DE112019002039T5

DE112019002039T5 - Varistor mit Hochtemperaturanwendungen

Info

Publication number: DE112019002039T5
Application number: DE112019002039.0T
Authority: DE
Inventors: Palaniappan Ravindranathan; Marianne Berolini
Original assignee: AVX Corp
Current assignee: Kyocera Avx Components Corp N D Ges Us
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2021-03-11
Also published as: US20190318853A1; US10998114B2; US20200395152A1; WO2019204430A1; JP2021522673A; JP7543142B2; US10790075B2; CN111971759B; CN111971759A; JP2023179653A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Varistor, der ein dielektrisches Material umfasst, das eine gesinterte Keramik umfasst, die aus Zinkoxidkörnern und einer Korngrenzenschicht zwischen den Zinkoxidkörnern besteht. Die Korngrenzenschicht enthält ein Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in einer Menge von weniger als 10 Mol-%, bezogen auf die Korngrenzenschicht.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 17. April 2018 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/658,685 , auf die in ihrer Gesamtheit hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Hintergrund der Erfindung
Mehrschichtige Keramikvorrichtungen, wie mehrschichtige Keramikkondensatoren oder -varistoren sind typischerweise aus einer Vielzahl von aufeinandergestapelten Dielektrikum-Elektroden-Schichten aufgebaut. Während der Herstellung können die Schichten häufig in eine vertikal gestapelte Struktur gepresst und geformt werden. Im Allgemeinen sind Varistoren spannungsabhängige nichtlineare Widerstände und werden als Überspannungsschutzelemente, Ableiter und Spannungsstabilisatoren verwendet. Varistoren können zum Beispiel mit empfindlichen elektrischen Komponenten parallel geschaltet werden. Das nichtlineare Widerstandsverhalten von Varistoren wird häufig durch einen Parameter charakterisiert, der als Klemmenspannung bekannt ist. Bei angelegten Spannungen, die kleiner sind als die Klemmenspannung eines Varistors, hat der Varistor im Allgemeinen einen sehr hohen Widerstand und wirkt damit ähnlich wie ein offener Stromkreis. Wenn der Varistor jedoch Spannungen ausgesetzt ist, die größer sind als die Klemmenspannung eines Varistors, ist der Widerstand des Varistors reduziert, so dass der Varistor eher wie ein Kurzschluss wirkt und einen stärkeren Stromfluss durch den Varistor erlaubt. Dieses nichtlineare Verhalten kann verwendet werden, um Stromspitzen von empfindlichen elektronischen Komponenten wegzulenken und dadurch diese Komponenten zu schützen.
Im Allgemeinen haben Varistoren eine maximale Arbeitstemperatur von bis zu etwa 125 °C. Bei der schnellen Entwicklung neuer Elektronik- und Kommunikationsprodukte gibt es jedoch den Wunsch, dass Varistoren noch höhere maximale Arbeitstemperaturen haben mögen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Varistor offenbart. Der Varistor umfasst ein dielektrisches Material, das eine gesinterte Keramik umfasst, die aus Zinkoxidkörnern und einer Korngrenzenschicht zwischen den Zinkoxidkörnern besteht. Die Korngrenzenschicht enthält ein Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in einer Menge von weniger als 10 Mol-%, bezogen auf die Korngrenzenschicht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Varistors offenbart. Der Varistor umfasst ein dielektrisches Material, das eine gesinterte Keramik umfasst, die aus Zinkoxidkörnern und einer Korngrenzenschicht zwischen den Zinkoxidkörnern besteht. Die Korngrenzenschicht enthält ein Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in einer Menge von weniger als 10 Mol-%, bezogen auf die Korngrenzenschicht. Das Verfahren umfasst das Bilden des dielektrischen Materials durch Calcinieren von Zinkoxid und dann das Mischen des calcinierten Zinkoxids mit dem Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten.
Figurenliste
Eine volle und lehrreiche Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich des besten Weges zu ihrer Ausführung für den Fachmann wird insbesondere im Rest der Beschreibung dargelegt; dazu gehört eine Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen, und dabei gilt:

1 zeigt einen exemplarischen Stromimpuls, der verwendet wird, um verschiedene Kenngrößen des Varistors gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zu testen;
2 zeigt Stromstärke und Spannung während eines exemplarischen Tests des Varistors gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
die 3A und 3B sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Querschnitten eines dielektrischen Materials gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
4 zeigt die Durchbruchspannung eines Varistors gemäß Probe Nr. 1 der Beispiele als Funktion der Temperatur;
5 zeigt die Klemmenspannung eines Varistors gemäß Probe Nr. 1 der Beispiele als Funktion der Temperatur;
6 zeigt die Kapazität eines Varistors gemäß Probe Nr. 1 der Beispiele als Funktion der Temperatur;
7 zeigt den Ableitstrom eines Varistors gemäß Probe Nr. 1 der Beispiele als Funktion der Temperatur.

Die wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der gesamten vorliegenden Beschreibung und den Begleitzeichnungen soll dieselben oder analoge Merkmale, Elemente oder Schritte darstellen.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Der Fachmann sollte sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Diskussion nur eine Beschreibung exemplarischer Ausführungsformen ist und nicht die breiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung einschränken soll.
Allgemein gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Varistor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Varistor, der bei höheren Temperaturen arbeiten kann als andere, herkömmliche Varistoren. Zum Beispiel haben die Erfinder herausgefunden, dass der hier offenbarte Varistor im Unterschied zu vielen Varistoren, die nicht bei Temperaturen von mehr als 125 °C arbeiten können, bei Temperaturen von mehr als 125 °C, wie 150°C oder mehr, wie 160 °C oder mehr, arbeiten kann. Der Varistor kann eine maximale Arbeitstemperatur von 300 °C oder weniger, wie 250 °C oder weniger, wie 200 °C oder weniger, wie 190 °C oder weniger, wie 180 °C oder weniger, aufweisen.
Außerdem kann der Varistor eine reduzierte oder konstantere Klemmenspannung aufweisen. Im Allgemeinen kann das Reduzieren des aktiven Widerstands eines Varistors für eine reduzierte Klemmenspannung sorgen. Viele Faktoren können zum aktiven Widerstand des Varistors beitragen, einschließlich zum Beispiel der Eigenschaften von Materialien, die verwendet werden, um den Varistor zu bilden, und der Abmessungen des Varistors und der Elektroden des Varistors. Daneben kann der Varistor aber auch andere wünschenswerte Merkmale aufweisen, einschließlich einer geringen Kapazität (was den Varistor für kapazitätsempfindliche Schaltungen besonders gut geeignet macht) und eines geringen Ableitstroms bei der Arbeitsspannung des Varistors.
Was die Klemmenspannung betrifft, so kann der Varistor eine Klemmenspannung von etwa 200 Volt oder weniger, wie etwa 150 Volt oder weniger, wie etwa 100 Volt oder weniger, wie etwa 75 Volt oder weniger, wie etwa 50 Volt oder weniger, wie etwa 45 Volt oder weniger, wie etwa 40 Volt oder weniger, wie etwa 39 Volt oder weniger. Der Varistor kann eine Klemmenspannung von etwa 1 Volt oder mehr, wie etwa 5 Volt oder mehr, wie etwa 10 Volt oder mehr, wie etwa 20 Volt oder mehr, wie etwa 30 Volt oder mehr, wie etwa 35 Volt oder mehr, wie etwa 50 Volt oder mehr, wie etwa 100 Volt oder mehr. Diese Klemmenspannung kann bei -55°C, wie bei -25°C, wie bei 0°C, wie bei 25°C, wie bei 50°C, wie bei 75°C, wie bei 100°C, wie bei 125°C, wie bei 150°C, wie bei 175°C, wie bei 200°C, realisiert werden. Zum Beispiel kann eine solche Klemmenspannung bei einer Temperatur von 50°C bis 200°C, wie 150°C bis 200°C, wie 175°C bis 200°C, realisiert werden.
Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die Klemmenspannung mit in der Technik allgemein eingesetzten Verfahren bestimmt werden kann. Die Klemmenspannung kann unter Verwendung einer Frothingham Electronic Corporation FEC CV400 Unit gemessen werden. Der Varistor kann einer Stromwelle von 8/20 µs, zum Beispiel gemäß ANSI Standard C62.1, ausgesetzt werden. Der Strom kann einen Spitzenstromwert von etwa 10 A oder weniger, wie etwa 5 A oder weniger, wie etwa 2,5 A oder weniger, wie etwa 1 A oder weniger, wie etwa 500 mA oder weniger, wie etwa 100 mA oder weniger, wie etwa 50 mA oder weniger, wie etwa 10 mA oder weniger, wie etwa 1 mA oder weniger, aufweisen. Der Spitzenstromwert kann so gewählt werden, dass er bewirkt, dass der Varistor die Spannung „einklemmt“, wie im Folgenden noch ausführlicher erläutert wird. Eine exemplarische Stromwelle ist in 1 gezeigt. Die Stromstärke (vertikale Achse 202) ist gegen die Zeit (horizontale Achse 204) aufgetragen. Die Stromstärke kann bis zu einem Spitzenstromwert 206 ansteigen und dann abfallen. Der Zeitraum des „Anstiegs“ (veranschaulicht durch die vertikale gestrichelte Linie 206) kann von der Einleitung des Stromimpulses (bei t = 0) bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Stromstärke 90% (veranschaulicht durch die horizontale gestrichelte Linie 208) des Spitzenstromwerts 206 erreicht, andauern. Die „Anstiegs‟ zeit kann 8 µs betragen. Die „Abfall‟ zeit (veranschaulicht durch die vertikale gestrichelte Linie 210) kann von der Einleitung des Stromimpulses (bei t = 0) bis 50% (veranschaulicht durch die horizontale gestrichelte Linie 212) des Spitzenstromwerts andauern. Die „Abfall‟zeit kann 20 µs betragen. Die Klemmenspannung wird als maximale Spannung über den Varistor während der Stromwelle gemessen. In 2 ist die Spannung über den Varistor (horizontale Achse 302) gegen die Stromstärke durch den Varistor (vertikale Achse 304) aufgetragen. Wie in 2 gezeigt ist, erhöht ein zusätzlicher Stromfluss durch den Varistor, sobald die Spannung die Durchbruchspannung 306 übersteigt, die Spannung über den Varistor nicht mehr signifikant. Mit anderen Worten, der Varistor „klemmt“ die Spannung bei ungefähr der Klemmenspannung 308 ein. Somit kann die Klemmenspannung 308 als maximale Spannung, die während der Stromwelle über den Varistor gemessen wird, genau gemessen werden. Dies gilt, solange der Spitzenstromwert 310 nicht so groß ist, dass er den Varistor beschädigt.
Neben einer reduzierten oder konstanteren Klemmenspannung kann der Varistor auch eine niedrige Durchbruchspannung aufweisen. Die Durchbruchspannung kann etwa 150 Volt oder weniger, wie etwa 100 Volt oder weniger, wie etwa 75 Volt oder weniger, wie etwa 50 Volt oder weniger, wie etwa 40 Volt oder weniger, wie etwa 35 Volt oder weniger, wie etwa 30 Volt oder weniger, wie etwa 27 Volt oder weniger, betragen. Der Varistor kann eine Durchbruchspannung von etwa 1 Volt oder mehr, wie etwa 5 Volt oder mehr, wie etwa 10 Volt oder mehr, wie etwa 15 Volt oder mehr, wie etwa 20 Volt oder mehr, wie etwa 25 Volt oder mehr, wie etwa 50 Volt oder mehr, wie etwa 75 Volt oder mehr, wie etwa 100 Volt oder mehr, aufweisen. Eine solche Durchbruchspannung kann bei - 55°C, wie bei -25°C, wie bei 0°C, wie bei 25°C, wie bei 50°C, wie bei 75°C, wie bei 100°C, wie bei 125°C, wie bei 150°C, wie bei 175°C, wie bei 200°C, realisiert werden. Zum Beispiel kann eine solche Durchbruchspannung bei einer Temperatur von 50°C bis 200°C, wie 150°C bis 200°C, wie 175°C bis 200°C, realisiert werden.
Im Allgemeinen kann der Varistor auch eine geringe Kapazität aufweisen. Zum Beispiel kann der Varistor eine Kapazität von etwa 0,1 pF oder mehr, wie etwa 1 pF oder mehr, wie etwa 5 pF oder mehr, wie etwa 10 pF oder mehr, wie etwa 25 pF oder mehr, wie etwa 50 pF oder mehr, wie etwa 100 pF oder mehr, wie etwa 200 pF oder mehr, wie etwa 250 pF oder mehr, wie etwa 300 pF oder mehr, wie etwa 400 pF oder mehr, wie etwa 450 pF oder mehr, wie etwa 500 pF oder mehr, wie etwa 1000 pF oder mehr, wie etwa 5000 pF oder mehr, wie etwa 10 000 pF oder mehr, wie etwa 25 000 pF oder mehr, aufweisen. Der Varistor kann eine Kapazität von etwa 50 000 pF oder weniger, wie etwa 40 000 pF oder weniger, wie etwa 30 000 pF oder weniger, wie etwa 20 000 pF oder weniger, wie etwa 10 000 pF oder weniger, wie etwa 5000 pF oder weniger, wie etwa 2500 pF oder weniger, wie etwa 1000 pF oder weniger, wie etwa 900 pF oder weniger, wie etwa 800 pF oder weniger, wie etwa 750 pF oder weniger, wie etwa 700 pF oder weniger, wie etwa 600 pF oder weniger, wie etwa 550 pF oder weniger, wie etwa 500 pF oder weniger, aufweisen. Eine solche Kapazität kann bei -55°C, wie bei -25°C, wie bei 0°C, wie bei 25°C, wie bei 50°C, wie bei 75°C, wie bei 100°C, wie bei 125°C, wie bei 150°C, wie bei 175°C, wie bei 200°C, realisiert werden. Zum Beispiel kann eine solche Kapazität bei einer Temperatur von 50°C bis 200°C, wie 150°C bis 200°C, wie 175°C bis 200°C, realisiert werden.
Außerdem kann der Varistor einen geringen Ableitstrom aufweisen. Zum Beispiel kann der Ableitstrom bei einer Arbeitsspannung von 18 Volt etwa 1000 µA oder weniger, wie etwa 500 µA oder weniger, wie etwa 100 µA oder weniger, wie etwa 50 µA oder weniger, wie etwa 40 µA oder weniger, wie etwa 30 µA oder weniger, wie etwa 25 µA oder weniger, wie etwa 20 µA oder weniger, wie etwa 15 µA oder weniger, wie etwa 10 µA oder weniger, wie etwa 5 µA oder weniger, wie etwa 4 µA oder weniger, wie etwa 3 µA oder weniger, wie etwa 2 µA oder weniger, wie etwa 1 µA oder weniger, wie etwa 0,8 µA oder weniger, wie etwa 0,6 µA oder weniger, wie etwa 0,5 µA oder weniger, wie etwa 0,4 µA oder weniger, wie etwa 0,3 µA oder weniger, wie etwa 0,25 µA oder weniger, wie etwa 0,2 µA oder weniger, wie etwa 0,15 µA oder weniger, betragen. Der Ableitstrom bei einer Arbeitsspannung von 18 Volt kann mehr als 0 µA, wie etwa 0,001 µA oder mehr, wie etwa 0,01 µA oder mehr, wie etwa 0,05 µA oder mehr, wie etwa 0,08 µA oder mehr, wie etwa 0,1 µA oder mehr, wie etwa 0,12 µA oder mehr, wie etwa 0,15 µA oder mehr, wie etwa 0,2 µA oder mehr, wie etwa 0,25 µA oder mehr, wie etwa 0,3 µA oder mehr, betragen. Ein solcher Ableitstrom kann bei -55°C, wie bei -25°C, wie bei 0°C, wie bei 25°C, wie bei 50°C, wie bei 75°C, wie bei 100°C, wie bei 125°C, wie bei 150°C, wie bei 175°C, wie bei 200°C, realisiert werden. Zum Beispiel kann ein solcher Ableitstrom bei einer Temperatur von 50°C bis 200°C, wie 150°C bis 200°C, wie 175°C bis 200°C, realisiert werden.
Ein solcher Ableitstrom kann auch nach einer bestimmten Anzahl von Stunden relativ niedrig bleiben, wie es durch einen bei 150°C und 18 Volt (oder 20 Volt) durchgeführten Lebensdauertest bestimmt wird. Zum Beispiel kann der Ableitstrom auch nach 250 Stunden etwa 1000 µA oder weniger, wie etwa 500 µA oder weniger, wie etwa 100 µA oder weniger, wie etwa 50 µA oder weniger, wie etwa 40 µA oder weniger, wie etwa 30 µA oder weniger, wie etwa 25 µA oder weniger, wie etwa 20 µA oder weniger, wie etwa 15 µA oder weniger, wie etwa 10 µA oder weniger, wie etwa 5 µA oder weniger, wie etwa 4 µA oder weniger, wie etwa 3 µA oder weniger, wie etwa 2 µA oder weniger, wie etwa 1 µA oder weniger, wie etwa 0,8 µA oder weniger, wie etwa 0,6 µA oder weniger, wie etwa 0,5 µA oder weniger, wie etwa 0,4 µA oder weniger, wie etwa 0,3 µA oder weniger, wie etwa 0,25 µA oder weniger, wie etwa 0,2 µA oder weniger, wie etwa 0,15 µA oder weniger, betragen. Der Ableitstrom kann auch nach 250 Stunden mehr als 0 µA, wie etwa 0,001 µA oder mehr, wie etwa 0,01 µA oder mehr, wie etwa 0,05 µA oder mehr, wie etwa 0,08 µA oder mehr, wie etwa 0,1 µA oder mehr, wie etwa 0,12 µA oder mehr, wie etwa 0,15 µA oder mehr, wie etwa 0,2 µA oder mehr, wie etwa 0,25 µA oder mehr, wie etwa 0,3 µA oder mehr, betragen. In einer Ausführungsform kann der Varistor auch nach 500 Stunden die oben genannten Werte für den Ableitstrom aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann der Varistor die oben genannten Werte für den Ableitstrom auch nach wenigstens 1000 Stunden, wie wenigstens 1500 Stunden, aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Varistor die oben genannten Werte für den Ableitstrom auch nach 2000 Stunden aufweisen. Ein solcher Ableitstrom kann bei -55°C, wie bei -25°C, wie bei 0°C, wie bei 25°C, wie bei 50°C, wie bei 75°C, wie bei 100°C, wie bei 125°C, wie bei 150°C, wie bei 175°C, wie bei 200°C, realisiert werden. Zum Beispiel kann ein solcher Ableitstrom bei einer Temperatur von 50°C bis 200°C, wie 150°C bis 200°C, wie 175°C bis 200°C, realisiert werden.
Außerdem kann der Ableitstrom nach einer bestimmten Zeitdauer tatsächlich niedriger sein als der Anfangsableitstrom. Zum Beispiel kann der Ableitstrom nach 2 Stunden, wie nach 4 Stunden, wie nach 6 Stunden, wie nach 8 Stunden, wie nach 10 Stunden, wie nach 12 Stunden, niedriger sein als der Anfangsableitstrom, wenn bei 150°C und 18 Volt gemessen wird. Zum Beispiel kann der Ableitstrom um wenigstens 5%, wie wenigstens 10%, wie wenigstens 20%, wie wenigstens 30%, wie wenigstens 40%, wie wenigstens 50%, wie wenigstens 60%, wie wenigstens 70%, kleiner sein als der Anfangsableitstrom.
Auch kann der Ableitstrom bei höheren Temperaturen, wie den oben genannten, um wenigstens 30%, wie wenigstens 40%, wie wenigstens 50%, wie wenigstens 60%, wie wenigstens 70%, kleiner sein als der Ableitstrom eines Varistors, der ein dielektrisches Material umfasst, das nicht das offenbarte Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten und/oder die borhaltige Verbindung umfasst. Zum Beispiel kann ein Kontrollvaristor zum Beispiel einen Ableitstrom von etwa 4,6 µA bei 150°C aufweisen, während ein Varistor, wie er hier offenbart ist, einen Ableitstrom von etwa 1,6 µA bei 150°C aufweisen kann, was einer Reduktion von etwa 65% entspricht.
Im Allgemeinen kann der Varistor eine rechteckige Konfiguration umfassen, die eine erste und eine zweite, entgegengesetzte, Endfläche definiert, welche in Längsrichtung gegeneinander versetzt sind. Der Varistor kann einen ersten Anschluss neben der ersten entgegengesetzte Endfläche und einen zweiten Anschluss neben der zweiten entgegengesetzte Endfläche umfassen. Der Varistor kann auch eine aktive Elektrodenschicht umfassen, die eine erste Elektrode, welche elektrisch mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und eine zweite Elektrode, welche elektrisch mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, umfasst. Die erste Elektrode kann in Längsrichtung von der zweiten Elektrode beabstandet sein, wobei ein aktive-Elektroden-Endlücke entsteht. Der Varistor kann eine schwimmende Elektrodenschicht umfassen, die eine schwimmende Elektrode umfasst. Die schwimmende Elektrodenschicht kann in Richtung der Höhe von der aktiven Elektrodenschicht beabstandet sein, wobei eine schwimmende Elektrodenlücke entsteht.
Der Varistor kann eine Vielzahl von abwechselnden dielektrischen Schichten umfassen, und jede Schicht kann eine Elektrode umfassen. Die dielektrischen Schichten können zusammengedrückt und unter Bildung einer einheitlichen Struktur gesintert werden. Die dielektrischen Schichten können jedes geeignete dielektrische Material umfassen, wie zum Beispiel Bariumtitanat, Zinkoxid oder irgendein anderes geeignetes dielektrisches Material.
In einer bestimmten Ausführungsform kann das dielektrische Material aus Zinkoxid bestehen. In dieser Hinsicht kann Zinkoxid den größten Teil des dielektrischen Materials bilden. Zum Beispiel kann das Zinkoxid in einer Menge von mehr als 50 Gew.-%, wie etwa 60 Gew.-% oder mehr, wie etwa 70 Gew.-% oder mehr, wie etwa 80 Gew.-% oder mehr, wie etwa 85 Gew.-% oder mehr, vorhanden sein, bezogen auf das Gewicht des dielektrischen Materials. Das Zinkoxid kann in einer Menge von weniger als 100 Gew.-%, wie etwa 95 Gew.-% oder weniger, wie etwa 90 Gew.-% oder weniger, wie etwa 87 Gew.-% oder weniger, vorhanden sein, bezogen auf das Gewicht des dielektrischen Materials. Ähnlich kann das Zinkoxid auch in einer Menge von mehr als 50 Mol-%, wie etwa 60 Mol-% oder mehr, wie etwa 70 Mol-% oder mehr, wie etwa 80 Mol-% oder mehr, wie etwa 90 Mol-% oder mehr, wie etwa 93 Mol-% oder mehr, wie etwa 95 Mol-% oder mehr, des dielektrischen Materials vorhanden sein. Das Zinkoxid kann in einer Menge von weniger als 100 Mol-%, wie etwa 99 Mol-% oder weniger, wie etwa 98 Mol-% oder weniger, wie etwa 97 Mol-% oder weniger, wie etwa 96 Mol-% oder weniger, des dielektrischen Materials vorhanden sein.
In dem dielektrischen Material können verschiedene Additive mit enthalten sein, zum Beispiel solche, die den spannungsabhängigen Widerstand des dielektrischen Materials erzeugen oder seine Spannungsabhängigkeit verstärken. Zum Beispiel können die Additive in einigen Ausführungsformen ein Metalloxid, ein Metallsalz einer Säure oder eine Kombination davon umfassen. In einer Ausführungsform können die Additive ein Metalloxid, wie ein Oxid von Cobalt, Antimon, Bismut, Mangan, Nickel, Gallium, Aluminium, Chrom, Titan, Blei, Barium, Vanadium, Zinn oder eine Kombination davon umfassen. In einer Ausführungsform können die Additive Oxide von Antimon, Cobalt, Nickel, Chrom, Bismut oder irgendeine Kombination davon umfassen. Die Additive können auch Metallsalze einer Säure, wie ein Metallcarbonat, ein Metallnitrat usw., oder eine Kombination davon umfassen. Solche Metalle können Cobalt, Antimon, Bismut, Mangan, Nickel, Gallium, Aluminium, Chrom, Titan, Blei, Barium, Vanadium, Zinn oder eine Kombination davon umfassen. In dieser Hinsicht können die Additive in einer Ausführungsform Mangancarbonat, Aluminiumnitrat oder eine Kombination davon umfassen. In einer bestimmten Ausführungsform können die Additive das oben genannte Metalloxid und das Metallsalz einer Säure umfassen.
Solche Additive können einzeln oder in Kombination in dem dielektrischen Material in einer Menge von etwa 0,001 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,01 Gew.- % oder mehr, wie etwa 0,02 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,05 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,1 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,2 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,5 Gew.-% oder mehr, wie etwa 1 Gew.-% oder mehr, wie etwa 2 Gew.-% oder mehr, wie etwa 3 Gew.-% oder mehr, wie etwa 5 Gew.-% oder mehr, vorhanden sein, bezogen auf das Gewicht des dielektrischen Materials. Solche Additive können einzeln oder in Kombination in dem dielektrischen Material in einer Menge von 15 Gew.-% oder weniger, wie etwa 10 Gew.-% oder weniger, wie etwa 9 Gew.-% oder weniger, wie etwa 8 Gew.-% oder weniger, wie etwa 5 Gew.-% oder weniger, wie etwa 3 Gew.-% oder weniger, wie etwa 2 Gew.-% oder weniger, wie etwa 1 Gew.-% oder weniger, wie etwa 0,5 Gew.-% oder weniger, vorhanden sein, bezogen auf das Gewicht des dielektrischen Materials.
Solche Additive können einzeln oder in Kombination in dem dielektrischen Material in einer Menge von etwa 0,001 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,01 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,02 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,05 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,1 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,2 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,4 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,5 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,8 Mol-% oder mehr, wie etwa 1 Mol-% oder mehr, wie etwa 1,2 Mol-% oder mehr, wie etwa 1,4 Mol-% oder mehr, wie etwa 1,5 Mol-% oder mehr, des dielektrischen Materials vorhanden sein. Solche Additive können einzeln oder in Kombination in dem dielektrischen Material in einer Menge von weniger als 10 Mol-%, wie etwa 8 Mol-% oder weniger, wie etwa 5 Mol-% oder weniger, wie etwa 3 Mol-% oder weniger, wie etwa 2 Mol-% oder weniger, wie etwa 1,8 Mol-% oder weniger, wie etwa 1,6 Mol-% oder weniger, wie etwa 1,3 Mol-% oder weniger, wie etwa 1 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,8 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,6 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,5 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,3 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,2 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,1 Mol-% oder weniger, des dielektrischen Materials vorhanden sein.
Im Allgemeinen kann das dielektrische Material nach dem Sintern Körner aus Zinkoxid umfassen, die durch eine Korngrenzenschicht voneinander getrennt sind. Typischerweise besteht die Korngrenzenschicht aus einem Thermistormaterial mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, dessen Widerstand mit steigender Temperatur sinkt, und wenn die Temperatur zunimmt, werden die Materialien der Korngrenzenschicht beweglicher. Dies kann zu einer Abnahme der Durchschlagspannung oder des Widerstands oder zu einer Zunahme des Ableitstroms führen. Um diesen Wirkungen entgegenzuwirken, kann das dielektrische Material ein Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten umfassen. wenn die Arbeitstemperatur des Varistors steigt, nimmt im Allgemeinen der Widerstand des Thermistormaterials mit dem positiven Temperaturkoeffizienten stark zu, so dass der reduzierte Widerstand der Thermistormaterialien mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, der durch die gesenkte Temperatur reduziert wird, wenigstens zum Teil kompensiert wird, insbesondere in der Korngrenzenschicht. Eine solche Verschiebung verhindert, dass der Varistor einen erhöhten Ableitstrom und eine gesenkte Durchschlagspannung aufweist. In dieser Hinsicht weisen Materialien mit einem positiven Temperaturkoeffizienten im Allgemeinen mit steigenden Temperaturen eine Zunahme des Widerstands auf.
Das Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten kann eine beliebige Art eines solchen Materials sein, die in der Technik allgemein bekannt ist. Zum Beispiel kann das Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten ein polykristallines Material, ein Titanat, ein Metalloxid oder ein Gemisch davon umfassen.
In einer Ausführungsform kann dieses Material polykrystallin sein. Das polykristalline Material kann eine Keramik sein. Das polykristalline Material kann ein Oxyalat, ein Carbonat oder ein Gemisch davon sein. In einer Ausführungsform kann ein solches Material ein Carbonat sein. Das Carbonat kann ein Alkalimetallcarbonat, Erdalkalimetallcarbonat, ein Übergangsmetallcarbonat, ein Seltenerdmetallcarbonat oder ein Gemisch davon sein. Zum Beispiel kann es sich bei dem Alkalimetall um Lithium, Natrium, Kalium oder ein Gemisch davon handeln. Bei dem Erdalkalimetall kann es sich um Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium oder ein Gemisch davon handeln. Bei dem Übergangsmetall kann es sich um V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Ri, Zr, Sn, Nb, W oder ein Gemisch davon handeln. Bei dem Seltenerdmetall kann es sich um Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Y, Yb oder ein Gemisch davon handeln.
In einer Ausführungsform kann das Carbonat ein Alkalimetallcarbonat sein. In einer anderen Ausführungsform kann das Carbonat ein Erdalkalimetallcarbonat sein. Zum Beispiel kann es sich bei dem Erdalkalimetallcarbonat um Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat, Strontiumcarbonat, Bariumcarbonat oder ein Gemisch davon handeln. In einer bestimmten Ausführungsform kann dieses Material ein Calciumcarbonat sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Carbonat ein Übergangsmetallcarbonat sein. Zum Beispiel kann das Übergangsmetallcarbonat ein Mangancarbonat sein.
In einer anderen Ausführungsform kann dieses Material ein Titanat sein. Zum Beispiel kann das Titanat die allgemeine Formel ABO₃ aufweisen, wobei A ein Metall ist und B = Ti ist. Das Metall unterliegt nicht unbedingt einer Einschränkung und kann jedes in der Technik eingesetzte Metall sein. Zum Beispiel kann das Metall ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Übergangsmetall oder ein Seltenerdmetall sein. Zum Beispiel kann es sich bei dem Alkalimetall um Lithium, Natrium, Kalium oder ein Gemisch davon handeln. Bei dem Erdalkalimetall kann es sich um Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium oder ein Gemisch davon handeln. Bei dem Übergangsmetall kann es sich um V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Ri, Zr, Sn, Nb, W oder ein Gemisch davon handeln. Bei dem Seltenerdmetall kann es sich um Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Y, Yb oder ein Gemisch davon handeln.
In einer Ausführungsform kann A = Ba sein, so dass es sich bei dem Titanat um Bariumtitanat handelt. In einer anderen Ausführungsform kann A = Sr sein, so dass es sich bei dem Titanat um Strontiumtitanat handelt. In dieser Hinsicht kann das Titanat ein Bariumtitanat, ein Strontiumtitanat oder eine Kombination davon sein. In einer Ausführungsform kann das Titanat ein Bariumtitanat sein. Insbesondere kann das Bariumtitanat ein verglasendes Bariumtitanat sein. In einer anderen Ausführungsform kann dieses Material ein Bariumtitanat-dotiertes Strontiumtitanat sein.
Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass mehr als ein Titanat in dem Material eingesetzt werden kann. Während Bariumtitanat und Strontiumtitanat ausdrücklich genannt sind, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass auch andere Titanate eingesetzt werden können. Zum Beispiel gehören dazu etwa, ohne auf diese beschränkt zu sein, Bleititanat oder Calciumtitanat. In dieser Hinsicht sollte man sich darüber im Klaren sein, dass das Titanat eine beliebige Kombination der hier genannten Titanate sein kann.
Wenn das Titanat eine Kombination von Titanaten umfasst, wobei es sich bei wenigstens einem der Titanate um Bariumtitanat handelt, kann das Bariumtitanat in einer Menge von wenigstens 50 Mol-%, wie wenigstens 60 Mol- %, wie wenigstens 70 Mol-%, wie wenigstens 80 Mol-%, wie wenigstens 90 Mol- %, wie wenigstens 95 Mol-%, wie wenigstens 98 Mol-%, wie wenigstens 99 Mol- %, wie wenigstens 99.9 Mol-%, vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtmenge aller Titanate.
In einer anderen Ausführungsform kann dieses Material ein Metalloxid sein. Das Metall kann jedes Metall sein, das in der Technik allgemein bekannt ist. Zum Beispiel kann das Metall ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Übergangsmetall oder ein Seltenerdmetall sein. Zum Beispiel kann es sich bei dem Alkalimetall um Lithium, Natrium, Kalium oder ein Gemisch davon handeln. Bei dem Erdalkalimetall kann es sich um Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium oder ein Gemisch davon handeln. Bei dem Übergangsmetall kann es sich um V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Ri, Zr, Sn, Nb, W oder ein Gemisch davon handeln. Bei dem Seltenerdmetall kann es sich um Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Y, Yb oder ein Gemisch davon handeln.
In einer bestimmten Ausführungsform kann das Metalloxid ein Seltenerdmetalloxid sein. Zum Beispiel kann das Seltenerdmetalloxid ein Lanthanoxid sein.
Ein solches Material mit positivem Temperaturkoeffizienten kann in dem dielektrischen Material in den Mengen vorhanden sein, wie sie für die oben genannten Additive, zum Beispiel die Metalloxide und die Metallsalze der Säuren, genannt wurden.
Das Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten kann in einer bestimmten Konzentration innerhalb der Korngrenzenschicht vorhanden sein. Insbesondere kann ein solches Material in einer Menge von weniger als 10 Mol- %, wie etwa 8 Mol-% oder weniger, wie etwa 6 Mol-% oder weniger, wie etwa 5 Mol-% oder weniger, wie etwa 3 Mol-% oder weniger, wie etwa 2 Mol-% oder weniger, wie etwa 1 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,8 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,6 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,4 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,3 Mol-% oder weniger, wie etwa 0,2 Mol-% oder weniger, innerhalb der Korngrenzenschicht vorhanden sein. Das Material kann in einer Menge von mehr als 0 Mol-%, wie etwa 0,001 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,005 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,01 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,02 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,05 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,1 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,15 Mol- % oder mehr, wie etwa 0,2 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,25 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,3 Mol-% oder mehr, wie etwa 0,5 Mol-% oder mehr, wie etwa 1 Mol- % oder mehr, wie etwa 2 Mol-% oder mehr, wie etwa 3 Mol-% oder mehr, wie etwa 4 Mol-% oder mehr, innerhalb der Korngrenzenschicht vorhanden sein.
Neben dem polykristallinen Material, Titanat, Metalloxid oder Gemisch davon kann das Material weiterhin auch ein halbleitendes Additiv umfassen. Zum Beispiel kann dieses Additiv in einer Ausführungsform eine Transformation und Einstellung des Curie-Punkts (oder der Curie-Temperatur) des Halbleiters ermöglichen. Ein solches Additiv kann ein Metall sein, das Li, Ca, Mg, Sr, Ba, Sn, Mn, Si, Zr, Nb, Al, Nd, Sb, Sm, Bi, Ce, Pb, Si, Sc, Er, Sn, Pr, Pm, Eu, Gd, Tb, Dy, Y, Yb, Ho, Tm, Lu, La oder ein Gemisch davon umfasst. In einer Ausführungsform kann ein solches Additiv ein Seltenerdmetall sein. Zum Beispiel kann ein solches Seltenerdmetall Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Y, Yb oder ein Gemisch sein. In einer Ausführungsform kann dieses Metall Sm, Pb, Nd, La oder ein Gemisch davon umfassen. Zum Beispiel kann das Metall in einer Ausführungsform wenigstens Sm umfassen. In einer anderen besonderen Ausführungsform kann das Metall wenigstens La umfassen.
Ein solches Additiv kann in einer Menge von 0,001 Mol-% oder mehr, wie 0,01 Mol-% oder mehr, wie 0,05 Mol-% oder mehr, wie 0,1 Mol-% oder mehr, bis 2 Mol-% oder weniger, wie 1 Mol-% oder weniger, wie 0,8 Mol-% oder weniger, wie 0,5 Mol-% oder weniger, vorhanden sein, bezogen auf die Menge des Thermistormaterials mit dem positiven Temperaturkoeffizienten. In einer Ausführungsform kann, wenn das Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten ein Titanat ist, der oben genannte Molprozentwert auf die in dem Titanat vorhandene Menge des Titans bezogen sein.
Außerdem kann die mittlere Korngröße des dielektrischen Materials zu den nichtlinearen Eigenschaften des dielektrischen Materials beitragen. In einigen Ausführungsformen kann die mittlere Korngröße etwa 1 µm oder mehr, wie etwa 2 µm oder mehr, wie etwa 5 µm oder mehr, wie etwa 10 µm oder mehr, wie etwa 20 µm oder mehr, betragen. Die mittlere Korngröße kann etwa 100 µm oder weniger, wie etwa 80 µm oder weniger, wie etwa 50 µm oder weniger, wie etwa 40 µm oder weniger, wie etwa 25 µm oder weniger, wie etwa 20 µm oder weniger, wie etwa 10 µm oder weniger, betragen.
Daneben kann das dielektrische Material auch eine borhaltige Verbindung umfassen. Zum Beispiel kann die borhaltige Verbindung eine borhaltige Säure umfassen. In einer Ausführungsform kann eine solche borhaltige Säure eine Borsäure, eine Boronsäure oder eine Kombination davon umfassen. In einer bestimmten Ausführungsform kann diese borhaltige Verbindung eine Borsäure umfassen. Die vorliegende Erfindung umfasst auch Derivate solcher Verbindungen sowie Substituentengruppen auf verschiedenen Positionen.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine solche borhaltige Verbindung innerhalb des Dielektrikums eine Insel bilden kann. Zum Beispiel kann die Insel den Durchgang von Strom durch die kontinuierliche glasartige Phase, wie eine bismuthaltige kontinuierliche glasartige Phase, blockieren. Solche Inseln sind in Bezug auf die 3A und 3B beschrieben und gezeigt. 3A ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Oberflächenbruchs, wobei das dielektrische Material keine borhaltige Verbindung umfasst, und eine Insel wird nicht beobachtet. Indessen ist 3B eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Oberflächenbruchs, wobei das dielektrische Material eine borhaltige Verbindung umfasst, und es wird eine Insel beobachtet. Mit der Borsäure sind in 3B Inseln 100 innerhalb des Dielektrikums vorhanden. Ohne uns auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, kann eine solche borhaltige Verbindung eine Unterbrechung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Körnern ermöglichen und kann auch dazu beitragen, bessere Korngrenzen zu definieren und/oder Korngrenzen zu stabilisieren.
Eine solche borhaltige Verbindung kann in dem dielektrischen Material in einer Menge von etwa 0,01 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,1 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,2 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,3 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,5 Gew.-% oder mehr, wie etwa 0,6 Gew.-% oder mehr, vorhanden sein, bezogen auf das Gewicht des dielektrischen Materials. Eine solche borhaltige Verbindung kann auch in dem dielektrischen Material in einer Menge von etwa 5 Gew.-% oder weniger, wie etwa 3 Gew.-% oder weniger, wie etwa 2 Gew.-% oder weniger, wie etwa 1 Gew.-% oder weniger, wie etwa 0,6 Gew.-% oder weniger, wie etwa 0,5 Gew.-% oder weniger, vorhanden sein, bezogen auf das Gewicht des dielektrischen Materials.
Das dielektrische Material kann mit verschiedenen Methoden hergestellt werden. Ein Verfahren zur Bildung des dielektrischen Materials kann zuerst das Kombinieren und/oder Calcinieren (z.B. bei 1050 °C) von Zinkoxid mit anderen Additiven, wie den oben genannten Metalloxiden und Metallsalzen von Säuren, umfassen. Zum Beispiel kann Zinkoxid zunächst mit Antimonoxid, Cobaltoxid, Nickeloxid, Chromoxid, Mangancarbonat, Aluminiumnitrat und Siliciumoxid kombiniert und calciniert werden. Danach kann das calcinierte Zinkoxid mit anderen Komponenten gemischt werden. Zum Beispiel kann das calcinierte Zinkoxid mit anderen Oxiden, wie einem Bismutoxid, einem Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, einer borhaltigen Verbindung oder einer Kombination davon gemischt werden. In dieser Hinsicht mögen andere Oxide, wie Bismutoxid, nicht im einleitenden Calcinierungsschritt eingeführt werden, sondern können im zweiten Mischschritt eingeführt werden. Ähnlich kann es sein, dass das Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten nicht im einleitenden Calcinierungsschritt eingeführt wird, sondern im zweiten Mischschritt eingeführt wird. Außerdem kann es sein, dass die borhaltige Verbindung nicht im einleitenden Calcinierungsschritt eingeführt wird, sondern im zweiten Mischschritt eingeführt wird. Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, haben die Erfinder herausgefunden, dass dieses Verfahren ermöglichen kann, dass ein Bismutoxid schmilzt und das Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten, wie Bariumtitanat, mit dem calcinierten Zinkoxid reagiert, und ein solches Verfahren kann einen geringen Ableitstrom ermöglichen.
Weiterhin sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die besondere Konfiguration des Varistors durch die vorliegende Erfindung nicht eingeschränkt wird. Zum Beispiel ist die Konfiguration der dielektrischen Schichten und Elektroden nicht durch die vorliegende Erfindung eingeschränkt, so dass jede Konfiguration eingesetzt werden kann. Im Allgemeinen kann der Varistor abwechselnd erste Schichten und zweite Schichten umfassen, wobei jede erste Schicht eine erste Elektrode, die mit einem ersten Anschluss verbunden ist, umfassen kann und jede zweite Schicht eine zweite Elektrode, die mit einem zweiten Anschluss verbunden ist, umfassen kann. Die Elektroden können aus einem Leiter, wie Palladium, Silber, Platin, Kupfer oder einem anderen geeigneten Leiter, der auf die dielektrische Schicht gedruckt werden kann, bestehen. Der Varistor kann eine obere dielektrische Schicht und eine untere dielektrische Schicht umfassen, und eine oder mehrere der oberen und unteren dielektrischen Schichten können unechte Elektroden umfassen.
Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Anzahl von Dielektrikum-Elektroden-Schichten beschränkt ist. Zum Beispiel kann der Varistor in einigen Ausführungsformen 2 oder mehr Dielektrikum-Elektroden-Schichten, 4 oder mehr Dielektrikum-Elektroden-Schichten, 8 oder mehr Dielektrikum-Elektroden-Schichten, 10 oder mehr Dielektrikum-Elektroden-Schichten, 20 oder mehr Dielektrikum-Elektroden-Schichten, 30 oder mehr Dielektrikum-Elektroden-Schichten oder irgendeine geeignete Anzahl von Dielektrikum-Elektroden-Schichten umfassen.
Wie bereits gesagt, umfasst der Varistor wenigstens zwei externe Anschlüsse, wobei sich ein erster Anschluss an einer ersten Endfläche des Varistors befindet und sich ein zweiter Anschluss an einer zweiten Endfläche des Varistors befindet, wobei die zweite Endfläche der ersten Endfläche entgegengesetzt ist. Die Anschlüsse können eine Metallisierungsschicht aus Platin, Kupfer, Palladium, Silber oder einem anderen geeigneten Leitermaterial umfassen. Eine Chrom/NickelSchicht und danach eine Silber/Blei-Schicht, die durch typische Verarbeitungstechniken, wie Sputtern, aufgetragen sind, können als äußere leitfähige Schicht für die Anschlussstrukturen verwendet werden.
Der hier offenbarte Varistor kann Anwendungen in einer Vielzahl von Vorrichtungen finden. Zum Beispiel kann der Varistor in Radiofrequenz-Antennen/Verstärker-Schaltungen verwendet werden. Der Varistor kann auch in verschiedenen Techniken einschließlich Lasertreibern, Sensoren, Radarsystemen, Radiofrequenz-Identifizierungs-Chips, Nahfeldkommunikation, Datenleitungen, Bluetooth, Optik, Ethernet und in jeder geeigneten Schaltung Anwendung finden.
Der hier offenbarte Varistor kann auch in der Kraftfahrzeugindustrie besondere Anwendungen finden. Zum Beispiel kann der Varistor in einer der oben beschriebenen Schaltungen in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden. Für solche Anwendungen können passive elektrische Komponenten erforderlich sein, um strenge Haltbarkeits- und/oder Leistungsanforderungen zu erfüllen. Zum Beispiel regulieren AEC-Q200-Standards bestimmte Kraftfahrzeuganwendungen. Ein Varistor gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann in der Lage sein, einen oder mehrere AEC-Q200-Tests, einschließlich zum Beispiel einem AEC-Q200-002-Impulstest, zu bestehen.
Varistoren mit ultrageringer Kapazität können besondere Anwendung in Datenverarbeitungs- und -Übertragungstechniken finden. Zum Beispiel betreffen Aspekte der vorliegenden Offenbarung Varistoren, die eine Kapazität von weniger als etwa 1 pF aufweisen. Solche Varistoren können zum Beispiel eine minimale Signalverzerrung in Hochfrequenzdatenübertragungsschaltungen beitragen.
Die vorliegende Erfindung ist anhand des folgenden Beispiels besser verständlich.
Beispiele
Testverfahren
Die folgenden Abschnitte liefern Beispielmethoden zum Testen von Varistoren, um verschiedene Varistormerkmale zu bestimmen.
Klemmen- und Durchschlagspannung: Die Klemmenspannung des Varistors kann mit Hilfe einer Frothingham Electronic Corporation FEC CV400 Unit gemessen werden. Wir beziehen uns wiederum auf 2; die Klemmenspannung 308 kann als maximale Spannung, die während eines 8 x 20 µs Stromimpulses über den Varistor gemessen wird, wobei die Anstiegszeit 8 µs beträgt und die Abfallzeit 20 µs beträgt, genau gemessen werden. Dies gilt, solange der Spitzenstromwert 310 nicht so groß ist, dass er den Varistor beschädigt.
Die Durchschlagspannung 306 kann am Wendepunkt in der Auftragung der Stromstärke gegen die Spannung des Varistors nachgewiesen werden. Wir beziehen uns auf 2; bei Spannungen, die größer sind als die Durchschlagspannung 306, kann die Stromstärke mit steigender Spannung schneller zunehmen als bei Spannungen, die kleiner sind als die Durchschlagspannung 306. Zum Beispiel zeigt 2 eine doppelt logarithmische Auftragung der Stromstärke gegen die Spannung. Bei Spannungen, die kleiner sind als die Durchschlagspannung 306, kann ein idealer Varistor im Allgemeinen Spannungen ungefähr gemäß der folgenden Beziehung aufweisen: $V = {CI}^{β}$
wobei V für die Spannung steht, I für die Stromstärke steht und C und β Konstanten sind, die von den speziellen Gegebenheiten des Varistors (z.B. Materialeigenschaften) abhängen. Bei Varistoren ist die Konstante β im Allgemeinen kleiner als 1, so dass die Spannung in diesem Bereich weniger schnell zunimmt als ein idealer Widerstand, der das Ohmsche Gesetz befolgt.
Bei Spannungen, die größer sind als die Durchschlagspannung 306, kann die Beziehung zwischen Stromstärke und Spannung jedoch im Allgemeinen ungefähr dem Ohmschen Gesetz folgen, bei dem die Stromstärke linear von der Spannung abhängt: $V = IR,$
wobei V für die Spannung steht, I für die Stromstärke steht und R ein großer konstanter Widerstandswert ist. Die Beziehung zwischen Stromstärke und Spannung kann so, wie es oben beschrieben ist, gemessen werden, und jeder geeignete Algorithmus kann verwendet werden, um den Wendepunkt in dem empirisch erfassten Stromstärke-Spannung-Datensatz zu bestimmen.
Kapazität: Die Kapazität der Superkondensatoren kann mit Hilfe eines Präzisions-LCZ-Messgeräts Keithley 3330 mit einer Gleichstrom-Vorspannung von 0,0 Volt, 1,1 Volt oder 2.1 Volt (0,5 Volt Effektivspannung des sinusförmigen Signals). Die Arbeitsfrequenz beträgt 1000 Hz, wenn nichts Anderes angegeben ist. Die relative Feuchtigkeit beträgt 25%.
Beispiel 1

Ein Varistor, wie er hier definiert ist, wurde gemäß den im Folgenden und in der folgenden Tabelle angegebenen Spezifikationen hergestellt. Die Durchschlagspannung, Klemmenspannung, Kapazität und der Ableitstrom wurden bei einer Raumtemperatur von 23 °C bestimmt.

Nr.	Zubereitung auf Zinkoxidbasis mit 7,5 Gew.-% Bismutoxid	Mol-% PTC	Durchschlagspannung (V)	Klemmenspannung (V)	Kapazität (pF)	Ableitstrom bei 18 V (µA)
1	0,5 Gew.-% BaTiO₃	0,20 BaTiO₃	25,7	36,9	481	0,21
2	1,0 Gew.-% BaTiO₃	0,39 BaTiO₃	26,5	38,1	527	0,40
3	0,2 Gew.-% CaCO₃	0,18 CaCO₃	25,8	37,8	442	0,14
4	0,4 Gew.-% CaCO₃	0,36 CaCO₃	24,8	35,5	430	0,15
5	0,8 Gew.-% CaCO₃	0,73 CaCO₃	25,1	35,8	527	0,19
6	0,08 Gew.-% La₂O₃	0,02 La₂O₃	26,2	36,9	480	0,19

Außer bei Raumtemperatur wurde die Probe Nr. 1 noch bei anderen Temperaturen getestet. Zum Beispiel wurde Probe Nr. 1 bei -55°C, 25°C, 125°C, 150°C, 175°C und 200°C getestet. Die Werte für die Durchschlagspannung, Klemmenspannung, Kapazität und den Ableitstrom sind in den 4-7 gezeigt.
Diese und andere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem sollte man sich darüber im Klaren sein, dass Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen als Ganzes oder zum Teil ausgetauscht werden können. Weiterhin wird der Fachmann anerkennen, dass die obige Beschreibung nur exemplarisch ist und die Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist, nicht weiter einschränken soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62658685 [0001]

Claims

Varistor, umfassend: ein dielektrisches Material, das eine gesinterte Keramik umfasst, die aus Zinkoxidkörnern und einer Korngrenzenschicht zwischen den Zinkoxidkörnern besteht, wobei die Korngrenzenschicht ein Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in einer Menge von weniger als 10 Mol-% enthält, bezogen auf die Korngrenzenschicht.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei die Korngrenzenschicht ein Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in einer Menge von 5 Mol-% oder weniger enthält, bezogen auf die Korngrenzenschicht.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei die Korngrenzenschicht ein Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in einer Menge von 0,1 Mol-% bis 8 Mol-% enthält, bezogen auf die Korngrenzenschicht.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei die Korngrenzenschicht ein Thermistormaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten in einer Menge von 4 Mol-% bis 6 Mol-% enthält, bezogen auf die Korngrenzenschicht.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei das Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten ein Titanat umfasst.
Varistor gemäß Anspruch 5, wobei das Titanat ein Bariumtitanat umfasst.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei das Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten ein Erdalkalimetallcarbonat umfasst.
Varistor gemäß Anspruch 7, wobei das Erdalkalimetallcarbonat ein Calciumcarbonat umfasst.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei das Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten ein Seltenerdmetalloxid umfasst.
Varistor gemäß Anspruch 9, wobei das Seltenerdmetalloxid ein Lanthanoxid umfasst.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei das dielektrische Material eine borhaltige Verbindung umfasst.
Varistor gemäß Anspruch 11, wobei die borhaltige Verbindung eine borhaltige Säure umfasst.
Varistor gemäß Anspruch 12, wobei die borhaltige Säure Borsäure umfasst.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei der Varistor eine maximale Arbeitstemperatur von mehr als 125 °C bis 300 °C aufweist.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei der Varistor eine maximale Arbeitstemperatur von 150 °C bis 250 °C aufweist.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei der Varistor eine maximale Arbeitstemperatur von 160 °C bis 200 °C aufweist.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei der Varistor eine Klemmenspannung von etwa 10 Volt bis etwa 200 Volt aufweist.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei der Varistor eine Durchschlagspannung von etwa 10 Volt bis etwa 150 Volt aufweist.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei der Varistor einen Ableitstrom von etwa 1 µA oder weniger bei einer Arbeitsspannung von 18 Volt aufweist.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei der Varistor einen Ableitstrom von etwa 0,1 µA bis etwa 0,6 µA bei einer Arbeitsspannung von 18 Volt aufweist.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei der Varistor eine Kapazität von etwa 0,1 pF bis etwa 50 000 pF aufweist.
Varistor gemäß Anspruch 1, wobei der Varistor eine Kapazität von etwa 250 pF bis etwa 750 pF aufweist.
Verfahren zur Bildung des Varistors gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren das Bilden des dielektrischen Materials durch Calcinieren von Zinkoxid und dann das Mischen des calcinierten Zinkoxids mit dem Thermistormaterial mit dem positiven Temperaturkoeffizienten umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 23, weiterhin umfassend das Mischen mit Bismutoxid nach dem Schritt des Calcinierens.