Вариконды и их применение

курсовая работа

1.1 Основные свойства сегнетокерамики ВК

В настоящее время для изготовления варикондов используются семь видов нелинейной сегнетокерамики, отличающихся друг от друга величиной диэлектрической проницаемости и поляризации, степенью нелинейности ?(E~), температурой Кюри и другими параметрами.

Эти материалы получили обозначение соответственно ВК-1, ВК-2,...,ВК-7. По составу и технологическим особенностям они не одинаковы .

Первые шесть материалов ВК-1,..., ВК-6 в нормальных условиях являются сегнетоэлектриками,и их нелинейные свойства оцениваются по характеру зависимости поляризации и диэлектрической проницаемости от напряженности переменного электрического поля. Материал ВК-7 является параэлектриком и рассматривается отдельно. Для всех материалов при увеличении поля поляризация возрастает и достигает насыщения (рис.1.1). Кривая P(E~) круто поднимается вверх для материалов ВК-3 и ВК-5, наиболее полого на начальном участке -- для материала ВК-6. Кривые для остальных материалов занимают промежуточное положение. Резкое возрастание поляризации материала ВК-6 начинается при более высоких полях, чем для материалов ВК-1,...,ВК-5.

Зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности поля для шести видов нелинейной керамики и титаната бария приведены на рис.1.2. При увеличении поля, в соответствии с законом изменения поляризации Р(E~), диэлектрическая проницаемость растет, достигает максимума и уменьшается. Наиболее резкое и большое изменение ?(E~) имеет материал ВК-5, наиболее слабое -- титанат бария.

Степень нелинейности оценивается по изменению диэлектрической проницаемости материала (или емкости вариконда) под воздействием постоянного и переменного напряжений, приложенных к образцам.

Поляризация сегнетоэлектриков (полная, остаточная, спонтанная, индуцированная), коэрцитивное поле Ec, поле насыщения, коэффициенты прямоугольности, гистерезисные потери определяются из осциллограмм петель гистерезиса, снятых при разных значениях напряженности поля. В некоторых случаях такими осциллограммами полнее всего можно охарактеризовать нелинейные свойства варикондов и судить о процессах переполяризации в веществе при том или ином значении электрического поля.

По значению температуры Кюри нелинейные сегнетокерамические материалы ВК-1?ВК-7 можно разделить на пять групп.

К первой группе относятся три материала ВК-1, ВК-2 и ВК-5 с температурой Кюри TС =75±10°С; ко второй группе --материал ВК-3, для него TС =25±10°С; к третьей группе -- материал ВК-4, TС =105± 10°С, к четвертой группе -- материал ВК-6, TС =200±20°С и, наконец, к пятой группе -- материал ВК-7, TС <20°С.

Рассмотрим основные свойства каждого из этих семи материалов.

Материал ВК-1.Он использовался только для создания первых типов варикондов, уступает по нелинейным свойствам новому материалу ВК-2 и не имеет перед ним никаких преимуществ по электрическим параметрам. Отличаясь простой технологией изготовления, ВК-1 может использоваться лишь для варикондов с невысокими нелинейными свойствами. Коэффициент нелинейности K~?4.

Материал ВК-2.Начальные значения диэлектрической проницаемости ?нач., измеренные в слабом поле при Е = 5 в/мм, для материалов ВК-1 и ВК-2 примерно одинаковы и составляют величину порядка 2200--3000.

Максимальные значения ? этих наиболее распространенных материалов (рис.1.3) достигаются при сравнительно низкой напряженности электрического поля: для ВК-1 величина Eмакс. составляет 150--200 в/мм, для ВК-2 -- 120--150 в/мм.

Точка Кюри материалов ВК-2 и ВК-1 соответствует одной и той же температуре -- примерно 75°С. При воздействии слабого электрического поля (E~?2?5 в/мм) с частотой 50--106 гц кривые температурной зависимости ? этих материалов различаются мало, тогда как кривые зависимости tg б от температуры для материала ВК-2 лежат значительно ниже, чем для материала ВК-1 (рис.1.4). При повышенных напряженностях поля значения tgб материалов ВК-1, ВК-2 и титаната бария почти одинаковы, их максимальные значения равны 0,3--0,4.

Зависимость диэлектрической проницаемости материала ВК-2 от напряженности электрического поля, как и материала ВК-1,резко выражена в широком интервале температур -- от точки Кюри до весьма низких температур (измерения производились до -195°С).

Коэффициент нелинейности K~ материала ВК-2 при отрицательных температурах много выше, чем при положительных. Это происходит потому, что при понижении температуры значение ?нач этого материала в случае воздействия слабой напряженности поля снижается значительно более резко, чем при воздействии повышенной напряженности поля, и разница между начальными и максимальными значениями ? в области отрицательных температур больше, чем в области положительных температур. При снижении температуры напряженность поля, при которой значение ? достигает максимума, увеличивается (рис.1.5).

Во всем исследованном интервале температур значения коэффициента нелинейности K~ материала ВК-2 оказались более высокими, чем материала ВК-1.

Вариконды изготовляются в виде дисков толщиной 0,4--0,8 мм. В ряде случаев вариконды применяются собранными в блоки. При рабочем напряжении 100 в напряженность поля у таких варикондов оказывается уже достаточной, чтобы вызвать возрастание их емкости до максимума. При увеличении толщины дисков рабочее напряжение варикондов может соответственно увеличиваться.

В особых случаях вариконды из этого материала изготовляются па более высокие рабочие напряжения (до 300--500 в и выше).

Вариконды из материала ВК-2 являются наиболее распространенными; они выпускаются в серийном производстве.

Материал ВК-3. Его температура Кюри TС = 25±10°С. Отличается он высокими значениями диэлектрической проницаемости и коэффициента K? в области слабых переменных полей и при комнатной температуре. Вариконды из материала ВК-3 специально предназначаются для работы при температуре, близкой к комнатной, или требуют термостатирования. В этом случае используется главным образом резко выраженная реверсивная зависимость диэлектрической проницаемости от постоянного напряжения при воздействии слабых сигналов переменного напряжения.

Изделия из этого .материала характеризуются высокой удельной емкостью в слабых полях. Вместе с тем, изготовление элементов с низким номинальным значением емкости (менее 100 пф) затруднено.

Величина диэлектрической проницаемости в слабом поле при комнатной температуре составляет 10000 -- 20000, a tgб ?0,05 при комнатной температуре.

Нелинейные характеристики материала ВК-3 измеряются при комнатной температуре. При увеличении напряженности переменного поля е материала резко возрастает и уже при 50--100 в/мм достигает максимального значения ?макс = 20000--30000, после чего она снижается (рис.1.6). Для отдельных специальных образцов вмакс может быть значительно больше и составлять 60 000--80 000, коэффициент нелинейности K~ для них невелик и составляет 2--6, это связано с тем, что начальные значения ? уже достаточно высоки.

Нелинейность сегнетокерамики ВК-3 оценивается главным образом по реверсивной характеристике диэлектрической проницаемости, снятой в слабом переменном поле порядка 2--5 в/мм. Для ?нач напряженность постоянного электрического поля равна нулю, а для ?пред 500 в/мм. Такая напряженность .постоянного поля является рабочей. Крутизна реверсивной характеристики ?(Е?) керамики ВК-3 возрастает при увеличении напря женности электрического поля и снижается при увеличении частоты.

При комнатной температуре и слабых полях коэффициент управления ? при частоте 106 гц может достигать K?=5?6; эта управляемость сохраняется до сантиметрового диапазона волн.

Из материала ВК-3 изготовляется несколько видов варикондов, конструкция которых аналогична конструкции варикондов из материала ВК-2, т. е. изделия представляют собой диски (отдельные или собранные в блок) диаметром 1--25 мм и толщиной 0,4--0,7 мм.

Благодаря такой толщине диска емкость вариконда достигает максимальной величины уже при напряжении U~ = 20?30 в.

Коэффициент реверсивной нелинейности варикондов из материала ВК-3 в слабом поле K??4, а при напряжении 20--30 в K?=8?10.

Заслуживает особого внимания возможность получения блоков из материала ВК-3 с высокой начальной емкостью. Эти блоки имеют высоту около 15--18 мм. Диаметр 25 мм, а начальные значения емкости вариконда ВКЗ-Б около одной микрофарады.

При увеличении переменного напряжения до 30--40 в емкость блоков ВКЗ-Б возрастает примерно еще в два раза, затем с дальнейшим увеличением напряжения снижается.

Приведенные здесь данные относительно характеристик варикондов ВК-3 являются предварительными.

Материал ВК-4. Температура Кюри TС = ±10°. Нелинейность этого материала высокая, коэффициенты K~ и N~ составляют соответственно 10--16 и 0,05--0,08, т. е. они выше, чем у ВК-1, и несколько ниже, чем у ВК-2. В то же время этот материал обнаруживает значительно более стабильные свойства в интервале температур 20--85°,чем материалы, рассмотренные выше. Его ?нач, ?макс и K~ изменяются в зависимости от температуры мало. При снижении температуры коэффициент нелинейности увеличивается и уже при -40°С K~ ?40?50 (рис.1.7).

Тангенс угла потерь материала ВК-4 в слабом поле около 0,01--0,03; при повышенных переменных полях (100--160 в/мм) он высокий и составляет 0,3--0,4. Удельное объемное сопротивление образцов из этого материала при температуре 100° С не ниже 1010 ом·см.

По нелинейным свойствам керамика ВК-4 лишь немного уступает керамике ВК-2. Величины ?нач и ?макс у этого материала меньше, чем у ВК-2. Как видно из рис.1.8, крутизна возрастающего участка кривой ?(Е~)для ВК-4 несколько меньше, чем для ВК-2; в соответствии с этим и напряженность поля ?макс для ВК-4 больше, чем для ВК-2.

Так же как из материала ВК-2,из материала ВК-4 изготовляются вариконды в серийном производстве.

Материал ВК-5.Он имеет самые высокие нелинейные свойства и самые высокие значения диэлектрической проницаемости ?макс из всех известных в настоящее время керамических еегнетоэлектриков. На рис.1.9 приведены зависимости диэлектрической проницаемости BaTiO3, ВК-1, ВК-2 и ВК-5 от напряженности переменного поля. Его коэффициент нелинейности K~ = 40?50, ?макс =80000?100000. Максимальное значение диэлектрической проницаемости материала ВК-5 достигается при напряженности поля Eмакс =80?100 в/мм.

По степени нелинейности могут быть сопоставлены характеристики керамики ВК-5 и известного сегнето-электрика ТГС.

Диэлектрическая проницаемость ТГС достигает максимума для низких частот при полях примерно 30 в/мм раньше, чем диэлектрическая проницаемость ВК-5.

Однако высокая нелинейность варикондов из материала ВК-5 сохраняется в более широком спектре частот, чем у ТГС.

Высокая степень нелинейности характеристик материала ВК-5 сохраняется в широком интервале температур, от точки Кюри до весьма низких значений.

При снижении температуры от комнатной до --(140?150)°С коэффициент нелинейности значительно увеличивается от 40--50 до 320--360.

Величина Eмакс несколько увеличивается при снижении температуры и уменьшается при повышении темпе ратуры выше 20°С. Для титаната бария, материалов ВК-2 и ВК-5 определялся коэффициент прямоугольности Kп петли гистерезиса. Установлена определенная связь между коэффициентами нелинейности и прямоугольности: чем выше K~ тем выше Kп Однако даже для материала ВК-5 коэффициент прямоугольности при комнатной температуре не превышает 60--65% и возрастает до 85% при весьма низких температурах.

Из материала ВК-5 изготовляются объемные образцы ограниченных размеров на номинальные значения емкости от 10 до 10000 пф.

Материал ВК-6. Он отличается от ранее рассмотренных материалов наиболее высокими значениями температуры Кюри ( TС = 200±20°С), низким значением начальной диэлектрической проницаемости (?нач = 400--500). Материал обладает высокими нелинейными и изоляционными свойствами. При температуре 100° С величина рv?1012 ом*см, т. е. такого же порядка, что и у технических образцов титаната бария. Специфической особенностью этого материала является высокая прямоугольность петли диэлектрического гистерезиса. Это открывает новые возможности использования варикондов в качестве запоминающих и логических элементов электронно-вычислительных машин. У материала ВК-6 K~= 20?50 при Eмакс = 500?700 в/мм, ?макс =10000?22000, коэффициент прямоугольности Kп = 0,85?0,94, насыщение поляризации достигается при Енас=1,5?2 кв/мм; величина полной поляризации, измеренной на участке насыщения при 3--5 Ес, равна 13--14 мкк/см2. При увеличении напряженности поля поляризация материала ВК-6 сначала возрастает медленно, затем, начиная с некоторого значения поля, равного 300--400 в/мм, очень быстро и далее достигает участка насыщения. Чем ниже температура, тем отчетливее проявляется участок слабого изменения Р.

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.

Частота, гц

103

106

107

108

109

1010

tgб

10·10-4

5·10-4

8·10-4

20·10-4

80·10-4

0,03--0,05

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).

Делись добром ;)