电子陶瓷第四章第五讲

1、电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 总体上说，电介质的极化包含以上各部分的总体上说，电介质的极化包含以上各部分的 和，即电介质总的极化率为：和，即电介质总的极化率为： sie 0 电子陶瓷第四章第五讲 工频声频 无线电频率红外紫外 频率 f 界面极化 松弛极化 离子位移极化 电子位移极化 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 多相陶瓷材料的介电性能多相陶瓷材料的介电性能 一、混合物法则一、混合物法则 由成分、结构、化学组成等不同的晶体由成分、结构、化学组成等不同的晶体 所组成的多相陶瓷材料所组成的多相陶瓷材料 设只有两相组成陶瓷：设只有两相组成陶瓷： kkk xx 221

2、1 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 x x1 1、x x2 2为体积分数为体积分数 1 1、 2 2为介电常数为介电常数 并联时：并联时： k=1 串联时：串联时： k=-1 混合分布：混合分布：k0 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 2 1 221 1 11 1 dkxdkxdk kkk 2211 lnlnlnxx 2 22 1 11 0 dxdxd k 时：当 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 当介电常数为的球形颗粒分布在介电常数当介电常数为的球形颗粒分布在介电常数 为的基相中，有：为的基相中，有： d m d m dd m d mm xx xx

3、 )( )( 33 2 33 2 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 二、介电常数的温度系数二、介电常数的温度系数 介电常数的温度系数介电常数的温度系数介电常数随介电常数随 温度变化而产生的相对变化率：温度变化而产生的相对变化率： dT d TK 1 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 可以用实验的方法测试可以用实验的方法测试TK : : ）（ 初末初 初末 初 TTT TK 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 不同的极化机制，有不同的不同的极化机制，有不同的TK : 对电子式极化：对电子式极化： T上升，上升， 降低，极化强度下降，降低，极化强度下降， T

4、K 为负；为负； 对离子式极化：对离子式极化： T上升，离子极化率增加，上升，离子极化率增加，TK 为正。为正。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 不同的应用，要求不同的应用，要求TK 不同：不同： 如滤波旁路和隔直流的电容器，如滤波旁路和隔直流的电容器， TK 0 热补偿电容器，热补偿电容器，TK 0的材料中加入适量的的材料中加入适量的 TK 0材料，可以达到材料，可以达到TK =0目的。目的。 如微波通信、卫星通信、航空航天器件等。如微波通信、卫星通信、航空航天器件等。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 2、介质损耗、介质损耗 陶瓷介质在电导和极化过程中有能量消

5、陶瓷介质在电导和极化过程中有能量消 耗，一部分电场能转变为热能。单位时间耗，一部分电场能转变为热能。单位时间 内消耗的电能叫介质损耗。内消耗的电能叫介质损耗。 在直流下，介质损耗仅由电导引起，在直流下，介质损耗仅由电导引起， 电导率就能表示介质损耗的大小。单位体电导率就能表示介质损耗的大小。单位体 积的介质损耗积的介质损耗p与电场与电场E的关系为：的关系为： p=E2 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 即电场强度一定时，介质损耗与电导率成即电场强度一定时，介质损耗与电导率成 正比。正比。 在交流下，电导和极化共同引起介质损耗，在交流下，电导和极化共同引起介质损耗， 可利用有损耗介

6、质构成的电容器等效电路可利用有损耗介质构成的电容器等效电路 来研究。有耗电容器等效电路由一理想电来研究。有耗电容器等效电路由一理想电 容器（无耗电容器）和一纯电阻并联或串容器（无耗电容器）和一纯电阻并联或串 联组成，如图所示。联组成，如图所示。 电子陶瓷第四章第五讲 有耗电容器等效电路示意图有耗电容器等效电路示意图 电子陶瓷第四章第五讲 矢量图中的矢量图中的角称为损耗角，它是有耗电角称为损耗角，它是有耗电 容器中电流超前电压的相位容器中电流超前电压的相位角与无耗电容角与无耗电容 器的相位角器的相位角90之间的差值。之间的差值。 电子陶瓷的损耗角一般都小于电子陶瓷的损耗角一般都小于1。由前图。由

7、前图 的并联电路得：的并联电路得： tg=IR/Ic=1/ CPRP 式中：式中： 为角频率；为角频率；Cp为等效并联电容；为等效并联电容； Pp为等效并联电阻。为等效并联电阻。 第四章 电子陶瓷基本性质 电子陶瓷第四章第五讲 由串联电路得由串联电路得 tg=U=UR R/U/Uc c= CSRS 式中式中 CS为等效串联电容；为等效串联电容；Rs为等效串联为等效串联 电阻。电阻。 所以所以: 1/CPRP= CSRS 第四章 电子陶瓷基本性质 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 tg又可以表示为：又可以表示为： tg= Pe/P 式中式中 Pe为有功功率。即介质损耗的功率；为有功

8、功率。即介质损耗的功率； Pe为无功功率。为无功功率。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 tg的具体意义是有耗电容器每周期消的具体意义是有耗电容器每周期消 耗的电能与其所储存电能的比值。耗的电能与其所储存电能的比值。 tg经常用来表示介质损耗的大小。应经常用来表示介质损耗的大小。应 该注意，用该注意，用tg表示介质损耗时必须同时指表示介质损耗时必须同时指 明测量（或工作）频率。因为介质损耗：明测量（或工作）频率。因为介质损耗： Pe = Pe tg=CtgU2 单位体积的介质损耗为：单位体积的介质损耗为： 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 p=tg E2 可见，介质

9、损耗与频率有关。可见，介质损耗与频率有关。 式中式中tg称损耗因数，在外界条件一定时，称损耗因数，在外界条件一定时， 它是介质本身的特定参数。它是介质本身的特定参数。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 式中式中tg称等效电导率，它不是常数。称等效电导率，它不是常数。 频率高时，频率高时，tg增大，介质损耗增大。增大，介质损耗增大。 因此，工作在高频高功率下的介质，要求损因此，工作在高频高功率下的介质，要求损 耗小，耗小，tg必须在控制很小的范围。必须在控制很小的范围。 一般高频介质一般高频介质tg应小于应小于610-4， 高频率高功高频率高功 率介质率介质tg应小于应小于310-

10、4。可见生产上控制。可见生产上控制tg 是很重要的。是很重要的。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 介质的介质的tg对湿度很敏感。受潮的试样对湿度很敏感。受潮的试样 tg急剧增大。试样吸潮越严重，急剧增大。试样吸潮越严重，tg增大越增大越 厉害，常利用此性质来判断瓷体烧结的好厉害，常利用此性质来判断瓷体烧结的好 坏。坏。 介质损耗对化学组成、相组成、结构等介质损耗对化学组成、相组成、结构等 因素很敏感，凡是影响电导和极化的因素因素很敏感，凡是影响电导和极化的因素 都影响介质损耗。都影响介质损耗。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 介电损耗介电损耗tg的物理意义是在交

11、变电场作用下的物理意义是在交变电场作用下 电介质的电位移矢量电介质的电位移矢量D与电场强度与电场强度E之间的相之间的相 位差。位差。 EPED 00 r )exp( 0 tiEE )(exp 0 tiDD 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 介电常数表为一复数：介电常数表为一复数： i cos r sin r 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 介电常数的实部反映了电介质储存电荷的能力，介电常数的实部反映了电介质储存电荷的能力， 虚部反映了电介质在电荷移动过程中引起的电虚部反映了电介质在电荷移动过程中引起的电 场能量损耗，它们均与电场频率有关。场能量损耗，它们均与电场频

12、率有关。 电介质的损耗多来自漏电损耗：电介质的损耗多来自漏电损耗： 极化损耗。极化损耗。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 漏电损耗是因为电介质的直流电导损耗以及漏电损耗是因为电介质的直流电导损耗以及 由于离子迁移受阻和偶极子弛豫损耗而引起能由于离子迁移受阻和偶极子弛豫损耗而引起能 量的损失。量的损失。 极化损耗是因为材料中电子和离子的非弹性位极化损耗是因为材料中电子和离子的非弹性位 移引起的。移引起的。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 22 )()( m tg 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 在交变电场作用下，不同极化机制对外电场在交变电场作用下

13、，不同极化机制对外电场 的响应不同，或者说存在频率色散，介质中的响应不同，或者说存在频率色散，介质中 的极化是一些弛豫过程。的极化是一些弛豫过程。 极化过程需要经历一段时间达到平衡态，存极化过程需要经历一段时间达到平衡态，存 在有介电损耗。在有介电损耗。 静态介电常数与动态介电常数不相同。静态介电常数与动态介电常数不相同。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 考虑单一弛豫的极化过程，引入衰减函数考虑单一弛豫的极化过程，引入衰减函数 s 、 、分别为材料极低频和极高频介电常数 分别为材料极低频和极高频介电常数 的实部，的实部，代表偶极子弛豫时间，它与偶极代表偶极子弛豫时间，它与偶极

14、子的惰性及基体的粘滞性有关。子的惰性及基体的粘滞性有关。 t t s exp)( 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 Debye曾经提出一个模型，对于永久偶极矩曾经提出一个模型，对于永久偶极矩 为为的点偶极子，如果分布均匀，其复数介的点偶极子，如果分布均匀，其复数介 电常数可写为：电常数可写为： 上式称为上式称为Debye方程，遵从该方程的效应称方程，遵从该方程的效应称 为为Debye弛豫。弛豫。 i s 1 )( 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 22 1 )( s 22 1 )( )( s 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 如果弛豫时间不止一个，设如

15、果弛豫时间不止一个，设F()为其分布函为其分布函 数，那么有：数，那么有： 0 22 1 )(d)( )()( F s 0 22 1 )(d)( )()( F s 0 1d)(F 电子陶瓷第四章第五讲 3、 阻抗与导纳阻抗与导纳 一、阻抗一、阻抗 对一单口网络，端口电压相量与电流相量之对一单口网络，端口电压相量与电流相量之 比，定义为该网络的阻抗比，定义为该网络的阻抗Z。 I U Z 上式定义为欧姆定律的相上式定义为欧姆定律的相 量形式。量形式。 即即 ： 单位单位 无源单口网络无源单口网络的电路模型：的电路模型： + U N _ I (a) I + U _ Z (b) 电子陶瓷第四章第五讲

16、2、阻抗、阻抗Z 取决于网络结构、元件参数和电源的取决于网络结构、元件参数和电源的 频率。频率。 RZ R LL XLZjj 3、阻抗、阻抗Z是一个复数。是一个复数。 对于阻抗需要说明以下几点：对于阻抗需要说明以下几点： 1、单一元件、单一元件R、L、C的阻抗分别为：的阻抗分别为： Z I U I U Z iu 式中：式中： I U Z iu CC X c Zj 1 j 电子陶瓷第四章第五讲 XRZZj 实部实部R：电阻分量：电阻分量 虚部虚部X：电抗分量：电抗分量 （直角坐标形式）（直角坐标形式） 式中，式中， （可正可负）（可正可负） Z X R 阻抗三角形阻抗三角形 R X arctan

17、 22 XRZ cosZR sinZX 电子陶瓷第四章第五讲 IXRIZU j R U与与 同相同相 I X U 与与 相差相差 2 I 电压三角形电压三角形 + U N _ I I U Z XR UUIXIR j I + U _ R Xj + _ + _ R U X U I U UR UX 相量图相量图 U UR UX )0( X 串联等效电路串联等效电路 电子陶瓷第四章第五讲 ）（00 X 阻抗性质为阻性，电路为电阻抗性质为阻性，电路为电 阻性电路或谐振电路。阻性电路或谐振电路。 阻抗性质为感性，电路为电感性电路。阻抗性质为感性，电路为电感性电路。 4、由于电路结构、参数或电源频率的不同阻

18、抗、由于电路结构、参数或电源频率的不同阻抗 角角 可能会出现以下三种情况：可能会出现以下三种情况： )0(0 X )0(0 X 阻抗性质为容性，电路为电阻抗性质为容性，电路为电 容性电路。容性电路。 jXRZZ R X arctan I U UR UX 容性相量图容性相量图 电子陶瓷第四章第五讲 G R Y R 1 LL Bj L j Lj Y 11 如果单口无源网络，端口上电压相量和电流如果单口无源网络，端口上电压相量和电流 相量参考方向一致，其导纳定义为相量参考方向一致，其导纳定义为 对导纳说明以下几点：对导纳说明以下几点： U I Y 其中导纳其中导纳Y的单位是西的单位是西门子门子（S）

19、 1、单一元件、单一元件R、L、C的导纳分别为：的导纳分别为： I + U _ Y 二、导纳二、导纳 电子陶瓷第四章第五讲 U I Y ui 2、单口网络的、单口网络的Y由网络结构、元件参数和电源由网络结构、元件参数和电源 的频率决定。的频率决定。 3、导纳、导纳Y是一个复数是一个复数 ) ui U I U I YY （ CC jBcj c j Y 1 1 上式：上式： 称为导纳角，它是电流和电压的相位差。称为导纳角，它是电流和电压的相位差。 电子陶瓷第四章第五讲 BG IIUjBUGUjBGUYI )（ 同同相相。与与，相相差差与与UIUI GB 2 jBGY （直角坐标形式）（直角坐标形式

20、） 实部实部G：电导分量：电导分量 虚部虚部B：电纳分量：电纳分量 单口无源网络的单口无源网络的 并联等效电路并联等效电路 （ 正值）正值） （可正可负）（可正可负） + _ B I UjB I G I G 电子陶瓷第四章第五讲 导纳性质为阻性，电路为电阻性电路或谐振电路。导纳性质为阻性，电路为电阻性电路或谐振电路。 导纳性质为感性，电路为电感性电路。导纳性质为感性，电路为电感性电路。 导纳性质为容性，电路为电容性电路。导纳性质为容性，电路为电容性电路。 )0(0 B )0(0 B )0(0 B 4、由于电路结构、参数或电源频率的不同导纳角、由于电路结构、参数或电源频率的不同导纳角 会出现以下

21、三种情况：会出现以下三种情况： 电子陶瓷第四章第五讲 1、形式形式Z、Y之间的等效互换之间的等效互换 2、形式形式Z、Y间的等效互换间的等效互换 若若 ZZ 则则 Y Z 1 即：即： Y Z 1 (1) 已知已知 Z=R+jX jBG Z Y 1 则则： 22 XR R G 22 XR X B 由单口无源网络的阻抗由单口无源网络的阻抗Z和导纳和导纳Y的定义可的定义可 知，对于同一单口无源网络知，对于同一单口无源网络Z与与Y互为倒数，即互为倒数，即 Y Z 1 Z Y 1 或或 电子陶瓷第四章第五讲 (2) 已知已知 Y=G+jB ，求等效阻抗求等效阻抗 Z jXR Y Z 1 （推导过程略）

22、（推导过程略） 22 BG G R 22 BG B X 其中：其中： 注意：注意： R G 1 X B 1 电子陶瓷第四章第五讲 n k k ZZ 1 n个阻抗串联：个阻抗串联： 两个阻抗串联电路的分压公式：两个阻抗串联电路的分压公式： U ZZ Z U 21 1 1 U ZZ Z U 21 2 2 n ZZZZZ 321 ZZ1Z2Zn + Z1Z2 + + U 1 U 2 U 四、无源网络的等效变换四、无源网络的等效变换 1、单口无源网络中各阻抗为串联时，等效、单口无源网络中各阻抗为串联时，等效 阻抗为：阻抗为： 一般一般 电子陶瓷第四章第五讲 n k k ZZ 1 11 两个阻抗并联时，

23、等效阻抗为：两个阻抗并联时，等效阻抗为： I ZZ Z I 21 2 1 I ZZ Z I 21 1 2 分流公式为：分流公式为： 21 21 ZZ ZZ Z n个电阻并联：个电阻并联： 注意：注意： 一般一般 21 III Z Z1Z2Zn + Z1 I U Z2 1 I 2 I 2、单口无源网络中各阻抗为并联时，等效、单口无源网络中各阻抗为并联时，等效 阻抗为：阻抗为： n k k YY 1 或或 电子陶瓷第四章第五讲 使用以上公式时注意以下几点：使用以上公式时注意以下几点： 熟记基本元件的阻抗和导纳。熟记基本元件的阻抗和导纳。 同一元件或同一端口的阻抗和导纳互为倒数。同一元件或同一端口的

24、阻抗和导纳互为倒数。 一般来讲，以上各公式中的阻抗和导纳用各一般来讲，以上各公式中的阻抗和导纳用各 自的模表示时，各等式不成立。自的模表示时，各等式不成立。 和电阻电路中的分压、分流公式相同，在使和电阻电路中的分压、分流公式相同，在使 用时，要注意符号与参考方向的关系。用时，要注意符号与参考方向的关系。 n ZZZZZ 321 例：例： 电子陶瓷第四章第五讲 阻抗分析仪和阻抗分析仪和LCR表是非常通用的测量器件表是非常通用的测量器件 的电子仪器。根据阻抗范围和频率范围的不的电子仪器。根据阻抗范围和频率范围的不 同，有一系列不同原理的仪器来满足测试要同，有一系列不同原理的仪器来满足测试要 求。求

25、。 图图1是不同阻抗范围和不同频率范围的阻抗测是不同阻抗范围和不同频率范围的阻抗测 量方法。量方法。 五、阻抗的测试五、阻抗的测试 电子陶瓷第四章第五讲 阻抗测试方法阻抗测试方法 电子陶瓷第四章第五讲 图图2是自动平衡电桥法的原理框图。是自动平衡电桥法的原理框图。 通过精确测量加载到被测件通过精确测量加载到被测件DUT的电压和电流的电压和电流 ，从而精确测量出，从而精确测量出DUT阻抗值。阻抗值。 从图从图2中可以看出：中可以看出： 通过通过DUT的电流等于通过电阻的电流等于通过电阻Rr的电流，的电流， 而通过而通过Rr的电流可以通过测量的电流可以通过测量V2计算出来。计算出来。 电子陶瓷第四

26、章第五讲 自动平衡电桥法自动平衡电桥法 电子陶瓷第四章第五讲 通常，在低频（通常，在低频（100KHz）的）的LCR表里，使用表里，使用 一个简单的运算放大器作为一个简单的运算放大器作为I-V转换器，缺点转换器，缺点 是运算放大器的频响在高频段较差。是运算放大器的频响在高频段较差。 对于频率高于对于频率高于1MHz的的LCR表或阻抗分析仪，表或阻抗分析仪， I-V转换器由精密的零位检测器，相位检测器转换器由精密的零位检测器，相位检测器 和积分器（环路滤波）组成。这种仪器可以测和积分器（环路滤波）组成。这种仪器可以测 量高达量高达110MHz的频率范围。的频率范围。 电子陶瓷第四章第五讲 图图3

27、是是RF I-V法原理框图。法原理框图。 RF I-V法是法是I-V技术在高频范围的扩展，可技术在高频范围的扩展，可 以测量高达以测量高达3GHz频率范围的阻抗值。频率范围的阻抗值。 RF I-V电路和路径必须仔细设计，以确保电路和路径必须仔细设计，以确保 能够以能够以50ohm阻抗与被测件阻抗与被测件OUT相连。相连。 电子陶瓷第四章第五讲 RF IV法法 电子陶瓷第四章第五讲 如果连接路径的阻抗不是如果连接路径的阻抗不是50ohm，不想要，不想要 的反射将发生，将导致电流和电压的测量的反射将发生，将导致电流和电压的测量 误差增大。误差增大。 RF I-V法细分为高阻和低阻两种测量模式法细分

28、为高阻和低阻两种测量模式 。实际上，测量仪器保持不变，只是改变。实际上，测量仪器保持不变，只是改变 测试头，达到两种测量模式的要求。高阻测试头，达到两种测量模式的要求。高阻 测量模式，测试电流很小，为了正确的探测量模式，测试电流很小，为了正确的探 测电流，电流探头要尽量靠近测电流，电流探头要尽量靠近DUT；低阻；低阻 测量模式，为了灵敏的得到电压值，电压测量模式，为了灵敏的得到电压值，电压 探头要尽量靠近探头要尽量靠近OUT。 电子陶瓷第四章第五讲 电子陶瓷第四章第五讲 网络反射法即是网络分析仪方法网络反射法即是网络分析仪方法 网络分析仪是通过测定网络的反射参数和网络分析仪是通过测定网络的反射

29、参数和 传输参数，从而对网络中元器件特性的全部参传输参数，从而对网络中元器件特性的全部参 数进行全面描述的测量仪器，用于数进行全面描述的测量仪器，用于实现对线性实现对线性 网络的频率特性测量网络的频率特性测量。 网络分析仪能够完成反射、传输两种基本网络分析仪能够完成反射、传输两种基本 测量，从而确定几乎所有的网络特性，测量，从而确定几乎所有的网络特性，S参数是参数是 其中最基本的特性。其中最基本的特性。 电子陶瓷第四章第五讲 标量网络分析仪：只测量线性系统的幅度信标量网络分析仪：只测量线性系统的幅度信 息；息； 矢量网络分析仪：可同时进行幅度传输特性矢量网络分析仪：可同时进行幅度传输特性 和相

30、位特性测量。和相位特性测量。 电子陶瓷第四章第五讲 系统组成原理系统组成原理 基本的网络分析仪主要由信号源、基本的网络分析仪主要由信号源、S参参 量测量装置及矢量电压表组成。量测量装置及矢量电压表组成。 12 参参考考信信道道R 测测试试信信道道T 信信号号源源 S参参量量 测测量量装装置置 被被测测网网络络 矢矢量量电电压压表表 电子陶瓷第四章第五讲 信号源：向被测网络提供入射信号或激励向被测网络提供入射信号或激励 ； S参量测量装置：实际上是反射测量电路参量测量装置：实际上是反射测量电路 与传输测量电路的组合，首先将入射、反与传输测量电路的组合，首先将入射、反 射及传输信号分离开，然后通过

31、转换开关射及传输信号分离开，然后通过转换开关 分别进行测量；分别进行测量； 矢量电压表：测量入射、反射和传输信号矢量电压表：测量入射、反射和传输信号 的幅值及它们之间的相位差。也可以通过的幅值及它们之间的相位差。也可以通过 幅相接收机实现此功能。幅相接收机实现此功能。 电子陶瓷第四章第五讲 标量网络分析仪 a1为入射波、为入射波、b1为反射波、为反射波、b2为传输波，它为传输波，它 们的测量通道分别为们的测量通道分别为R（参考）、（参考）、A、B。通过这。通过这 些信号可确定正向些信号可确定正向S参数参数|S11|、|S21|。将被测网络。将被测网络 的激励端与测试端反接，同理可测得的激励端与

32、测试端反接，同理可测得|S22|、|S12|。 扫扫频频源源 定定向向耦耦合合器器 二二极极管管检检波波器器 |b1|2 |b2|2 处处 理理 及及 显显 示示 DUT B A |a1| 2 R 电子陶瓷第四章第五讲 矢量网络分析仪 一种外差式矢量网络分析仪的组成框图如下：一种外差式矢量网络分析仪的组成框图如下： 扫扫频频源源 LO H(s)PFD参参考考频频率率源源 BPF DUT BPF BPF 采采 样样 及及 量量 化化 参参考考信信道道R 反反射射测测试试信信道道B 传传输输测测试试信信道道A 源源输输出出信信道 道S 定定向向耦耦合合器器 处处 理理 及及 显显 示示 电子陶瓷第

33、四章第五讲 1、自动平衡电桥法优缺点：、自动平衡电桥法优缺点： 1）最准确，基本测试精度）最准确，基本测试精度0.05%； 2）最宽的阻抗测量范围：）最宽的阻抗测量范围： C,L,D,Q,R,X,G,B,Z,Y,O.； 3）最宽的电学测量条件范围；）最宽的电学测量条件范围； 4）简单易用；）简单易用； 5）低频：）低频：f110MHz。 2、RF I-V法优缺点：法优缺点： 1）宽的频率范围：）宽的频率范围：1MHzf100MHz的最准确测试方法；的最准确测试方法； 5）接地器件测试。）接地器件测试。 电子陶瓷第四章第五讲 3、网络分析仪法优缺点：、网络分析仪法优缺点： 1）高频）高频 适用：

34、适用：f100KHz 最佳：最佳：f3GHz 2）适中的精度；）适中的精度； 3）有限的阻抗测试范围。）有限的阻抗测试范围。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 4、 绝缘强度绝缘强度 电介质能绝缘和储存电荷，是指在一电介质能绝缘和储存电荷，是指在一 定的电压范围（弱电场范围）内，介质保定的电压范围（弱电场范围）内，介质保 持介电状态。持介电状态。 当电场强度超过某一临界值时，介质当电场强度超过某一临界值时，介质 由介电状态变为导电状态，这种现象称介由介电状态变为导电状态，这种现象称介 质的击穿。质的击穿。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 由于击穿时电流剧烈增大，在

35、击穿处往往由于击穿时电流剧烈增大，在击穿处往往 产生局部高温。火花，造成材料本身不可产生局部高温。火花，造成材料本身不可 逆的破坏。逆的破坏。 可以发现，在击穿处有小孔、裂缝，或击可以发现，在击穿处有小孔、裂缝，或击 穿时整个瓷体炸裂。穿时整个瓷体炸裂。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 击穿时的电压称击穿电压击穿时的电压称击穿电压Uj，相应的电场，相应的电场 强度称击穿电场强度或绝缘强度等，用强度称击穿电场强度或绝缘强度等，用Ej 表示。在电场均匀时，表示。在电场均匀时， Ej= Uj /d 式中：式中：d为击穿处介质的厚度；为击穿处介质的厚度；Ej的单位常的单位常 用用kV/

36、cm。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 某些陶瓷如某些陶瓷如III型电容器瓷和各种半导体型电容器瓷和各种半导体 瓷，击穿时往往不造成瓷体的机构破坏，瓷，击穿时往往不造成瓷体的机构破坏， 电场降低后仍能恢复介电状态，这种情况电场降低后仍能恢复介电状态，这种情况 也应认为击穿已经发生。也应认为击穿已经发生。 陶瓷材料的击穿电压与试样的厚度、陶瓷材料的击穿电压与试样的厚度、 电极的大小、形状、试验时的温度、电压电极的大小、形状、试验时的温度、电压 的种类、加压时间、试样周围的环境等许的种类、加压时间、试样周围的环境等许 多因素有关。多因素有关。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷

37、基本性质 击穿过程进行得很快（约击穿过程进行得很快（约10-7秒），过程比秒），过程比 较复杂。陶瓷材料的击穿强度一般在较复杂。陶瓷材料的击穿强度一般在460 kV/mm。 介质击穿大致可分为电击穿和热击穿。介质击穿大致可分为电击穿和热击穿。 电击穿是在电场直接作用下，介质中载流电击穿是在电场直接作用下，介质中载流 子迅速增加。这个过程约在子迅速增加。这个过程约在10-7秒完成，往秒完成，往 往击穿突然发生。往击穿突然发生。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 击穿电场强度较高，大约为击穿电场强度较高，大约为106107V/cm左左 右。右。 一般认为，电击穿的发生是由于晶体能带一

38、般认为，电击穿的发生是由于晶体能带 在强电场作用下发生变化，电子直接由满在强电场作用下发生变化，电子直接由满 带跃迁到空带发生电离所致。带跃迁到空带发生电离所致。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 热击穿是介质在电场作用下发生热不稳定，因热击穿是介质在电场作用下发生热不稳定，因 温度升高而破坏。温度升高而破坏。 热不稳定是指在电场作用下，由于介质的电导热不稳定是指在电场作用下，由于介质的电导 和介质损耗，将电场能变成热能。热量在介质和介质损耗，将电场能变成热能。热量在介质 内部积累，温度升高，电导和损耗随温度的升内部积累，温度升高，电导和损耗随温度的升 高而加大，又导致温度的再升

39、高，产生的热量高而加大，又导致温度的再升高，产生的热量 大于散失的热量。大于散失的热量。 由于热击穿有一个热量积累过程，所以不象电由于热击穿有一个热量积累过程，所以不象电 击穿那样迅速，往往介质温度急剧升高。击穿击穿那样迅速，往往介质温度急剧升高。击穿 电场强度较低，电场强度较低，104105V/cm。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 在直流电场下对陶瓷介质的试验表明，温在直流电场下对陶瓷介质的试验表明，温 度较高时可能发生热击穿，温度较低时往度较高时可能发生热击穿，温度较低时往 往发生电击穿。往发生电击穿。 一般电击穿的一般电击穿的Ej与温度无关，热击穿的与温度无关，热击穿的

40、Ej 随温度升高而降低。随温度升高而降低。 但是，电击穿和热击穿温度范围的划分，但是，电击穿和热击穿温度范围的划分， 并不十分准确，它与试样的组成、冷却情并不十分准确，它与试样的组成、冷却情 况、电压形式等有关，尤其电场频率对其况、电压形式等有关，尤其电场频率对其 影响很大。影响很大。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 例如，在高频交流电压下或试样散热条件例如，在高频交流电压下或试样散热条件 不好时，热击穿的范围就能扩大到较低的不好时，热击穿的范围就能扩大到较低的 温度。温度。 在均匀电场下，电性质均匀的固体介质厚在均匀电场下，电性质均匀的固体介质厚 度小于度小于10-4cm时，

41、电击穿时的时，电击穿时的Ej与试样厚与试样厚 度无关，热穿时的度无关，热穿时的Ej 则随试样厚度增加而则随试样厚度增加而 减小。但陶瓷是不均匀介质，通常减小。但陶瓷是不均匀介质，通常Ej随试随试 样厚度增加而降低。样厚度增加而降低。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 此外，在均匀电场中，加压时间小于此外，在均匀电场中，加压时间小于 10-7秒时，电击穿与加压时间无关；秒时，电击穿与加压时间无关； 热击穿随加压时间的增加而降低。热击穿随加压时间的增加而降低。 电击穿时，电击穿时，Ej与试样周围媒质的温度无关；与试样周围媒质的温度无关； 热击穿时，热击穿时，Ej则随周围媒质温度的增加

42、而则随周围媒质温度的增加而 降低，与媒质散热情况密切关系。降低，与媒质散热情况密切关系。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 4.4 光学性质（简略）光学性质（简略） 光学性质是指电子陶瓷在红外光、可见光学性质是指电子陶瓷在红外光、可见 光、紫外线及各种射线作用下的一些性质。光、紫外线及各种射线作用下的一些性质。 在光学领域里，主要光学材料是光学在光学领域里，主要光学材料是光学 玻璃和单晶。近年来，随着遥感、计算机、玻璃和单晶。近年来，随着遥感、计算机、 激光、光纤通讯等技术的发展和激光、光纤通讯等技术的发展和“透明陶瓷透明陶瓷” 的出现，陶瓷材料在光学领域有了较重要的的出现，陶瓷

43、材料在光学领域有了较重要的 应用。应用。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 光学材料的性质一般指它的反射、折光学材料的性质一般指它的反射、折 射和吸收等性质。对陶瓷材料，主要指透射和吸收等性质。对陶瓷材料，主要指透 光性。光照射到介质上，一部分被反射，光性。光照射到介质上，一部分被反射， 一部分进入介质内部，发生散射和吸收，一部分进入介质内部，发生散射和吸收， 还有一部分透过介质，即还有一部分透过介质，即 Ip= IR+ IS+IA+ IT 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 式中式中 Ip为入射光强度；为入射光强度；IR为反射光强为反射光强 度；度；IS为散射光强度

44、；为散射光强度；IA为吸收光强度；为吸收光强度；IT 为透射光强度。为透射光强度。 归一化后可得：归一化后可得： 1=R+S+A+T 式中式中 R为反射率；为反射率；S为散射率；为散射率；A为吸为吸 收率；收率；T为透射率。为透射率。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 通常，吸收率甚小，主要是散射损失。通常，吸收率甚小，主要是散射损失。 光和物质的作用是光子和物质中电子光和物质的作用是光子和物质中电子 的互作用结果。的互作用结果。 光子的能量可转移给电子，引起电子极化，光子的能量可转移给电子，引起电子极化， 或电子吸收能量转变成热能，引起光子能或电子吸收能量转变成热能，引起光子能 量损失。量损失。 电子陶瓷第四章第五讲 第四章 电子陶瓷基本性质 散射主要是由瓷体中的气孔引起的，因为散射主要是由瓷体中的气孔引起的，因为 瓷体和气孔的折射率相差很大。瓷体和气孔的折射率相差很大。 例如例如Al2O3瓷，折射率为，气孔折射率为瓷