陶瓷电容器的老化特性原理是什么?

01 12月 2017

陶瓷电容器中,尤其是高诱电率系列电容器(B/X5R、R/X7R特性),具有静电容量随时间延长而降低的特性。

当在时钟电路等中使用时,应充分考虑此特性,并在实际使用条件及实际使用设备上进行确认。

例如,如下图所示,经过的时间越长,其实效静电容量越低。(在对数时间图上基本呈直线线性降低)

*下图横轴表示电容器的工作时间(Hr),纵轴表示的是相对于初始值的静电容量的变化率的图表。

如图中所示,静电容量随着时间延长而降低的特性称为静电容量的经时变化(老化)。

此外,对于老化特性,不仅仅限于村田的产品,在所有高诱电率型电容器中都有此现象,在温度补偿用电容器中没有老化特性。

另外,因老化而导致静电容量变小的电容器,当由于工序中的焊接作业等使温度再次被加热到居里温度(约125°C)以上时,静电容量将得到恢复。

而且,当电容器温度降至居里温度以下时,将再一次开始老化。

关于老化特性的原理

陶瓷电容器中的高诱电率系列电容器,现在主要使用以BaTiO3(钛酸钡)作为主要成分的电介质。BaTiO3具有如下图所示的钙钛矿(perovskite)形的晶体结构,在居里温度以上时,为立方晶体(cubic),Ba2+离子位于顶点,O2-离子位于表面中心,Ti4+离子位于立方体中心的位置。

上图是在居里温度(约125℃)以上时的立方体(cubic)的晶体结构,在此温度以下的常温领域,为一个轴(C轴)伸长,其他轴略微缩短的正方晶系(tetragonal)晶体结构。

此时,作为Ti4+离子在结晶单位的延长方向上发生了偏移的结果,产生极化,不过,这个极化即使在没有外部电场或电压的情况下也会产生,因此,称为自发极化(spontaneouspolarization)。

像这样,具有自发极化,而且可以根据外部电场转变自发极化的朝向的特性,被特称为强诱电型。

(有时将菱面体晶系称为三方晶系,把斜方晶系称为单斜晶系。)

另外,当将BaTiO3加热到居里温度以上时,晶体结构将从正方晶体向立方晶体进行相转移。伴随此变化自发极化将消失,并且畴也将不存在。

当将其冷却到居里温度以下时,在居里温度附近,从立方晶体向正方晶体发生相转移,并且C轴方向将延长约1%,其他轴将略微缩短,自发极化及畴将生成。同时晶粒将受到因变形而产生的压力。

在此时,晶粒内生成多个微小的畴,各个畴所具有的自发极化处于即使在低电场的情况下也很容易发生相转变的状态。

如果在居里温度以下,以无负载的状态放置,随着时间的延长,朝着随机方向生成的畴将具有更大的尺寸,并且向着能量更趋稳定的形态(图90°domain)逐渐进行再配列,从而释放由于晶体的变形而带来的压力。

除此之外,晶界层的空间电荷(移动缓慢的离子及空隙点等)将发生移动,并产生空间电荷的极化。空间电荷的极化将对自发极化产生作用,阻碍自发极化的相转变。

所以,自发极化从生成开始随着时间的延长,逐渐向着自发极化趋于稳定的状态进行再配列,与此同时,在晶界层产生空间电荷极化,并使自发极化的相转变受到阻碍。

在这种状态下,为了使各畴所具有的自发极化发生相转变,必需要有更强的电场。与单位体积内的自发极化的相转变相同的是电容率,因此如果减少在弱电场下发生相转变的畴,静电容量将降低。
来源:中国传动网

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