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【工程師必看】陶瓷電容器靜電容量隨時間變化的原理

 

 

 

 

 

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。

 

當在時鐘電路等中使用時,應充分考慮此特性,并在實際使用條件及實際使用設備上進行確認。

 

例如,如下圖所示,經過的時間越長,其實效靜電容量越低。(在對數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時變化(老化)。

 

 

此外,對于老化特性,不僅僅限于本公司的產品,在所有高誘電率型電容器中都有此現象,在溫度補償用電容器中沒有老化特性。

 

另外,因老化而導致靜電容量變小的電容器,當由于工序中的焊接作業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。

 

而且,當電容器溫度降至居里溫度以下時,將再一次開始老化。

 

                                                                                                   

 

陶瓷電容器中的高誘電率系列電容器,現在主要使用以BaTiO3(鈦酸鋇)作為主要成分的電介質。

 

BaTiO3具有如下圖所示的鈣鈦礦(perovskite)形的晶體結構,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)的晶體結構,在此溫度以下的常溫領域,為一個軸(C軸)伸長,其他軸略微縮短的正方晶系(tetragonal)晶體結構。

 

此時,作為Ti4+離子在結晶單位的延長方向上發生了偏移的結果,產生極化,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生,因此,稱為自發極化(spontaneous polarization)。

 

像這樣,具有自發極化,而且可以根據外部電場轉變自發極化的朝向的特性,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,當將BaTiO3加熱到居里溫度以上時,晶體結構將從正方晶體向立方晶體進行相轉移。伴隨此變化自發極化將消失,并且疇也將不存在。

 

當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生相轉移,并且C軸方向將延長約1%,其他軸將略微縮短,自發極化及疇將生成。同時晶粒將受到因變形而產生的壓力。

 

 

在此時,晶粒內生成多個微小的疇,各個疇所具有的自發極化處于即使在低電場的情況下也很容易發生相轉變的狀態。

 

如果在居里溫度以下,以無負載的狀態放置,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定的形態(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)將發生移動,并產生空間電荷的極化??臻g電荷的極化將對自發極化產生作用,阻礙自發極化的相轉變。

 

所以,自發極化從生成開始隨著時間的延長,逐漸向著自發極化趨于穩定的狀態進行再配列,與此同時,在晶界層產生空間電荷極化,并使自發極化的相轉變受到阻礙。

 

在這種狀態下,為了使各疇所具有的自發極化發生相轉變,必需要有更強的電場。

 

與單位體積內的自發極化的相轉變相同的是電容率,因此如果減少在弱電場下發生相轉變的疇,靜電容量將降低。

 

上述內容被普遍認為是老化特性的原理。

 

 

 

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