Caracterização de dielétricos para sistemas de armazenamento de alta energia e de geração de RF em aplicações aeroespaciais

• Main Author: Lauro Paulo da Silva Neto
• Other Authors: José Osvaldo Rossi
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2012
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2012/02.15.16.56

Com a finalidade de se obter uma excelente confiabilidade em circuitos elétricos para aplicações espaciais, este trabalho de dissertação apresenta um sistema de caracterização de dois materiais cerâmicos bastante conhecidos, normalmente usados em componentes eletrônicos: a cerâmica à base de titanato de bário (BT) empregada na construção de capacitores cerâmicos comerciais de alta tensão e a cerâmica PZT empregada como elementos sensores e transdutores em aplicações espaciais. O sistema de caracterização apresentado consiste em determinar os elementos químicos que compõem estas cerâmicas, usando diagnósticos de superfície de materiais tais como EDX e MEV; testar a máxima tensão de ruptura (BD) em condições pulsadas; e checar suas propriedades lineares, o que é feito através da medida de perdas da curva histerese e de sua constante dielétrica (ou capacitância) em função da tensão aplicada, temperatura e frequência. Além do mais, a análise de BD tem sido feita usando-se a estatística gráfica de Weibull para calcular a tensão de BD média do material nos testes pulsados. Basicamente, o ponto chave deste trabalho é checar o uso de PZTs em armazenamento de alta energia, comparando-se as propriedades dielétricas destes materiais com as das cerâmicas BT, as quais têm sido usadas com grande sucesso nesta área até o momento. As cerâmicas elétricas, muito utilizadas como meio dielétrico em capacitores de alta tensão, tem como característica alta constante dielétrica (na faixa de 1000 até 10000) com uma alta rigidez dielétrica (de 100 a 200 kV/cm). Os capacitores cerâmicos apresentam respostas CxV não lineares com variação da capacitância em torno de 50 \%, cuja caracteristica é favorável para a construção de linhas de transmissões não lineares (LTNLs) a serem usadas na geração de RF. Porém, esta característica é não desejável em sistemas de armazenamento de alta energia, uma vez que a energia amarzenada no dielétrico do capacitor varia com a diminuição da capacitância, o que pode levar a falhas nos circuitos durante a operação. As cerâmica PZTs, muito empregadas como sensores, podem ser uma boa escolha como meio dielétrico em capacitores de AT em sistemas de armazenamento de alta energia, devido a alta constante dielétrica, em torno de 1000, e com rigidez dielétrica medida de aproximadamente 50 kV/cm. Os resultados da caracterização das cerâmicas PZTs mostraram uma pequena variação da capacitância, da ordem de 17 \% comparado com o caso dos capacitores (50 \%) perto da tensão nominal, implicando que a energia armazenada no dielétrico do PZT também varia pouco, estando próxima do caso ideal esperado. Finalmente, as cerâmicas PZTs mostram um bom desempenho em condições AC devido ao baixo fator de perdas medido 0,01 a 0,05, dependendo da frequência ajustada, o que signica que elas podem ser aplicadas em LTNLs para a geração de RF de alta potência acima de 200 MHz, apesar de sua baixa não linearidade da ordem de 17 \% na máxima tensão aplicada. === In order to obtain an excellent reliability in electric circuits for space applications, this thesis work presents a characterization system for two well- known ceramic materials, normally employed in electronic components: the barium titanate (BT) based ceramic generally used in the construction of HV commercial ceramic capacitors and the PZT ceramic used as sensor and transductor devices in industrial applications. The characterization system presented consists of determining the chemical elements that compose these ceramics using materials surface diagnostics such as EDS and MEV; testing their maximum dielectric breakdown (BD) voltage on pulsed conditions; and checking their linear properties, which has been made by measuring the hysteresis curve losses of these materials and their dielectric constant (or capacitance) as function of the applied voltage, temperature and frequency. In addition, the BD analysis has been carried out by using the Weibull probability statistics for calculating the average breakdown voltage of the dielectric material on pulsed tests. Basically the key point in this work is to assess the use of PZTs for high-energy storage system by comparing their dielectric properties with those from BT ceramics, which has been applied in this area with great success so far. Dielectric ceramics normally used as dielectric medium in HV capacitors present high dielectric constant (of the order of 1000 up to 10000) with high breakdown strength (BDS), on the order of 100 - 200 kV/cm. Ceramic capacitors present a CxV nonlinear response with variation of about 50 \%, whose characteristic is suitable for the construction of nonlinear transmission lines to be used in RF generation. However, this characteristic is not suitable for high-energy storage systems as the energy stored in the capacitor dielectric varies with the decreased capacitance, which may lead to possible faults in the circuits during operation. The PZT ceramics, largely used as sensors, can be a good choice as dielectric medium in HV capacitors in high energy storage systems because of their high dielectric constant (about 1000) and high BDS measured of 50 kV/cm approximately. The PZT ceramics results showed a low capacitance variation on the order of 17 \% compared to ceramic capacitors cases (50 \%) near their rated nominal voltage, implying also that the energy stored into the PZT dielectric varies little, being closer to expected ideal case. Finally, PZTs shows a good performance on AC conditions due to the loss tangent measured of 0.01 to 0.05 depending on the set frequency, which means that they can be applied in NLTLs for RF high power generation above 200 MHz, despite their lower nonlinearity factor on the order 17 \% at full voltage.