DE2413485B2 - Keramikmaterial mit aufgrund seiner zusammensetzung nichtlinearer spannungscharakteristik - Google Patents
Keramikmaterial mit aufgrund seiner zusammensetzung nichtlinearer spannungscharakteristikInfo
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- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
- H01C7/105—Varistor cores
- H01C7/108—Metal oxide
- H01C7/112—ZnO type
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Keramikmaterial gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein
bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines solchen Keramikmaterials. Ein derartiges Keramikmaterial ist
aus der DT-OS 20 21 983 bekannt.
Varistoren aus Siliziumkarbid und aus Selen sind als Überspannungsschutz-Widerstände verwendet worden.
Da Halbleiterelemente wie z. B. Dioden, Transistoren und Thyristoren nur außerordentlich geringe Überspannungen,
verglichen mit anderen üblichen elektrischen Bauelementen, vertragen, ist es dringend notwendig,
solche Halbleiterbauelemente durch spannungsbegrenzende Widerstände gegen Überspannungen zu
Schützen. Solche Widerstände sollen eine Nichtlinearität der Spannungscharakteristik haben, die so groß wie
möglich ist. Jedoch ist die Nichtlinearität der Spannungscharakteristik bei Siliziumkarbid- und bei Selen-Varistoren
nicht ausreichend groß. Darüber hinaus haben Siliziumkarbid-Varistoren einen hohen Spannungswert,
bei dem die Spannungsbegrenzung einsetzt. Beim Selen-Varistor ist die Belastungsfähigkeit klein
und seine Abmessungen sind relativ groß. Solche Varistoren werden als Blitzschutz-Ableiter oder Ableitröhren
mit Elektrodenabstand verwendet. Der Spannungswert der Spannungsbegrenzung ist für einen
Schutz von Halbleiterbauelementen zu hoch.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 18 02 452 sind
ebenfalls einschlägige Keramikmassen bekannt, die, soweit sie interessierende technische Werte haben, alle
Wismut enthalten, das bei der Herstellung der Keramikmasse hochgiftige Dämpfe abgibt, die zu
besonderen und komplizierten technischen Vorkehrungen zwingen. Auch in diesen Keramikmassen sind,
soweit sich diese auf dem Markt befinden, außer Wismut noch vier weitere Zugabeelemente, nämlich Chrom,
Kobalt. Mangan und Antimon, enthalten.
Aus der US-Patentschrift 28 87 632 ist schließlich ein Zinkoxid-Widerstandsmaterial bekannt, das jedoch bei
Temperaturen unter 10000C gesintert ist und das keine spannungsabhängigen Eigenschaften aufweist
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, bekanntes spannungsabhängiges Keramikmaterial der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln,
daß mit relativ wenigen und dazu zumindest nicht stark giftigen Zugabeelementen, d.h. in somit
technologisch einfacher Weise, mit dem Stand der Technik wenigstens vergleichbar gute technische Werte
erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß gelost, wie dies
im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben ist Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen
gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Bei dem erfindungsgemäßen Material handelt es sich um Zinkoxid als Grundbestandteil, dem Terbium (Tb),
Lanthan (La) und Kobalt (Co) in Form der Elemente oder in Form von Verbindungen als Zusatzbestandteile
zugegeben werden, wobei die Zugabe für Terbium und Lanthan zwischen 0,1 und 7,0 Atom-% und für Kobalt
zwischen 0,1 und 8,0 Atom%, gerechnet auf der Basis der Elemente Terbium, Lanthan und Kobalt, liegt.
Dieses Material wird gesintert. Die zusätzlichen Bestandteile Terbium, Lanthan und Kobalt können in
Form ihrer Oxide, wie z. B. Tb4O?, La2O3, Co2O3,
zugegeben werden. Es ist aber auch möglich, Terbium, Lanthan und Kobalt in Form von Verbindungen
zuzugeben, die mit den voranstehend genannten Formeln nicht übereinstimmen. Terbium, Lanthan und
Kobalt können auch in Form ihrer Elemente zugegeben werden, vorausgesetzt, daß sie Oxide während des
Sinterprozesses bilden.
Wenn an ein bezüglich seiner Spannungscharakteristik nichtlineares Bauelement eine Spannung Vangelegt
wird, ergibt sich der durch das Element fließende Strom /angenähert nach der Formel
worin C der Spannungsabfall pro 1 mm des Elementes ist, wenn die Stromdichte des hindurchfließenden
Stromes 1 mA/cm2 ist. λ ist ein Faktor für die Spannungs-Nichtlinearität. Es wird angestrebt, daß der
Wert von C ungefähr den Betriebsbedingungen des Bauelementes entspricht, d. h. für das Bauelement bei
vorgegebener Betriebsspannung ein angestrebter Strom fließt bzw. daß bei vorgegebener Stromstärke ein
angestrebter Spannungsabfall am Bauelement auftritt und daß ä einen Wert so groß wie möglich hat.
Bei einer Keramik nach der Erfindung hängen die für C und λ erreichten Werte von der Menge der
zusätzlichen Bestandteile, die der Grundkomponente zugegeben werden, und von der Sintertemperatur ab.
Dementsprechend ist es notwendig, die Zugabemenge und die Sintertemperatur so auszuwählen, daß größtmögliche
Werte für α bei einem angestrebten Wert von Cerreicht werden.
Bei einer Zinkoxid-Keramik nach der vorliegenden Erfindung werden die angestrebten Werte nicht
erreicht, sofern nur einer der Zusatzbestandteile Terbium, Lanthan oder Kobalt hinzugegeben wird. D. h.,
wenn nur Terbium oder Lanthan hinzugefügt wird, werden für α nur außerordentlich kleine Werte erreicht,
mit denen das Material für die praktische Verwendung nutzlos ist. Im Falle, daß nur Kobalt zugegeben wird,
wird keine Nichtlinearität der Spannung erreicht,
sondern es liegt nur ein ohmscher Widerstand vor. Im
FsUe, daß Terbium und Kobalt zusammen zugegeben werden, ist die Nichtlinearität sogar höher als diejenige
eines erfindungsgemäßen Materials, jedoch ist auch der Wert für C größer als bei der Erfindung, so daß es
schwierig ist, ein Material, das nur Terbium und Kobalt enthält, als Schutz für Bauelemente für niedrige
Spannungen zu verwenden, z. B. für Schaltungen mit 24 V Gleichspannung. Wenn Lanthan und Kobalt
zusammen zugegeben werden, liegt die Nichtlinearität niedriger als bei einem erfindungsgemäßen Material,
jedoch ist C klein und deshalb ist dies geeignet für Niederspannung-Schaltungen, jedoch weist dieses Material
den Nachteil auf, daß es einen hohen Spannungswert der Spannungsbegrenzung hat Dementsprechend
läßt sich ein Material mit nichtlinearer Spannungscharakteristik, das sich für den praktischen Einsatz als
Schutz für Niederspannungs-Einrichtungen Szw. -Schaltungen eignet, erst erreichen, wenn man gemäß der
Erfindung alle drei genannten Zusätze, nämlich Terbium, Lanthan und Kobalt, in der angegebenen
Menge hinzugibt und dieses Material bei den angegebenen Temperaturen sintert.
Die Untergrenze der Zugabemenge 0,1 Atom% für Terbium, Lanthan und Kobalt und die obere Grenze für
Terbium und Lanthan mit 7,0 Atom% und für Kobalt mit 8,0 Atom% ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Gründen. Obgleich einzelne Unterschiede aufgrund verschiedener Sintertemperaturen vo: liegen,
wurde bei Zugabe von Terbium, Lanthan und Kobalt mit jeweils weniger als 0,1 Atom°/o der Nachteil
festgestellt, daß keine Wirkung zu beobachten ist, sich keine besondere Spannungscharakteristik ergibt und
Streuung der Charakteristiken von einzelnen Problem vorliegt. Wenn das Maß der Zugabe für Terbium und
Lanthan jeweils mehr als 7,0 Atom% und für Kobalt mehr als 8,0 Atom% betragen hat, ergab sich ein
Absinken des Wertes für λ und die Charakteristik der Proben wurde unstabil, so daß größere als angegebene
Zugaben sich nicht als zweckmäßig erwiesen haben.
Das Sintern wird in Luft bei 11000C und höher,
vorzugsweise bei 1200 bis 1400° C, durchgeführt. Wenn
die Sintertemperatur unter 11000C liegt, ist die Dichte
des gesinterten Materials verringert, wodurch sich die mechanische Festigkeit verringert und die elektrischen
Eigenschaften ebenfalls gestört sind. Andererseits nimmt der Wert für λ ab, wenn die Sintertemperatur
1400°C übersteigt und es ist schwierig, oberhalb dieser
Temperatur einen gleichmäßig gebrannten Körper, Reproduzierbarkeit desselben und die Mög'-ichkeit zur
Steuerung der Charakteristik zu erhalten.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus dem nachfolgend beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hervor. Keramikmpterialien nach
der vorliegenden Erfindung können in großer Anzahl entsprechend dem nachfolgend beschriebenen Herstellungsverfahren
hergestellt werden.
Zu Zinkoxid (ZnO) wird Terbium, Lanthan und Kobalt in Form von Verbindungen, (Tb4O;, LajOj) in
unterschiedlichen Verhältnissen und Mengen zugegeben, dann gemischt und diese Mischung bei Temperatu-S
ren von 7000C eine Stunde lang geglüht Das Material wird dann durch und durch gemahlen, in Scheiben
geformt, wobei eine jede Scheibe einen Durchmesser von 16 mm hat, und dann eine Stunde lang bei
verschiedenen Temperaturen gesintert Die auf diese
ίο Weise erhaltenen Keramikscheiben werden auf eine
Dicke von 1 mm geschliffen und die Charakteristik gemessen, nachdem man Elektroden auf die einander
gegenüberliegenden Flächen der Scheiben aufgebracht hat Die Charakteristik einet so erhaltenen Widerstandes
kann wiedergegeben werden durch die Spannungswerte Vi bei 1 mA und durch χ anstelle von C und λ. In
Abhängigkeit vom Zugabeverhältnis der Bestandteile haben sich die in den F i g. 1 und 2 angegebenen
Meßwerte für die Charakteristik ergeben.
F i g. 1 zeigt die Werte für λ mit der Zugabe von
Lanthan als Parameter, wobei die Sintertemperatur 13000C betragen hat Kobalt und Terbium sind in Form
von Co2Os und Tb4O? in jeweiligen Raten von 0,1 bis 8,0
bzw. 0,1 bis 7,0 Atom°/o zugegeben worden. In dieser Figur entsprechen die Kurve 1 einer Lanthan-Zugabe
von 0,1 Atom%, die Kurve 2 einer Zugabe von 0,5 Atom%, die Kurve 3 einer Zugabe von 1,0 Atom% und
die Kurve 4 einer Zugabe von .5,0 Atom% Lanthan. In den Kurven 1 bis 4 in F i g. 2 sind die Werte für V, von
erfindungsgemäßen Materialien wiedergegeben, aufgetragen über der Kobah-Zugabemenge, wobei die Werte
α. dieser Materialien in den Kurven 1 bis 4 in F i g. I
angegeben sind. Aus den F i g. 1 und 2 ist ersichtlich, daß ein Material mit ausgezeichneter Nichtlinearität der
Spannungscharakteristik bei Vi von ungefähr 40 bis 500 V, vorzugsweise 50 bis 200 V, in dem erfindungsgemäß
angegebenen Zugabebereich erreicht wird. Der Wert Vi kann durch Änderung der Sintertemperatur in
noch weiteren Bereichen gesteuert werden
Wie voranstehend ausgeführt, ist mit der Erfindung ein Keramikmaterial gefunden worden, bei dem der
Spannungswert für die Spannungsbegrenzung verschiedene Werte haben kann und ein großer Nichtlinearitätsfaktor
<x für die Spannung vorliegt, und zwar durch Steuerung der Sintertemperatur und der Zugabemenge
der zusätzlichen Bestandteile. Ein wie erfindungsgemäßes Material kann zum Spannungsschutz verschiedener
elektronischer Schaltungen verwendet werden, speziell für solche mit niedriger Spannung.
Fig.3 zeigt einen als Überspannungsleiter geeigneten
Widerstand, der insbesondere für Halbleiterschaltungen zu verwenden ist. Mit 10 ist eine Scheibe aus
einem erfindungsgemäßen Keramikmaterial bezeichnet, die z.B. 1 mm dick ist. Mit 11 und 12 sind auf den
Flächen der Scheibe 10 angebrachte Elektroden und mit 13 und 14 Anschlußdrähte für diese Elektroden
bezeichnet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Gesintertes Keramikmaterial mit aufgrund seiner Zusammensetzung nichtlinearer Spannungscharakteristik,
geeignet für Widerstände zum Überspannungsschutz, wobei dieses Material als Grundkomponente
Zinkoxid und als Zugabe Lanthan und Kobalt enthält und in Luft bei Temperaturen zwischen 1200und 14000Cgesintert ist, dadurch
gekennzeichnet, daß als weitere Zugabe Terbium (Tb) enthalten ist, wobei Terbium und
Lanthan jeweils in Mengen von 0,1 bis 7,0 Atom-% und Kobalt in einer Menge von 0,1 bis 8,0 Atom-%,
gerechnet auf der Basis der Elemente, Terbium, Lanthan bzw. Kobalt zugegeben sind.
2. Verfahren zur Herstellung eines Keramikmaterials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens einer der zusätzlichen Bestandteile aJs Oxid-Verbindung zugegeben wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines Keramikmaterials nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß Zinkoxid zusammen mit den zusätzlichen Bestandteilen gemischt, bei Temperaturen um etwa
700° C ca. 1 Stunde geglüht, gemahlen und in die Form von aus dem Material herzustellenden
Widerständen gepreßt wird und anschließend die Sinterung ausgeführt wird.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3219273A JPS559801B2 (de) | 1973-03-20 | 1973-03-20 | |
JP3219273 | 1973-03-20 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2413485A1 DE2413485A1 (de) | 1974-10-10 |
DE2413485B2 true DE2413485B2 (de) | 1976-09-23 |
DE2413485C3 DE2413485C3 (de) | 1977-04-28 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3018595A1 (de) * | 1979-05-30 | 1980-12-04 | Marcon Electronics Co | Verfahren zur herstellung eines nichtlinearen widerstands |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3018595A1 (de) * | 1979-05-30 | 1980-12-04 | Marcon Electronics Co | Verfahren zur herstellung eines nichtlinearen widerstands |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS559801B2 (de) | 1980-03-12 |
DE2413485A1 (de) | 1974-10-10 |
JPS49119187A (de) | 1974-11-14 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: FUCHS, F., DR.-ING., PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN |