Материалы применяемые для создания компонентов электронно-измерительной техники. Основные параметры, свойства и характеристики

 

2.1.5. Электросопротивление  тонких металлических пленок

Металлические пленки, наносимые на диэлектрическую или по-

лупроводниковую подложку, широко используются в микроэлектро-

нике. По выполняемым  функциям различают резистивные  пленки

(тонкопленочные резисторы)  и высокопроводящие пленки (контакт-

ные площадки, межэлементные  соединения, обкладки конденсато-

ров).

Методы получения тонких пленок:

– термическое испарение металла с последующей конденсацией

на подложку;

– испарение электронным лучом;

– катодное или ионно-плазменное осаждение;

– эпитаксиальное наращивание.

Современные технологии позволяют получать пленки толщиной

от десятых долей  микрометра до нескольких десятков нанометров.В  зависимости от условий осаждения (конденсации) может сформироваться различная структура пленки от аморфного состояния до монокристаллического строения. Размерный и структурный факторы обусловливают существенные отличия электрических свойств тонких пленок от свойств объемных металлов. Особенно сильно проявляется размерный эффект в том случае, когда толщина пленки соизмерима с длиной свободного пробега электронов.

 

2.2. Материалы высокой  проводимости

К проводниковым материалам высокой проводимости относят

материалы с величиной  удельного сопротивления ρ<0,1 мкОм·м. Они применяются для изготовления электрических проводов различного назначения, токоведущих деталей приборов, аппаратуры и электрических контактов.

Основные требования, предъявляемые к этим материалам:

– малое удельное сопротивление;

– достаточная прочность и пластичность;

– коррозионная стойкость в атмосферных условиях;

– способность подвергаться сварке и пайке.

Наиболее широко используются медь и ее сплавы, алюминий, используют также благородные и тугоплавкие металлы.

 

2.3 Материалы высокого удельного сопротивления

К материалам высокого сопротивления  относятся материалы, у которых ρ не менее 0,3 мкОм·м. Их применяют в электроизмерительных приборах, образцовых (прецизионных) резисторах, потенциометрах, реостатах и электронагревательных устройствах. Основные требования, предъявляемые к материалам высокого удельного сопротивления:

– высокое удельное сопротивление ρ и малый температурный коэффициент удельного сопротивления αρ (близкий к нулю);

– малая термо–ЭДС в паре с медью, что особенно важно для электроизмерительных приборов;

– высокая жаростойкость, особенно для электронагревательных элементов;

– достаточная прочность и высокая пластичность, позволяющая

изготовлять тонкую проволоку  и ленту;

– способность длительно работать при повышенных температурах, сохраняя электрические характеристики.

 

3 ДИЭЛЕКТРИКИ

Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и синтетических, органических, неорганических и элементоорганических. По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. В активных диэлектриках (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), электрические свойства зависят от

управляющих сигналов, способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов. По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных

и отрицательных зарядов  совпадают. Полярные диэлектрики состоят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом - р (рис. 1).

 

Рис. 1. Примеры электрического строения молекул диэлектриков:

а - неполярная (симметричная) молекула неполярного диэлектрика (метана); б -дипольная молекула полярного диэлектрика (хлорированного метила), дипольный момент р > 0 где заряд q ≈ 2.10-19 Кл, расстояние между зарядами l = (1…3).10-10 м, р = 5.10-29…10-30 Кл.м.

В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивается в виде тепла.

Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются 60 низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики.

 

3.1. Основные электрические  свойства диэлектриков

Основные электрические  свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 1.

 

 

 

Таблица 1 – Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

 

3.1.1 Поляризация диэлектриков

Поляризация - это упругое смещение связанных зарядов или ориентация молекул диэлектрика в электрическом поле. Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанных электрических зарядов. Способность диэлектрика к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью

где С - емкость конденсатора с диэлектриком; С0 - емкость конденсатора без диэлектрика (в вакууме).

Различают следующие  виды поляризации:

– электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов под действием внешнего поля. Она свойственна всем веществам, но играет определяющую роль в неполярных диэлектриках (газообразных, жидких и твердых). Такая поляризация протекает почти мгновенно (τ = 10-15с), без потерь энергии, ее величина не зависит от частоты поля;

– ионная поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов в пределах межатомного расстояния. Она характерна для веществ с ионным строением, время поляризации невелико (τ = 10-13с), происходит практически без потерь энергии;

– дипольно-релаксационная поляризация заключается в ориентации дипольных молекул под действием сил поля.Она присуща полярным диэлектрикам, протекает во времени (τ = 10-2с) и сопровождается потерями энергии;

– самопроизвольная (спонтанная) поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков. Это вещества, состоящие из наэлектризованных областей - доменов, обладающих электрическим моментом. В отсутствие внешнего поля домены расположены произвольно, и суммарный момент равен нулю. Во внешнем

поле происходит переориентация доменов и создается эффект сильной поляризации: относительная диэлектрическая проницаемость достигает ε = 105.

Влияние температуры  на поляризацию диэлектриков.

Изменение относительной  диэлектрической проницаемости  при

изменении температуры  характеризуется температурным коэффициентом.

При электронной поляризации  относительная диэлектрическая

проницаемость несколько  уменьшается с повышением температуры вследствие уменьшения плотности вещества. При ионной поляризации ε с увеличением температуры несколько повышается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ним при тепловом расширении. Дипольно-релаксационная поляризация сильно зависит от температуры среды. С увеличением температуры силы межмолекулярного взаимодействия ослабевают, и дипольные молекулы легче ориентируются во внешнем поле - ε растет. При дальнейшем повышении темпера-

туры интенсивное тепловое движение молекул ослабляет ориентирующее влияние поля - ε уменьшается

Рис. 1. Температурные зависимости относительной диэлектрической прони- цаемости при поляризации: 1 - электронной, 2 - ионной, 3 - дипольно-релаксационной, 4 – спонтанной

 

3.1.2 Влияние напряженности электрического поля на поляризацию диэлектриков.

По влиянию напряженности электрического поля на относительную диэлектрическую проницаемость различают диэлектрики линейные и нелинейные. Емкость конденсатора с линейным диэлектриком зависит только от его геометрических размеров, и ε не зависит от напряженности внешнего поля. К линейным диэлектрикам относится подавляющее число диэлектриков:

– неполярные диэлектрики с электронной поляризацией - газы, жидкости, твердые вещества кристаллические и аморфные (бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.);

– полярные диэлектрики с дипольно-релаксационной и электронной поляризацией - органические жидкие и твердые вещества (хлорированные углеводороды, большинство органических соединений на основе полимеров и др.);

– неорганические ионные соединения с ионной и электронной поляризацией кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, корунд - Al2O3, рутил - TiO2 и др.);

– неорганические соединения с ионной, электронной и релаксационной поляризацией - вещества с неплотной упаковкой (стекла, многие виды керамики).

3.1.3 Электропроводность диэлектриков

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике до момента установления равновесного состояния происходят во времени, создавая поляризационные токи или токи смещения. При дипольно-релаксационной поляризации токи смещения называют еще абсорбционными токами j_абс. При постоянном напряжении абсорбционные токи возникают только в моменты включения и выключения напряжения. Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине токов сквозной проводимости j_ск. Полный ток в диэлектрике, называемый током утечки, складывается из абсорбционного и сквозного (рис.2.)

 

Рис. 2. Изменение тока утечки в твердом диэлектрике

 

Проводимость диэлектрика  при постоянном напряжении опре-

деляется величиной  сквозного тока. При переменном напряжении проводимость определяется сквозным током и абсорбционными токами замедленных механизмов поляризации. В большинстве случаев электропроводность в диэлектриках ионная, реже - электронная.

Виды диэлектрических потерь:

– потери от сквозной проводимости (на электропроводность);

– релаксационные;

– ионизационные;

– резонансные.

3.1.4 Пробой диэлектриков

Пробой - возникновение в диэлектрике канала высокой проводимости. При пробое твердый диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Способность диэлектрика противостоять пробою оценивается электрической прочностью. Виды пробоя диэлектриков:

– электрический пробой обусловлен явлениями ударной ионизации и фотоионизации. Он характерен для газов, но может происходить и в неполярных жидких и твердых диэлектриках. Пробивная напряженность при электрическом пробое зависит от плотности диэлектрика и степени однородности

электрического поля. В однородном поле пробой газа наступает при более высоком значении Е_пр, чем в неоднородном поле;

– тепловой пробой обусловлен чрезмерным выделением тепла из-за больших диэлектрических потерь. При этом в диэлектрике происходят необратимые процессы термического разрушения материала (обугливание, растрескивание, оплавление и т.д.), в результате чего растет ток сквозной проводимости.

Для теплового пробоя характерна сильная зависимость Е_пр от температуры, частоты тока, размеров детали и условий ее охлаждения;

– электрохимический пробой обусловлен развитием в диэлектрике химических процессов, ведущих к образованию подвижных ионов. Эта форма пробоя характерна для жидких диэлектриков, содержащих небольшие количества примесей электролита. В твердых диэлектриках электрохимический пробой может быть при наличии поверхностных загрязнений, адсорбирован-

ной влаги.

3.2 Газообразные диэлектрики

К газообразным диэлектрикам относятся практически все газы. В первую очередь, это воздух, который является естественным изолятором, окружая все электрические установки. Кроме воздуха широко используют в качестве электрической изоляции неполярные газы - азот, водород, углекислый газ, инертные газы, а также полярные газы - фреоны, элегаз и др.

 

3.3 Жидкие диэлектрики

По химической природе  жидкие диэлектрики разделяют на нефтяные масла и синтетические жидкости.

 

 

3.3.1. Нефтяные масла

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов, их получают фракционной перегонкой нефти. По применению различают трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла, отличающиеся степенью очистки.

Трансформаторное масло применяют для заливки силовых трансформаторов с целью повышения электрической прочности за счет заполнения пор волокнистой изоляции и промежутков между ее слоями, для заливки высоковольтных выключателей, где масло оказывает дугогасящее действие.

Конденсаторное масло используют для пропитки бумажной

изоляции конденсаторов  с целью увеличения их удельного сопротивления и электрической прочности, что позволяет увеличить емкость и уменьшить габариты конденсаторов. Его получают путем дополнительной очистки трансформаторного масла. Кабельное масло используют для пропитки бумажной изоляции высоковольтных кабелей. Нефтяные масла - неполярные диэлектрики с электронной поляризацией и ионной проводимостью. В неполярных жидкостях диссоциация молекул незначительна, число носителей заряда невелико и проводимость мала. Источниками ионов могут быть различные

примеси и влага. Диэлектрические потери в нефтяных маслах невелики, они обусловлены током сквозной проводимости. Диэлектрические жидкости дополнительно характеризуются температурой вспышки Т_всп и температурой застывания Тз.

3.3.2 Синтетические жидкие диэлектрики

К синтетическим жидким диэлектрикам относятся хлорированные ароматические углеводороды (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические жидкости. Эти диэлектрики обладают рядом преимуществ по сравнению с нефтяными маслами и применяются в условиях повышенных тепловых нагрузок, напряженности электрического поля, в пожаро- и взрывоопасных средах.