Исследование свойств линейных диэлектриков. Методические указания по выполнению лабораторной работы

Министерство образования Российской Федерации ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ кафедра микроэлектроники

РНПО «РОСУЧПРИБОР» Лабораторная работа

Исследование свойств линейных диэлектриков Методические указания

Пенза 2004

24

УДК 621. 315.416 Тиллес В.Ф., Медведев С.П., Печерская Р.М., Метальников А.М., Абрамов В.Б., Карпанин О. В. Исследование свойств линейных диэлектриков. Указания подготовлены на кафедре микроэлектроники и предназначены для студентов специальностей 200200, 200100, 220500, 230300, 190700 при изучении дисциплин “Материалы электронной техники и основы микроэлектроники”, “Материалы в приборостроении”, “Радиоматериалы и радиодетали”, при выполнении УИРС, курсового и дипломного проектирования.

© Кафедра микроэлектроники Пензенского государственного университета

2

23

Цель работы: изучить влияние температуры на диэлектрики с различными видами поляризации 1. Теоретическая часть. 1.1. Основные определения Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического дипольного момента у любого элемента его объема. Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность. Поляризованностью называют векторную величину, равную отношению электрического момента dp элемента объема dV к этому объему: dp P= , (1) dV где p – дипольный момент, который определяется произведением заряда на расстояние между центрами отрицательного и положительного зарядов. Поляризованность численно равна поверхностной плотности связанных зарядов и выражается в Кл/м2. Линейными называются диэлектрики, для которых в слабых полях характерна линейная зависимость поляризованности от напряженности внешнего поля.

P = ε0χE = ε0(ε – 1)E,

(2) -12

где χ – диэлектрическая восприимчивость, ε0 = 8.854⋅10 Ф/м – диэлектрическая постоянная, ε – диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость характеризует способность поляризоваться и численно равна отношению емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости такого же по размеру конденсатора, если между обкладками – вакуум. Дипольный момент элемента объема диэлектрика может появиться вследствие смещения различных заряженных частиц. Поэтому различают несколько видов поляризации, которые могут иметь место одновременно у одного и того же материала. 22

3

1.2.Механизмы поляризации 1.2.1. Мгновенные виды поляризации

Приложение

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая зависимости ε от температуры подобна кривой изменения плотности, резкие снижения наблюдаются при агрегатных переходах (рис.1). Электронная поляризация, очевидно, наблюдается во всех веществах. В ряде диэлектриков наблюдается только этот вид поляризации: полиэтилен, полистирол, фторопласт, сера и др.

ε

ионнорелаксационная

дипольнорелаксационная электронная

Т

Таблица П1. Параметры диэлектрических материалов

Диэлектрический материал

ТемпераОтноси- Температурный турный котельная коэффициент эффициент диэлектри- диэлектричелинейного ческая ской проницаерасширепроницаемости, ния, αε ·106, К-1 мость αl ·106, К-1

Полиэтилен

2.3 – 2.4

–(200 – 300)

22 – 55

Полистирол

2.5 –2.6

–(150 – 200)

6–8

Фторопласт-4

1.9 –2.2

–(150 – 300)

8 – 25

Полипропилен

2.0

–(200 – 300)

11

Лавсан

3.1 –3.2

400 – 600

5 –7

Слюда

6.0 –8.0

10 –20

6–8

Щелочные стекла

5 -10

30 –500

3 –10

Ультрафарфор

7–9

80 – 140

4.2 – 5.5

Стеатитовая керамика

6–8

70 –180

5.4 – 7.5

Цельзиановая керамика

6–7

60 – 70

2.1 –2.2

Рутиловая керамика

40 –300

–(80 – 2200)

6–9

Рисунок 1. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости для различных видов поляризации

Ионная поляризация обусловлена смещением упругосвязанных ионов на расстояние существенно меньше постоянной решетки. На заряд q в поле напряженностью Е действует сила F = q Е. При смещении заряда на расстояние Δx воз4

21

5. Литература 1. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники. – М.: Высшая школа, 2002. 2. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов. – М.: Энергоатомиздат, 1974. 3. Антипов Б. Л., Сорокин В. С., Терехов В. А.. Материалы электронной техники. Вопросы и задачи. – М.: – Высшая школа, 1990. 4. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева. В 3- х т. – М.: Энергоатомиздат., 1987

никает возвращающая упругая сила Fупр = kупрΔx, где kупр – коэффициент упругой связи. В состоянии равновесия F=Fупр или q Е = kупрΔx. При повышении температуры диэлектрик расширяется, увеличивается расстояние между атомами, коэффициент упругой связи уменьшается, поэтому ионы под действием поля смещаются на большее расстояние и диэлектрическая проницаемость увеличивается. Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах, неорганических стеклах, керамиках. 1.2.2. Замедленные виды поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация обусловлена частичной ориентацией под действием поля дипольных молекул, находящихся в тепловом хаотическом движении. У полярных диэлектриков в области низких температур ориентация молекул в большинстве случаев невозможна. При повышении температуры вязкость уменьшается, и возможность ориентации диполей облегчается, что приводит к возрастанию диэлектрической проницаемости. Однако при дальнейшем росте температуры сказывается усиление тепловых колебаний молекул, что уменьшает степень упорядоченности их ориентации. Это приводит к тому, что кривая зависимости ε от температуры имеет максимум, а в дальнейшем снижается. Максимум может быть выражен не резко для некоторых материалов, представляющих смесь различных химических веществ. Дипольно-релаксационная поляризация характерна для капрона, феноло-формальдегидных смол, эпоксидных компаундов, хлорированных углеводородов, кремнийорганических соединений и др. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена тем, что слабосвязанные ионы под действием внешнего поля среди хаотических тепловых перебросов совершают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам рав-

20

5

новесия. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости на рисунке 1 приведена только для твердых диэлектриков, так как в расплавленном состоянии соединения становятся проводниками с электролитической электропроводностью и для большинства материалов максимума в температурной зависимости диэлектрической проницаемости экспериментально не обнаружено. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с неплотной упаковкой атомов, например в неорганических стеклах, керамиках, кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой частиц в решетке.

Электронно-релаксационная возникает за счет возбуждения тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов и дырок. На температурной зависимости диэлектрической проницаемости имеется максимум. Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими и полупроводящими включениями, в слоистых диэлектриках имеющих слои с различной проводимостью. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, которое становится подобным огромной поляризованной молекуле. В граничных слоях слоистых материалов и приэлектродных слоях может быть накоплен заряд медленно движущихся ионов. Эта поляризация выключается при наиболее низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Спонтанная поляризация свойственна сегнетоэлектрикам, которые являются нелинейными диэлектриками. В нелинейных диэлектриках зависимость поляризованности и электрического смещения от напряженности поля имеет вид петли гистерезиса, а зависимость диэлектрической проницаемости имеется максимум (рис. 2б) .В линейных диэлектриках зависимость поляризованности и электрического смещения от напряженности поля – линейная, а диэлектрическая проницаемость не зависит от напряженности по6

3. Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с данными методическими указаниями. 2. Включить стенд в сеть и запустить программу дважды нажать мышью на ярлык LIN_DIEL, находящийся на рабочем столе. 3. Измерить зависимости C(T) и TKC(T) в диапазоне температур, указанном преподавателем. 4. Распечатать снятые зависимости. 5. По температурной зависимости емкости для температуры середины заданного диапазона по формуле (8) рассчитать ТКС для всех конденсаторов. Сравнить полученный результат с графиком ТКС(Т). 6. По таблице П1 определить вероятный тип диэлектрика во всех конденсаторах. Определить механизмы поляризации, характерные для каждого диэлектрика. Предложить эквивалентную схему замещения диэлектрика. 7. Проанализировать достоинства и недостатки исследованных конденсаторов, ограничения на их применение, используя табл. 1. 4. Контрольные вопросы 1. Какие диэлектрики называют линейными. Дайте определение диэлектрической проницаемости, поляризованности. 2. Охарактеризуйте механизмы поляризации и влияние на них температуры. 3. Дайте определение температурных коэффициентов емкости ТКЕ и диэлектрической проницаемости ТКε . Чем они отличаются? 4. Дайте классификацию конденсаторов по типу диэлектрика. 5. Что представляют собой металлизированные конденсаторы и в чем их особенность с точки зрения ТКε? 6. Предложите способы снижения ТКЕ конденсатора. 19

При выборе в основном меню режима «Печать» график отправляется на принтер. Можно поместить график или таблицу результатов в буфер обмена, нажав «Буфер обмена» и затем стандартным способом вставить в документ, например, Microsoft Word.

ля (рис. 2а).

Рисунок 2. Зависимость электрического смещения и диэлектрической проницаемости для линейного (а) и нелинейного (б) диэлектриков. Рисунок 9. Окно просмотра результатов.

Если в процессе подготовки результата Вы решили, что данных недостаточно, либо они Вас не удовлетворяют, всегда можно выйти из этого режима и войти в режим измерений, чтобы снять недостающие данные. Если перечень кривых в списке слишком велик, можно удалить отмеченную кривую из списка, нажав кнопку Удалить.

18

Диэлектрики с замедленными видами поляризации опасно использовать на высоких частотах из-за разогрева материала. 1.3. Температурный коэффициент емкости и его связь со свойствами диэлектрика и материала обкладок Нередко для оценки зависимости ε диэлектриков, а также емкости конденсаторов от температуры указывается температурный коэффициент диэлектрической проницаемости: 1 dε (3) TKε ≡ α ε = ε dT и температурный коэффициент емкости: 1 dC TKE ≡ α C = . (4) C dT

7

Связь между коэффициентами может быть получена при учете влияния температуры на геометрические размеры конденсатора. Рассмотрим конденсатор с обкладками площадью S и диэлектриком с проницаемостью ε и толщиной l. 1 dC l d ⎛ εε 0 S ⎞ l ⎛ (εS )′l − l ′εS ⎞ ⎟⎟ = = ⎟= ⎜ ⎜ C dT εε 0 S dT ⎝ l ⎠ εS ⎜⎝ l2 ⎠ , (5) 1 dε 1 dS 1 dl = + − = α ε + α s − αl ε dT S dT l dT αl – температурный коэффициент линейного расширения материала диэлектрика. Рассматривая конденсатор с квадратными обкладками со стороной a, можно показать, что если температурный коэффициент линейного расширения металлических обкладок αlмо, то αS=2αlмо. Для конденсатора при свободном расширении материала обкладок и конденсатора получим ТКЕ=αε+2αlmo-αl (6) Если электроды имеют тот же коэффициент линейного расширения, что и диэлектрик, на который, например, нанесены тонкие и прочно соединенные с ним металлические слои, служащие электродами, получим ТКЕ=αε+αl (7) Если зависимость емкости от температуры носит линейный характер, то величину ТКЕ (К-1) можно вычислить по формуле C 2 − C1 , (8) TKE = C1 (T2 − T1 ) где С1, С2 - емкости при температурах T1 и T2 соответственно. Если требуется определить значение температурного коэффициента емкости ТКЕ для конденсатора, то для этого по экспериментальным данным строится график C=f(Т), по которому с помощью графического дифференцирования определяется ТКЕ (рис. 3). С этой целью через точку А, соответствующую температуре ТA, для которой требуется определить ТКЕ, проводится касательная. Затем строится треугольник (произвольных размеров) АВК. 8

Рисунок 9. Окно процесса измерения.

2.3.3. Просмотр и печать результатов.

После нажатия клавиши просмотр результатов на панели навигатора появляется окно данных с указанием даты и времени эксперимента. В окне имеется три вкладки: «емкость», «приведенная емкость» и «ТКС от температуры». Для перехода от одного графика к другому нужно щелкнуть мышкой по заголовку. При просмотре результатов можно изменить масштаб и представить данные в наиболее удобном виде. Изменить масштаб изображения кривой можно с помощью мышки. Курсор мышки необходимо установить в поле графика, нажать левую кнопку манипулятора, отметить прямоугольник на поле графика и отпустить кнопку манипулятора. В результате границы поля графика изменятся на границы отмеченного прямоугольника. После того, как Вы убедились, что данные соответствуют тому, что Вы хотели получить, их можно распечатать. 17

Переключение на предыдущую запись в таблице Переключение на следующую запись в таблице

C

K

Переключение на последнюю запись в таблице Удаление текущей записи Открывает окно результатов измерений, соответствующих текущей записи. Для управления этими компонентами среда представляет две возможности: управление при помощи клавиатуры или управление при помощи манипулятора "мышь". Основное соглашение, которое заложено в концепцию управления с клавиатуры – это подтверждение действия при нажатии клавиши Enter и отмена действия при нажатии клавиши Esc, т.е. при нажатии на клавишу Esc ничего не случится. В манипуляторе "мышь" активна левая кнопка. Для активизации действия необходимо подвести курсор мыши к необходимому элементу экрана и нажать на левую кнопку "мышки". 2.3.2. Режим измерения

После выбора режима измерения появляется окно «Измерение» (рис.9), при этом происходит нагрев образцов и мигает индикатор термостата. В окне появляются точки, соответствующие значениям емкостей образцов при данной температуре. При достижении граничной температуры автоматически закрывается окно измерений. Если принудительно закрыть окно измерений в процессе измерений, то результаты будут потеряны, поэтому этого делать не следует. После завершения процесса измерений в таблице данных появляется новая запись.

16

A

B

Т Рисунок 3. Графическое дифференцирование для определения dC/dT/

Отношение вертикального катета ВК к горизонтальному АВ (с учетом масштабов) дает производную C − CA ⎛ dC ⎞ = K , (9) ⎜ ⎟ ⎝ dT ⎠T =TA TB − TA Разделив полученную величину на СА, согласно выражению (8), получим ТКЕ для температуры ТA. Следует помнить, что в общем случае производная не равнозначна тангенсу угла наклона касательной к оси абсцисс γ, так как тангенс всякого угла - величина безразмерная, а производная в рассматриваемом случае имеет размерность 1/К. 1.4. Классификация конденсаторов по виду диэлектрика и ТКЕ Для создания емкости в конденсаторе применяют различные диэлектрики. В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы разделяются на несколько типов: „ конденсаторы с газообразным и жидким диэлектриком; „ конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком, которые бывают слюдяные (К24, К32); керамические (К10, К15); стеклянные (К21); стеклокерамические (К22) и стеклоэмалевые (К23); 9

конденсаторы с твердым органическим диэлектриком, подразделяющиеся на бумажные (К40, К41, К42) и пленочные (К70, К71, К72, К73, К74); „ электролитические конденсаторы, которые бывают трех типов: алюминиевые (К50), танталовые (К51, К52) и оксидно-полупроводниковые (К53). Основным недостатком конденсатора с жидким диэлектриком является пониженная стабильность емкости, обусловленная резко увеличенным значением ТКε, что исключает возможность применения конденсаторов этого типа для радиоаппаратуры с высокой стабильностью частоты контура. Самым широким диапазоном ТКε обладают твердые неорганические диэлектрики, многие неорганические диэлектрики отличаются небольшим значением коэффициента линейного расширения и имеют малый ТКε Это позволяет при использовании таких диэлектриков получать малые значения ТКε. В зависимости от ТКε вся конденсаторная керамика разделяется на группы (табл. 1). „

ε

Таблица 1. Группы конденсаторной керамики по ТКε . Рекомендуемая область примепри ТКε ⋅106, 1/К α ,1/К

нения Для контурных и разделительных конденсаторов, определяющих стабильность частоты Для конденсаторов высокой стабильности ----Для конденсаторов высокой частоты --Для конденсаторов низкой частоты и постоянного тока Для пьезоэлектрических преобразователей и конденсаторов низкой частоты Для конденсаторов низкой частоты и постоянного тока

20°С 130...190 -(1300±200)

12⋅10-6 8⋅10-6

31...50

-(80±30)

17...30 12...30

-(50±20) 30±20

7,5...8

110±30

7,5

60±20 8⋅10-6 Не нормирует- 12⋅10-6 ся -6 Не нормирует- 12⋅10

2800 2000 1000

8⋅10-6 8⋅10-6 8⋅10-6

ся Не нормирует- 12⋅10 ся

-6

10

Каскадом Команды управления расположениГоризонтально ем на экране открытых окон приВертикально Упорядочить ложения

Окно

О программе

Приводит к появлению на экране окна с информацией о разработчике программы

Содержание

Открывает электронную справочную систему программы

Помощь

Ниже строки меню находится панель инструментов, где располагаются кнопки, описанные в таблице 3. Таблица 3. Кнопки панели инструментов. Кнопка

Наименование

Действие

Копировать

Копирование данных в буфер обмена

Каскадом Горизонтально

Команды управления расположением на экране открытых окон приложения

Вертикально

Всегда открыто окно базы данных «Данные» (рис.8), оно содержит таблицу записей результатов измерений различных характеристик в базе, панель навигатора с кнопками для работы с таблицей записей. Таблица записей включает дату и время измерений, наименование образца, для которого получена характеристика. В нижней части окна расположен «Навигатор». В панели навигатора находятся следующие кнопки: Переключение на первую запись в таблице 15

Для изготовления пластин конденсаторов переменной емкости с малым ТКЕ используются специальные сплавы, например, инвар Н-36 (36% никеля и 64% железа) и ковар (29% никеля, 17% кобальта, остальное - железо) [1]. 2. Описание лабораторного стенда 2.1. Состав лабораторного стенда. Навигатор

Автоматизированный лабораторный стенд состоит из: измерительного блока, ЭВМ и принтера (рис.4).

Рисунок 8. Главное окно приложения.

Таблица 2. Команды меню. Пункт меню

Подменю

Действие Вызывает появление на экране окна характериографа, в котором отоИзмерение бражаются график результатов текущих измерений Передает в буфер отчета содержимое текущего окна с результатами Печать измерений из базы данных и выводит на печать. При выборе данной команды в буГрафик в карман фер обмена помещается график реБуфер обзультатов измерений мена Таблица в кар- Помещает в буфер обмена таблицу ман результатов измерений Вызывает появление на экране окна Образец параметров образца Вызывает появление на экране окна Температура Опции параметров термостата Тест аппаратуры

Вызывает появление на экране окна проверки аппаратной части.

14

Рисунок 4. Состав лабораторного стенда.

Вид лицевой панели измерительного блока представлен на рис. 5. 2 1

Рисунок 5 Вид лицевой панели измерительного блока: 1 – индикатор включения блока в сеть 2 – индикатор включения термостата.

11

Тумблер включения блока в сеть расположен на правой боковой панели. 2.2. Принцип измерения емкости

Принцип измерения емкости состоит в преобразовании емкости конденсаторов в интервал времени. Конденсаторы находятся в термостате и подключаются с помощью реле к управляемому источнику постоянного тока (УИПТ) (рис.6). Термостат U n1

УИПТ

Un2

Компаратор

ПЭВМ

Рисунок 6 Принцип измерения емкости.

На исследуемом конденсаторе формируется линейноизменяющееся напряжение вследствие зарядки его постоянным током: U=I⋅t/C. Это напряжение подается на вход компаратора напряжения. Компаратор вырабатывает импульс напряжения, длительность которого равна времени прохождения линейно-изменяющегося напряжения между двумя заданными пороговыми значениями Un1 и Un2 (рис. 7). Чем больше емкость конденсатора (например, С2 > С1), тем меньше скорость изменения напряжения на нем и тем больше длительность импульса (t2 > t1). Таким образом, длительность импульса, подаваемого с компаратора на ПЭВМ, пропорциональна емкости исследуемого конденсатора.

Рисунок 7. Формирование импульса на входе компаратора.

2.3. Описание программного интерфейса. 2.3.1 Основное меню

Программное обеспечение представляет собой интегрированную среду, из которой можно управлять процессами измерения, представления данных и их выводом на печать для отчета. Главное окно приложения имеет полосу меню, панель управления с кнопками и открытое дочернее окно, содержащую информацию о проведенных измерениях (рис. 8). Описание команд меню приведено в табл. 2.

В ПЭВМ поступает информация о емкости всех образцов. Программное обеспечение стенда осуществляет построение зависимости емкости от температуры и расчет температурных параметров материалов. 12

13