DE2525054A1 - Verfahren zur herstellung nichtlinearer widerstaende - Google Patents

Verfahren zur herstellung nichtlinearer widerstaende

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DE2525054A1
DE2525054A1 DE19752525054 DE2525054A DE2525054A1 DE 2525054 A1 DE2525054 A1 DE 2525054A1 DE 19752525054 DE19752525054 DE 19752525054 DE 2525054 A DE2525054 A DE 2525054A DE 2525054 A1 DE2525054 A1 DE 2525054A1
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lanthanum
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Kazuo Mukae
Ikuo Nagasawa
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01CRESISTORS
    • H01C7/00Non-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
    • H01C7/10Non-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
    • H01C7/105Varistor cores
    • H01C7/108Metal oxide
    • H01C7/112ZnO type

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Description

  • Verfahren zur Herstellung nichtlinearer Widerstände Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden japanischen Patentanmeldung Sho 49-62656 vom 3. Juni 1974 beansprucht.
  • Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Herstellung nichtlinearer Widerstände aus Zinkoxid und metallhaltigen Zusatzstoffen, darunter einem kobalthaltigen Zusatzstoff, wobei die Ausgangsstoffe gemischt und zu Körpern geeigneter Gestalt gepreßt werden, worauf die Körper bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 14500 C gebrannt und nach der Abkühlung mit einander gegenüberliegenden Elektroden versehen werden.
  • Es sind bereits keramische Widerstände auf der Basis von Zinkoxid bekannt, die metallhaltige Zusatzstoffe, darunter Kobaltoxid, enthalten (DT-OS 2 061 635). Der bekannte Widerstand enthält noch weitere Zusatzstoffe, darunter Berylliumoxid, Wismutoxid, Manganoxid, Strontium- und Bleioxid oder einige dieser Stoffe.
  • Ferner sind spannungsabhängige Widerstände auf der Basis von Zinkoxid bekannt, die als Zusatzstoffe Lanthanoxid und Yttriumoxid enthalten und die mit wenigstens einer Silberfarbenelektrode versehen sind. Elektroden dieser Art gehören zu den sogen. nichtohmschen Elektroden, die in Verbindung mit dem Widerstandskörper die Wirkung einer Sperrschicht besitzen und wesentlich für die Eigenschaften des fertigen Widerstandes sind. Die Zusammensetzung und Aufbringung der Silberfarbenelektroden ist verhältnismäßig kompliziert.
  • DarUber hinaus sind als Schutz gegen Uberspannungen auch Varistoren auf der Basis von Siliziumkarbid und Selen bekannt. Jedoch sind die Begrenzungsspannung und die Nichtlinearität dieser Varistoren unzureichend, um Halbleiterelemente, wie z. B. Dioden, Transistoren oder Thyristoren, wirksam zu schützen. Auch die bekannten Uberspannungsableiter mit in Reihe geschalteten Funkenstrecken und einer Ableitröhre sind als Uberspannungsschutz für Halbleiterelemente ungeeignet, weil ihre Begrenzungsspannung zu hoch und ihre Nichtlinearität zu gering ist.
  • Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren so auszugestalten, daß nichtlineare Widerstände auf der Basis von Zinkoxid hergestellt werden können, die eine niedrige Begrenzungsspannung und eine möglichst hohe Nichtlinearität besitzen. Zur Erläuterung der genannten Größen sei ihre Abhängigkeit anhand der folgenden Gleichung betrachtet: F/ in der I der beim Anlegen der Spannung V fließende Strom und C eine Konstante darstellt, die der Spannung entlang einem Millimeter des Widerstandskörpers entspricht, wenn die Strochdichte ein mA/cm2 beträgt und Oc der Exponent der Spannungsabhängigkeit des Widerstandes ist.
  • Gemäß der Erfindung werden bei dem vorgesehenen Verfahren als Zusatzstoffe Praseodym in einer Menge von 0,08 bis 8,0 Atom-% und Kobalt in einer Menge von 0,1 bis 8,0 Atom-% Jeweils als Element oder als Verbindung des Elements verwendet, wobei die Mengenangaben auf die Elemente bezogen sind, und die Brenntemperatur liegt zwischen 1150 und 14000 C. Es hat sich gezeigt, daß die angegebenen Zusatzstoffe allein ausreichend sind, Widerstände mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen.
  • Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften ist im Rahmen der Erfindung dadurch erzielbar, daß bei dem vorgesehenen Verfahren als weiteren Zusatzstoff Lanthan als Element oder als Verbindung in einer Menge von 0,08 bis 8,0 Atom-%, bezogen auf das Element, zugesetzt wird.
  • Es hat sich als günstig erwiesen, die Brenntemperatur der gepreßten Widerstandskörper von 1300 bis 13500 C zu wählen.
  • Praseodym und Kobalt, welche die Zusatzstoffe bilden,können in Gestalt von Oxiden, z. B. als Pr6011 und Co203, oder als andere Verbindungen abweichender Formel verwendet werden, oder sie können in Gestalt der Elemente zugesetzt werden, wenn diese Verbindungen oder Elemente während des folgenden Brennens in Oxide von Praseodym und Kobalt umgewandelt werden.
  • Die keramischen Widerstandskörper nach der Erfindung können unterschiedliche Werte von C undoC aufweisen, wenn die zugegebenen Mengen der Zusatzstoffe verändert werden oder die Brenntemperatur verändert wird. Aus diesem Grund ist es erwünscht, daß die zugegebenen Mengen der Zusatzstoffe und die Brenntemperatur der Substanzen in Richtung auf die größtmöglichen Werte von bei einem gewünschten Wert von C gewählt werden.
  • Bei den auf Zinkoxid basierenden keramischen Widerstandskörpern nach der Erfindung können die gewünschten vorteilhaften Wirkungen nicht erreicht werden, wenn nur Praseodym oder nur Kobalt zugesetzt wird. Das heißt, Cc ist so klein, daß der Widerstand praktisch nicht verwendbar ist, wenn nur Praseodym zugesetzt wird, und der Widerstand zeigt nur sehr geringe Nichtlinearität der Spannung und entspricht im wesentlichen einem ohmschen Widerstand, wenn nur Kobalt zugesetzt wird. Widerstandskörper mit hervorragender Nichtlinearität der Spannung, die praktisch verwendbar sind, erhält man dagegen, wenn Praseodym und Kobalt in geeigneten Verhältnissen und Mengen entsprechend der Erfindung zugesetzt werden.
  • Der Grund, warum die untere Grenze für Praseodym bei 0,08 Atom-% und die untere Grenze für Kobalt bei 0,1 Atom-% liegt, während die oberen Grenzen derselben Elemente mit 8 Atom-% bestimmt sind, ist folgender: Obwohl es Unterschiede in der Brenntemperatur gibt, können keine bemerkenswerten Effekte durch den Zusatz erhalten werden, und die Charakteristik der Widerstandselemente wird schlechter und unbestimmt, wenn die zugesetzten Mengen von Praseodym und Kobalt weniger als 0,08 Atom-% bzw. 0,1 Atom-% betragen. Werden die zugesetzten Mengen von Praseodym und Kobalt auf mehr als 8 Atom-% bemessen, besteht eine Neigung, daßOC kleiner wird, und die Charakteristik der Elemente wird instabil. Verwendet man die keramischen Körper nach der Erfindung als gewöhnliche Wechselspannungsschutzwiderstände gegen Uberspannung, so führt die angegebene Zusammensetzung der Kerami0gzufriedenstellendenCharakteristiken für eine solche Anwendung. Werden jedoch die keramischen Körper in einem Gleichspannungskreis mit niedriger Spannung (z. B. für 24 V) verwendet, so muß der Wert von C verringert werden. Hierfür hat sich der Zusatz von Lanthan als wirksam erwiesen. Dies bedeutet, daß durch die Zugabe von Lanthan als Element oder Verbindung zu der erwähnten Zusammensetzung in einer Menge von 0,08 bis 8 Atom-%, bezogen auf das Element, ein geeigneter Wert von C erhalten werden kann. Ist die zugegebene Menge von Lanthan geringer als 0,08 Atom-%, beobachtet man keinen bemerkenswerten Effekt, und wenn die zugegebene Menge 8 Atom-% überschreitet, wird die Charakteristik des erhaltenen Widerstandes instabil.
  • Das Brennen wird z. B. in Luft bei einer Temperatur von 1150 bis 14000 C oder vorzugsweise zwischen 1300 und 13500 C durchgeführt.
  • Wenn die Brenntemperatur niedriger als 11500 C ist, verringert sich die Dichtigkeit des gebrannten Produktes, die mechanische Festigkeit desselben wird schwächer, und die elektrischen Eigenschaften werden geringwertiger. Im Gegensatz hierzu wird der Wert vonOC verringert, wenn die Brenntemperatur 14000 C überschreitet, und wenn sie 1500° C überschreitet, wird es schwierig, eine gleichförmige, gebrannte Substanz zu erhalten und die Wiederholbarkeit und Beeinflußbarkeit der Charakteristik der Produkte zu gewährleisten.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
  • Entsprechend der Erfindung wurden verschiedene kemramische Körper wie folgt hergestellt: Zu Zinkoxid wurden Praseodym und Kobalt in Gestalt ihrer Verbindungen Pur6011 und Co203 zugesetzt und, wenn es erforderlich war1 wurde Lanthan in der Gestalt von La203 zugesetzt, und zwar in verschiedenen Verhältnissen und Mengen. Die so erhaltenen Mischungen wurden ausreichend geknetet und bei 7000 C eine Stunde lang gebrannt. Jede der erhaltenen Substanzen wurde ausreichend gemahlen, in kreisförmige Scheiben von 16 mm Durchmesser geformt und bei verschiedenen Temperaturen eine Stunde lang gebrannt. Die auf diese Weise hergestellten keramischen Körper wurden einer Abtragungsbehandlung unterzogen, bis eine Dicke von 1 mm erreicht war, wurden mit Elektroden an zwei Oberflächen versehen, und die Eigenschaften der Körper wurden gemessen. Die auf diese Weise erhaltenen Kennwerte der keramischen Widerstände werden nun angegeben, wobei anstelle von C und Oc eine Spannung V1 zu der Zeit angegeben wird, zu der ein Strom von 1 mA floß.
  • In Fig. 1 sind Veränderungen der maximalen Werte von oC angegeben, wobei die zugegebene Menge von Lanthan als Parameter angegeben ist.
  • Die Brenntemperatur betrug 13000 C, Kobalt war als Co203 in einer Menge von 0,1 bis 8 Atom-% und Praseodym war als Pr6011 in einer Menge von 0,08 bis 8 Atom- zugegeben, jeweils bezogen auf die Elemente. In Fig. 1 entspricht die Kurve 1 dem Fall, daß kein Lanthan zugesetzt ist; die Kurve 2 gilt für eine Zugabe von Lanthan mit 0,1 Atom-, Kurve 3 0,3 Atom-N Lanthan, die Kurve 4 für 1,0 Atom-% Lanthan, die Kurve 5 für 3,0 Atom-% Lanthan und die Kurve 6 für 8 Atom-% Lanthan.
  • In Fig. 2 sind verschiedene Werte von V1 über der zugegebenen Menge von Kobalt aufgetragen für die Widerstandskörper mit verschiedenen Werten entsprechend den Kurven 1 bis 6 in Fig. 1.
  • Aus den Figuren 1 und 2 geht hervor, daß die keramischen Widerstandskörper mit sehr guter Nichtlinearität in dem Bereich der Zusatzstoffe entsprechend der Erfindung erzielt werden können, wobei die Spannung V1 von 30 bis 750 V oder insbesondere von 30 bis 150 V variiert. Darüber hinaus ist es natürlich möglich, die Spannung V1 in einem größeren Bereich zu beeinflussen durch Veränderung der Brenntemperatur gegenüber dem angegebenen Wert.
  • Wie zuvor beschrieben, können die keramischen Widerstandskörper nach der Erfindung verschiedene Begrenzungsspannungen und hohe Exponenten der Nichtlinearität aufweisen, indem die Brenntemperatur und die zugegebenen Mengen der Zusatzstoffe verändert werden, und können dadurch dem Schutz verschiedener, für niedrige Betriebsspannungen bemessener elektronischer Geräte besonders angepaßt werden.
  • 3 Ansprüche 2 Figuren

Claims (3)

  1. Patentansprüche 1verfahren zur Herstellung nichtlinearer Widerstände aus Zinkoxid und metallhaltigen Zusatzstoffen, darunter einem kobalthaltigen Zusatzstoff, wobei die Ausgangsstoffe gemischt und zu Körpern geeigneter Gestalt gepreßt werden, worauf die Körper bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 14500 C gebrannt und nach der Abkühlung mit einander gegenüberliegenden Elektroden versehen werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoffe Praseodym in einer Menge von 0,08 bis 8,0 Atom-N und Kobalt in einer Menge von 0,1 bis 8,0 Atom-% jeweils als Element oder als Verbindung des Elements verwendet werden, wobei die Mengenangaben auf die Elemente bezogen sind, und daß die Brenntemperatur 1150 bis 14000 C beträgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischung der Ausgangsstoffe als weiteren Zusatzstoff Lanthan als Element oder als Verbindung in einer Menge von 0,08 bis 8,0 Atom-%, bezogen auf das Element, zugesetzt ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gepreßten Körper bei einer Temperatur im Bereich von 1300 bis 13500 C gebrannt werden.
    Leerseite
DE19752525054 1974-06-03 1975-06-03 Nichtlinearer Widerstandskörper aus Zinkoxid (Varistor) Expired DE2525054C2 (de)

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