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KERAMI SCHER KONDENSATOR Die Erfindung betrifft einen Sperrschichtkondensator,
bestehend aus einer Reduktionsschicht und einer diese umgebende Reoxidationsschicht;
insbesonders einen Nehrfach-Sperrschichtkondensator Derartige Sperrschichtkondensatoren
besitzen bei niedrigen Nennspannungen hohe Volumenkapazitäten und werden in transistorisierten
Geräten verwendet.
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Wo noch höhere Kapazitätswerte erforderlich sind, werdenbislang Elektrolytkondensatoren
eingesetzt.
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Werden die Volumenkapazitäten einiger Kondensatorbauformen gegenübergestellt,
so ergibt sich nach H. Nottebrock: Kondensatorentt Teil 1, 1949 Bauform Nennspannung
Volumenkapazität (V- ) (nF/mm3 ) Vaselinekondensator 160 0,044 Metallpapierkond.
160 0,011 Kunstfolienkond. 32 0,006 Sperrschichtkond.(herk.) 16 1,188 Elektrolytkondensator
12 1,666 Elektrolytkondensatoren haben bei sehr hoher Volumenkapazität den Nachteil
einer begrenzten Lagerfähigkeit und eines hohen Verlustfaktors. Die bekannten Sperrschichtkondensatoren
mit
zwei gegenüberliegenden Eiektro#enflächen und zentraler, nicht
an die Oberfläche des Keramikkörpers herausgeführter Reduktionsschicht haben den
Nachteil,. ihr Dielektrikum in Bezug auf hohe -Volumenkapazität nicht auszunutzen,
weil es sich bei herkömmhohen Sperrschichtkondensatoren um eine Serienschaltung
der beiden Teilkapazitäten handelt. Die Kapazität pro reoxidierter Dielektrikumsschicht
ist doppelt so groß, als der an den Kondensatoranschlüssen gemessene Kapazitätswert.
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Aus der US-Patentschrift 2 520 376 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Kondensatorkörpers in Schichtform mit hoher Dielektrizitätskonstante bekannt,
der nach dem Prinzip eines Sperrschichtkondensators aufgebaut ist. Dabei besteht
das keramische Dielektrikum aus einer Mischung aus Erdalkalititanaten mit einem
Oxidzusatz seltener Erden, welcher als Reduktionskatalysator wirkt und ein Teil
des Kondensatorkörpers in oxidierender Atmosphäre und ein anderer Teil in reduzierender
Atmosphäre gebrannt wird.
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Die deutsche Patentschrift 879 920 beansprucht ein Verfahren zur Herstellung
eines bimorphen Titanates und ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein geramikstreifen
aus Metalltitanaten, T402 oder Mischungen von solchen geformt, und dieser dann so
behandelt wird, daß der Kerarnikkörper teilweise reduziert und sein elektrischer
Widerstand verringert wird, wonach man nur einen Teil des Streifens in der Weise
einer Oxidationsbehandlung unterwirft, daß im Ergebnis wenigstens zwei Schichten
verschiedener elektrischer Leitfähigkeit entstehen. Dieses Verfahren bezieht sich
auf die Herstellung bimorpher Übertragerelemente und nicht auf Sperrschichtkondensatoren,
obwohl das beanspruchte Verfahren prinzipiell auf die Herstellung von Sperrschichtkondensatoren,
anwendbar ist und damit zum Stand der Technik gerechnet werden kann wie er im Oberbegriff
des Hauptanspruchs gewürdigt wird.
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Desgleichen ist auch aus der DT-AS 1 097 568 ein Verfahren zur Herstellung
einer Halbleiteranordnung mit einem gleichmäßig gesinterten Körper aus Erdalkalititanaten;
z.B. Gleichrichter oder Kondensatoren bekannt, wobei der gesinterte Körper durch
allseitige Reduktion in einer reduzierenden Atmosphäre zu einem n-leitenden Halbleiterkörper
mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 6000 umgewandelt wird, daß auf diesem
Halbleiterkörper 2 Elektroden aus Silber, Platin, Zink oder Graphit so aufgebracht
werden, daß zwischen mindestens einer Elektrode und dem Halbleiterkörper eine isolierende
Grenzschicht von etwa 0,0025 mm Dicke entsteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Reoxidations-Dielektrikum
bei einem an sich bekannten Sperrschichtkondensator voll auszunutzen, d.h. aus der
Serienschaltung der Dielektrika eine Parallelschaltung zu machen, so daß sich eine
viermal höhere Volumenkapazität son ungefähr 4,7 nF/m3 ergibt, die wesentlich über
der des Elektrolytkondensators liegt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reduktionsschicht
bis an die Oberfläche des keramischen Kondensatorkörpers herausgeführt und hier
sperrschichtfrei mit einem Anschluß kontaktiert wird, so daß sich bei elektrisch
leitender Kontaktierung der nebeneinanderliegenden Elektrodenflächen und sperrschichtfreier
Kontaktierung der Reduktionsschicht(en) eine Parallelschaltung der Reoxidations-Dielektrikumsschichten
ergibt.
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Dabei können die Einzelscheiben durch Pressen kreis- oder rechteck-
bzw. quadratförmig sein oder es kann ein Keramikstrang gezogen werden. Nach dem
üblichen Sinterbrand und der anschließenden thermischen Reduktionsbehandlung werden
die durchreduzierten, leitenden Keramikscheiben bzw. der Strang tauchmetallisiert,
wobei jedoch ein Teil der Scheibe bzw. des Stranges aus dem Xetallisierungsbad heraussteht,
so daß ein
Teil der Keramikoberfläche von der Metallisierung frei
bleibt.
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Diese Metallisierung wird beispielsweise in einem Silberbad vorgenommen.
Anschließend wird die Metallisierung in einer oxidierenden Atmosphäre auf der Keramikoberfläche
derart eingebrannt, daß eine Oberflächenschicht des reduzierten Keramikkörpers reoxidiert
und damit nichtleitend wird. Diese Reoxidationsschicht bildet das Dielektrikum eines
Sperrschichtkondensators. Der im Inneren des Keramikkörpers verbleibende reduzierte
und damit leitende Kern ergibt bei herkömmlichen Sperrschichtkondensatoren die Gegenelektrode
zu den aufgebrachten Außenelektroden. Bei Anschluß an den beiden Außenelektroden
ergibt sich somit eine Serienschaltung der beiden Sperrschichtteilkapazitäten. Werden
die Einzelscheiben oder der Strang mit rechteckigem Querschnitt jedoch bis auf eine
Teilfläche tauchmetallisiert, die Metallisierung oxidierend eingebrannt und die
von der Metallisierung freibleibende Teiloberfläche derart auseinandergetrennt,
daß die im Inneren der Keramik befindliche Reduktionsschicht an die durch das Abtrennen
entstandene Oberfläche herausreicht, so ergibt sich bei sperrschichtfreier Kontaktierung
der Reduktionsschicht zwischen dieser und der oxidierend eingebrannten Tauchmetallisierung
eine Parallelschaltung der beiden Reoxidations-Dielektrikumsschichten und damit
gegenüber herkömmlichen Sperrschichtkondensatoren die vierfache Volumenkapazität.
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Bei dünnwandigen Keramikscheiben von beispielsweise o,6 mm Wandstärke
ist die sperrschichtfreie Kontaktierung mittels z.B. leitfähigem Kleber durch Walzen,
Stempeln oder Pinseln möglich. Einfacher wird das Aufbringen der sperrschichtf,reien
Kontaktierung auf größeren ebenen Flächen, insbesonders bei einem erfindungsgemäßen,
aus mehreren Scheiben zusammengesetzten Sperrschichtkondensator.
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Werden gepreßte Einzelscheiben zu einem erfindungsgemäßen Sperrschichtkondensator
zusammengesetzt, so kann das Abtrennen eines Teiles des Keramikkörpers bei der Einzel
scheibe nach
dem Einbrand der Außenmetallisierung oder erst nach
dem elektrisch leitenden, mechanisch festen Kontaktieren der nebeneinander liegenden
Elektrodenflä-chen geschehen. Im ersten Fall ist es möglich, Scheiben-mit Reoxidationsausfall
auszusortieren; im zweiten Fall erhält man auf einfachste Weise eine ebene Fläche
zur sperrschichtfrei#en Kontaktierung der Reduktionsschichten der einzelnen Scheiben.
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Bei Verwendung eines stranggezogenen Keramikkörpers rechteckigen Querschnitts
vereinfacht sich die Außenmetallisierung erheblich, da der ganze Strang in einem
Tauchvorgang metallic siert wird. Nach dem oxidierenden Einbrand der Außenmetaz
sierung wird der Strang in einem Nehrfachschneidwerkzeug in gleiche Einzellängen
zersägt, die anschließend wie bei den gepreßten Scheiben beschrieben, weiterverarbeitet
werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
im Vergleich zu herkömmlichen Sperrschichtkondensatoren bei gleicher Spannungsfestigkeit
die vierfache Volumenkapazität und bei Mehrfach-Sperrschichtkondensatoren eine große
Fläche zur sperrschichtfreien Kontaktierung der Anschlüsse an die Reduktionsschichten
zu erreichen, wobei die Parallelschaltung der einzelnen Dielektrikumsschichten ohne
weitere Hilfsmittel einfach durch Aneinanderlegen der Einzelscheiben, elektrisch
leitende Verbindung aneinanderliegender Elektrodenmetallisierungen und sperrschichtfreie
Kontaktierung der Reduktionsschichten hergestellt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Sperrschichtkondensator
in Einscheibenbauform im Querschnitt, Fig, 2 einen Sperrschichtkondensator in Nehrscheibenbauform
im Querschnitt, Fig. 3 einen Einscheiben-Spe,rrsciiichtkondensator mit schematisch
angedeuteter Trennlinie,
Fig. 4 einen stranggezogenen Keramikkörper
in räumlicher Darstellung, Fig. 5 eine kreisförmige Eeramikscheibe in Auf- und Seitenansicht,
Fig. 6 eine Darstellung der Scheibe entlang der Schnittlinie AB aus Fig. 5, Fig.
7 eine räumliche Darstellung eines Mehrfach-Sperrschicht kondensators mit rechteckiger
Grundfläche und Fig. 8 eine räumliche Darstellung eines Mehrfach-Sperrschichtkondensators
mit kreisförmiger Gruedfläche.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Sperrschichtkondensator
1 kreis- oder rechteckförmiger Grundfläche, bestehend aus der Reduktionsschicht
6 und der diese umgebenden Reoxidationsschicht 5, welche das Kondensatordielektrikum
bildet. An der Scheibenoberfläche befindet sich die Metallisierung 2, welche durch
Tauchen hergestellt wird und die den Scheibenkörper nicht vollständig umgibt. Die
zwischen der Metallisierung 2 und der Reduktionsschicht 6 befindlichen Dielektrikumsschichten
5 sind dabei parallel geschaltet. Die Reduktionsschicht 6 reicht an der von der
Außenmetallisierung 2 nicht bedeckten Oberfläche an diese heraus und wird hier sperrschichtfrei
mit einem Anschluß 9 elektrisch leitend verbunden, wobei die sperrschichtfreie Kontaktierung
8 beispielsweisa ein elektrisch leitender Kleber ergibt. Der zweite Anschluß 9 ist
an der Außenmetallisierung 2 elektrisch leitend verbunden. Der mit Anschlüssen 9
versehene Sperrschichtkondensator ist mit einer Umhüllung 10 zum Schutz gegen Feuchtigkeit
umgeben.
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Fig. 2 zeigt einen Sperrschichtkondensator in Scheibenbauform, bei
dem die von der Reoxidationsschicht 5 umgebenen Reduktionsschichten 6 sperrschichtfrei
metallisiert 8 sind und die Außenmetallisierungen 2 durch Verbindungsschichten 7
aus z.B. Lötzinn elektrisch leitend verbunden sind, wobei nach Anbringen der Anschlüsse
9 der Kondensator' mit einer Umhüllung 10 versehen wird.
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Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Sperrschichtkondensator
1 mit Außenmetallisierung 2, die oxidierend auf der durch reduzierten Keramikscheibe
eingebrannt wird, so'daß sich die Oxidationsschicht 5 um die verbleibende Reduktionsschicht
6 ausbildet. Durch Trennen des Keramikkörpers entlang der Schnittlinie 4 wird die
Reduktionsschicht 6 an dieser Stelle an die Scheibenoberfläche verlegt.
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Fig. 4 zeigt einen stranggezogenen Keramikkörper 1 mit rechteckigem
Querschnitt, der nach dem Sinterbrand und thermischer Behandlung in reduzierender
Atmosphäre durch eine Tauchvorgang an der Oberfläche metallisiert wird, wobei die
Außenmetallisierung 2 nicht die gesamte Oberfläche bedeckt. Nach dem oxidierenden
Einbrand der Außenmetallisierung 2 wird der Strang entlang der Schnittlinien3 auseinander
geschnitten und vor oder nach dem Zusammenbau zu einem Mehrfach - Sperrschichtkondensator
entlang der Schnittlinie 4 auseinandergetrennt, so daß die Reduktionsschichten an
den Scheibenoberflächen zu liegen kommen. Die Schnitte entlang der Schnittlinien
3 können jedoch auch vor dem Tauchmetallisiervorgang durchgeführt werden, so daß
die Außenmetallisierung auch die im ersten Fall freibleibenden Querschnittsflächen
entsprechend bedeckt Wesentlich ist der Schnitt entlang der Schnittlinie 4, der
den leitfähigen (reduzierten) Kern freilegt.
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Fig. 5 zeigt eine kreisförmige Keramikscheibe 1 in Auf- und Seitenansicht
mit der Außenmetallisierung 2. Strichpunktiert ist die Schnittlinie 4 dargestellt,
die parallel zum Metallisierungsrand verläuft und an der die Scheibe auseinandergetrennt
wird.
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Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie AB aus Fig. 5
mit der Außenmetallisierung 2, der Reoxidationsschicht 5 und der Reduktionsschicht
6, die durch Trennen des Keramikkörpers 1 entlang der Schnitthnie 4 an die Oberfläche
herausragt.
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Fig. 7 zeigt eine räumliche Darstellung eines Mehrscheiben -Sperrschichtkondensators
mit Anschlüssen 9 und Umhüllung 10 und -Fig. 8 zeigt eine räumliche Darstellung
eines Mehrscheiben -Sperrschichtkondensators kreisförmiger Grundfläche mit den Außenmetallisierungen
2, der zum Metallisierungsrand parallel verlaufenden Schnittlinie 4, mit der sperrschichtfreien
Kontaktierung 8 und den Anschlüssen 9.
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PATENTANSPRÜCHE