電性、介電與鐵電陶瓷

陶瓷電容器(ceramic capacitor)

電容器是一種儲存電荷的元件:兩個彼此靠近卻不接觸的導體,中間夾著一層絕緣體。接上電壓後,電荷便在兩個導體上堆積、等量而反號,靠中間的絕緣填充物隔開。陶瓷電容器就是絕緣填充物(介電質)為陶瓷的電容器,最經典的形式是圓盤電容器:一片薄陶瓷晶圓,兩面各鍍一層金屬電極、各焊一條引線。

它能儲存多少電荷由 C = epsilon_0 乘 epsilon_r 乘 A / d 決定,其中 A 是電極面積、d 是陶瓷厚度、epsilon_0 是真空介電率、epsilon_r 是陶瓷的介電常數。要塞進更多電容,你會想要大面積、薄介電層,而最重要的是高 epsilon_r——這正是鐵電陶瓷所提供的。單單這個陶瓷選擇就把電容器分成兩大家族。第一類介電質(像二氧化鈦或鈦酸鎂這類順電鈦酸鹽)epsilon_r 只有數十但極為穩定、低損耗——就是振盪器與濾波器中要求數值不能漂移之處所用、能作溫度補償的 C0G/NP0 等級。第二類介電質(鐵電鈦酸鋇,調配成 X7R、X5R、Y5V 等級)epsilon_r 高達數千,單位體積電容大得多,代價則是與溫度、電壓與時間有關。

陶瓷電容器無所不在——平滑供電軌、耦合訊號、去耦雜訊、調諧諧振電路——因為陶瓷兼具高介電率、良好絕緣、熱穩定與便宜的大量製造。不起眼的圓盤電容器是它的祖先;把許多薄陶瓷層並聯堆疊,便造就了如今稱霸市場的多層陶瓷電容器。一個第二類陶瓷獨有的誠實提醒:因為介電質是鐵電的,它的電容會在直流偏壓下下降(DC-bias 效應),會隨時間緩慢而可預測地衰減(鐵電老化,加熱越過居里溫度即可回復),而且它會「唱歌」——逆壓電效應使晶片在交流下發出可聞的振動,也就是惡名昭彰的電容器微音效應。

幾乎每一顆積體電路的電源接腳旁都焊著一顆小陶瓷「去耦」電容。當晶片突然抽取電流時,這顆就近的陶瓷電容會在不到一奈秒內傾倒出儲存的電荷,把電壓穩住——這份工作仰賴陶瓷的高介電率與極低的串聯電阻。

電容器的全部價值都繫於它的介電質:陶瓷的高 epsilon_r,正是讓它以又小又便宜又堅固的封裝儲存有用電荷的原因。

第二類陶瓷零件上標示的高電容,是它在零偏壓、室溫下的數值。加上額定電壓再讓它升溫,真實電容可能不到標示的一半——這是把標示照單全收的初學者常踩的陷阱。

又称
disc capacitor陶瓷電容圓盤電容器