DE102005026203B4 - Kondensator mit veränderbarer Kapazität, Verfahren zum Herstellen des Kondensators und Verwendung des Kondensators - Google Patents

Abstract

Kondensator (10) mit veränderbarer Kapazität mit
– mindestens einer Elektrode (11, 12) und
– mindestens einer gegenüber der Elektrode (11, 12) in einem veränderbaren Abstand (13) zur Elektrode (11, 12) angeordneten Gegenelektrode (12, 11), wobei
– innerhalb des Abstands (13) zwischen der Elektrode (11, 12) und der Gegenelektrode (12, 11) auf einer Elektrodenoberfläche (111, 121) zumindest einer der Elektroden (11, 12) mindestens ein dielektrisches Formteil (14) mit einem dielektrischen Formstoff zum Ausgleichen einer Oberflächenrauhigkeit (113) der Elektrodenoberfläche (111, 121) angeordnet ist,
– dadurch gekennzeichnet, dass
– der dielektrische Formstoff mindestens einen Verbundwerkstoff mit mindestens einem Basisstoff und mindestens einem Füllstoff aufweist,
– der Basisstoff ein Kunststoff ist,
– der Füllstoff eine relative Dielektrizitätskonstante von mindestens 50 aufweist und
– ein Füllgrad des Füllstoffs im Basisstoff derart gewählt ist, dass die effektive Dielektrizitätskonstante mindestens 20 beträgt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit veränderbarer Kapazität mit mindestens einer Elektrode und mindestens einer gegenüber der Elektrode in einem veränderbaren Abstand zur Elektrode angeordneten Gegenelektrode. Innerhalb des Abstands zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode ist auf einer der Elektrodenoberflächen zumindest einer der Elektroden ein dielektrisches Formteil mit einem dielektrischen Formstoff zum Ausgleichen einer Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche angeordnet. Neben dem Kondensator werden ein Verfahren zum Herstellen des Kondensators und eine Verwendung des Kondensators angegeben.
• Ein Kondensator mit veränderbarer Kapazität (durchstimmbare Kapazität) mit hoher Güte wird beispielsweise für eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung (Voltage Controlled Oscillator, VCO) benötigt. Eine derartige Schaltung wird als Generator von Referenzfrequenzen und zum Mischen von Kanalfrequenzen und Trägerfrequenzen in der Nachrichtentechnik eingesetzt. Für eine möglichst hohe Frequenzstabilität sind verlustarme Kondensatoren mit hoher Güte erforderlich, die aber gleichzeitig weit abstimmbar sein sollen, wofür im Allgemeinen ein unbefriedigender Kompromiss eingegangen werden muss. Neben der genannten Anwendung werden abstimmbare Kondensatoren auch für abstimmbare Filter in der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnologie eingesetzt. Ein derartiges Frequenzfilter ist beispielsweise ein Bandpassfilter. Das Bandpassfilter ist innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes durchlässig für ein Hochfrequenzsignal (Durchlassbereich). Das bedeutet, dass ein Dämpfungsmaß für ein Hochfrequenzsignal innerhalb dieses Frequenzbandes niedrig ist.
• Aus der DE 199 03 571 A1 ist ein Kondensator mit veränderbarer Kapazität mit mindestens einer Elektrode und mindestens einer gegenüber der Elektrode in einem veränderbaren Abstand zur Elektrode angeordneten Gegenelektrode bekannt. Der Kndensator verfügt über eine mit einem Siliziumsubstrat fest verbundene, starre Elektrode. Der starren Elektrode gegenüber angeordnet ist eine bewegliche Gegenelektrode. Die Gegenelektrode ist als Ausleger bzw. Biegebalken (Cantilever) ausgebildet. Durch elektrische Ansteuerung der Elektrode und der Gegenelektrode des Kondensators wird ein elektrisches Feld erzeugt, das dazu führt, dass die bewegliche Gegenelektrode gegen die starre Elektrode bewegt wird. Dabei verkürzt sich der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode. Durch die Verkürzung des Abstandes erhöht sich die Kapazität des Kondensators.
• Der aus der DE 199 03 571 A1 bekannte Kondensator zeichnet sich im Vergleich zu anderen abstimmbaren Kondensatoren, beispielsweise Varaktoren (Kapazitätsdioden), durch einen weiten abstimmbaren Bereich der Kapazität bei gleichzeitig hoher Güte aus. Dazu wird vorzugsweise ein Ausleger aus einem eigenspannungsfreien Material verwendet. Ein derartiger Ausleger besteht beispielsweise, wie das Substrat, aus einkristallinem Silizium. Zum Herstellen des Kondensators wird auf Technologien zurückgegriffen, die im Zusammenhang mit so genannten Micro Electromechanical Systems (MEMS) bekannt sind.
• Bei dem bekannten Kondensator ist eine Federsteifigkeit des Auslegers zu berücksichtigen. Dies bedeutet, dass zum Einstellen eines gewünschten Abstandes zwischen den Elektroden eine auf der Federsteifigkeit basierende, rückstellende Kraft zu überwinden ist. Dazu muss eine relativ hohe Spannung an die Elektroden angelegt werden. Alternativ dazu kann durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen die Federsteifigkeit des Auslegers vermindert werden. Beispielsweise wird dazu der Ausleger gefaltet. Auf diese Weise genügen niedrigere Spannungen, um einen bestimmten Abstand zwischen den Elektroden einzustellen.
• Aufgrund des elektrostatischen Funktionsprinzips ist der aus der DE 199 03 571 A1 bekannte Kondensatore instabil. Dies bedeutet, dass der Kondensator nur zwischen zwei Kapazitätszuständen geschaltet werden können.
• Sobald sich die beiden Elektroden des Kondensators durch elektrostatische Kräfte anziehen, nimmt die Kapazität zu und es fließt selbst bei konstanter Spannung zusätzliche Ladung auf die Elektroden, die die Anziehungskraft erhöhen. Die Endlage der beweglichen Elektrode wird durch einen mechanischen Anschlag gebildet. Der mechanische Anschlag kann stufenweise ausgeführt sein, so dass mehrere diskrete Zustände einstellbar sind. Eine kontinuierliche Abstimmung der Kapazität ist jedoch prinzipiell nicht möglich.
• Ein großer Abstimmbereich des Kondensators ergibt sich dadurch, dass ein Luftspalt möglichst klein ist, der aus dem Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode resultiert. Aufgrund einer Oberflächenrauhigkeit einer Elektrodenoberfläche der beteiligten Elektroden lässt sich der Luftspalt aber nicht beliebig klein ausgestalten. Es sei denn, die Elektrodenoberflächen der Elektroden werden mechanisch und/oder chemisch poliert. Dies ist sehr aufwändig.
• Aus der WO1/45127A1 ist ein Kondensator der eingangs genannten Art bekannt. Im Vergleich zu dem oben beschriebenen Kondensator ist zwischen den Elektroden ein dielektrisches Material zur elektrischen Isolierung von Elektrode und Gegenelektrode angeordnet. Das dielektrische Material, das als Formstoff bezeichnet werden kann, besteht aus einem Polymer mit niedriger Dielektrizitätskonstante. Augrund der niedrigen Dielektrizitätskonstante des Polymers ist der Abstimmbereich ebenfalls begrenzt.
• Aus der DE 37 28 864 A1 ist ebenfalls ein veränderbarer Kondensator bekannt, bei dem zwischen den Elektroden ein dielektrisches Material angeordnet ist. Das dielektrische Material ist beispielsweise Aluminiumoxid mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 10. Zum Einstellen des Abstandes zwischen Elektrode und Gegenelektrode wird ein piezoelektrischer Biegewandler verwendet.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen in einem weiten Bereich genau abstimmbaren Kondensator anzugeben, der zudem einfach herzustellen ist.
• Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kondensator mit veränderbarer Kapazität mit mindestens einer Elektrode und mindestens einer gegenüber der Elektrode in einem veränderbaren Abstand zur Elektrode angeordneten Gegenelektrode angegeben. Innerhalb des Abstands zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode auf einer der Elektrodenoberflächen zumindest einer der Elektroden ein dielektrisches Formteil mit einem dielektrischen Formstoff zum Ausgleichen einer Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche angeordnet. Der Kondensator ist dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Formstoff mindestens einen Verbundwerkstoff mit mindestens einem Basisstoff und mindestens einem Füllstoff aufweist, wobei der Basisstoff ein Kunststoff ist, der Füllstoff eine relative Dielektrizitätskonstante von mindestens 50 aufweist und ein Füllgrad des Füllstoffs im Basisstoff derart gewählt ist, dass die effektive Dielektrizitätskonstante mindestens 20 beträgt. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist der dielektrische Formstoff des Formteils eine effektive relative Dielektrizitätskonstante von mindestens 40 auf. Der dielektrische Formstoff weist eine möglichst hohe relative Dielektrizitätskonstante auf.
• Das Formteil bildet eine dielektrische Schicht mit fester Schichtdicke. Der veränderbare Abstand zwischen den Elektroden ergibt sich durch einen Luftspalt mit variabler Spaltweite.
• Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des Kondensators mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen der Elektrode des Kondensators, b) Aufbringen einer dielektrischen Formmasse auf der Elektrodenoberfläche der Elektrode, so dass die Elektrodenoberfläche durch die Formmasse abgeformt wird und c) Umwandeln der dielektrischen Formmasse in das dielektrische Formteil mit dem dielektrischen Formstoff, wobei die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche ausgeglichen wird. Das Verfahren kann entsprechend für die Gegenelektrode durchgeführt werden.
• Das Formteil ist eine dielektrische Schicht, die direkt auf der Elektrodenoberfläche der Elektrode und/oder der Elektrodenoberfläche der Gegenelektroden aufgebracht ist und die aus der dielektrischen Formmasse hergestellt wird. Unter Formmasse ist allgemein ein Erzeugnis und insbesondere ein Erzeugnis aus Kunststoff zu verstehen, das durch spanlose Formung bleibend zu einem Formteil (Formstoff) geformt werden kann. Unter spanloser Formung ist beispielsweise Spritzgießen, Extrudieren oder Pressen zu verstehen. Die Formmasse ist plastisch verformbar.
• Unter Verbundwerkstoff ist ein solcher Werkstoff zu verstehen, der durch Kombination unterschiedlicher Materialien erhalten wird. Vorzugsweise liegt der Verbundwerkstoff als Teilchenverbund vor. Der Teilchenverbund besteht aus einer Matrix, die von dem Basismaterial des Verbundwerkstoffs gebildet ist. In dieser Matrix ist der Füllstoff mit einem gewissen Füllstoffanteil (Füllgrad) enthalten. Der Basisstoff, der Füllstoff und der Füllgrad sind derart gewählt, dass eine relativ hohe, effektive Dielektrizitätskonstante für den resultierenden dielektrischen Formstoff erhalten wird. Die effektive relative Dielektrizitätskonstante ist die nach außen hin wirkende, relative Dielektrizitätskonstante. Sie ergibt sich aus den Dielektrizitätskonstanten des Basismaterials, des Füllstoffs und den Anteilen der beteiligten Materialien.
• Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, eine Oberflächenrauhigkeit (Oberflächenkontur) der Elektrodenoberfläche mit Hilfe der Formmasse auszugleichen. Durch ihre Verformbarkeit passt sich die Formmasse an die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche an. Die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche zeichnet sich beispielsweise durch eine bestimmte Rauhtiefe aus. Die Rauhtiefe ist der Abstand entlang einer Flächennormalen der Elektrodenoberfläche zwischen einem höchsten und einem niedrigsten Punkt der Elektrodenoberfläche. Durch das Ausgleichen der Oberflächenrauhigkeit ist ein sehr kleiner Luftspalt zwischen den Elektrodenoberflächen der Elektrode und der Gegenelektrode möglich. Durch den kleinen Luftspalt resultiert eine hohe Abstimmbarkeit des Kondensators. Mit Hilfe der Erfindung wird zudem der kleine Luftspalt auf einfache Weise erreicht. Ein mechanisches und/oder chemisches Polieren der Elektrodenoberfläche, das sehr aufwändig wäre, ist nicht nötig.
• Der Abstand d zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode entspricht der Summe der Schichtdicke d₁ der dielektrischen Schicht und der Spaltweite d₂ des Luftspalts. Die Spaltweite d₂ des Luftspalts kann variiert werden. Für die Dichte der Kapazität des Kondensators (Kapazität pro Flächeneinheit) resultiert mit der Kapazität C, der Elektrodenfläche A, der elektrischen Feldkonstante ε₀ und der relativen Dielektrizitätskonstante ε₁ der Formmasse des Formteil folgender Zusammenhang:

  
• Der Kondensator weist zwischen den Elektroden mindestens zwei Schichten auf: Eine erste Schicht (Formteil) mit einem hochdielektrischen Material und eine zweite Schicht mit einem niederdielektrischen Material. Während die Schichtdicke der ersten Schicht mit dem hochdielektrischen Material fixiert, also unverändert bleibt, wird die Schichtdicke der zweiten Schicht mit dem niederdielektrischen Material verändert. Anstelle von Luft kann für die zweite Schicht ein weiteres, niederdielektrisches Material vorgesehen sein. Das weitere, niederdielektrische Material ist beispielsweise ein von Luft verschiedenes Gas. Vakuum ist ebenfalls denkbar.
• Als Füllstoff ist ein beliebiger Werkstoff denkbar. Insbesondere ist der Füllstoff ein keramischer Werkstoff. Der keramische Werkstoff ist bevorzugt eine Kondensatorkeramik. Beispielsweise ist die Kondensatorkeramik ein Perowskit (ABO₃) und insbesondere ein Erdalkali-Perowskit. Dabei sind die A-Plätze des Perowskits von einem oder mehreren Erdalkalimetallen besetzt. Insbesondere ist die Kondensatorkeramik ein Stoff des Barium-Strontium-Titanat-Systems ((Ba,Sr)TiO₃). Die A-Plätze des Perowskits sind von Barium und/oder Strontium besetzt. Barium und Strontium können dabei in unterschiedlichen Anteilen zueinander vorliegen. Die B-Plätze des Perowskits sind von Titan besetzt.
• Damit die Oberflächenrauigkeit der Elektrodenoberfläche ausgeglichen werden kann, ist der Füllstoff als Pulver im Verbundwerkstoff enthalten. Das Pulver besteht aus Pulverpartikeln mit sehr kleinen Partikeldurchmessern. Die Oberflächenrauigkeit der Elektrodenoberflächen zeichnet sich durch Abmessungen im μm-Bereich aus. Daher weist der Füllstoff ein Pulver aus Pulverpartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser d₅₀ von unter 100 nm und insbesondere von unter 50 nm auf. Durch den durchschnittlichen Partikeldurchmesser im nm-Bereich kann die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche im μm-Bereich ausgeglichen werden.
• Das Basismaterial der Formmasse kann ein beliebiger Kunststoff sein. Mit einem keramischen Werkstoff als Füllstoff resultiert eine polymerkeramische Formmasse. Beispielsweise ist der Kunststoff ein Epoxidharz. Die Formmasse ist ein keramisch gefülltes Epoxidharz. Vorzugsweise ist der Kunststoff ein nicht- oder nur teilvernetzter Kunststoff. Durch Vernetzen, z.B. Polymerisation oder Kondensation, wird die Formmasse in das Formteil umgewandelt. Denkbar ist auch, dass das Basismaterial ein thermoplastischer Kunststoff ist. Bei höheren Temperaturen ist der Kunststoff plastisch verformbar. Eine Formmasse mit dem thermoplastischen Kunststoff als Basismaterial wird bei höheren Temperaturen auf die Elektrodenoberfläche aufgetragen. Dabei wird die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche abgeformt. Durch nachfolgende Temperaturerniedrigung wird die Formmasse in das Formteil umgewandelt, wobei die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche komplementär im Formteil abgebildet wird.
• Das Formteil und die Elektrodenoberfläche können lösbar miteinander verbunden sein. Vorzugsweise sind aber die Elektrodenoberfläche und das Formteil bleibend miteinander verbunden. Es besteht ein fester und inniger Kontakt zwischen dem Formteil und der Elektrodenoberfläche der Elektrode. Es resultiert ein zuverlässiges Bauteil. Eine Haftung des Formteils und der Elektrodenoberfläche der Elektrode aneinander kann mit Hilfe eines Haftvermittlers (Klebstoff) erzeugt werden. Der Haftvermittler sorgt für eine Verankerung des Formteils und der Elektrodenoberfläche. Beispielsweise wird der Klebstoff zum Herstellen des Kondensators als dünner Film zwischen der Formmasse und der Elektrodenoberfläche angeordnet. Durch Aushärten oder Trocknen des Klebstoffs entsteht der bleibende Kontakt zwischen der Elektrodenoberfläche und der Formmasse bzw. dem aus der Formmasse hergestellten Formteils. Wichtig dabei ist, dass der Klebstoff derart gewählt ist und derart aufgetragen wird, dass das Abformen der Elektrodenoberfläche durch die Formmasse gewährleistet ist.
• Das Auftragen eines Klebstoffs in Form eines dünnen Films ist aber nicht unbedingt notwendig, wie im Fall des Epoxidharzes als Basisstoff des Verbundwerkstoffs der Formmasse. Hier erfolgt die Haftung durch das Basismaterial der Formmasse selbst. Das Basismaterial der Formmasse fungiert als Klebstoff. Beim Umwandeln der Formmasse in das Formteil entsteht die bleibende Verbindung zwischen dem Formteil und der Elektrodenoberfläche. Das Umwandeln beinhaltet beispielsweise ein Aushärten der Formmasse bzw. des Basismaterials der Formmasse. Neben Epoxidharz sind auch andere beliebige Klebstoffe denkbar. Die Klebstoffe können aus einer Komponente oder mehreren Komponenten bestehen.
• Zum Herstellen des Kondensators kann die Elektrodenoberfläche mit der Formmasse versehen werden und vor oder nach dem Überführen in das Formteil mit einem Substrat (Trägerkörper) zusammengebracht werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird zum Bereitstellen der Elektrode ein Substrat mit der Elektrode verwendet. Die Elektrode ist auf einem Substrat angeordnet.
• Als Substrat kommt ein beliebiger einschichtiger oder mehrschichtiger Trägerkörper der Elektrode in Betracht. Das Substrat ist beispielsweise ein Halbleitersubstrat, auf dessen Oberfläche mit bekannten Technologien die Elektrode hergestellt wird. Denkbar ist auch ein Keramiksubstrat. Die Elektrode kann mit Hilfe der Dünnschichttechnik (z.B. Bedampfen) oder Dickschichttechnik (z.B. Siebdruck) auf einer Oberfläche des Keramiksubstrats hergestellt werden. Um ein zuverlässiges Bauteil zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn die dielektrische Formmasse bzw. das dielektrische Formteil nicht nur sehr gut auf einer die Elektrodenoberflächen, sondern auch auf einer die Elektrode umgebenden Substratoberfläche haftet.
• Neben einem homogenen, innerlich strukturlosen Trägerkörper ist insbesondere ein Mehrschichtkörper denkbar. Im Volumen des Mehrschichtkörpers kann eine Vielzahl von passiven elektrischen Bauelementen integriert werden. Somit können elektrische Schaltkreise Platz sparend realisiert werden. Der Mehrschichtkörper kann ein organischer Mehrschichtkörper (Multilayer Organic, MLO) oder ein keramischer Mehrschichtkörper (MLCC) sein. Als keramischer Mehrschichtkörper kommt insbesondere eine LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) Keramik in Betracht, bei der aufgrund der niedrigen Dichtbrandtemperatur der Keramik niedrig schmelzende und elektrisch hoch leitfähige Metalle wie Silber und Kupfer zur Integration der passiven Bauelemente verwendet werden können.
• In einer besonderen Ausgestaltung ist mindestens eine der Elektroden mit mindestens einem piezoelektrischen Aktor derart verbunden, dass durch elektrische Ansteuerung des Aktors der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode variiert werden kann. Eine derartige Lösung beinhaltet den besonderen Vorteil, dass der Abstand zwischen den Elektroden und damit die Kapazität des Kondensators stufenlos einstellbar sind. Dadurch, dass die Elektrodenoberfläche der Elektroden geglättet ist, kann zudem die Kapazität sehr genau eingestellt werden.
• Die Elektrode, die mit dem Aktor verbunden ist, kann elektrisch isoliert vom Piezoelement des Aktors angeordnet sein. Durch Bauform, sowie Wahl von Material und Herstellungstechnologie von Elektrode und Gegenelektrode des Kondensators können Leistungsverluste durch die begrenzte Leitfähigkeit der Elektrodenmetalle minimiert werden. Hierdurch wird unabhängig vom Abstimmbereich eine hohe Güte des Kondensators erzielt.
• In einer besonderen Ausgestaltung ist die Elektrode, die mit dem Aktor verbunden ist, eine Aktorelektrode des Aktors. Die Aktorelektrode ist eine Elektrodenschicht eines Piezoelements des Aktors.
• Die Ausgestaltung des Aktors ist beliebig. Entscheidend ist, dass die piezoelektrische Auslenkung des Aktors groß genug ist, so dass eine gewünschte Änderung des Abstandes zwischen den Elektroden des Kondensators erzielt werden kann. Um eine relativ große Auslenkung zu erzielen, kann ein Aktor verwendet werden, der eine Vielzahl von übereinander zu einem Aktorkörper gestapelten Piezoelementen aufweist. Die Piezoelemente können dabei zusammengeklebt sein. Dies bietet sich beispielsweise für Piezoelemente mit piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Polymer wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) an. Ebenso sind piezoelektrische Schichten aus einem piezokeramischen Material denkbar. Das piezokeramische Material ist beispielsweise ein Bleizirkonattitanat (PZT) oder ein Zinkoxid (ZnO). Die Piezoelemente mit piezoelektrischen Schichten aus piezokeramischem Material sind beispielsweise nicht zusammengeklebt, sondern in einem gemeinsamen Sinterprozess (Co-Firing) zu einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise verbunden.
• In einer besonderen Ausgestaltung ist der Aktor ein piezoelektrischer Biegewandler. Durch eine relativ geringe Ansteuerspannung kann bei dem Biegwandler eine relativ große piezoelektrische Auslenkung erzielt werden. So genügt beispielsweise eine Ansteuerspannung von unter 10 V, um eine Auslenkung des Biegewandlers von über 10 μm zu bewirken. Durch die große erzielbare Auslenkung kann der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode des Kondensators in einem weiten Bereich variiert werden. Dadurch ist es möglich, die Kapazität des Kondensators in einem weiten Bereich zu verändern.
• Der Biegewandler kann als so genannter Bimorph ausgestaltet sein. Bei einem derartigen Biegewandler ist eine piezoelektrisch aktive Schicht (piezoelektrische Schicht des Piezoelements) mit einer piezoelektrisch inaktiven Schicht fest verbunden. Durch Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements des Biegewandlers kommt es zur piezoelektrischen Auslenkung der piezoelektrisch aktiven Schicht. Die piezoelektrisch inaktive Schicht wird dagegen durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements nicht ausgelenkt. Auf Grund der festen Verbindung zwischen den Schichten kommt es zu einer Verbiegung des Biegewandlers. Die piezoelektrisch inaktive Schicht kann beispielsweise eine dünne Membran aus Silizium sein, auf die die piezoelektrisch aktive Schicht durch ein Sputterverfahren aufgebracht wurde.
• Alternativ dazu ist auch ein Biegewandler in Form eines Multimorph denkbar, der mehrere piezoelektrisch aktive Schichten aufweist, die fest miteinander verbunden sind. Die piezoelektrisch aktiven Schichten können zu einem einzigen Piezoelement zusammengefasst sein. Die piezoelektrisch aktiven Schichten bilden zusammen die piezoelektrische Schicht des Piezoelements. Denkbar ist auch, dass mehrere Piezoelemente mit jeweils einer piezoelektrisch aktiven Schicht zu einem Mehrschichtverbund angeordnet sind. Durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements beziehungsweise der Piezoelemente des Biegewandlers werden beispielsweise in den piezoelektrisch aktiven Schichten unterschiedliche elektrische Felder erzeugt, die zu unterschiedlichen Auslenkungen der piezoelektrisch aktiven Schichten führen. Aufgrund der unterschiedlichen Auslenkungen der piezoelektrisch aktiven Schichten kommt es zu einer Verbiegung des Biegewandlers.
• In einer besonderen Ausgestaltung wird zwischen der Gegenelektrode und der dielektrischen Formmasse eine Antihaftschicht auf der Formmasse und/oder auf der Gegenelektrode angeordnet. Für den Fall, dass das Formteil auf der Elektrodenoberfläche der Gegenelektrode haftend angeordnet werden soll, wird die Antihaftschicht zwischen der Elektrode und der dielektrischen Formmasse und/oder auf der Elektrode angeordnet. Es wird ein fester und inniger Kontakt zwischen dem Formteil und nur einer der Elektroden herbestellt. Die Formmasse bzw. das Formteil und die andere Elektrode sind lösbar miteinander verbunden. Die Antihaftschicht ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Abformen der Elektrodenoberfläche einer der Elektroden durch die dielektrische Formmasse möglich ist. Dazu wird gemäß einer besonderen Ausgestaltung eine Antihaftschicht mit einer plastisch verformbaren Kunststoffschicht verwendet. Eine derartige Schicht bildet sich beispielsweise durch Oberflächenbehandlung der Formmasse. Die Oberflächenbehandlung kann ein Antrocknen, eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung oder eine Reaktion mit einem reaktiven Gas oder einer reaktiven Flüssigkeit sein. Es bildet sich ein das Anhaften der entsprechenden Elektrodenoberfläche und der Formmasse unterbindender Film auf der Formmasse. In einer weiteren Ausgestaltung wird als Antihaftschicht ein Ölfilm verwendet. Der Ölfilm wird auf die noch nicht ausgehärtete Formmasse oder auf die Gegenelektrode aufgetragen. Nachfolgend werden die Gegenelektrode und die Formmasse zusammengebracht. Die Elektrodenoberfläche der Gegenelektrode wird durch die dielektrische Formmasse abgeformt. Nachfolgende Umwandlung der dielektrischen Formmasse in das dielektrische Formteil führt zum Ausgleichen der Elektrodenoberflächen beider Elektroden. Lediglich mit einer der Elektroden resultiert ein fester Kontakt, so dass der Abstand zwischen den Elektroden über einen veränderbaren Luftspalt variiert werden kann. Nach dem Aushärten der dielektrischen Formmasse wird der Ölfilm mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels entfernt werden.
• Zum Herstellen des Kondensators kann ein bereits vorgefertigter Kondensator mit veränderbarem Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode bereitgestellt werden, bei dem nachträglich zumindest eine der Elektrodenoberflächen mit der Formmasse versehen wird. Beispielweise wird wie folgt vorgegangen: Bereitstellen eines Kondensators mit veränderbarer Kapazität, aufweisend mindestens eine Elektrode und mindestens eine gegenüber der Elektrode in einem veränderbaren Abstand zur Elektrode angeordneten Gegenelektrode, wobei mindestens eine der Elektroden mit mindestens einem piezoelektrischen Aktor derart verbunden ist, dass durch elektrische Ansteuerung des Aktors der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode verändert werden kann, Zusammenbringen einer dielektrischen Formmasse und einer Elektrodenoberfläche zumindest einer der Elektroden des Kondensators, so dass die Elektrodenoberfläche durch die dielektrische Formmasse abgeformt wird und Umwandeln der dielektrischen Formmasse in das Formteil, wobei eine bleibende Verbindung zwischen dem Formteil und der Elektrodenoberfläche besteht.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung werden der Kondensator und das Formteil mehr oder weniger gleichzeitig hergestellt. Dazu werden folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: d) Bereitstellen eines Substrats mit der Elektrode und mit einem elektrischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung der Gegenelektrode des Kondensators, e) Auftragen einer elektrisch leitfähigen Formmasse auf dem elektrischen Anschluss, f) Verbinden der Gegenelektrode und der elektrisch leitfähigen Formmasse und g) Umwandeln der elektrisch leitfähigen Formmasse in ein elektrisch leitfähiges Formteil. Vorzugsweise wird als elektrisch leitfähige Formmasse ein Leitklebstoff verwendet. Der Leitklebstoff ist ein Verbundwerkstoff, bei dem im Gegensatz zur dielektrischen Formmasse elektrisch leitfähige Partikel als Füllstoff elektrisch leitfähige Partikel eingesetzt werden. Das Umwandeln der dielektrischen Formmasse in das dielektrische Formteil und das Umwandeln der elektrisch leitfähigen Formmasse in das elektrisch leitfähige Formteil können gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.
• Beispielsweise werden die dielektrische Formmasse auf die bereitgestellte Elektrode und die elektrisch leitfähige Formmasse auf den elektrischen Anschluss aufgetragen. Die dielektrische Formmasse wird angetrocknet, so dass eine nicht klebende, aber plastisch verformbare Haut (Antihaftschicht) auf der Formmasse resultiert. Nachfolgend wird die Gegenelektrode mit der dielektrischen Formmasse und der elektrischen Formmasse zusammengebracht. Die dielektrische Formmasse und die elektrische Formmasse werden ausgehärtet. Durch das Aushärten der elektrisch leitfähigen Formmasse wird die Gegenelektrode mit dem resultierenden elektrisch leitfähigen Formteil und damit mit dem elektrischen Anschluss fest verbunden. Es resultiert ein fester elektrischer Kontakt, über den die Gegenelektrode mit elektrischer Spannung versorgt werden kann. Im Gegensatz dazu entsteht zwischen der Gegenelektrode und der dielektrischen Formmasse kein bleibender Kontakt. Es wird lediglich die Oberflächenrauhigkeit der Gegenelektrode abgeformt. Durch Aushärten der dielektrischen Formmasse entsteht das dielektrische Formteil, das sowohl die Oberflächenrauhigkeit der Elektrode als auch die Oberflächenrauhigkeit der Gegenelektrode aufweist. Das dielektrische Formteil ist aber lediglich mit der Elektrode fest verbunden.
• Vorzugsweise wird der Kondensator mit veränderbarer Kapazität zum Einstellen eines Frequenzbandes eines Frequenzfilters verwendet. Durch die Möglichkeit, ein Frequenzband eines Frequenzfilters durch elektrische Ansteuerung eines abstimmbaren Kondensators in einem weiten Bereich zu verändern, ist mit Hilfe der Erfindung ein Konzept der Nachrichtentechnik bzw. Mobilfunktechnik realisierbar, das als "Software Defined Radio" (SDR) bezeichnet wird. Ziel des SDR ist es, nicht diskrete Frequenzbänder, sondern beliebig (kontinuierlich) veränderbare Frequenzbänder für die Nachrichten- bzw. Mobilfunktechnik zu realisieren. Mit dem abstimmbaren Kondensator der vorliegenden Erfindung wird ein Grundbaustein zur Umsetzung des SDR zur Verfügung gestellt.
• Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:
• – Hilfe des dielektrischen Formteils reduziert sich die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche zumindest einer der Elektroden des Kondensators. Damit ist ein sehr kleiner Luftspalt zwischen den Elektroden des Kondensators zugänglich.
• – Die Kapazität des Kondensators kann aufgrund des kleinen Luftspalts und durch die Verwendung eines Formteils mit einem hoch dielektrischen Formstoff in einem weiten Bereich variiert werden.
• – Insbesondere durch die Abstandseinstellung mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors kann die Kapazität des Kondensators in einem weiten Bereich sehr genau eingestellt werden.
• – Der Kondensator kann auf einfache Weise hergestellt werden.
• Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
• 1 zeigt einen Kondensator mit abstimmbarer Kapazität in einem seitlichen Querschnitt.
• 2 zeigt das Funktionsprinzips eines Kondensators mit abstimmbarer Kapazität durch Variation des Abstands zwischen Elektrode und Gegenelektrode des Kondensators.
• Die prinzipiellen Zusammenhänge, auf denen die Erfindung basiert, sind der 2 zu entnehmen. Der Kondensator 10 weist eine Elektrode 11 und eine in einem Abstand 13 zur Elektrode 11 und der Elektrode 11 gegenüber liegend angeordnete Gegenelektrode 12 auf. Der Abstand 13 zwischen der Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 ist veränderbar. Dies bedeutet, dass die Elektrode 11 und die Gegenelektrode 12 aufeinander zu bewegt und voneinander entfernt werden können.
• Auf der Elektrodenoberfläche 111 der Elektrode 11 ist innerhalb des Abstandes 13 ein dielektrisches Formteil 15 in Form einer dielektrischen Schicht mit einer Schichtdicke 151 aufgetragen. Das Material der dielektrischen Schicht 15 weist eine effektive relative Dielektrizitätskonstante von etwa 40 auf. Die Schichtdicke 151 der dielektrischen Schicht 15 ist konstant, also nicht veränderbar. Zwischen der dielektrischen Schicht 15 und der Gegenelektrode 12 des Kondensators 10 befindet sich ein Luftspalt 14 mit einer veränderbaren Spaltweite 141. Durch die Veränderung der Spaltweite 141 des Luftspalts 14 wird der Abstand 13 zwischen der Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 des Kondensators 10 verändert. Je kleiner der Abstand 13 zwischen den Elektroden 11 und 12 gewählt werden kann, desto weiter ist der Abstimmbereich des Kondensators.
• Besonders vorteilhaft ist zum Einstellen des Abstands 13 zwischen den Elektroden 11 und 13 die Verwendung eines piezoelektrischen Biegewandlers 20. Der Biegewandler 20 ist beispielsweise ein keramischer Biegewandler. Der keramische Biegewandler 20 zeichnet sich durch raue Oberflächen aus. In 1 ist in starker Überhöhung ein piezoelektrischer Biegewandler 20 mit rauen Oberflächen 22 zu sehen, der mit Aktorelektroden 21 und 22 beschichtet ist. Die Beschichtung erfolgt durch Bedampfung mit Metall. Somit ist Oberflächenrauhigkeit des Biegewandlers 20 in der Oberflächenrauhigkeit der Aktorelektroden 21 und 22 abgebildet. Insbesondere die Oberflächenrauhigkeit der Aktorelektrode 21, die als Gegenelektrode 12 des Kondensators 10 verwendet wird, erschwert das exakte Einstellen eines engen Luftspalts 14. Daher wird die Oberflächenrauhigkeit zumindest einer der Elektroden 11 oder 12 mit Hilfe des dielektrischen Formteils (dielektrische Schicht) 15 ausgeglichen. Das dielektrische Formteil besteht aus einem Verbundwerkstoff. Das Basismaterial des Verbundwerkstoffs ist ein Epoxidharz. Gefüllt ist das Epoxidharz mit einem Pulver des Barium-Strontium-Titanat-Systems. Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Pulvers beträgt weniger als 100 nm.
• Zum Herstellen des Kondensators 10 wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird ein Substrat 1 mit der Elektrode 11 des Kondensators 10 bereitgestellt. Das Substrat ist ein keramisches Mehrschichtsubstrat. Das bereitgestellte Substrat 1 verfügt auch über einen elektrischen Anschluss 18 zur elektrischen Kontaktierung der Gegenelektrode 12 des Kondensators 10. Auf der Elektrode 11 des Kondensators 10 wird eine dielektrische Formmasse 150 und auf dem elektrischen Anschluss 18 eine elektrisch leitfähige Formmasse 170 aufgetragen. Es erfolgt eine Oberflächenbehandlung der dielektrischen Formmasse 150, so dass eine Antihaltbeschichtung 16 resultiert. Die Antihaftbeschichtung 16 ist plastisch verformbar. Nachfolgende wird die Gegenelektrode 12 mit der dielektrischen Formmasse 150 und der elektrisch leitfähigen Formmasse 170 zusammengebracht. Das Zusammenbringen erfolgt unter Druck. Dabei wird die mikroskopische Rauhigkeit der Aktorunterseite, die von der Aktorelektrode 21 des Biegwandlers 20 gebildet ist, in die dielektrische Formmasse 150 und die elektrische Formmasse 170 übertragen. Durch geeignete Materialeigenschaften wird sichergestellt, dass ein Verkleben mit der Aktorunterseite nur bei der elektrisch leitfähigen Formmasse 170 auftritt. Ein Verkleben der Aktorunterseite des Biegewandlers 20 mit der dielektrischen Formmasse 150 findet aufgrund der Antihaftschicht 16 nicht statt.
• Nachfolgend werden die Formmassen 150 und 170 ausgehärtet. Es bilden sich das dielektrische Formteil 15 und das elektrisch leitfähige Formteil 17. Dabei entsteht eine bleibende Verbindung zwischen dem elektrischen Anschluss 18, des elektrisch leitfähigen Formteils 17 und der Gegenelektrode 12 des Kondensators (Aktorelektrode 21 des Biegewandlers 20). Ebenso entsteht eine bleibende Verbindung zwischen dem dielektrischen Formteils 15 und der Elektrode 11 des Kondensators 10. Zwischen dem dielektrischen Formteil 15 und der Gegenelektrode 12 bildet sich eine lösbare Verbindung. Aufgrund der lösbaren Verbindung kann die Spaltweite 141 des Luftspalts 14 mit Hilfe des piezoelektrischen Biegewandlers eingestellt werden. Da Oberflächenrauhigkeiten 113 der Elektroden 11 und 12 ausgeglichen sind, kann die Spaltweite des Luftspalts 14 sehr genau eingestellt werden.
• Der beschriebene abstimmbare Kondensator 10 wird zum Einstellen eines Frequenzbandes eines Frequenzfilters verwendet.

Claims (17)

1. Kondensator (10) mit veränderbarer Kapazität mit – mindestens einer Elektrode (11, 12) und – mindestens einer gegenüber der Elektrode (11, 12) in einem veränderbaren Abstand (13) zur Elektrode (11, 12) angeordneten Gegenelektrode (12, 11), wobei – innerhalb des Abstands (13) zwischen der Elektrode (11, 12) und der Gegenelektrode (12, 11) auf einer Elektrodenoberfläche (111, 121) zumindest einer der Elektroden (11, 12) mindestens ein dielektrisches Formteil (14) mit einem dielektrischen Formstoff zum Ausgleichen einer Oberflächenrauhigkeit (113) der Elektrodenoberfläche (111, 121) angeordnet ist, – dadurch gekennzeichnet, dass – der dielektrische Formstoff mindestens einen Verbundwerkstoff mit mindestens einem Basisstoff und mindestens einem Füllstoff aufweist, – der Basisstoff ein Kunststoff ist, – der Füllstoff eine relative Dielektrizitätskonstante von mindestens 50 aufweist und – ein Füllgrad des Füllstoffs im Basisstoff derart gewählt ist, dass die effektive Dielektrizitätskonstante mindestens 20 beträgt.
2. Kondensator nach Anspruch 1, wobei die effektive Dielektrizitätskonstante mindestens 40 beträgt.
3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Füllstoff ein Pulver aus Pulverpartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser d₅₀ von unter 100 nm und insbesondere von unter 50 nm aufweist.
4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kunststoff ein Klebstoff ist.
5. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens eine der Elektroden (11, 12) mit mindestens einem piezoelektrischen Aktor (20) derart verbunden ist, dass durch elektrische Ansteuerung des Aktors (20) der Abstand (13) zwischen der Elektrode (11, 12) und der Gegenelektrode (12, 11) verändert werden kann.
6. Kondensator nach Anspruch 5, wobei die Elektrode, die mit dem Aktor (20) verbunden ist, eine Aktorelektrode (21) des Aktors (20) ist.
7. Kondensator nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Aktor (20) ein piezoelektrischer Biegewandler ist.
8. Verfahren zum Herstellen des Kondensators (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen der Elektrode des Kondensators, b) Aufbringen einer dielektrischen Formmasse auf der Elektrodenoberfläche der Elektrode, so dass die Elektrodenoberfläche durch die Formmasse abgeformt wird und c) Umwandeln der dielektrischen Formmasse in das dielektrische Formteil mit dem dielektrischen Formstoff, wobei die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche ausgeglichen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei beim Umwandeln der Formmasse in das Formteil eine bleibende Verbindung zwischen dem Formteil und der Elektrodenoberfläche entsteht.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zum Bereitstellen der Elektrode ein Substrat (1) mit der Elektrode verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 mit folgenden weiteren Verfahrensschritten: d) Bereitstellen eines Substrats mit der Elektrode und mit einem elektrischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung der Gegenelektrode des Kondensators, e) Auftragen einer elektrisch leitfähigen Formmasse auf dem elektrischen Anschluss, f) Verbinden der Gegenelektrode und der elektrisch leitfähigen Formmasse und g) Umwandeln der elektrisch leitfähigen Formmasse in ein elektrisch leitfähiges Formteil.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei als elektrisch leitfähige Formmasse ein Leitklebstoff verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei zwischen der Gegenelektrode und der dielektrischen Formmasse eine Antihaftschicht auf der Formmasse und/oder auf der Gegenelektrode angeordnet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Antihaftschicht mit einer plastisch verformbaren Kunststoffschicht verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei eine Antihaftschicht mit einem Ölfilm verwendet wird.
16. Verwendung des Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Einstellen einer eines Frequenzbandes eine Frequenzfilters.
17. Verwendung des Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Einstellen einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung.