DE2529279A1 - Verfahren zur herstellung nichtlinearer widerstaende aus zinkoxid und zusatzstoffen - Google Patents

Verfahren zur herstellung nichtlinearer widerstaende aus zinkoxid und zusatzstoffen

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DE2529279A1
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cobalt
samarium
linearity
zinc oxide
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DE19752529279
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Kazuo Dipl Ing Mukae
Ikuo Dipl Ing Nagasawa
Masaharu Dipl Ing Namba
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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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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung nichtlinearer Widerstände aus Zip oxid und Zusatzstoffen Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden Japanischen Patentanmeldung Sh T 49-85426 vom 25. Juli 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 (UT-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 (DT-OS 2 009 319). Elektroden dieser Art gehören zu den sogen. nichtohmschen Elektroden, die in Verbindung mit dem Widerstandskörper die Wirkung einer Sperrschicht besitzen und die Eigenschaften des fertigen Widerstandes wesentlich beeinflussen.
  • Die Zusammensetzung und Aufbringung der Silberfarbenelektroden ist verhältnismäßig kompliziert.
  • Darüber hinaus sind als Schutz gegen Überspannungen auch Varistoren auf der Basis von Siliziumkarbid und Selen bekannt0 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 Uberspannun-gsableiter mit in Reihe geschalteten Funlenstrecken 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: 1= (cV) I = (V/C)α, 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 Stromdichte 1 mA/cm2 beträgt und CX der Exponent der Spannungsabhängigkeit des Widerstandes ist.
  • Gemäß der Erfindung werden als Zusatzstoffe Samarium in einer Menge von 0,1 bis 10 Atom-45 und Kobalt ebenfalls in einer Menge von 0,1 bis 10 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.
  • Als gUnstig hat es sich erwiesen, die gepreßten Widerstandskörper bei einer Temperatur von 1300 bis 13500 C zu brennen. Die als Zusatzstoffe verwendeten Elemente Samarium und Kobalt können in Gestalt ihrer Oxide, z. B. als Sm203 bzw. Co304, oder als Verbindungen abweichender Formel oder in elementarer Form verwendet werden. Die Elemente oder ihre Verbindungen werden während des Brennens der Widerstandskörper in Oxide von Samarium und Kobalt umgewandelt.
  • Die keramischen Widerstandskörper nach der Erfindung können je nach der zugegebenen Menge der Zusatzstoffe und nach Wahl der Brenntemperatur unterschiedliche Werte von C und a aufweisen.
  • Aus diesem Grunde ist es erwünscht, daß die zugegebenen Mengen der Zusatzstoffe und die Brenntemperatur der Substanzen in Richtung auf die größtmöglichen Werte von CY bei einem gewunschten Wert von C gewählt werden.
  • Die auf der Basis von Zinkoxid hergestellten keramischen Widerstandskörper mit spannungsabhängiger Kennlinie erhalten nicht die gewünschten vorteilhaften Eigenschaften, wenn als Zusatzstoff nur Samarium oder nur Kobalt verwendet wird. Bei alleinigem Zusatz von Samarium wird der Exponent a so klein, daß der Widerstandskörper pi~e*+tisch nicht verwendbar ist, während bei alleinigem Zusatz von Kobalt im wesentlichen ein ohmscher Widerstand mit sehr geringer Nichtlinearität erhalten wird. Dagegen erhält man Widerstandskörper mit vorzüglicher Nichtlinearität der Spannung, wenn Samarium und Kobalt in geeigneten Verhältnissen und Mengen entsprechend der Erfindung zugesetzt werden.
  • Der Grund, warum die untere Grenze für Samarium und Kobalt auf 0,1 Atom-% begrenzt ist, während die obere Grenze für dieselben Stoffe 10 Atom-% beträgt, liegt in folgendem: Abgesehen von Unterschieden, die in Abhangigkeit von der Brenntemperatur entstehen, wird bei einem Zusatz von Samarium und Kobalt von weniger als 0,1 Atom-% kein merklicher Effekt hervorgerufen, und die Eigenschaften in dieser Weise zusammengesetzter Widerstandskörper werden geringwertig und unbestimmt. Wählt man dagegen Mengen von Samarium und Kobalt von über 10 Atom-%, so wird der Exponent CC kleiner, und die Charakteristik der Widerstandskörper wird instabil.
  • Das Brennen der gepreßten Widerstandskörper wird z. B. in Luft bei einer Temperatur von 1150 bis 14000 C oder vorzugsweise zwischen 1300 und 13500 C durchgeführt. Wenn die Temperatur niedriger als 11500 C ist, verringert sich die Dichte des gebrannten Prodr tes, wobei zugleich die mechanische Festigkeit nachläßt und die elektrischen Eigenschaften geringwertiger werden. Bei Brenntemperaturen über 14000 C nimmt der Wert des Exponenten C ab, und oberhalb 15000 C wird es schwierig, gleichförmige gebrannte Substanzen zu erhalten und die Wiederholbarkeit und Beeinflußbarkeit der Kennwerte der Produkte zu gewährleisten.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen graphische Darstellungen der Kennwerte keramischer Widerstandskörper nach der Erfindung in Abhängigkeit von dem Verhältnis und der Menge der zugegebenen Zusatzstoffe.
  • Zu Zinkoxid wurden Samarium und Kobalt in Gestalt ihrer Oxide Sm203 und Co304 in unterschiedlichen Verhältnissen und Mengen zugesetzt. Die so erhaltenen Mischungen wurden ausreichend geknetet und bei 7000 C eine Stunde lang gebrannt. Jede der auf diese Weise erhaltenen Substanzen wurde ausreichend gemahlen, zu kreisförmigen Scheiben von 16 mm Durchmesser geformt und bei verschiedenen Temperaturen eine Stunde lang gebrannt. Die auf diese Weise hergestellten keramischen Körper wurden einem Abtragungsprozeß unterworfen, bis eine Dicke von 1 mm erreicht war, und nach dem Anbringen von Elektroden auf den gegenüberliegenden Flächen der Körper wurden die elektrischen Kennwerte gemessen.
  • In Fig. 1 sind die Maximalwerte des Exponenten CK über der zugegebenen Menge von Kobalt aufgetragen, wobei die Brenntemperatur 13000 C betrug und Samarium in Gestalt seines Oxides Sm203 in einer Menge von 0,1 bis 10 Atom-%, umgerechnet auf das Element, zugesetzt war. In Fig. 2 sind die entsprechenden Werte für die Konstante C angegeben. C ist jeweils als die Spannung V bei einem Strom von 1 mA angegeben.
  • Aus den Fig. t und 2 geht hervor, daß keramische Widerstandskörper mit vorzüglicher Nichtlinearität der Spannung hergestellt werden konnten, deren Konstante C etwa 40 bis 150 V betrug. Darüber hinaus ist es natürlich möglich, die Konstante C auch nach größeren Werten hin zu verändern, indem die Brenntemperatur der gepreßten Widerstandskörper gegenüber dem angegebenen Wert verändert wird.
  • Wie zuvor beschrieben, lassen sich nach der Erfindung keramische Widerstandskörper für unterschiedliche Begrenzungsspannungen bei starker Nichtlinearität der Spannung herstellen, indem man die Brenntemperatur und die zugesetzten Mengen und das Verhältnis der Zusatzstoffe beeinflußt. Auf diese Weise lassen sich besonders für den Schutz elektronischer Gerä-te mit niedrigen Betriebsspannungen geeignete Schutzwiderstände herstellen.
  • 2 ansprüche 2 Figuren

Claims (2)

  1. Patentanspriiche 1. Verfahren zur Herstellung nichtlinearer Widerstände aus Zinkoxid und metallhaltigen Zusatzstoffen, darunter einem kobalthaltigen Zusatzstoff, wobei die Ausgangsstoffe gemischt und zu Körpern geeigneter Ges-talt gepreßt werden, worauf die Körper bei einer Teiiperatur im Bereich von 1100 bis 14500 C gebrannt und nach der Abkühlung mit einander gegenüberliegenden Elektroden versehen werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoffe Samarium in einer Menge von 0,1 bis 10 Atom-% und Kobalt ebenfalls in einer Menge von 0,1 bis 10 Atom-% jeweils als Element oder als Verbindung des Elements verwendet werden, wobei die lengenangaben auz die Elemente bezogen sind, und daß die Breniftemperatur 1150 bis 14000 C beträgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gepreßten Körper bei einer Temperatur im Bereich von 1300 bis 13500 C gebrannt werden.
DE19752529279 1974-07-25 1975-06-27 Verfahren zur herstellung nichtlinearer widerstaende aus zinkoxid und zusatzstoffen Ceased DE2529279A1 (de)

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