阻容感基础06：电容器分类（3）-薄膜电容器

说在开头：关于广义相对论

爱因斯坦提出狭义相对论后，有很多物理学大牛都支持他，也有强烈的反对声音，但是更多人则默默地吃着瓜，因为当时物理学界没有几个人能看懂狭义相对论这玩意。对于一般的反对和质疑，爱因斯坦是有信心的，因为他们都没戳到点子上哪。但他自己已经发现了狭义相对论的两个关键的缺陷：1，惯性系无法定义；2，引力放不进相对论的框架。

这两个是大问题，爱因斯坦在论文里说了半天的惯性系，大家都没注意到“惯性系”的定义成了一个难题；如果在绝对时空中，匀速直线运动或静止观察者就是惯性系观察者，可是现在爱因斯坦否定了绝对时空的概念（以前假定以太是绝对静止的），就无法判断匀速直线运动和静止状态啦。那如果按照牛顿第一运动定律的表述来定义参考系：一个不受力的观察者就是惯性观察者；爱因斯坦也不满意，你如何知道它不受力呢？为什么惯性系就比其他参考系要优越？

我们前面讲过伽利略的密封船舱实验，在匀速直线运动的封闭船舱中，人无法通过感知或实验得知自己是静止状态还是匀速直线运动状态，在牛顿看来就是惯性搞的鬼。对于非惯性运动的观察者来说，大家实验结果会不相同，所以对于非惯性系的观察者，必须考虑惯性的因素。法国数学家、物理学家达朗贝尔就提出：假如把惯性系折算成一种力，给牛顿的方法打个补丁，那么就能方便快捷的搞定各种非惯性系。在这个概念的基础上，达朗贝尔和拉格朗日等人就搞出了一套分析力学，惯性被描述成一种虚拟的力：卫星绕地球旋转的离心力，导致热带气旋形成的科里奥利力等。

爱因斯坦打算将相对性原理推广到所有的观察者，做任何运动的观察者，物理学规律都是一样的。但是在非惯性运动中，惯性力就冒出来了。爱因斯坦一个头两个大，一时找不到解决办法，惯性是个啥东西？牛顿老爷子留下了一个大坑：他描述惯性与质量成正比，但是从来没说过惯性到底是怎么来的。爱因斯坦又想起了马赫在自己的书里曾经质疑过牛顿老爷子：1，惯性起源于物质间的相互作用（水桶实验）；2，不存在绝对的空间和时间。马赫的话发挥了哲学家的特色：说起来高屋建瓴、云里雾里，最终也没有说清楚惯性起源于怎样的相互作用。但是马赫说惯性起源于物质之间的相互作用，引力也起源于物质之间相互作用，而惯性和引力都与质量成正比。那质量到底又是啥物理量？惯性和引力互不相干的事，居然都跟质量有关系吗？

其实牛顿老爷子也怀疑这个事情了，他在《自然哲学之数学原理》中提出了两个质量的定义：1，质量就是物质的量，我们对物体称重，其本质上是引力相应，我们称之为“引力质量”；2，质量跟惯性成正比，质量越大惯性越大，我们称之为“惯性质量”。牛顿怀疑这里面有问题，但并不能依靠理论来推导，只能依靠实验来测量是否一样。

最早想到做这个实验的人是老前辈伽利略，据说他做了名垂青史的“比萨斜塔实验”：轻重两个球，从同样的高度，以初速度0同时落下，基本上同时落地。这个实验用引力来提供加速运动所需的力，将引力质量和惯性质量联系到了同一个公式里面，这样就可以靠实验来验证两者是否相等。但牛顿觉得这个实验做的不严谨，于是设计了一个单摆实验，不断比较各种材料：金、银、铅、玻璃、沙子、木头、水等，发现引力质量和惯性质量是一回事。牛顿的实验达到了千分之一的精度。匈牙利物理学家厄缶想出来一个新办法，在1908年得到的第二次测试结果，精度达到了2x。有了实验验证，就可以理直气壮地说：引力质量和惯性质量就是同一个物理量。爱因斯坦在专利局的办公室里呆呆的望着窗外，想着要是从办公大楼的窗口跳出去，会发生什么事情呢？（在此不久前物理学家玻耳兹曼自杀身亡）

假如有一个人跳楼，他会加速下落：啊，啊，啊，啊，嘭！挂了。但爱因斯坦并没注意到跳楼的感官体验，而是注意到了“失重”这个至关重要的东西。假如这个人在跳楼的时候被装到一个铁盒子里，看不到外面，那还能感受到重力么？做自由落体时引力与惯性力完美的抵消了，所以人在失重状态时是感受不到力的。那这岂不是完美的惯性系？在传统观念中，做匀速直线运动的才是惯性系；而在爱因斯坦看来，一颗炮弹只要出膛速度一样，角度是一样的，无论是铅弹还是石头，他们划出的轨迹是一样的，跟材料没有任何关系。

假如失重才是完美的惯性系，那为什么炮弹走过的路径是曲线而不是直线呢？这跟牛顿的描述不符啊。爱因斯坦豁然开朗：因为空间本身是弯曲的，所以惯性运动不见得走直线，在弯曲的空间中，走的就是曲线，而万有引力本身并不存在！（万有引力不是力，而是弯曲的时空）

经过爱因斯坦的推算，物理学中的时空不再是硬邦邦冷冰冰的概念，时空是柔软的，可以弯曲的，宇宙也是柔软的，可以弯曲的。但是这就需要一套在柔软、弯曲宇宙中好用的数学工具，这个数学工具就是“黎曼几何”（具体参考：《阻容感基础03：电阻器分类（1）》中的介绍）了。1913年底爱因斯坦和格罗斯曼一起发表了一篇论文《广义相对论和引力理论纲要》，这篇论文中首先提到了引力场方程，“黎曼几何”第一次有了实实在在的物理学意义。这个方程仅仅是一个初步成果，还有很多问题要去解决，爱因斯坦又花了两年的时间。（参考自:吴京平-柔软的宇宙）

四，薄膜电容器

薄膜电容器：是以金属箔当电极，将其和聚乙酯，聚丙烯，聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜从两端重叠后，卷绕成圆筒状构造的电容器。薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。尤其是在信号交连的部分，必须使用频率特性良好，介质损失极低的电容器，才能确保信号在传送时，不致于有太大的失真发生。

1. 按薄膜种类分类：聚乙酯电容（Mylar电容），聚丙烯电容（PP电容/CBB），聚苯乙烯电容（PS电容）和聚碳酸酯电容；

1, pp与ps电容器是众多薄膜电容中性能最好，也是所有薄膜电容中价钱最贵的电容器；

——PP电容器具有很高耐水/酸性，电性能优良，温度、频率特性好；但其易受光、热和空气中的氧所腐蚀，常用于电源-安规电容—X电容（由于安规的要求，要求X电容的失效模式是开路，避免失效后电源短路；Y电容用的是陶瓷电容器）。

——PS电容器额定直流电压范围宽（40KV），精度高（0.1%），绝缘电阻高（100GΩ），高频损耗小，电容量稳定性好，具有负温度系数，适合在- 40℃~ +55℃的条件下工作，常用于各类精密测量仪表，高精度的数模转换电路等。

2, 聚酯（PET）薄膜电容的介电常数较高，体积小，容量大，稳定性较好，适宜做旁路电容。

——PET电容器的机械强度好（弹性大、易成膜），有较好耐热性（-60~125c）；同时其介电常数大，易于金属化，容积比高；一般用于低频场合，照明和低端电源市场。

2. 按电极分类：金属箔薄膜电容（Film/Foil）和金属化薄膜电容（Metallized Film）。

——从分类电容的名字上，我们就可以看出两种类型电极以及工艺的不同。

1, 金属箔薄膜电容器：直接在塑料膜上加一层薄金属箔，通常是铝箔，作为电极；

——制造工艺相对简单，而且耐电流强度高，无自愈能力，峰值耐压查。

2, 金属化薄膜电容器：是在塑料薄膜上以真空蒸镀上一层很薄的金属以做为电极。

——电极厚度薄（相同体积叠层更多，容量更大），耐压能力强，但耐电流能力差。

薄膜电容器三种卷绕方法，如下图所示：

1. 有感绕法：在卷绕前，引线就已经和内部电极连在一起；

2. 无感绕法：在绕制后，采用镀金等工艺，将两个端面的内部电极连成一个面，从而获得较小的ESL，高频性能较高；

3. 叠层型无感电容：如上右图所示，结构与MLCC类似，性能较好，便于做成SMD封装。

如下图所示，不同类型电容器之间的参数对比；薄膜电容器相对陶瓷电容器和电解电容器：

1. 更低的频率损耗，介质吸收（Dielectric absorption）效应更小；

2. 更高的电容精度（可与NPO相比，但电容量更大）；

3. 随外加电压、频率及环境温度的稳定性非常高，无直流偏压损耗，无压电效应（啸叫）；

无极性要求；

4. 非常好的耐热及机械应力冲击能力；

——不易被外部热和机械应力而损坏，大封装（>1206）陶瓷电容器对机械应力非常敏感。

5. 具有自我恢复（自愈）功能，开路的失效模式（陶瓷和电解电容是短路），可靠性更高。

五，其它电容器

这些个“其它电容器”在一般的数字硬件电路中很少被用到，或由于我个人项目经验有限用的很少。当然，我们知道这个“其它电容器”种类更多，针对接下来的这些电容器，更多的只是搬抄所看到的资料。

1，纸介质电容器

纸介电容器：是由介质厚度很薄的纸作为介质，铝箔作为电极，经掩绕成圆柱形，再经过浸渍用外壳封装或环氧树脂灌封组成的电容器。

纸介质电容器结构： 用两片金属箔(锡箔或铝箔)做电极，再在两层金属箔中间夹以极薄的电容纸，一起卷成圆柱形或者扁柱形芯子，然后密封在金属壳或者绝缘材料(如陶瓷、玻璃釉等)壳中制成。

——纸介电容器是以纸为介质的电容器，其电容纸实经过浸渍料浸渍过的复合介质，利用这种复合介质与极板构成电容器；电容器密封的形式有：铝外壳灌注树脂、铁外壳、甚至用陶瓷外壳（高压）。

纸质电容器主要应用于直流及低频电路，有如下特点：

1. 成本低，电容量范围宽 ， 工作电压高 ；

2. 热稳定性较差(电容量稳定性不高)， 工作温度低，易吸潮、老化，高频损耗（tgδ）较大。

——纸介电容器被击穿后纸介质被烧焦，两层金属箔在被击穿处熔化后形成短路。

金属化纸介电容器的结构与纸介电容器基本相同，在电容器纸上覆上一层金属膜来代替金属箔。特点如下：

1. 被击穿后有自愈作用，电路电压恢复正常后仍能正常工作；

2. 电容器失效模式只有开路，没有短路，安全性高。

——金属化纸介电容器被击穿后，被击穿处的金属膜在高温下蒸发，只留下绝缘的小孔，不会短路。

2，其它电容器

云母电容器：在云母片上喷涂银层或用金属箔做电极板，极板和云母一层一层叠合后，再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成（结构类似MLCC）。云母电容特点：

1. 介质损耗小、耐压高、绝缘电阻大、温度系数小（耐热性好）；

2.寄生电感小、频率特性稳定，不易老化，适用高频电路；

3.体积大、容量小，价格贵。

玻璃釉电容器：介质是玻璃釉粉加压制成的薄片。玻璃釉电容特点：

1. 介质介电常数大、体积小、损耗小，耐温性和抗湿性较好；

2. 适合半导体电路和小型电子仪器中的交、直流电路或脉冲电路使用。

涤纶电容器：是指用两片金属箔做电极，夹在极薄绝缘介质中，卷成圆柱形或者扁柱形芯子，介质是涤纶。有如下特点特点：

1. 额定工作电压大：金属化涤纶电容器工作电压可达上万伏；

2.电容量范围宽：从几皮法到几百微法；

3.介电常数较高、体积小、容量大，稳定性好，工作温度可达120~130℃；

4.损耗角正切值较大，一般用于直流及脉动电路中，不宜在高频电路中使用。

写在最后

电容特性原理相对电阻更难了一些，但实际上它还是在我们可理解的范围之内，并没有超脱出高中物理的认知范围。如果你还对电容器是否是储能元件存在疑虑（考虑电容器除了储能，是否还有损耗发生？），那么需要重新看下上一章《电容器原理》中关于理想电容器的模型，或则接下来看下《电感器原理》章节中关于电磁能量的传递原理（坡印亭矢量）。我们首先需要理解电容特性的本质和模型，在此基础上再来看各种不同类型的电容器。

使用不同的导电材料和结构，决定了不同种类的电阻器；而不同类型的电容器，则基于使用不同的介质材料和结构，或则说不同种类电容器特性取决于介质材料特性。这是它们基于电阻和电容特性原理而产生的差别。

同样对于硬件设计来说：满足客户需求（并非超越）是硬件设计平衡的基点。所以硬件设计工作，除了对硬件设计技能本身的掌握之外，更在于对产品、客户需求的理解。我们在此基础之上，开展的硬件设计就是一个相对“完美”的状态。

本章部分相关资料及图片参考自《硬件十万个为什么论坛》相关文章。下一章《电容器应用》。

~更多内容，欢迎关注：知乎“牧神园地”专栏更新~