DE112020005494T5

DE112020005494T5 - Varistor

Info

Publication number: DE112020005494T5
Application number: DE112020005494.2T
Authority: DE
Inventors: Prahlad Malpe Mohandas; S. Soran Nabavi; Alfred Hofrichter
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-10-13
Also published as: US20240105366A1; CN114270455A; WO2021089816A2; JP2022546809A; WO2021089816A3

Abstract

Die vorliegende Offenbarung beschreibt einen Varistor (1), der einen Keramikkörper (2), der eine funktionale Keramik umfasst, und Elektroden (3) umfasst, die in dem Keramikkörper (2) angeordnet sind. Die Elektroden (3) umfassen nicht schwebende Elektroden (3a), die jeweils mit den äußeren Kontakten (4) des Varistors (1) elektrisch verbunden sind. Die Elektroden (3) umfassen ferner mindestens zwei schwebende Elektroden (3b), die gegenüber den äußeren Kontakten (4) elektrisch isoliert sind. Jede der schwebenden Elektroden (3b) überlappt sich mit mindestens zwei weiteren Elektroden (3). Mindestens zwei schwebende Elektroden (3b) überlappen sich jeweils mit einer der nicht schwebenden Elektroden (3a). Der Abstand (D1) zwischen zwei der weiteren Elektroden (3), die sich mit einer der schwebenden Elektroden (3b) überlappen, beträgt mindestens das Zweifache des Abstands (D2) zwischen dieser schwebenden Elektrode (3b) und der ersten weiteren Elektrode (3) sowie des Abstands (D2) zwischen der schwebenden Elektrode (3b) und der zweiten weiteren Elektrode (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Varistor.
Varistoren sind allgegenwärtige elektronische Bauelemente, die in allen Arten von elektronischen Vorrichtungen und insbesondere in Überspannungsableitern verwendet werden. Varistoren weisen ein hochgradig nichtlineares elektrisches Verhalten auf, das dem einer Diode ähnelt. Die Varistorspannung, die eine typische Kennzahl eines Varistors ist, ist eine Spannung, die benötigt wird, um einen Strom von 1 mA durch den Varistor zu leiten. Unterhalb der Varistorspannung weist ein Varistor einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf, während der elektrische Widerstand weit über der Varistorspannung fast null ist.
Die meisten heutigen Varistoren haben einen Schichtaufbau, bei dem sich eine Metalloxid-Keramik, die ein nichtlineares elektrisches Verhalten aufweist, zwischen zwei Elektroden befindet. Die charakteristische Varistorspannung wird vorwiegend vom Abstand zwischen den zwei benachbarten Elektroden beeinflusst. Das liegt daran, dass eine Metalloxid-Keramik aus vielen kleinen Körnern besteht, die unterschiedliche Leitfähigkeiten aufweisen. Zwischen den Körnern sind Grenzschichten ausgebildet, die einen hohen elektrischen Widerstand hervorrufen, da die Elektronen die durch die Grenzschichten erzeugten Potentialbarrieren durchqueren müssen. Indem eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, nehmen die Elektronen genug Energie auf, um die durch die Grenzschichten erzeugten Potentialbarrieren zu überwinden, was zu einem Zusammenbruch des elektrischen Widerstands des Varistors führt.
US 5.369.390 offenbart beispielsweise einen mehrschichtigen Zinkoxid-Varistor, bei dem die Varistorspannung durch die Dicke des Keramikmaterials zwischen den Elektroden gesteuert wird. Bei einer gegebenen Größe der Körner der Metalloxide wird die Varistorspannung erhöht, indem der Abstand der Elektroden vergrößert wird, da mehr Körner und folglich mehr Korngrenzen zwischen die Elektroden eingefügt werden. Daher kann die Varistorspannung einfach erhöht werden, indem der Abstand zwischen den Elektroden vergrößert wird. Dadurch wird die Höhe des gesamten elektronischen Bauelements vergrößert, da die meisten Varistoren einen Schichtaufbau haben, bei dem die Höhe des elektronischen Bauelements vom Abstand der Elektroden beeinflusst wird.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Varistor mit einer hohen Varistorspannung bereitzustellen, der eine flache und kompakte Bauform hat.
Die Aufgabe wird durch einen Varistor gelöst, der die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs aufweist.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt einen Varistor, der einen Keramikkörper, der eine funktionale Keramik umfasst, und Elektroden umfasst, die in dem Keramikkörper angeordnet sind. Die Elektroden umfassen nicht schwebende Elektroden, die jeweils mit äußeren Kontakten des Varistors elektrisch verbunden sind. Die Elektroden umfassen des Weiteren mindestens zwei schwebende Elektroden, die gegenüber den äußeren Kontakten elektrisch isoliert sind. Jede der schwebenden Elektroden überlappt sich mit mindestens zwei weiteren Elektroden. Mindestens zwei schwebende Elektroden überlappen sich mit jeweils einer der nicht schwebenden Elektroden. Der Abstand zwischen zwei der weiteren Elektroden, die sich mit einer der schwebenden Elektroden überlappen, beträgt mindestens das Zweifache des Abstands zwischen dieser schwebenden Elektrode und der ersten weiteren Elektrode sowie des Abstands zwischen der schwebenden Elektrode und der zweiten weiteren Elektrode.
Zwei der Elektroden überlappen einander, wenn sich eine der Elektroden, aus einer zur Ausdehnung der Elektrode senkrechten Richtung betrachtet, über einen Teil einer anderen Elektrode erstreckt und ihn überdeckt. Jede schwebende Elektrode überlappt sich mit mindestens zwei weiteren Elektroden, wobei mindestens zwei der weiteren Elektroden einander überlappen. Für den Abstand zwischen zwei weiteren Elektroden ist es bevorzugt, den kürzest möglichen Abstand zu wählen, oder anders ausgedrückt, dass sich der Abstand zwischen den zwei weiteren Elektroden auf den Abstand von zwei benachbarten weiteren Elektroden bezieht, die, von der schwebenden Elektrode aus betrachtet, in derselben Richtung gelegen sind. Der Abstand zwischen den zwei weiteren Elektroden, die sich mit der schwebenden Elektrode überlappen, muss mindestens das Zweifache des Abstands betragen, den jede der weiteren Elektroden zur schwebenden Elektrode hat. Auf diese Weise kann sich ein Ladungsträger wie ein Elektron nicht von einer weiteren Elektrode zu einer anderen weiteren Elektrode bewegen, sondern wird gezwungen, sich zuerst von der einen weiteren Elektrode zur schwebenden Elektrode und danach von der s schwebenden Elektrode zur zweiten weiteren Elektrode zu bewegen.
Indem die Elektroden wie beschrieben in dem Keramikkörper angeordnet werden, wird der Ladungsträgerweg durch die funktionale Keramik im Vergleich zu herkömmlichen Varistoren ohne schwebende Elektroden verlängert. Bei der gegebenen Anordnung bewegen sich die Ladungsträger nicht bloß einmal geradlinig von einer ersten nicht schwebenden Elektrode zu einer anderen nicht schwebenden Elektrode, welche die erste nicht schwebende Elektrode überlappt, sondern werden gezwungen, sich entlang einer gewundenen Linie durch die funktionale Keramik zu bewegen, um die zweite nicht schwebende Elektrode zu erreichen. Die Anordnung nutzt den Raum der Varistoren in einer Längsrichtung effizienter, indem ein größerer serieller Widerstand als bei einem herkömmlichen Varistor geschaffen wird, da die Ladungsträger gegenüber Varistoren, die bloß einen einzigen Durchgang durch die funktionale Keramik zwischen den überlappenden ersten und zweiten nicht schwebenden Elektroden vorsehen, die funktionale Keramik mehrere Male durchqueren müssen. In dem Varistor gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Weg, wenn man von einer Ausführungsform mit nur zwei schwebenden Elektroden ausgeht, dreimal so lang, als er in einem herkömmlichen Varistor ohne schwebende Elektroden wäre. Der Ladungsträger muss sich zuerst von einer nicht schwebenden Elektrode durch die funktionale Keramik zur überlappenden ersten schwebenden Elektrode bewegen. Von der ersten schwebenden Elektrode wandert der Ladungsträger ein zweites Mal durch die funktionale Keramik, um die überlappende zweite schwebende Elektrode zu erreichen. Danach müssen die Ladungsträger ein weiteres Mal von der zweiten schwebenden Elektrode zur überlappenden zweiten nicht schwebenden Elektrode wandern. Demzufolge ist die Varistorspannung eines Varistors gemäß der vorliegenden Erfindung höher als die Varistorspannung eines entsprechenden gewöhnlichen Varistors ohne schwebende Elektroden.
Zusätzlich kann die Varistorspannung erhöht und bequem individuell angepasst werden, indem in Abhängigkeit von einer verlangten Spannungsklasse, von den Verfahrensmöglichkeiten oder von der Länge des Varistors eine größere oder kleinere Anzahl von schwebenden Elektroden zwischen den nicht schwebenden Elektroden verwendet wird. Beispielsweise kann die Varistorspannung erhöht werden, indem weitere schwebende Elektroden hinzugefügt werden und dadurch der Weg der Ladungsträger durch die funktionale Keramik noch weiter verlängert wird. Somit wird ein Varistor mit einer erhöhten Varistorspannung bei einer gegebenen Bauelementhöhe bereitgestellt.
Ohne den Umfang der Erfindung zu beschränken, wird im Folgenden eine Richtung, entlang der die schwebenden Elektroden angeordnet sind und verlaufen, als eine Längsrichtung definiert. Die Ausdehnung des Keramikkörpers senkrecht zur Längsrichtung und parallel zum Abstand zwischen überlappenden Elektroden wird als die Höhe des Varistors bezeichnet.
Die einander überlappenden schwebenden Elektroden können in zwei parallelen Lagen entlang einer Längsachse des Keramikkörpers angeordnet sein. Die Anordnung der schwebenden Elektroden in nur zwei parallelen Lagen ermöglicht eine sehr dünne Bauform eines Varistors. Die Varistorspannung hängt von der Anzahl schwebender Elektroden und den Eigenschaften der funktionalen Keramik ab, doch kann sie geändert werden, ohne den Abstand zwischen den überlappenden Elektroden und somit die Höhe des Varistors zu ändern.
Des Weiteren können die schwebenden Elektroden in mehreren parallelen Lagen entlang einer Längsachse des Keramikkörpers angeordnet sein. Durch Verwendung mehrerer paralleler Lagen von schwebenden Elektroden werden die Stoßstrombelastbarkeit des elektronischen Bauelements und seine Kapazität verbessert, da das Wirkvolumen vergrößert wird. Demzufolge ist ein Varistor, bei dem mehrere parallele Lagen von schwebenden Elektroden verwendet werden, vorteilhaft bei Anwendungen mit hohen Strömen und hohen Spannungen.
Um nun auf die funktionale Keramik zurückzukommen, sind Metalloxide wie Zinkoxid, Bismutoxid, Chromoxid oder Manganoxid von Vorteil zur Verwendung in einer funktionalen Keramik, da sie hochgradig nichtlineare elektrische Eigenschaften aufweisen. Auch ein Gemisch der Metalloxide sowie die Dotierung eines Metalloxids können die Leistung des Varistors verbessern.
Die funktionale Keramik kann auch Körner enthalten. Da die Varistorspannung oder der Widerstand des Varistors vorwiegend durch die Anzahl von Korngrenzen zwischen den Elektroden beeinflusst wird, können die Eigenschaften des Varistors durch Anpassen der Körner, wie des Materials, aus dem sie bestehen, oder ihrer Größe, abgestimmt werden.
Des Weiteren können die Körner einen Durchmesser zwischen 100 nm und 20 µm haben. Da die Varistorspannung überwiegend von der Anzahl von Korngrenzen zwischen den Elektroden abhängt, hat der Durchmesser der Körner einen großen Einfluss auf die Varistorspannung. Bei einem festen Abstand zwischen den Elektroden führt ein kleinerer Korndurchmesser zu einer größeren Anzahl von Korngrenzen und folglich zu einer höheren Varistorspannung. Der kleinste Durchmesser von Metalloxidkörnern beträgt ungefähr 100 nm. Typische Korndurchmesser liegen im Bereich von 5 µm bis 20 µm.
Mindestens zwei aneinandergrenzende Körner können in Reihe zwischen benachbarten Elektroden angeordnet sein. Da der Widerstand zwischen den benachbarten Elektroden von den Korngrenzen abhängt, wird durch das Bereitstellen von mindestens zwei Körnern zwischen benachbarten Elektroden in der richtigen Anordnung sichergestellt, dass es mindestens eine Korngrenze zwischen den Elektroden gibt, wodurch ein Kurzschluss zwischen den Elektroden vermieden wird.
Der Abstand zwischen benachbarten Elektroden kann mindestens 400 nm und vorzugsweise mindestens 20 µm betragen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich mindestens zwei Körner in Reihe zwischen benachbarten Elektroden befinden, wobei der Korndurchmesser zwischen 400 nm und 10 µm betragen kann. Je nach dem Korndurchmesser der funktionalen Keramik muss der Abstand zwischen den Elektroden angepasst werden, um mindestens eine Korngrenze zwischen den Elektroden vorzusehen. Auf diese Weise wird ein Kurzschluss zwischen den Elektroden verhindert und der Varistor arbeitet ordnungsgemäß. Da die Größe der Keramikkörner stark variiert, kann ein großer Bereich beim Abstand zweckmäßig sein.
Ferner können die in dem Keramikkörper angeordneten Elektroden flach sein. Flache Elektroden, insbesondere Dünnschichtelektroden, können mit einer Vielzahl unterschiedlicher Techniken hergestellt werden. Beschichtungstechniken wie Vakuumbeschichten, Oberflächenbeschichten, Laminieren oder Plattieren sind beispielhafte Verfahren, die nachweislich solide Verfahren zur Herstellung einer Schicht sind.
Zudem können die Elektroden eine Dicke zwischen 1 und 3 µm haben. Dicken der Elektroden zwischen 1 und 3 µm gewährleisten die Aufrechterhaltung einer geringen Höhe des gesamten elektronischen Bauelements, während eine langlebige und zuverlässige Elektrode beibehalten wird.
Die Elektroden können Silber, Palladium, Kupfer, ein anderes Metall oder eine Kombination davon umfassen. Metalle stellen eine hohe elektrische Leitfähigkeit bereit und sind daher als Material für Elektroden von Vorteil. Durch die Verwendung eines guten Leiters wie Metall als Material für die Elektroden kann die Elektrodendicke verringert werden, ohne den Widerstand des elektrischen Bauelements zu erhöhen. Darüber hinaus sollte das für die Elektroden verwendete Material einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der dem der funktionalen Keramik, welche die Elektrode umgibt, möglichst ähnlich ist. Außerdem sind Edelmetalle wie Silber oder Palladium korrosionsbeständig und daher als Metallkontakt von Vorteil.
Überdies kann der Varistor mit einer Vielschichttechnik hergestellt werden. Bei der Vielschichttechnik wird ein Bauelement aufgebaut, indem Schichten aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien nacheinander aufeinander gefügt werden. Somit kann eine Anordnung wie bei der vorliegenden Erfindung ohne weiteres mit einer Vielschichttechnik hergestellt werden. Der Keramikkörper kann beispielsweise mithilfe von dünnen Keramikfolien hergestellt werden, die gestapelt werden. Die Elektroden können mit einer Metallpaste siebgedruckt werden. Außerdem kann eine Dünnschichttechnik verwendet werden, um den Varistor mit einer Vielschichttechnik herzustellen. Sehr dünne Keramikschichten können mit einem Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Lösung (chemical solution deposition, CSD) und die Elektroden mit einem Verfahren zur physikalischen Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, PVD) oder zur chemischen Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) hergestellt werden.
Die Höhe des Keramikkörpers kann mindestens 100 µm und weniger als 10 mm betragen. Die Dünnschichttechnik ermöglicht Elektrodendicken und Schichtdicken der funktionalen Keramik unter wenigen µm. Somit kann ein Varistor mit einer Dicke von weniger als 100 µm geschaffen werden. Varistoren, die so dünn wie 100 µm sind, sind geeignet, in Leiterplatten oder sonstige kleine Elektronikgeräte integriert zu werden. Typische Höhen von häufig verwendeten Varistoren liegen unter 10 mm. Ein Varistor gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine höhere Varistorspannung und eine höhere Stoßstrombelastbarkeit bei gleicher Höhe bereit und ist aufgrund dessen vorteilhaft für viele Anwendungen und Vorrichtungen.
Des Weiteren kann die Überlappung zwischen der mindestens einen schwebenden Elektrode und den zwei weiteren Elektroden mindestens 5% und höchstens 45% der Ausdehnung der schwebenden Elektrode in einer Längsrichtung betragen. Auf diese Weise können die zwei weiteren Elektroden einen Abstand zueinander einhalten, der größer als der Abstand zwischen einer der zwei weiteren Elektroden zu den schwebenden Elektroden ist. Außerdem kann die Kapazität des Varistors individuell eingerichtet werden, indem die Überlappung der zwei weiteren Elektroden mit der schwebenden Elektrode geändert wird, da die überlappenden Elektroden eine Kapazität bilden. Darüber hinaus kann die Stoßstrombelastbarkeit des Varistors erhöht werden, indem die Überlappung der weiteren Elektrode und der schwebenden Elektrode vergrößert wird, da innerhalb der endlichen Ausdehnung des Keramikkörpers mehr schwebende Elektroden verwendet werden können, wenn die Überlappung so groß wie möglich ist.
Des Weiteren können die äußeren Kontakte als Kappen ausgeformt sein. Die Kappen können zwei entgegengesetzte Stirnflächen des Keramikkörpers bedecken und über den Rand dieser Stirnflächen hinausreichen. Auf diese Weise kann der Varistor in komfortabler Weise kontaktiert werden. Ein Varistor, der als Kappen ausgeformte äußere Kontakte aufweist, kann bequem in Anwendungen integriert und montiert werden, da es die Kappen ermöglichen, den Varistor wie eine oberflächenmontierte Vorrichtung in eine Vorrichtung einzubauen.
Im Folgenden wird die Erfindung auf der Grundlage von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Die Figuren dienen nur zur Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Die Abmessungen einiger Teile können übertrieben oder verfälscht sein. Daher können den Figuren weder absolute noch relative Abmessungen entnommen werden. Gleiche Teile oder Teile mit gleicher Wirkung sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

1 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Varistors gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Varistors gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform eines Varistors gemäß der vorliegenden Erfindung.

In 1 wird eine erste Ausführungsform eines Varistors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zwei nicht schwebende Elektroden 3a ragen von den zwei entgegengesetzten Stirnflächen entlang der Längsachse 5 des Keramikkörpers 2 in den Keramikkörper 2. Zwei schwebende Elektroden 3b sind in dem Keramikkörper 2 vorgesehen. Die erste schwebende Elektrode 3b überlappt sich mit einer ersten nicht schwebenden Elektrode 3a und einer zweiten schwebenden Elektrode 3b, während sich die zweite schwebende Elektrode 3b mit der ersten schwebenden Elektrode 3b und der zweiten nicht schwebenden Elektrode 3a überlappt. Alle Elektroden 3, insbesondere die schwebenden Elektroden 3b, sind in zwei parallelen Lagen entlang der Längsachse 5 des Keramikkörpers 2 angeordnet. Dies ermöglicht eine sehr dünne Bauform des gesamten elektronischen Bauelements.
Wenn eine an den Varistor 1 angelegte Spannung die Varistorspannung überschreitet, bewegen sich die Ladungsträger von der ersten nicht schwebenden Elektrode 3a zur ersten schwebenden Elektrode 3b, danach von der ersten schwebenden Elektrode 3b durch das Überlappungsgebiet zur zweiten schwebenden Elektrode 3b und danach von der zweiten schwebenden Elektrode 3b zur zweiten nicht schwebenden Elektrode 3a. Im Vergleich zu einem Durchgang, dem die Ladungsträger bei einem herkömmlichen Varistor 1, bei dem sich die nicht schwebenden Elektroden 3a überlappen, unterzogen werden, müssen die Ladungsträger daher die funktionale Keramik dreimal durchqueren.
Die Abstände zwischen den Elektroden 3 wurden derart gewählt, dass ein Abstand D1 zwischen benachbarten Elektroden, d.h. Elektroden 3, die in ein und derselben Lage angeordnet sind, mindestens das Zweifache des Abstands D2 zwischen überlappenden Elektroden 3 beträgt. Somit gehorchen die Abstände zwischen den Elektroden 3 dem folgenden Ausdruck: D1>2*D1. Auf diese Weise werden die Ladungsträger gezwungen, ihren Weg im Vergleich zu einem Varistor 1, der bloß überlappende nicht schwebende Elektroden 3a und keine schwebenden Elektroden 3b aufweist, zu verlängern. Da die Wege durch die funktionale Keramik im Hinblick auf den Widerstand in gleicher Weise wirken, zeigt der verlängerte Ladungsträgerweg das gleiche Verhalten wie in Reihe geschaltete Widerstände. Bei der gegebenen Anordnung, bei der die schwebenden Elektroden 3b in zwei parallelen Lagen entlang einer Achse angeordnet sind, verhält sich die Varistorspannung gemäß dem folgenden Ausdruck: U = 2*(n+1)*X, wobei n die Anzahl schwebender Elektroden 3b ist und X eine gegebene Varistorspannung bei bloß einem Weg durch die funktionale Keramik bei einem gegebenen Abstand ist. Somit kann die Varistorspannung bequem auf eine gewünschte Spannungsklasse eingestellt werden, indem schwebende Elektroden 3b zwischen den nicht schwebenden Elektroden 3a hinzugefügt oder entfernt werden.
Die funktionale Keramik des Keramikkörpers 2 umfasst Körner, die vorwiegend für den Widerstand zwischen zwei überlappenden Elektroden 3 verantwortlich sind, da der Widerstand durch die Korngrenzen erzeugt wird. Der Widerstand, und folglich die Varistorspannung, kann abgestimmt werden, indem die Eigenschaften der Körner, wie das Material oder der Durchmesser der Körner, eingestellt werden. Die Körner umfassen ein Metalloxid wie Zinkoxid, Bismutoxid, Chromoxid oder Manganoxid, das hochgradig nichtlineare elektrische Eigenschaften aufweist. Außerdem können ein Gemisch der Metalloxide sowie die Dotierung des Metalloxids das Verhalten des Varistors 1 verbessern.
Keramikkörner können in einem weiten Bereich verschiedener Durchmesser von 100 nm bis 20 µm hergestellt werden. Da die Varistorspannung und der Widerstand durch die Korngrenzen bedingt sind, müssen mindestens zwei in Reihe aneinandergrenzende Körner vorliegen, um eine Korngrenze zwischen benachbarten Elektroden 3 zu garantieren und einen Kurzschluss zwischen den Elektroden 3 zu vermeiden. Daher muss der Abstand zwischen zwei benachbarten Elektroden 3 je nach der Korngröße zwischen den Elektroden 3 zwischen 400 nm und 20 µm betragen. Demzufolge kann die Varistorspannung nicht nur durch Hinzufügen weiterer schwebender Elektroden 3b zwischen schwebenden Elektroden 3b erhöht werden, sondern auch durch Vergrößern des Abstands D2 zwischen überlappenden Elektroden 3.
Die Elektroden 3 sind als Dünnschichten ausgeformt und in einer Richtung der Höhe 6 des Varistors 1 flach. Die Dicke der Elektroden 3 kann zwischen 1 und 3 µm betragen. Durch Verwendung einer flachen Bauform der Elektroden 3 kann die Höhe 6 des gesamten Varistors 1 klein gehalten werden. Unterschiedliche Techniken wie Vakuumbeschichten, Oberflächenbeschichten, Laminieren, Plattieren oder Drucken können zur Herstellung der Elektroden 3 geeignete Verfahren sein. Metalle wie Silber, Palladium, Kupfer, Legierungen oder ein Gemisch verschiedener Metalle eignen sich als Material für die Elektroden 3. Da Metalle eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, können sie in sehr dünnen Schichten ausgeformt werden, ohne ihren Widerstand zu erhöhen. Die Höhe 6 eines Varistors 1 gemäß der ersten Ausführungsform kann nur 100 µm oder weniger betragen.
In 2 wird eine zweite Ausführungsform eines Varistors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Keramikkörper 2 hat eine rechteckige Form. Zwei nicht schwebende Elektroden 3a ragen an jedem von zwei entgegengesetzten vorderen Enden in den Keramikkörper 2. Beide nicht schwebenden Elektroden 3a überlappen sich mit verschiedenen schwebenden Elektroden 3b, und beide dieser schwebenden Elektroden 3b überlappen sich wiederum mit zwei schwebenden Elektroden 3b, die sich übereinandergestapelt in der Mitte des Keramikkörpers 2 befinden. Daher muss sich ein Ladungsträger viermal durch die funktionale Keramik bewegen, um von einer nicht schwebenden Elektrode 3a von einem vorderen Ende zu einer anderen nicht schwebenden Elektrode 3a an dem vorderen Ende zu gelangen, das dem ersten vorderen Ende entgegengesetzt ist. Folglich hat ein Varistor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform eine höhere Varistorspannung als ein Varistor 1 gemäß der ersten Ausführungsform.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Überlappung zwischen zwei Elektroden 3, insbesondere zwischen zwei schwebenden Elektroden 3b, viel größer als bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform. In 1 beläuft sich die Überlappung zwischen schwebenden Elektroden 3b auf ungefähr 10% der Ausdehnung einer schwebenden Elektrode 3b, während bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform eine Überlappung von ungefähr 30% vorliegt. Da eine Kapazität durch die Überlappung der Elektroden 3 erzeugt wird, ist die Kapazität der zweiten Ausführungsform, die eine Überlappung aufweist, die das Dreifache der Überlappung der ersten Ausführungsform beträgt, viel höher als die Kapazität bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform. Demgemäß kann die Kapazität des Varistors 1 nahezu unabhängig von der Varistorspannung eingestellt werden, da die Kapazität vorwiegend durch die Überlappung beeinflusst wird und die Varistorspannung vorwiegend durch den Abstand D1 der überlappenden Elektroden 3, die Korngröße der funktionalen Keramik, das Material der funktionalen Keramik und insbesondere die Anzahl schwebender Elektroden 3b beeinflusst wird, die zwischen den nicht schwebenden Elektroden 3a angeordnet sind.
Durch Verwendung einer symmetrischen Anordnung der Elektroden 3, wie in 2, werden thermoplastische Spannungen im Keramikkörper 2 verringert, die während thermischer Herstellungsprozesse wie Sintern auftreten können. Zudem sind an beiden vorderen Enden des Keramikkörpers 2, wo die nicht schwebenden Elektroden 3a in den Keramikkörper 2 ragen, die äußeren Kontakte 4, die mit den nicht schwebenden Elektroden 3a verbunden sind, als Kappen 4 ausgeformt. Die an einem vorderen Ende angeordnete Kappe 4 ist mit allen nicht schwebenden Elektroden 3a, die von dieser Seite in den Keramikkörper 2 ragen, elektrisch verbunden. Ein Varistor 1 mit Kappen 4 kann bequem in eine Anwendung integriert und montiert werden, da er eine oberflächenmontierte Vorrichtung ist. Demzufolge kann ein Varistor 1 mit Kappen 4 auch günstig mit einem Bestückungsautomat verarbeitet werden.
In 3 wird eine dritte Ausführungsform eines Varistors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ragen die nicht schwebenden Elektroden 3a ebenfalls von zwei einander entgegensetzten vorderen Enden in den Keramikkörper 2, wobei bei dieser Ausführungsform neun nicht schwebende Elektroden 3a von jeder Seite hineinragen. Im Keramikkörper 2 sind mehrere parallele Lagen von schwebenden Elektroden 3b angeordnet, die von einer Vorderendseite entlang der Längsachse 5 zur anderen Vorderendseite reichen.
Bei dieser Ausführungsform muss ein Ladungsträger mindestens vierzehn Mal durch die funktionale Keramik wandern, um von einer nicht schwebenden Elektrode 3a an einem ersten vorderen Ende zu einer nicht schwebenden Elektrode 3a an einem dem ersten entgegengesetzten zweiten vorderen Ende zu gelangen. Daher ist die Varistorspannung eines Varistors 1 gemäß der dritten Ausführungsform im Vergleich zu den anderen zwei Ausführungsformen viel höher. Des Weiteren ist die Stoßstrombelastbarkeit des Varistors 1 erhöht, weil mehrere parallele Lagen von schwebenden Elektroden 3b in dem Keramikkörper 2 angeordnet sind. Durch Hinzufügen zusätzlicher Lagen von Elektroden 3 kann die Stoßstrombelastbarkeit sogar noch weiter erhöht werden.
Demzufolge eignet sich ein Varistor 1 gemäß der dritten Ausführungsform nicht nur für Anwendungen, bei denen eine hohe Varistorspannung erforderlich ist, sondern auch für Anwendungen, bei denen hohe Ströme auftreten.
Bezugszeichenliste

1: Varistor
2: Keramikkörper
3: Elektroden
3a: nicht schwebende Elektroden
3b: schwebende Elektrode
4: äußerer Kontakt/Kappe
5: Längsachse
6: Höhe
D1: Abstand zwischen zwei weiteren Elektroden
D2: Abstand zwischen zwei überlappenden Elektroden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5369390 [0004]

Claims

Varistor (1), umfassend: - einen Keramikkörper (2), der eine funktionale Keramik umfasst; - Elektroden (3), die in dem Keramikkörper (2) angeordnet sind; wobei die Elektroden (3) nicht schwebende Elektroden (3a) umfassen, die jeweils mit den äußeren Kontakten (4) des Varistors (1) elektrisch verbunden sind; - wobei die Elektroden (3) ferner mindestens drei schwebende Elektroden (3b) umfassen, die gegenüber den äußeren Kontakten (4) elektrisch isoliert sind; wobei mindestens zwei schwebende Elektroden (3b) in derselben Lage angeordnet sind, und wobei sich jede schwebende Elektrode (3b) mit mindestens zwei weiteren Elektroden (3) überlappt, und wobei sich mindestens zwei schwebende Elektroden (3b) jeweils mit einer der nicht schwebenden Elektroden (3a) überlappen, und wobei der Abstand (D1) zwischen zwei der weiteren Elektroden (3), die sich mit einer der schwebenden Elektroden (3b) überlappen, mindestens das Zweifache des Abstands (D2) zwischen dieser schwebenden Elektrode (3b) und der ersten weiteren Elektrode (3) sowie des Abstands (D2) zwischen der schwebenden Elektrode (3b) und der zweiten weiteren Elektrode (3) beträgt.
Varistor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die schwebenden Elektroden (3b), die einander überlappen, in zwei parallelen Lagen entlang einer Längsachse (5) des Keramikkörpers (2) angeordnet sind.
Varistor (1) nach Anspruch 1, wobei die schwebenden Elektroden (3b) in mehreren parallelen Lagen entlang einer Längsachse (5) des Keramikkörpers (2) angeordnet sind.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die funktionale Keramik Metalloxid umfasst.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die funktionale Keramik Körner umfasst.
Varistor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Körner einen Durchmesser zwischen 100 nm und 20 µm haben.
Varistor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens zwei aneinandergrenzende Körner in Reihe zwischen benachbarten Elektroden (3) angeordnet sind.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen benachbarten Elektroden (3) zwischen 400 nm und 20 µm beträgt.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in dem Keramikkörper (2) angeordneten Elektroden (3) flach sind.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (3) eine Dicke zwischen 1 und 3 µm haben.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (3) Silber, Palladium, Kupfer, ein anderes Metall oder eine Kombination davon umfassen.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Varistor (1) mittels Vielschichttechnik hergestellt ist.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe (6) des Keramikkörpers (2) 100 µm oder weniger beträgt.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Überlappung zwischen der mindestens einen schwebenden Elektrode (3b) und den zwei weiteren Elektroden (3) auf mindestens 5% und höchstens 45% der Ausdehnung der schwebenden Elektrode (3b) in Richtung der Längsachse (5) beläuft.
Varistor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußeren Kontakte (4) als Kappen (4) ausgeformt sind.