Учебное пособие 800403

значениями e зависит от диаметра рабочих частот и конструктивной формы ДР.

Значение tg для материалов ДР лежит в интервале 10-3-10-8. Этот параметр материала в значительной степени определяет добротность собственных и внутренних колебаний в ДР.

Температурные коэффициенты ТК , ТК tg , ТКЛР определяют температурную стабильность резонансной частоты диэлектрических резонаторов. У лучших термостабильных

диэлектриков ТК составляет 10-6 оС-1, ТКЛР - (2-10) 10-6 оС-1,

ТК tg - (10-4-10-5) oC-1.

Все, диэлектрические материалы, применяемые для изготовления резонаторов, подразделяются на материалы с > 20, и материалы с < 20.

К материалам с величиной диэлектрической проницаемости большей 20 в основном относятся керамики, синтезированные на основе титанатов, цирконатов, лантанов. К титаносодержащей керамике относятся дибариевый нонтитанат (химический состав Ba2Ti9O20) и тетратитанат бария (BaTi4O9), а также керамика, содержащая в своем составе редкоземельные компоненты самарий и неодим (BaSm2Ti4O12, BaNd2Ti4O12). Основные параметры этих керамик на частоте 4 ГГц приведены в табл.3.3.

Керамика на основе тетратитаната бария обладает более высокой воспроизводимостью параметров, чем керамика состава (BaTi9O20), что позволяет использовать ее при изготовлении резонаторов в серийном производстве.

Введение в титанат бария редкоземельных элементов самария или неодима повышает термостабильность керамики. При идеальном подборе исходных материалов на стадии изготовления керамики возможно получить ТК , приближающийся к нулевому значению, что важно при производстве высокостабильных диэлектрических резонаторов.

Группа термостабильных цирконийсодержащих керамик могут иметь как положительное, так и отрицательное

121

значение ТК , хотя они имеют худшие значения tg по срав-

Таблица 3.6

Параметры керамики на основе титанатов и цирконатов

нению с титанатовой керамикой. Например, BaSrZrO3 имеет положительное значение ТК , а CaZrTiO3 - отрицательное (табл. 3.6). На основе этих керамик возможно изготовление составных ДР с нулевым значением температурного коэффициента частоты.

Высокими диэлектрическими параметрами обладает лантаносодержащая керамика, которая применяется также для изготовления термостабильных конденсаторов. По составу лантаносодержащая керамика представляет собой твердый раствор титаната кальция (CaTiO3) и алюмината лантана (LaAlO3). В табл. 3.6 представлены диэлектрические параметры этой керамики на частоте 9,4 ГГц.

122

Механическая добротность ДР обычно составляет 108-105 и зависит не только от материала резонаторов, но и от их конструктивной особенности, точности обработки и частотного диапазона; с ростом частоты добротность резонаторов уменьшается. В табл. 3.7 приведена сравнительная оценка добротности резонаторов, изготовленных из некоторых описанных материалов.

Таблица 3.8

Рассмотрим теперь материалы с невысокими значениями диэлектрической проницаемости, которые можно разделить на органические и неорганические (табл. 3.8). Из органических материалов в технике сверхвысоких частот в основном нашли применение политетрофторэтилен (фторопласт Ф-4) и полифениленоксид (арилокс). Структура и основные свойства этих полимерных материалов приведены в гл. 2.

123

Кроме ненаполненного арилокса выпускается арилокс наполненный алундом или двуокисью титана (ФЛАН). Диэлектрическая проницаемость ФЛАНА может лежать в пределах 2,8-10 в зависимости от степени наполнения. Эти материалы применяются для изготовления волноводно-диэлектрических резонаторов (ВОР) и в качестве элементов крепления образцов в устройствах с ДР.

К неорганическим материалам с невысоким значением относится кварцевое стекло (плавленный кварц), поликор, окись бериллия, лейкосапфир. Плавленный кварц обладает высокими диэлектрическими характеристиками, малым температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР = 0,5 10-6 оС-1 в интервале 20-300 оС), выдерживает высокие температуры и имеет высокую воспроизводимость параметров в условиях массового производства ДР. Основной

недостаток кварцевого стекла – низкая теплопроводность

(l = 1,4 Вт/м . К).

Керамические материалы - алюмооксид, поликор отличаются высокой механической прочностью, твердостью и стабильностью параметров во времени. Окись бериллия (брокерит) наряду с высокими диэлектрическими параметрами имеет высокую теплопроводность. Физико-механические свойства этих материалов приведены втабл.3.5 (см. раздел 3.2.3).

Лейкосапфир характеризуется комплексом высоких диэлектрических, механических и теплофизических свойств (табл. 3.5), что позволяет считать его наиболее перспективным материалом для создания высокодобротных ДР. Он обладает аномально малой диссипацией электромагнитных волн. При комнатной температуре на частоте 3 ГГц диэлектрическая проницаемость лейкосапфира вдоль оси С кристалла равна 11,5, а в направлении, перпендикулярном оси 9,4. Аномально малое значение tgлейкосапфира позволили реализовать диэлектрические резонаторы с значением добротности, которая в 3-сантиметровом диапазоне при комнатной температуре составляет 2,3 105.

124

Вопросы для самопроверки

1.Какие диэлектрические материалы называют пассивными диэлектриками? Каким образом можно классифицировать пассивные диэлектрики по свойствам и техническому назначению?

2.Какие органические диэлектрики называют термопластичными и какие термореактивными? Укажите структурные особенности построения первых и вторых диэлектриков.

3.Какие полимеры используются в качестве высокочастотных диэлектриков и почему? Приведите примеры таких материалов.

4.Какие вы знаете термостойкие пластмассы и укажите область использования их?

5.Какие конкретно полимеры называют ударопрочными и почему? Для изготовления каких деталей они применяются?

6.Какие смолы и наполнители применяются для изготовления наполненных композиционных пластмасс? Как и для каких целей изготавливаются детали из композиционных пластмасс?

7.Назовите материалы для изготовления однослойных

имногослойных печатных плат, используемых в ВЧ и СВЧ диапазонах.

8.Укажите структурные особенности и свойства силикатных стекол и какие стекла применяются в устройствах РЭС?

9.В чем сходство и различие между стеклом и ситаллом? Какова технология изготовления ситаллов и область их применения?

10.Как классифицируются керамические материалы по диэлектрическим свойствам и применению.

11.Какие виды керамик применяются для изготовления установочных высокочастотных деталей?

12.Как классифицируется высокочастотная конденса-

125

торная керамика по величине температурного коэффициента диэлектрической проницаемости?

13.Из какой керамики изготавливаются конденсаторы большой емкости и почему?

14.На основании каких материалов изготавливаются подложки тонкопленочных и толстопленочных гибридных интегральных схем?

4. АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

4.1. Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками называют диэлектрические материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

Впервые спонтанная поляризация была обнаружена на кристалле сегнетовой соли (NaKC4H4O6 4H2O) и поэтому материалы, обладающие эффектом спонтанной поляризации называют сегнетоэлектриками. В 1944 году советский исследователь Б.М.Вул открыл сегнетоэлектрик BaTiO3 и на его основе был объяснен механизм возникновения спонтанной поляризации.

В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики состоят из доменов – макроскопических областей размером 0,01-1 мкм, обладающих спонтанной поляризацией. Направление электрических моментов у разных доменов различно, поэтому суммарная поляризованность сегнетоэлектрика может быть равна нулю. Внешнее электрическое поле изменяет направление электрических моментов доменов, что обусловливает эффект сильной поляризации. Поэтому сегнетоэлектрики обладают очень большим значением диэлектрической проницаемости ε.

Сегнетоэлектрикам присущи следующие основные свойства.

1. Высокое с сверхвысокое значение диэлектрической

126

проницаемости, которое может достигать величины 105.

2.Сильная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры с максимум при определенной температуре, называемой точкой Кюри. Выше этой температуры сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние (рис.4.1). Переход сегнетоэлектрика в параэлектрическое состояние сопровождается резким уменьшением tgδ. Значение

точки Кюри для различных сегнетоэлектриков находятся в пределах -170оС÷+1200оС.

3.Нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (Рис.4.2).

4.Наличие диэлектрического гистерезиса, который обусловлен отставанием поляризации от приложенного напряжения. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за период. Вследствие потерь на гистерезис сегнетоэлектрики характеризуются большим tgδ, доходящим до 0.1.

5.Достаточно резко выраженная зависимость ε и tgδ от частоты, особенно в области сверхвысоких частот.

127

По типу химической связи и физическим свойствам все сегнетоэлектрические материалы подразделяют на две группы: ионные кристаллы; дипольные кристаллы.

Ионные сегнетоэлектрики представляют из себя кри-

сталлические материалы со структурой типа перовскита CaTiO3 (исключение составляют сегнетоэлектрики LiNbTaO3). Структурным элементом кристаллической решетки ионных сегнетоэлектриков является кислородный октаэдр, в центре которого расположены ионы Ti 4+, Nb4+, Ta4+, благодаря чему эти сегнетоэлектрики называют сегнетоэлектриками кисло- родно-октаэдрического типа. В ионных сегнетоэлектриках не содержатся атомные группы, обладающие постоянным дипольным моментом. Фазовый переход из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое происходит в результате смещения ионов Ti, Nb или Та из симметричного состояния в центре кислородного октаэдра в другое, приводящее к появлению электрических моментов и возникновению спонтанной поляризации. Сегнетоэлектрики этого типа имеют большое значение спонтанной поляризованности, обладают высокой механической прочностью и получаются в виде поликристаллов по керамической технологии. Температура перехода из состояния спонтанной поляризованности в параэлектрическое состояние (температура Кюри) для различных сегнетоэлектриков находится в пределах 120о – 1200оС. К ионным сегнетоэлектрикам относятся титанат бария BaTiO3(Тк = 120оС), титанат свинца PbTiO3 (Тк = 493оС), титанат натрия NaTaO3

(Тк = 660оС), ниобат калия KNbO3 (Тк = 435оС), ниобат лития

LiNbO3 (Тк = 1200оС) и др.

Дипольные сегнетоэлектрики. К ним относятся кри-

сталлические материалы, в которых существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы, образованные атомами, связанными между собой ковалентной связью. В сегнетоэлектрическом состоянии диполи занимают упорядоченное расположение, то есть существует дальний порядок, а при переходе в параэлектрическое состояние выше точки Кю-

128

ри дальний порядок в расположении диполей, нарушается. Дипольные сегнетоэлектрики в большинстве имеет более низкое значение точки Кюри, чем сегнетоэлектрики кисло- родно-октаэдрического типа, меньшую механическую прочность и растворимы в воде. К дипольным сегнетоэлектрикам относятся сегнетовая соль C4H4O6KNa . 4 H2O (Tк = 24оС), триглицинсульфат(СH2NH2COOH)3 . H2SO4 (Tк = 49о C), дигидрофосфат калия KH2PO4 (Tк = -150о C), нитрит натрия

NaNO3 (Tк =163 о С) и др.

Сегнетоэлектрические материалы применяются для изготовления различных компонентов и устройств радиоэлектронных средств.

1. Изготовление малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью. Для этой цели используется сегнетокерамика на основе твердых растворов различных ионных соединений с сегнетоэлектрическими свойствами. Изменяя концентрацию компонентов в твердом растворе можно регулировать значение диэлектрической проницаемости, смещая температуру Кюри, изменять нелинейность поляризации. С целью ослабления температурной зависимости емкости конденсаторов в сегнетоэлектрики вводят еще различные добавки. Например, керамика Т-900 (ε=900) представляет собой твердый раствор титанатов стронция SrTiO3 и висмута Bi4Ti3O12 с добавкой PbO; имеет точку Кюри Тк = -140оС. Рабочий температурный диапазон значительно правее Тк и поэтому температурная зависимость диэлектрической проницаемости выражена слабо.

Керамика Т-8000 (ε=8000) представляет твердый раствор на основе титаната бария BaTiO3 и цирконата бария BaZrO3. Точка Кюри находится вблизи комнатной температуры и поэтому конденсаторы изготовленные на основе этой керамики используются в нешироком интервале температур. Диэлектрические потери конденсаторной сегнетоэлектрики велики – tgδ составляет 10-1 ÷ 10-2.

2. Материалы для варикондов – электрически управ-

129

ляемых конденсаторов, имеют резко выраженный нелинейный характер зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Конденсаторы такого типа используются в преобразователях частоты, усилителях, стабилизаторах, системах частотной модуляции. Основным параметром таких сегнетоэлектриков является коэффициент нелинейности Кн = εmax/ ε min, численное значение которого в перемнном поле для разных материалов может изменяться от 4 до 50. Эти материалы синтезируются на основе твердых растворов систем Ba(Ti,Sn)O3 или Pb(Ti,Zr,Sn)O3.

3. Электрооптические кристаллы – это материалы с сильно выраженным электрооптическим эффектом (эффектом Керра), под которым понимают изменение показателя преломления прозрачного сегнетоэлектрического кристалла под действием внешнего электрического поля Электрооптические свойства их используются для модуляции лазерного излучения. Разнообразные электрооптические модуляторы света созданы на основе ионных сегнетоэлектриков: ниобата лития LiNbO3, твердых растворов типа La(Pb, Zr, Ti)O3 и дипольных сегнетоэлектриков на основе дигидрофосфата калия

(KH2PO4).

4. Материалы для преобразования частоты оптического сигнала. При воздействии мощного светового пучка, создаваемого с помощью лазера в некоторых сегнетоэлектриках проявлется нелинейный оптический эффект. Этот эффект заключается в изменении показателя преломления среды от напряженности поля самой световой волны, создаваемого пучком лазера. Нелинейность оптических свойств сегнетоэлектрических кристаллов позволяет осуществлять генерацию гармоник лазерного излучения, а также проводить смешение и преобразование частот оптических сигналов. Высокую эффективность такого преобразования обеспечивают ионные кристаллы ниобата и йодата лития LiNbO3 и LiJO3, барийнатриевый ниобат Ba2NaNb5O15 , дипольные кристаллы дигидрофосфата калия KH2PO4 и др.

130