疇將具有更大的尺寸,并且向著能量更趨穩(wěn)定的形態(tài)(圖90°domain)逐漸進行再配列,從而釋放由于晶體的變形而帶來的壓力。
除此之外,晶界層的空間電荷(移動緩慢的離子及空隙點等)將發(fā)生移動,并產(chǎn)生空間電荷的極化??臻g電荷的極化將對自發(fā)極化產(chǎn)生作用,阻礙自發(fā)極化的相轉(zhuǎn)變。
所以,自發(fā)極化從生成開始隨著時間的延長,逐漸向著自發(fā)極化趨于穩(wěn)定的狀態(tài)進行再配列,與此同時,在晶界層產(chǎn)生空間電荷極化,并使自發(fā)極化的相轉(zhuǎn)變受到阻礙。
在這種狀態(tài)下,為了使各疇所具有的自發(fā)極化發(fā)生相轉(zhuǎn)變,必需要有更強的電場。
與單位體積內(nèi)的自發(fā)極化的相轉(zhuǎn)變相同的是電容率,因此如果減少在弱電場下發(fā)生相轉(zhuǎn)變的疇,靜電容量將降低。
上述內(nèi)容被普遍認為是老化特性的原理。
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