نویسنده: کینگری یین، بینجی زو، هورونگ زنگ
مترجم: حبیب الله علیخانی
به دلیل قابلیت آنها در بلوکه کردن dc، حمل بار، فیلتر کردن موج، گذردهی و کوپلینگ و نوسانگری در فرکانس رادیویی، خازن ها به صورت گسترده ای در کامپیوترهای شخصی، تلفن ها، تلویزیون ها، وسایل ارتباطی و سایر زمینه، کاربرد دارند. خازن ها یکی از وسایل الکترونیکی هستند که به صورت گسترده مورد استفاده قرارمی گیرند و تولید سالانه ی آنها حدود 7 تا 8 میلیارد دلار در سال ارزش دارد. S H Yoon در سال 2003 دو نوع خازن با ریزساختار مختلف را کشف کرد. یکی از این مواد که دارای عناصر دهنده ی بیش از حد است، به گونه ای طراحی شد که در آنها فاز مایع در محل نقاط سه گانه تجمع می یابد و وارد مرزدانه ها نمی شود. ثابت دی الکتریک ε خازن های سرامیکی از 10 تا 〖10〗^5 تغییر می کند. ضخامت فیلم های مورد استفاده در این خازن از 20 میکرون در سال 1980 به 1 تا 2 میکرون رسیده است. برای برطرف کردن الزامات مربوط به کوچک سازی، تعداد لایه های خازن های چند لایه از 40 تا در سال 1980 به 1100 تا 1200 لایه در حال حاضر، رسیده است. در این حال، حجم خازن ها تنها 4 % کاهش یافته است (در مقایسه با خازن های سال 1980). با توجه به گزارشی که در سال 2002 بوسیله ی شرکت Murata در ژاپن ارائه شده است، این شرکت توانایی تولید خازن هایی با ضخامت لایه ی 1.6 میکرون شده است که ظرفیت آنها 10 میکروفاراد است. با توجه به گزارش ها در سال 2003، خازن های چند لایه با ضخامت لایه ی یک میکرون که دارای الکترودهای نیکلی به همراه 800 لایه هستند، ظرفیت خازن 400 میکروفاراد می شود.
مواد دی الکتریک معمولی در تولید خازن ها
خازن ها می توانند به گروه های زیر تقسیم بندی شوند:
خازن های با فرکانس بالا
خازن های فروالکتریک
خازن های تولیدی از لایه های مرزدانه ای
خازن های میکروویو
خازن های تولیدی از سرامیک های مونولیتیکی
و سایر خازن ها
مواد مورد استفاده در تولید خازن ها، شامل محلول های جامد تیتانات ها، استانات ها و زیرکونات ها می باشند. ویژگی های ریزساختاری زیر می توانند در نظر گرفته شوند:
به جز خازن های با لای ی مرزدانه ای از جنس مواد نیمه رسانا که نیازمند اندازه ی دانه ی متوسط هستند، بیشتر خازن ها نیازمند دانه های ریز هستند تا بدین صورت ε قابل توجه در آنها ایجاد شود. افزودنی ها مانند NiO و بیسموت استانات می تواند برای محدود کردن رشد دانه، استفاده شود. برای بدست آوردن نمودار ε-T مسطح ، سرامیک های خازنی اغلب با استفاده از هم سطح کننده ها افزوده می شوند. این هم سطح کننده ها، عبارتند از: MgSnO_3، CaZrO_3، CaSnO_3، Bi_2 (SnO_3 )_3، CaTiO_3.
یک مقدار 2 تا 3 % از جوانه زا با ترکیب مشابه با ماده ی اولیه اما با اندازه ی دانه ی بزرگتر معمولاً می تواند اضافه شود تا بدین صورت میزان هموژن بودن ساختار افزایش یابد. این روش اغلب در مواد با ε استفاده می شود.
یکنواختی شیمیایی می تواند به طور مناسبی بوسیله ی روش هایی مانند استفاده از ساختارهای هسته- پوسته، استفاده از افزودنی های فاز ثانویه حفظ شود و بدین صورت رشد دانه ها کنترل شود.
افزودن بیش از حد Ba به سرامیک های BaTiO_3 موجب تولید فاز ثانویه ی مایع می شود و بدین صورت زینترینگ تسهیل می شود. در سرامیک های SrTiO_3، دمای مربوط به فاز مایع بسیار بالاست و بنابراین، کمک زینترهایی مانند دی اکسید سیلیسیم و یا آلومینا مورد نیاز می باشد.
در مورد روابط بین ε-T مختلف، TKε (ضریب دمایی مربوط به خازن) و TKf (ضریب دمایی فرکانس) می تواند مورد استفاده قرار گیرد و بخشی از دو فاز موجود در محلول جامد می تواند برای بدست آوردن رابطه ی میان ε-T مورد استفاده قرار گیرد.
یک نوع از مواد خازنی با خاصیت خازنی پایدار در طی گستره ی دمایی مشخص، مورد نیاز می باشد. برای مثال، اصلاح شیمیایی می تواند برای حصول سیستم های زیر مورد استفاده قرار گیرد: BaTiO_3-Nb_2 O_5-Bi_2 O_3، BaTiO_3-Nb_2 O_5-Co_3 O_4، BaTiO_3-(Ho.Gd,Dy,Er)_2 O_5-MgO و سایر سیستم ها در تولید دی الکتریک های X7R استفاده می شوند. این خازن ها با تغییر دما در گستره ی منفی 55 تا مثبت 125، تنها 15 % تغییر در خاصیت خود می دهند. عدم یکنواختی در ترکیب دانه ها یعنی ساختارهای هسته- پوسته با پوسته ای از جنس فاز پاراالکتریکی و هسته ای از جنس فاز فروالکتریکی می تواند موجب پایدار شدنش وابستگی دمایی خازن شود. به هر حال، توسعه های اخیر نیازمند فیلم های نازک تر و اندازه ی دانه ی ریزتر می باشد که در حقیقت موجب می شود تولید X7R با مشکل مواجه شود.
به جای ایجاد ساختارهای هسته و پوسته، در سال 2002، Y Sakabe توانست اکسید کلسیم را دوپ کند. در واقع تتراگونال بودن سرامیک های BaTiO_3 به صورت موفقیت آمیز کنترل شد و موجب تولید مواد خازنی پایداری شد که دارای دانه های ریزی هستند. در این مواد ثابت دی الکتریک نیز بالاست.
S H Yoon در سال 2003 دو نوع خازن با ریزساختار مختلف را کشف کرد. یکی از این مواد که دارای عناصر دهنده ی بیش از حد است، به گونه ای طراحی شد که در آنها فاز مایع در محل نقاط سه گانه تجمع می یابد و وارد مرزدانه ها نمی شود. از آنجایی که رشد دانه با مهاجرت مرزدانه ها همراه است و سرعت مهاجرت مرزدانه ها کاملا آهسته است، هیچ رشد غیر نرمال در دانه ها مشاهده نشد و خاصیت دی الکتریک ماده نیز تنها اندکی با دما تغییر می کند. این نوع از مواد می توانند به عنوان خازن های پایدار، مورد استفاده قرار گیرند.
سایر مواد نیز موادی هستند که با استفاده از عناصر گیرنده ی اضافی تولید می شوند. این مواد به صورت فاز مایع وارد مرزدانه ها می شوند. به دلیل فعالیت بالای فاز مایع، رشد غیر نرمال دانه افزایش می یابد و هم دانه های بزرگ 100 میکرونی و هم دانه های یک میکرونی در این حالت تولید می شوند. اگر چه این افزودنی ها به صورت میکروسکوپی پراکنده شده اند، پیک دمای کوری در نمودار ε-T آنها کاملا تیز است و این مواد برای تولید خازن هایی با خواص دی الکتریکی پایدار، مناسب می باشند.
در آماده سازی خازن های ولتاژ بالا، Shoutian Chen کشف کرد که کلسیناسیون پیش از استفاده می تواند اثر قابل توجهی بر روی ریزساختار و خاصیت دی الکتریک ماده داشته باشد. مواد SBT به عنوان مثال در اینجا در نظر گرفته شده است. این ماده حاوی تیتانات سیلیکون، اکسید بیسموت، اکسید تیتانیم و تیتانات منیزیم می باشد. در این مورد دو روش در نظر گرفته شده است:
روش اول: تمام مواد اولیه شامل تیتانات سیلیکون، اکسید بیسموت، اکسید تیتانیم و تیتانات منیزیم به صورت قرص در آمده و در دمای 1330 درجه ی سانتیگراد، زینتر می شوند.
روش دوم: مواد اولیه ابتدا مخلوط می شوند و پس از کلسیناسیون در دمای 1180 درجه ی سانتیگراد، خردایش یافته و بعد به صورت قرص در می آید. در نهایت قرص ها در دمای 1330 درجه ی سانتیگراد، زینتر می شوند.
شکل 1 نشاندهنده ی تصویر SEM از نمونه های آماده سازی شده با دو فرایند مختلف است.
همانگونه که در شکل 1a مشاهده می شود، علاوه بر فاز کریستالی اصلی، ذرات مدور ذوب شده ی متعددی از جنس اکسید بیسموت وجود دارد. لدون سنتز کامل در روش اول، اکسید بیسموت در محلول جامد واکنش نمی دهد و در دماهای بالا، تبخیر می شود. این مسئله موجب کاهش دانسیته ی ماده می شود. با روش دوم، اکسید بیسموت به طور کامل در محلول جامد سنتز می شود و موجب تشکیل ترکیبات سوزنی شکل از جنس Sr_2 Bi_4 Ti_5 O_18 می شود به نحوی که تبخیر بیسموت محدود می شود (شکل 1b). خواص مربوط به مواد مشتق شده از دو روش عبارتند از: برای روش اول: دانسیته ی سرامیک 4.33 گرم بر سانتیمتر مربع، استحکام دی الکتریک برابر 5.84 کیلوولت بر میلی متر. برای روش دوم: دانسیته ی سرامیک 5.22 گرم بر سانتیمتر مکعب واستحکام دی الکتریک برابر 7.50 کیلوولت بر میلی متر می باشد.
به عنوان نتیجه گیری باید گفت که کلسیناسیون نقش مهمی در ایجاد ریزساختار و خواص ماده ایفا می کندد.
علاوه بر این، شکل 2 نشاندهنده ی ریزساختارهای مربوط به خازن های ولتاژ بالای SPBT است. این سرامیک ها با روش های مشابه بالا تولید می شوند به استثنای این مسئله که مقادیر اندکی اکسید نیوبیوم در روش دوم اضافه می شود تا بدین صورت تبخیر بیسموت و سرب کاهش یابد و همچنین اندازه ی دانه نیز کاهش پیدا کند. موادی که با روش دوم تولید می شوند در شکل 2b نشان داده شده است. استحکام دی الکتریک این مواد 25 % بالاتر از مواد تولیدی در روش اول است (شکل 2a). در حقیقت این نشان داده می شود که اضافه کردن این افزودنی بر روی اندازه ی دانه و همچنین کل خواص این ماده مؤثر بوده است.
شکل 3 نشاندهنده ی انواع مختلفی از خازن های سرامیکی ولتاژ بالا می باشد. شکل 4 و 5 نشاندهنده ی تصاویری از خازن های سرامیکی چند لایه و شکل 6 نشاندهنده ی خازن های سرامیکی AC می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Microstructure, property and processing of functional ceramics/ Qingrui Yin, Binghe Zhu, Huarong Zeng
مترجم: حبیب الله علیخانی
به دلیل قابلیت آنها در بلوکه کردن dc، حمل بار، فیلتر کردن موج، گذردهی و کوپلینگ و نوسانگری در فرکانس رادیویی، خازن ها به صورت گسترده ای در کامپیوترهای شخصی، تلفن ها، تلویزیون ها، وسایل ارتباطی و سایر زمینه، کاربرد دارند. خازن ها یکی از وسایل الکترونیکی هستند که به صورت گسترده مورد استفاده قرارمی گیرند و تولید سالانه ی آنها حدود 7 تا 8 میلیارد دلار در سال ارزش دارد. S H Yoon در سال 2003 دو نوع خازن با ریزساختار مختلف را کشف کرد. یکی از این مواد که دارای عناصر دهنده ی بیش از حد است، به گونه ای طراحی شد که در آنها فاز مایع در محل نقاط سه گانه تجمع می یابد و وارد مرزدانه ها نمی شود. ثابت دی الکتریک ε خازن های سرامیکی از 10 تا 〖10〗^5 تغییر می کند. ضخامت فیلم های مورد استفاده در این خازن از 20 میکرون در سال 1980 به 1 تا 2 میکرون رسیده است. برای برطرف کردن الزامات مربوط به کوچک سازی، تعداد لایه های خازن های چند لایه از 40 تا در سال 1980 به 1100 تا 1200 لایه در حال حاضر، رسیده است. در این حال، حجم خازن ها تنها 4 % کاهش یافته است (در مقایسه با خازن های سال 1980). با توجه به گزارشی که در سال 2002 بوسیله ی شرکت Murata در ژاپن ارائه شده است، این شرکت توانایی تولید خازن هایی با ضخامت لایه ی 1.6 میکرون شده است که ظرفیت آنها 10 میکروفاراد است. با توجه به گزارش ها در سال 2003، خازن های چند لایه با ضخامت لایه ی یک میکرون که دارای الکترودهای نیکلی به همراه 800 لایه هستند، ظرفیت خازن 400 میکروفاراد می شود.
مواد دی الکتریک معمولی در تولید خازن ها
خازن ها می توانند به گروه های زیر تقسیم بندی شوند:
خازن های با فرکانس بالا
خازن های فروالکتریک
خازن های تولیدی از لایه های مرزدانه ای
خازن های میکروویو
خازن های تولیدی از سرامیک های مونولیتیکی
و سایر خازن ها
مواد مورد استفاده در تولید خازن ها، شامل محلول های جامد تیتانات ها، استانات ها و زیرکونات ها می باشند. ویژگی های ریزساختاری زیر می توانند در نظر گرفته شوند:
به جز خازن های با لای ی مرزدانه ای از جنس مواد نیمه رسانا که نیازمند اندازه ی دانه ی متوسط هستند، بیشتر خازن ها نیازمند دانه های ریز هستند تا بدین صورت ε قابل توجه در آنها ایجاد شود. افزودنی ها مانند NiO و بیسموت استانات می تواند برای محدود کردن رشد دانه، استفاده شود. برای بدست آوردن نمودار ε-T مسطح ، سرامیک های خازنی اغلب با استفاده از هم سطح کننده ها افزوده می شوند. این هم سطح کننده ها، عبارتند از: MgSnO_3، CaZrO_3، CaSnO_3، Bi_2 (SnO_3 )_3، CaTiO_3.
یک مقدار 2 تا 3 % از جوانه زا با ترکیب مشابه با ماده ی اولیه اما با اندازه ی دانه ی بزرگتر معمولاً می تواند اضافه شود تا بدین صورت میزان هموژن بودن ساختار افزایش یابد. این روش اغلب در مواد با ε استفاده می شود.
یکنواختی شیمیایی می تواند به طور مناسبی بوسیله ی روش هایی مانند استفاده از ساختارهای هسته- پوسته، استفاده از افزودنی های فاز ثانویه حفظ شود و بدین صورت رشد دانه ها کنترل شود.
افزودن بیش از حد Ba به سرامیک های BaTiO_3 موجب تولید فاز ثانویه ی مایع می شود و بدین صورت زینترینگ تسهیل می شود. در سرامیک های SrTiO_3، دمای مربوط به فاز مایع بسیار بالاست و بنابراین، کمک زینترهایی مانند دی اکسید سیلیسیم و یا آلومینا مورد نیاز می باشد.
بیشتر بخوانید: شاخه های علم سرامیک
در مورد روابط بین ε-T مختلف، TKε (ضریب دمایی مربوط به خازن) و TKf (ضریب دمایی فرکانس) می تواند مورد استفاده قرار گیرد و بخشی از دو فاز موجود در محلول جامد می تواند برای بدست آوردن رابطه ی میان ε-T مورد استفاده قرار گیرد.
یک نوع از مواد خازنی با خاصیت خازنی پایدار در طی گستره ی دمایی مشخص، مورد نیاز می باشد. برای مثال، اصلاح شیمیایی می تواند برای حصول سیستم های زیر مورد استفاده قرار گیرد: BaTiO_3-Nb_2 O_5-Bi_2 O_3، BaTiO_3-Nb_2 O_5-Co_3 O_4، BaTiO_3-(Ho.Gd,Dy,Er)_2 O_5-MgO و سایر سیستم ها در تولید دی الکتریک های X7R استفاده می شوند. این خازن ها با تغییر دما در گستره ی منفی 55 تا مثبت 125، تنها 15 % تغییر در خاصیت خود می دهند. عدم یکنواختی در ترکیب دانه ها یعنی ساختارهای هسته- پوسته با پوسته ای از جنس فاز پاراالکتریکی و هسته ای از جنس فاز فروالکتریکی می تواند موجب پایدار شدنش وابستگی دمایی خازن شود. به هر حال، توسعه های اخیر نیازمند فیلم های نازک تر و اندازه ی دانه ی ریزتر می باشد که در حقیقت موجب می شود تولید X7R با مشکل مواجه شود.
به جای ایجاد ساختارهای هسته و پوسته، در سال 2002، Y Sakabe توانست اکسید کلسیم را دوپ کند. در واقع تتراگونال بودن سرامیک های BaTiO_3 به صورت موفقیت آمیز کنترل شد و موجب تولید مواد خازنی پایداری شد که دارای دانه های ریزی هستند. در این مواد ثابت دی الکتریک نیز بالاست.
S H Yoon در سال 2003 دو نوع خازن با ریزساختار مختلف را کشف کرد. یکی از این مواد که دارای عناصر دهنده ی بیش از حد است، به گونه ای طراحی شد که در آنها فاز مایع در محل نقاط سه گانه تجمع می یابد و وارد مرزدانه ها نمی شود. از آنجایی که رشد دانه با مهاجرت مرزدانه ها همراه است و سرعت مهاجرت مرزدانه ها کاملا آهسته است، هیچ رشد غیر نرمال در دانه ها مشاهده نشد و خاصیت دی الکتریک ماده نیز تنها اندکی با دما تغییر می کند. این نوع از مواد می توانند به عنوان خازن های پایدار، مورد استفاده قرار گیرند.
سایر مواد نیز موادی هستند که با استفاده از عناصر گیرنده ی اضافی تولید می شوند. این مواد به صورت فاز مایع وارد مرزدانه ها می شوند. به دلیل فعالیت بالای فاز مایع، رشد غیر نرمال دانه افزایش می یابد و هم دانه های بزرگ 100 میکرونی و هم دانه های یک میکرونی در این حالت تولید می شوند. اگر چه این افزودنی ها به صورت میکروسکوپی پراکنده شده اند، پیک دمای کوری در نمودار ε-T آنها کاملا تیز است و این مواد برای تولید خازن هایی با خواص دی الکتریکی پایدار، مناسب می باشند.
در آماده سازی خازن های ولتاژ بالا، Shoutian Chen کشف کرد که کلسیناسیون پیش از استفاده می تواند اثر قابل توجهی بر روی ریزساختار و خاصیت دی الکتریک ماده داشته باشد. مواد SBT به عنوان مثال در اینجا در نظر گرفته شده است. این ماده حاوی تیتانات سیلیکون، اکسید بیسموت، اکسید تیتانیم و تیتانات منیزیم می باشد. در این مورد دو روش در نظر گرفته شده است:
روش اول: تمام مواد اولیه شامل تیتانات سیلیکون، اکسید بیسموت، اکسید تیتانیم و تیتانات منیزیم به صورت قرص در آمده و در دمای 1330 درجه ی سانتیگراد، زینتر می شوند.
روش دوم: مواد اولیه ابتدا مخلوط می شوند و پس از کلسیناسیون در دمای 1180 درجه ی سانتیگراد، خردایش یافته و بعد به صورت قرص در می آید. در نهایت قرص ها در دمای 1330 درجه ی سانتیگراد، زینتر می شوند.
شکل 1 نشاندهنده ی تصویر SEM از نمونه های آماده سازی شده با دو فرایند مختلف است.
به عنوان نتیجه گیری باید گفت که کلسیناسیون نقش مهمی در ایجاد ریزساختار و خواص ماده ایفا می کندد.
علاوه بر این، شکل 2 نشاندهنده ی ریزساختارهای مربوط به خازن های ولتاژ بالای SPBT است. این سرامیک ها با روش های مشابه بالا تولید می شوند به استثنای این مسئله که مقادیر اندکی اکسید نیوبیوم در روش دوم اضافه می شود تا بدین صورت تبخیر بیسموت و سرب کاهش یابد و همچنین اندازه ی دانه نیز کاهش پیدا کند. موادی که با روش دوم تولید می شوند در شکل 2b نشان داده شده است. استحکام دی الکتریک این مواد 25 % بالاتر از مواد تولیدی در روش اول است (شکل 2a). در حقیقت این نشان داده می شود که اضافه کردن این افزودنی بر روی اندازه ی دانه و همچنین کل خواص این ماده مؤثر بوده است.
منبع مقاله :
Microstructure, property and processing of functional ceramics/ Qingrui Yin, Binghe Zhu, Huarong Zeng
