При снижении температуры от +100 до --100° С форма петли гистерезиса, снятая в сильном поле, меняется мало, немного снижаются полная и остаточная поляризация, монотонно возрастает коэрцитивное поле, коэффициенты прямоугольности и нелинейности сохраняют высокие значения во всем исследуемом интервале температур.

Высокие значения напряженности поля насыщения, а также Емакс и Ес затрудняют использование объемных образцов из этого материала. Для снижения величины управляющих и переполяризующих напряжений вари-конды из материала ВК-6 изготовляются в виде тонких "ленок площадью от 1 до 100 мм2 и толщиной от 200 До 5--10 мкм. При изменении толщины от 1000 мкм для массовых образцов до 5--10 мкм для пленок практически остаются постоянными такие параметры, как спонтанная поляризация, ?нач, ?Tс , ?макс, коэффициент нелинейности и прямоугольности,коэрцитивное поле, поле насыщения и др.; при изменении толщины не происходит смещения температуры Кюри, не изменяется форма петли гистерезиса.

Применение пленочных варикондов вместо объемных образцов позволяет значительно снизить управляющие и переключающие напряжения.

Для лучших пленочных образцов ВК-6 толщиной 5--7 мкм три переменном напряжении Uмакс=8 в и управляющем напряжении U?=15 в коэффициент управляемости K?=15.

Как уже указывалось, при изучении электрических свойств нелинейной керамики ВК-2, ВК-5 и титаната бария была установлена корреляция между коэффициентами нелинейности и прямоугольности-. чем выше K~, тем выше Kп При температуре --150° С коэффициент прямоугольности материала ВК-5 Kп ?0,85. Форма петли гистерезиса керамики ВК-5 была близка к прямоугольной. Эти данные были использованы при создании материала ВК-6.

Измерение переключающих характеристик ВК-6 проводилось по методике, изложенной в работе ,и на установке, обеспечивающей получение импульсов длительностью до 10 мксек с фронтом нарастания импульса 0,1 мксек и выходным сопротивлением генератора rвых=10 ом. При воздействии электрического поля E=(4?5) Ес обеспечивается переключение пленок ВК-6 разных толщнн за очень короткое время 0,3--0,6 мксек, что сопоставимо со временем переключения монокристаллов ВаТiOз.

Вариконды из материала ВК-6 обеспечивают устойчивую сохранность записанной информации во времени. Самопроизвольный распад остаточной поляризации в образцах происходит в первые 2--3 мин после снятия поляризующего напряжения. При этом остаточная поляризация снижается на 10--15%. Периодические измерения основных параметров образцов при хранении их в течение года не показали заметных необратимых изменений в материале.

Материал ВК-7. В нем используется особое состояние нелинейных сегнетокерамических материалов; его температура Кюри ниже комнатной, и в нормальных условиях он находится в параэлектрическом состоянии. Основной характеристикой этого материала является реверсивная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности постоянного смещающего поля, измеренная в слабом переменном поле. Реверсивная зависимость ?(E?) ВК-7 проявляется в широком спектре частот и мало изменяется в интервале 1--10000 Мгц. (При более высоких частотах измерения не проводились). Это обусловлено тем, что в параэлектрической области не проявляется заметная дисперсия ? вплоть до инфракрасного диапазона волн. Начальное значение диэлектрической проницаемости ?нач = 2000?4000; при воздействии постоянного поля E?=3000 в/см ?нач снижается в 2--3 раза.

Диэлектрические потери вещества в параэлектрическом состоянии значительно ниже, чем в сегнетоэлектри-ческом состоянии; в широком спектре частот tgб у керамики ВК-7 почти на порядок ниже, чем у титаната бария и других сегнетокерамических материалов, предназначенных для изготовления варикондов. На рис.1.10 сопоставлены частотные зависимости tgб титаната бария и материала ВК-7, измеренные в слабом поле (заштрихованные области показывают возможный разброс значений tgб для этих материалов.

Для лучших образцов керамики ВК-7 tgб имеет следующие значения.

Сочетание достаточно низких потерь ВК-7 в области частот от мегагерц до СВЧ и хорошей управляемости диэлектрической проницаемости K??2 позволяет рекомендовать вариконды из материала ВК-7 для применения в области частот от единиц до тысяч мегагерц.

Параметры варикондов из материала ВК-7 достаточно сильно меняются при изменении температуры. При нагревании образцов от комнатной температуры в сторону высоких значений уменьшается ?, tgб и коэффициент управляемости, это является одним из наиболее серьезных недостатков материала ВК-7. Поэтому в практических схемах образцы должны быть термостатиро-ваны.

В случае создания планарных конструкций варикондов температурная зависимость ? существенно снижается, а управляемость сохраняется.

Из материала ВК-7 изготовляются как дисковые, так и пленочные вариконды. В случае дисков толщиной 0,3--0,5 мм емкость может составлять от нескольких десятков до нескольких тысяч пикофарад. Для пленок управляющие напряжения могут быть небольшими.

Начато изготовление пленок ВК-7 толщиной 200-- 100 мкм и меньше. Свойства пленок соответствуют свойствам объемных образцов.

Под руководством О.Г.Вендика на основе варикон-да ВК-7 разработана конструкция параметрического усилителя и впервые получено усиление на СВЧ.

Все рассмотренные здесь материалы являются хорошими диэлектриками (у стандартных образцов при 100°С рv?1012 ом·см) и сохраняют высокие нелинейные свойства в широком интервале температур -- от точки Кюри до глубоких отрицательных значений (измерения проводились вплоть до --170°С). Их параметры изучаются в различных условиях в зависимости от требований рабочей схемы. Например, для оценки нелинейности свойств варикондов из материалов ВК-1, ВК-2 помимо зависимости ? от E~ рассматривают форму напряжения или тока в простейшей цепи, содержащей нелинейный элемент. напряжения имеет вид пиков, при емкостном сопротивлений-- вид колокола (рис.1.11).

1.2 Частотные характеристики

Исследование варикондов в широком спектре частот, от низких до СВЧ, в слабых полях позволило установить, что все типы варикондов из материалов ВК-1 ВК-4, так же как и титанат бария, в сегнетоэлектриче-ском состоянии имеют диэлектрическую дисперсию в диапазоне СВЧ: величина снижается, a tg6 возрастает. В параэлектрической фазе при значительном удалении от точки Кюри СВЧ дисперсия отсутствует. В области фазового перехода дисперсия проявляется по-разному для разных составов керамики, в зависимости от степени размытия фазового перехода. Для материалов с острым фазовым переходом выше точки Кюри дисперсия е не наблюдается. Исследования были проведены до 37 Ггц. Для материалов с размытым фазовым переходом дисперсия заметна в параэлектрической фазе: для керамики ВК-2 в температурном интервале до 20°С, а для керамики ВК-3 --до 100°С от точки Кюри.

При повышении частоты от низких значений технической частоты до радиочастот 107--108 гц наблюдается незначительное и плавное уменьшение е сегнетокерами-ки; заметная дисперсия ? наступает в диапозне частот 108--1010 гц, диэлектрическая проницаемость снижается в 2--2,5 раза при изменении частоты от 1 Мгц до 9,4 Ггц. Величина tgб при изменении частоты от промышленной до 105--106 гц снижается незначительно, а при более высокой частоте резко возрастает; tgб при частоте 9,4 Ггц более чем на порядок превышает свое значение при частоте 1 Мгц. В работе при частоте 40 Ггц было обнаружено снижение tgб керамического ВаТiO3, некоторых типов варикондов и сегнетоэлектриков. Этот экспериментальный результат является весьма важным, на основе его могут быть рассмотрены новые применения сегнетоэлектриков на миллиметровых волнах. Дальнейшими исследованиями должны быть установлены области частот, при которых возможно снижение tg6 и сохранение управляемости ?.

На рис.18,а приведены зависимости диэлектрической проницаемости и tgб от частоты для ВаТiO3, ВК-2 и ВК-4, измеренные в слабом тюле. В качестве примера для материала ВК-2 показано влияние постоянного смещающего поля на величину в в широком спектре частот (рис. 18,6). Если при низких и радиочастотах наложение смещающего поля Е?=2кв/мм может вызвать изменение диэлектрической проницаемости в 2--2,5 раза, то при частоте 1010 гц это изменение становится меньше, однако управляемость е все еще сохраняется. Другие нелинейные материалы также обладают высокими коэффициентами управления вплоть до сантиметрового диапазона волн. Особенно сильно проявляется изменение е от величины постоянного поля для керамики ВК-3. При комнатной температуре е изменяется от 8000 до 1500 при 106 гц и от 4000 до 1500 при 1010 гц, если постоянное поле возрастает от нуля до 2 кв/мм.

И.В.Ивановым проведено измерение динамической нелинейности сегнетокерамики в полях СВЧ. Им показана возможность удвоения частоты с помощью варикондов от 500 до 1000 гц. Динамическая нелинейность обнаружена как в пара-, так и в сегнетоэлектрической фазе; максимальное значение коэффициента динамической нелинейности, так же как и статической (реверсивной), наблюдается при температуре Кюри .

Начаты исследования варикондов в сильных полях при высоких и сверхвысоких частотах. Поскольку в сильных полях поляризация связана с переориентацией доменов, имеется резко выраженная зависимость ? и tgб от частоты. При увеличении переменного поля в керамике ВК-2 е от начального до максимального значения возрастает в 30 раз при частоте 50 гц, и в 15 раз при частоте 0,3 Мгц, ?нач в этом интервале частот практически не изменяется. Несмотря на значительное снижение смаке при увеличении частоты, нелинейные свойства материала проявляются вплоть до СВЧ.

Для практических целей важно знать характеристики варикондов при одновременном воздействии двух или нескольких напряжений, отличающихся по амплитуде, частоте и форме. Помимо хорошо изученных реверсивных зависимостей, когда к вариконду прикладывается постоянное и переменное напряжение, исследуются свойства варикондов при воздействии нескольких синусоидальных напряжений, отличающихся то частоте и амплитуде, в том числе при использовании высокочастотной подкачки. Такие исследования чаще всего проводятся по специально разработанной методике в схемах, где вари-конд служит активным управляемым элементом.

Совокупность электрических характеристик варикондов определяет выбор оптимальных режимов их практического использования.

1.3 Конструкции варикондов

Наиболее распространенной конструкцией варикондов является дисковая с диаметром от I до 25 мм и толщиной 0,4--0,8 мм; для малых номинальных значений емкости варикопды делаются в виде шарика, для средних--в виде диска, для больших -- в виде блока, состоящего из нескольких параллельно включенных дисков.

При изготовлении варикондоп из материалов ВК-1?БК-7 в виде дисков получают значения номинальной емкости в следующих пределах:

ВК-1…….10 пф-- 0,15 мкф

ВК-2…….10 пф-- 0,22 мкф

ВК-3…….100 пф--1,0 мкф

ВК-4…….10 пф-- 0,1 мкф

ВК-5…….10 пф-- 0,01мкф

ВК-6…….10-- 1000 пф

ВК-7…….1-- 1000 пф

Из материалов ВК-2 и ВК-4 вариконды изготовляются в серийном производстве по техническим условиям УБО.460.038ТУ, из материалов ВК-З, ВК-5, ВК-6, ВК-7-- в условиях опытного производства.

По конструктивному оформлению вариконды из ВК-2 и ВК-4 не отличаются друг от друга; из материала ВК-2 изготовляется 9 видов варикондов, а из ВК-4 -- семь. Для варикондов, обозначенных ВК2-ЗШ и ВК2-БШ, используется только материал ВК-2. В табл.1.1 приведены вид, номинальная емкость, форма и размеры варикондов, изготовляемых в серийном производстве из материалов ВК-2 и ВК-4.Сокращенное наименование вида вариконда складывается из сокращенного слова «вариконд» (ВК), цифры, обозначающей тип массы (2 или 4) с температурой Кюри +75±10°С и 110±10°С соответственно, и цифры (или буквы), указывающей тип вариконда.

Таблица 1.1

Вариконды ВК2-М и ВК4-М являются малогабаритными; они оформляются в виде шарика диаметром 1,5-- 2 мм; изделия изготовляются на два номинальных значения емкости -- 10 и 22 пф. Вариконды ВК2-ЗШ и ВК2-БШ предназначены для использования в качестве шунтов индуктивности. По размерам и номинальным значениям емкости вариконды ВК2-ЗШ соответствуют варикондам ВК2-3, а вариконды ВК2-БШ -- варикондам ВК2-Б и отличаются от них только тем, что имеют две пары выводов от каждой металлической обкладки. Вариконды остальных видов имеют форму дисков диаметром от 4 до 25 мм.

Коэффициент нелинейности варикондов по напряжению переменного тока K~= Смакс/Снач не менее 7 для ВК2-Б, ВК2-БШ и ВК4-Б и не менее 8 -- для всех остальных видов варикондов.

Интервал рабочих температур для варикондов из материалов ВК-2 от --40 до +60° С; ВК-4 от --40 до + 85°С при относительной влажности воздуха до 98%.

Сопротивление изоляции в нормальных условиях для серии варикондов от ВК2-0 и ВК4-0 до ВК2-4 и ВК4-4 не менее 5 000 Мом и для ВК2-М, ВК4-М, ВК2-ЗШ, ВК2-Б, ВК2-БШ и ВК4-Б не менее 500 Мом.

Все типы варикондов выдерживают без повреждения, пробоя и поверхностного разряда кратковременное воздействие постоянного испытательного напряжения 400 в и длительное воздействие напряжения 160 в при частоте 1 000 гц, рабочее напряжение 100 в для варикондов ВК-2 и 160 в для варикондов ВК-4. В табл.1.2 приведены основные характеристики варикондов ВК-2 и ВК-4.

Таблица 1.2

Номинальная емкость у всех видов варикондов, кроме блоков, измеряется при напряжении 2 в и частоте 1 000 гц; а у варикондов-блоков -- при напряжении 5 в и частоте 50 гц. Допустимое отклонение емкости от номинала составляет от --20 до +50%. При дополнительной отбраковке допуски могут быть снижены.

Для предохранения поверхности варикондов от загрязнения последние покрываются защитным лаком или компаундом красного цвета. Отдельные типы варикондов, как, например, вариконд ВК2-М, ВК4-М, покрываются эпоксидной смолой белого цвета.

При увеличении напряжения емкость варикондов возрастает. ак для материала ВК-2 при напряжении Uмакc=60?100 в и ВК-4 при напряжении 80--120 в она достигает максимального значения, которое в 8-- 10 раз превышает номинальное значение.

Кроме таких варикондов разрабатываются и другие виды на более высокое рабочее напряжение, более резкую зависимость емкости от напряжения, а также с повышенной температурной стабильностью характеристик.

2. Изготовление керамических конденсаторов

2.1 Изготовление конденсаторных элементов

Технология изготовления может иметь определенные отличия при получении дисковых или пластинчатых плоских, трубчатых, многослойных керамических конденсаторов, крупных конденсаторов высокого напряжения и т.п.. В табл.2.1 приведены составы шихты, предназначенной для изготовления керамических конденсаторов с высокой ?s. Если использовать эти материалы, то, очевидно, исключается операция составления шихты.

Страницы: 1, 2, 3