Вариконды и их применение (стр. 1 из 6)

Развитие ряда областей современной техники в значительной степени определяется успехами электроники, основанными на научных достижениях физики твердого тела. Одно из актуальных направлений электроники — миниатюризация аппаратуры. Наряду с уменьшением габаритов аппаратуры ставится задача достижения высокой надежности ее действия при различных условиях эксплуатации.

В последние годы наряду с полупроводниковыми и металлическими активными элементами применяются диэлектрические активные элементы — вариконды. Варикондами называют сегнетокерамические конденсаторы с резко выраженными нелинейными зависимостями поляризации и диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Вариконды относятся к сегнетоэлектрикам и обладают свойством спонтанной, т. е. самопроизвольной электрической поляризации, существующей независимо от внешнего поля в некотором интервале температур. Сегнетоэлектрики получили на звание от сегнетовой соли, у которой в интервале температур от —18 до +24°С были впервые обнаружены аномальные диэлектрические свойства, получившие название сегнетоэлектрических.

Интенсивное использование сегнетоэлектриков в технике началось после открытия Б.М.Вулом сегнетоэлектрических свойств у керамического титаната бария BaTiO3. Вскоре после этого под руководством Г.А. Смоленского было открыто большое число новых керамических сегнетоэлектриков как простого, так и сложного состава.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, многие из которых могут изготовляться в виде поликристаллических материалов по керамической технологии. Наиболее изученным является титанат бария, поэтому для описания свойств новых сегнетокерамических материалов проводят их сравнение со свойствами BaTiO3.

В научной литературе многих зарубежных стран сегнетоэлектрики называются также и ферроэлектриками. Это обусловлено формальным сходством явлений сегнетоэлектричества (ферроэлектричества) и ферромагнетизма.

1. Основные свойства

1.1 Основные свойства сегнетокерамики ВК

В настоящее время для изготовления варикондов используются семь видов нелинейной сегнетокерамики, отличающихся друг от друга величиной диэлектрической проницаемости и поляризации, степенью нелинейности ε(E

), температурой Кюри и другими параметрами.

Эти материалы получили обозначение соответственно ВК-1, ВК-2. ВК-7. По составу и технологическим особенностям они не одинаковы .

Первые шесть материалов ВК-1. ВК-6 в нормальных условиях являются сегнетоэлектриками,и их нелинейные свойства оцениваются по характеру зависимости поляризации и диэлектрической проницаемости от напряженности переменного электрического поля. Материал ВК-7 является параэлектриком и рассматривается отдельно. Для всех материалов при увеличении поля поляризация возрастает и достигает насыщения (рис.1.1). Кривая P(E

) круто поднимается вверх для материалов ВК-3 и ВК-5, наиболее полого на начальном участке — для материала ВК-6. Кривые для остальных материалов занимают промежуточное положение. Резкое возрастание поляризации материала ВК-6 начинается при более высоких полях, чем для материалов ВК-1. ВК-5.

Зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности поля для шести видов нелинейной керамики и титаната бария приведены на рис.1.2. При увеличении поля, в соответствии с законом изменения поляризации Р(E

), диэлектрическая проницаемость растет, достигает максимума и уменьшается. Наиболее резкое и большое изменение ε(E

) имеет материал ВК-5, наиболее слабое — титанат бария.

Степень нелинейности оценивается по изменению диэлектрической проницаемости материала (или емкости вариконда) под воздействием постоянного и переменного напряжений, приложенных к образцам.

По значению температуры Кюри нелинейные сегнетокерамические материалы ВК-1÷ВК-7 можно разделить на пять групп.

К первой группе относятся три материала ВК-1, ВК-2 и ВК-5 с температурой Кюри TС =75±10°С; ко второй группе —материал ВК-3, для него TС =25±10°С; к третьей группе — материал ВК-4, TС =105± 10°С, к четвертой группе — материал ВК-6, TС =200±20°С и, наконец, к пятой группе — материал ВК-7, TС <20°С.

Рассмотрим основные свойства каждого из этих семи материалов.

Материал ВК-1.Он использовался только для создания первых типов варикондов, уступает по нелинейным свойствам новому материалу ВК-2 и не имеет перед ним никаких преимуществ по электрическим параметрам. Отличаясь простой технологией изготовления, ВК-1 может использоваться лишь для варикондов с невысокими нелинейными свойствами. Коэффициент нелинейности K

Материал ВК-2.Начальные значения диэлектрической проницаемости εнач., измеренные в слабом поле при Е = 5 в/мм, для материалов ВК-1 и ВК-2 примерно одинаковы и составляют величину порядка 2200—3000.

Максимальные значения ε этих наиболее распространенных материалов (рис.1.3) достигаются при сравнительно низкой напряженности электрического поля: для ВК-1 величина Eмакс. составляет 150—200 в/мм, для ВК-2 — 120—150 в/мм.

Точка Кюри материалов ВК-2 и ВК-1 соответствует одной и той же температуре — примерно 75°С. При воздействии слабого электрического поля (E

≈2÷5 в/мм) с частотой 50—106 гц кривые температурной зависимости ε этих материалов различаются мало, тогда как кривые зависимости tg б от температуры для материала ВК-2 лежат значительно ниже, чем для материала ВК-1 (рис.1.4). При повышенных напряженностях поля значения tgб материалов ВК-1, ВК-2 и титаната бария почти одинаковы, их максимальные значения равны 0,3—0,4.

Зависимость диэлектрической проницаемости материала ВК-2 от напряженности электрического поля, как и материала ВК-1,резко выражена в широком интервале температур — от точки Кюри до весьма низких температур (измерения производились до -195°С).

Коэффициент нелинейности K

материала ВК-2 при отрицательных температурах много выше, чем при положительных. Это происходит потому, что при понижении температуры значение εнач этого материала в случае воздействия слабой напряженности поля снижается значительно более резко, чем при воздействии повышенной напряженности поля, и разница между начальными и максимальными значениями ε в области отрицательных температур больше, чем в области положительных температур. При снижении температуры напряженность поля, при которой значение ε достигает максимума, увеличивается (рис.1.5).

Во всем исследованном интервале температур значения коэффициента нелинейности K

материала ВК-2 оказались более высокими, чем материала ВК-1.

Вариконды изготовляются в виде дисков толщиной 0,4—0,8 мм. В ряде случаев вариконды применяются собранными в блоки. При рабочем напряжении 100 в напряженность поля у таких варикондов оказывается уже достаточной, чтобы вызвать возрастание их емкости до максимума. При увеличении толщины дисков рабочее напряжение варикондов может соответственно увеличиваться.

В особых случаях вариконды из этого материала изготовляются па более высокие рабочие напряжения (до 300—500 в и выше).

Вариконды из материала ВК-2 являются наиболее распространенными; они выпускаются в серийном производстве.

Материал ВК-3. Его температура Кюри TС = 25±10°С. Отличается он высокими значениями диэлектрической проницаемости и коэффициента K‗ в области слабых переменных полей и при комнатной температуре. Вариконды из материала ВК-3 специально предназначаются для работы при температуре, близкой к комнатной, или требуют термостатирования. В этом случае используется главным образом резко выраженная реверсивная зависимость диэлектрической проницаемости от постоянного напряжения при воздействии слабых сигналов переменного напряжения.

Изделия из этого .материала характеризуются высокой удельной емкостью в слабых полях. Вместе с тем, изготовление элементов с низким номинальным значением емкости (менее 100 пф) затруднено.

Величина диэлектрической проницаемости в слабом поле при комнатной температуре составляет 10000 — 20000, a tgб ≤0,05 при комнатной температуре.

Нелинейные характеристики материала ВК-3 измеряются при комнатной температуре. При увеличении напряженности переменного поля е материала резко возрастает и уже при 50—100 в/мм достигает максимального значения εмакс = 20000—30000, после чего она снижается (рис.1.6). Для отдельных специальных образцов вмакс может быть значительно больше и составлять 60 000—80 000, коэффициент нелинейности K

для них невелик и составляет 2—6, это связано с тем, что начальные значения ε уже достаточно высоки.