DE1060497B

DE1060497B - Electrical capacitor with a composite dielectric

Info

Publication number: DE1060497B
Application number: DEST5849A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Werner Soyck
Original assignee: Steatit Magnesia AG
Current assignee: Steatit Magnesia AG
Priority date: 1953-01-15
Filing date: 1953-01-15
Publication date: 1959-07-02

Description

Elektrischer Kondensator mit einem Verbunddielektrikum Die Erfindung betrifft elektrische Kondensatoren, deren Dielektrikum ein Verbunddielektrikum in dem Sinne ist, daß das Dielektrikum eines keramischen Trägerwerkstoffes und das einer auf diesem aufgebrachten Glas- oder Glasurschicht elektrisch hin.tereinandergeschaltet sind.Electrical capacitor with a composite dielectric. The invention relates to electrical capacitors whose dielectric is a composite dielectric in the sense is that the dielectric of a ceramic carrier material and the a layer of glass or glaze applied to it electrically back-to-back are.

Derartige Mehrschichtenkondensatoren sind bereits bekannt, z. B. solche, deren Dielektrikum aus mindestens zwei hintereinandergeschalteten keramischen Dielektriken besteht, die in einem gemeinsamen Brand hergestellt und zugleich fest zusammengesintert sind. Da jedoch die dielektrischen Eigenschaften der Einzelschichten auch vom Ablauf der chemischen Reaktionen beim Brennen beeinflußt werden, so ist es schwierig, vorgegebene Werte, z. B. der resultierenden Dielektrizitätskonstamten (DK) oder des Temperaturkoeffizienten (TK) der DK in exakter Weise auf Grund eines derartigen Verbundbrandes zu erzielen. Denn die Komponenten der Stoffarten müssen im Brand zwar untereinander reagieren, dürfen jedoch nicht auf die Komponenten der anderen Stoffart im chemischen Sinne einwirken. Im allgemeinen wird jedoch die Reaktion, über die Trennebene zweier unmittelbar und flächenhaft aneinandergrenzender Stoffarten hinweggreifen, und zwar in unvorherzusehender Weise, so daß dementsprechend die vorgegebenen Werte nicht oder nur in Ausnahmefällen reproduzierbar zu erzielen sind. Noch schwieriger ist es aber, die nach dem Verbundbrand festgestellten Abweichungen vom Sollwert zu korrigieren, da nur noch die äußeren Abmessungen abänderbar sind, was bei den relativ harten und spröden keramischen Verbundkörpern viel Nacharbeit und hohe Ausschußquoten mit sich bringen würde.Such multilayer capacitors are already known, e.g. B. those whose dielectric consists of at least two ceramic dielectrics connected in series consists, which are produced in a common fire and at the same time firmly sintered together are. However, since the dielectric properties of the individual layers also depend on the drain the chemical reactions during firing are influenced, so it is difficult to predetermine Values, e.g. B. the resulting dielectric constant (DK) or the temperature coefficient (TK) to achieve the DK in an exact manner on the basis of such a composite fire. Because the components of the types of material must react with each other in a fire, However, they are not allowed to refer to the components of the other substance type in the chemical sense act. In general, however, the reaction becomes immediate via the dividing line between two and reach away from adjacent types of material, in an unpredictable way Way, so that accordingly the specified values are not or only in exceptional cases can be achieved reproducibly. But it is even more difficult after the composite fire to correct detected deviations from the target value, since only the external Dimensions can be changed, which is the case with the relatively hard and brittle ceramic Composite bodies would involve a lot of rework and high reject rates.

Diese Schwierigkeiten bzw. Nachteile sind bei einem Kondensator nach der vorliegenden Erfindung behoben, indem sein dielektrischer keramischer Trägerkörper zunächst für sich allein gebrannt ist und das zweite Dielektrikum in Gestalt eines darauf befestigten Glasplättchens oder einer nachträglich eingebrannten dünnen Glasur aufgebracht ist.These difficulties or disadvantages are in accordance with a capacitor of the present invention resolved by its dielectric ceramic support body is initially burned on its own and the second dielectric in the form of a A glass plate attached to it or a thin glaze that is subsequently burned in is upset.

Ein älterer, jedoch nicht zum Stand der Technik gehörender Vorschlag offenbart den Gedanken, daß es mittels eines keramischen Mehrschichtendielektrikums möglich ist, den TK der DK eines derart aufgebauten Kondensators auf beliebige Werte einzustellen, insbesondere ihn auf Null zu bringen. Hierbei ist die eine der keramischen Komponenten ebenfalls eine Glasur kleiner DK, jedoch mit mittlerem bis hohem TK der DK, und der TK der DK des zugehörigen keramischen Scherbens mit relativ hoher DK soll ebenfalls ähnliche mittlere bis hohe Werte aufweisen. Hierdurch ist bei entgegengesetztem Temperaturgang der Temperaturabhängigkeit der beiden DK die Verwirklichung sehr kleiner TK möglich, die bis zur vollständigen gegenseitigen Kompensierung der Einzel-TK-Werte führen kann.An older but not prior art proposal discloses the idea that it can be achieved by means of a ceramic multilayer dielectric it is possible to set the TK of the DK of a capacitor constructed in this way to any values adjust, especially bring it to zero. Here is one of the ceramic Components also have a glaze with a small DK, but with a medium to high TK the DK, and the TK of the DK of the associated ceramic body with a relatively high DK should also have similar medium to high values. This is at opposite temperature response of the temperature dependence of the two DCs the realization very small TK possible, up to the complete mutual compensation of the Single TK values can result.

Von diesem älteren Vorschlag unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand dadurch, daß die DK des keramischen Trägerwerkstoffes mindestens 50mal so groß wie diejenige des Glases oder der Glasur ist.The subject matter of the invention differs from this older proposal in that the DK of the ceramic carrier material is at least 50 times as large as is that of the glass or the glaze.

Dieses bedeutet, daß Werte der DK im Bereich von 300 bis 4000 erfindungsgemäß zur Anwendung kommen sollen, die sich durch die neueren - insbesondere bariummetatitanathaltigen - dielektrischen Werkstoffe verwirklichen lassen. Da derarüig hohe Werte im Zeitpunkt des älteren Vorschlages (1939) noch unbekannt waren, unterscheiden sich keramischer Trägerwerkstoff und die auf ihm befindliche Glasur laut dem älteren Vorschlag nicht allzu stark in ihren DK, so daß ein solches Verbunddielektrikum in bekannter Weise als Serienschaltung zweier Kapazitäten zu betrachten ist, bei welcher die DK des keramischen Trägers reehnungsmäß-ig stark ins Gewicht fällt. Wie die machfolgende Durehrechnung eines erfindungsgemäßen Beispiels zeigt, wirkt sich demgegenüber eine mindestens 50fache DK des Trägers, verglichen mit der der Glasur, derart aus, daß der keramische Träger in der Serienschaltung beider Medien sich praktisch als Kondensator nicht mehr auswirkt. Somit ist man in der Lage, als überwiegend wirksames Dielektrikum eines erfindungsgemäßen Verbundkondensators eine außergewöhnlich dünne Glas- oder Glasurschicht zu verwenden, die auf Grund ihrer Schichtdicke von 0,1 oder 0,05 mm es gestattet, trotz der reicht sehr großen DK des Glases (4 bis 10) große Kapazitätswerte bei nur geringem Raumbedarf in technisch einfacher und einwandfreier Weise darzustellen, und zwar durch robuste und betriebssichere Kondensatorenkörper. Denn ebenso wie der vergleichsweise dicke Grundkörper den mechanischen Bruch des sehr dünnen Dielektrikums verhindert, so verhindert er auch dessen elektrischen Durchschlag, selbst in dem Falle. daß eine Fehlerstelle im Glas oder in der Glasur. z. B. in Form eines unsichtbaren feinen Risses, enthalten ist. Eine Herabminderung des TK der DK, wie sie im erwähnten älteren Vorschlag erzielt wird, ist beim erfindungsgemäßen Verbunddielektrikum ebenfalls erreichbar, wie die Durchrechnung des nachfolgenden Beispiels erkennen läßt. Jedoch ist dieser zusätzliche Effekt nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.This means that values of the DK in the range from 300 to 4000 according to the invention to be used, which are due to the newer - in particular bariummetatitanathaltigen - Realize dielectric materials. Since such high values at the time of the older proposal (1939) were still unknown, differ more ceramic ones According to the older proposal, the carrier material and the glaze on it are not too strong in their DK, so that such a composite dielectric in a known manner is to be regarded as a series connection of two capacitors, in which the DK des ceramic carrier is very important in terms of stretching. Like the next one By calculating an example according to the invention shows, a at least 50 times the DK of the carrier, compared to that of the glaze, in such a way that The ceramic carrier in the series connection of both media is practically a capacitor no longer affects. Thus, one is able to act as a predominantly effective dielectric a composite capacitor according to the invention an exceptionally thin glass or Layer of glaze to use that on Reason of their layer thickness of 0.1 or 0.05 mm is permitted, despite the very large DK of the glass (4 to 10) large capacity values with little space requirement in technically simple and flawlessly represented by robust and reliable capacitor bodies. Because just like the comparatively thick base body, the mechanical breakage of the prevents very thin dielectric, it also prevents its electrical Breakdown, even in that case. that a flaw in the glass or in the glaze. z. B. in the form of an invisible fine crack is included. A degradation of the TK of the DK, as it is achieved in the aforementioned older proposal, is with the invention Composite dielectric also achievable, like the calculation of the following Example shows. However, this additional effect is not the subject of the present invention.

Das Glasdielektrikum könnte an sich in Gestalt eines sehr dünnen Glasplättchens nachträglich auf dem keramischen Trägerkörper befestigt werden, jedoch ist ohne weiteres einzusehen, daß man im allgemeinen einer Aufbringung in Form einer dünnen Glasur den Vorzug geben wird. Wenn es erforderlich ist, die Glasur etwas stärker aufzubringen, so kann man den Tragkörper auch auf beiden Seiten glasieren und in diesem Falle als geeignete Grundform des Kondensators eine ebene runde Platte verwenden, da ein einwandfreies Glasieren der Innenseite von Röhrchen schwierig bzw. umständlich ist.The glass dielectric could itself be in the form of a very thin glass plate can be subsequently attached to the ceramic support body, but is without further understand that one generally has an application in the form of a thin Glaze will give preference. If necessary, the glaze a little stronger apply, you can glaze the support body on both sides and in In this case, use a flat, round plate as a suitable basic shape for the capacitor, as a perfect glazing of the inside of the tubes is difficult or cumbersome is.

Die Metallisierung des fertigen Körpers kann in der üblichen Weise mittels Einbrennsilbers vorgenommen werden.The finished body can be metallized in the usual way be made by means of burn-in silver.

Um die Bedeutung der neuen Verbunddielektriken zu veranschaulichen, sei ein Beispiel durchgerechnet und den gegenwärtig gebräuchlichen keramischen Dielektriken gegenübergestellt.To illustrate the importance of the new composite dielectrics, Let us calculate an example and the currently used ceramic dielectrics juxtaposed.

Zunächst werden die Berechnungsformeln für die sich ergebenden Reihenschaltungen entwickelt. Es bedeuten: dl und d2 die Dicken der Dielektrikern; t, und E2 die dielektrischen Konstanten; tgöt und tgö, die dielektrischen Verlustfaktoren, und TK, und TK, die Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten.First, the calculation formulas for the resulting series connections developed. The meanings are: d1 and d2 are the thicknesses of the dielectrics; t, and E2 the dielectric Constants; tgöt and tgö, the dielectric loss factors, and TK, and TK, the Temperature coefficient of the dielectric constant.

Mit dem Index 1 wird stets dasjenige Dielektrikum bezeichnet, das interessiert. Im Falle der Erfindung, wo die Glasur auf den Tragkörper hoher Dielektrizitätskonstante aufgebracht ist, ist dies die Glasur. Im Falle daß ein keramisches Dielektrikum durch eine Glasur hinsichtlich seines Temperaturkoeffizienten in bestimmter Weise beeinflußt werden soll, gehört zum Index 1 das keramische Dielektrikum. Die Dielektrizitätskonstante et ist also stets auf die Dicke dl in der Weise bezogen, daß folgende Formel gilt: worin 11 ein Produkt aus Belagfläche und Maßkonstante darstellt.The index 1 always denotes the dielectric that is of interest. In the case of the invention, where the glaze is applied to the carrier body with a high dielectric constant, this is the glaze. In the event that a ceramic dielectric is to be influenced in a certain way by a glaze with regard to its temperature coefficient, index 1 includes the ceramic dielectric. The dielectric constant et is therefore always related to the thickness dl in such a way that the following formula applies: where 11 is a product of the surface area and the constant of measure.

Setzt man zur Abkürzung so ergeben sich folgende resultierende Größen: Dabei entspricht d t dem Unterschied zwischen Anfangs- und Endtemperatur, TK .. d t dem Temperaturkoeffizienten dieses Bereiches.If you put it as an abbreviation this results in the following sizes: Here dt corresponds to the difference between the start and end temperature, TK .. d t the temperature coefficient of this range.

Als Beispiel dient ein Rohr mit 12 mm Außendurchmesser und 1 mm Wandstärke aus einem bariumtitanathaltigen Werkstoff, dessen Dielektrizitätskonstante 4000 bei 30° C, 3000 bei 55° C und 2000 bei 80° C und dessen Verlustfaktor 100.10-4 beträgt, mit einer auf ihm aufgebrachten Glasur von 0,1 mm Stärke, deren Dielektrizitätskonstante gleich 10 ist, mit einem TK=+100-10-s/° C und einem Verlustfaktor tgö=10-10-4.A pipe with an outer diameter of 12 mm and a wall thickness of 1 mm is used as an example made of a material containing barium titanate, the dielectric constant of which is 4000 at 30 ° C, 3000 at 55 ° C and 2000 at 80 ° C and its loss factor is 100.10-4, with a glaze 0.1 mm thick applied to it, its dielectric constant equals 10, with a TC = + 100-10-s / ° C and a loss factor tgö = 10-10-4.

Es ergibt sich q = 0,025. Die resultierende Dielektrizitätskonstante, bezogen auf die Dicke der Glasur, wird praktisch gleich derjenigen der Glasur, der Verlustfaktor gleich dem 1,25fachen von dem der Glasur und der resultierende Temperaturkoeffizient der Kapazität gleich - 400 - 10-6/° C.The result is q = 0.025. The resulting dielectric constant, based on the thickness of the glaze, is practically equal to that of the glaze, the Loss factor equal to 1.25 times that of the glaze and the resulting temperature coefficient the capacity is equal to - 400 - 10-6 / ° C.

Die erzielbare Kapazität des Rohres, bezogen auf das aktive Dielektrikum, beträgt 33 pF je mm Röhrchenlänge. Für den fertigen Kondensator treten natürlich zur Gesamtlänge noch die Kriechwege hinzu und gegebenenfalls ein weiteres Stück für die Anschlußkontakte, falls die Innenbelegung nach außen herum geführt ist.The achievable capacity of the pipe, based on the active dielectric, is 33 pF per mm tube length. For the finished capacitor, of course, occur The creepage distances are added to the total length and, if necessary, a further piece for the connection contacts, if the internal assignment is led around to the outside.

Um einen gleichartigen Kondensator aus den bekannten Dielektriken herzustellen, würde man den Werkstoff der Gruppe DIN 41375 wählen müssen, mit eurer DK von etwa 80 und einem Verlustfaktor tgö=20-10-4. Ein solches Dielektrikum hat jedoch den Temperaturkoeffizienten -800-10-6/' C.A similar capacitor from the known dielectrics to produce, one would have to choose the material of the group DIN 41375, with your DK of about 80 and a loss factor tgö = 20-10-4. Such a dielectric has however the temperature coefficient -800-10-6 / 'C.

Die Anordnung nach der Erfindung wirkt also so, als hätte man ein Dielektrikum mit der großen DK 80 (nach DIN 41375), jedoch mit dessen halbem Temperaturkoeffizienten hergestellt.The arrangement according to the invention thus acts as if one had one Dielectric with the large DK 80 (according to DIN 41375), but with its half temperature coefficient manufactured.

Claims

P.iTENTANSPHUCH: Electric capacitor with a dielectric made of glass or glaze, which is applied to a ceramic carrier material, characterized in that the dielectric constant of the ceramic carrier material is at least 50 times that of the glass or the glaze. Documents considered: German Patent Specifications No. 869662, 878413. Older Patents considered: German Patent No. 966275.