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      如何理解電容器的容量老化

      如何理解電容器的容量老化

      • 分類:技術文章
      • 作者:
      • 來源:
      • 發布時間:2020-11-13 11:39
      • 訪問量:0

      【概要描述】鐵電體陶瓷電容器的容量和介質損耗會展現出隨時間延長而衰減的趨勢。這種被稱為老化的現象是可逆的,其產生的原因在于鐵電體晶體結構隨溫度而變化。

      如何理解電容器的容量老化

      【概要描述】鐵電體陶瓷電容器的容量和介質損耗會展現出隨時間延長而衰減的趨勢。這種被稱為老化的現象是可逆的,其產生的原因在于鐵電體晶體結構隨溫度而變化。

      • 分類:技術文章
      • 作者:
      • 來源:
      • 發布時間:2020-11-13 11:39
      • 訪問量:0
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        鐵電體陶瓷電容器的容量和介質損耗會展現出隨時間延長而衰減的趨勢。這種被稱為老化的現象是可逆的,其產生的原因在于鐵電體晶體結構隨溫度而變化。

        鐵電介質以鈦酸鋇(BaTiO3)為主要成分,加入一定的氧化物以改變材料晶體慣態和對稱性,產生出鐵電疇。在居里點(120℃)附近,BaTiO3晶體結構由四方相轉變為立方相,自發極化不再發生。而當冷卻通過居里點時,材料晶體結構又重新由立方相轉變為四方相,其點陣結構中不存在對稱中心。Ti4+離子可以占據兩個非對稱位置中的一個,從而導致永久性電偶極。由于相鄰晶胞相互作用的影響足以建立起極化疇,因此這些電偶極是自發產生和略微有序的。平行極化疇是隨機取向的(在沒有外加電場作用的情況下),給系統提供應變能。而應變能的松弛正是材料介電常數老化的原因,具有下列時間關系:

        K = K0-m log t

        這里

        K = 任意時間t處的介電常數

        K0 = 時間t0(t0 < t)處的介電常數

        m = 衰減速率

        上面公式是對數關系,如果采用半對數圖處理所得數據,其結果將會近似于一條直線,正如下圖所示。每十倍時內K(或電容量)變化的百分數可以通過計算得出,用做衡量瓷料優劣的一個指標。

        與微觀結構有關,進而對極化產生影響的的因素(材料純度、晶粒尺寸、燒結情況、晶界、空隙率,內應力)同樣也決定了疇壁移動和重新取向的自由程度。

        例 (a) 老化速率 = -5% / 5 十倍時 = 1.0% / 十倍時(小時)

        例 (b) 老化速率 = -15% / 6 十倍時 = 2.5% / 十倍時(小時)

        由此可知,材料老化的速率與材料組分和工藝過程密切相關,同時對那些影響材料介電常數的因素也非常敏感。

        鐵電體,例如X7R,容量的時間損耗是不可避免的,盡管通過把介質加熱到居里點以上,使材料晶體結構變回“順電”立方態的方法可以得到恢復。但一旦冷卻下來,材料晶體結構再次轉變為四方相,自發極化再次出現,產生的新極化疇使得老化過程重新開始。

        順電體,例如COG,中由于不存在自發極化的機制,因此觀察不到老化現象。老化速率受電容器“電壓狀態”的影響。元件在高溫(低于居里溫度)直流偏壓負荷試驗中表現出了容量損耗,但老化速率很低。從理論上講,高溫下的電壓負荷會促進極化疇的弛豫。當然,如果實際溫度超過了居里點,電壓效應則會消失。

        電容器廠家往往通過調整測量時的限定值來補償鐵電介質的容量損耗,這樣元件在長時間使用后也不至于因老化而超出公差范圍。例如,對于老化速率為1.5% / 十倍時的介質材料,測量標準需提高到3%,即兩個十倍時。被長時間置于居里溫度點之后又通過100小時測試的元件仍可以保證再經過兩個十倍時,或者說10000小時,都不會超出公差范圍。

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