DE3012117A1 - Abstimmbarer keramik-kondensator - Google Patents

Description

• Abstimmbarer Keramik-Kondensator.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Eeramik-Eondensator, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
• Aus dem Stand der Technik sind aus Keramik hergestellte Kondensatoren bekannt, deren Kapazitätswert einstellbar ist. Schon sehr lange bekannt sind sogenannte Trimmergondsatoren, die aus zwei aufeinanderliegenden, auf Teilflächen mit Elektroden versehenen Keramikscheiben bestehen, die mit einem Schraubenzieher gegeneinander verdrehbar sind. Hier liegt eine rein mechanische Verstellbarkeit vor. Es sind aber auch sogenannte Varaktordioden bekannt, die im Grunde genommen in Sperrichtung vorgespannte Halbleiterdioden sind und deren daraus resultierende Raumladungsverteilung einen Kondensatoreffekt bewirkt. Durch entsprechende Höhe der anliegenden Sperrspannung läßt sich der Kapazitätswert eines derartigen Bauelementes variieren. Es sei aber darauf hingewiesen, daß mit dem Ausschalten dieser Sperrspannung der eingestellte Eapazitätswert verlorengeht.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Keramik-Kondensator anzugeben, der auf elektrischem Wege abgestimmt werden kann, dessen eingestellter Eapazitätswert jedoch dauerhaft aufrechterhalten bleibt, wobei die Einstellbarkeit dieses Kondensators insbesondere reversibel sein soll. Der anzugebende Kondensator soll sowohl nach seiner Herstellung und noch vor Einbau in eine endgültige Schaltung als auch in einer endgülcigen Schaltung eingebaut abstimmbar sein und eventuell auch im Schaltungsbetrieb veränderbar seon.
• Diese Aufgabe wird mit einem Keramik-Kondensator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteranspruchen hervor.
• Die Erfindung beruht auf einer Erkenntnis, die in das Gebiet der wissenschaftlichen Erklärung des Auftretens ferroelektrischer Eigenschaften in Keramik und deren elektrischer Feldabhängigkeit gehört. Es ist bekannt, daß Kondensatorkeramik, deren Zusammensetzung auf dem Prinzip des Systems des Bariumtitanats beruht,ferroelektrische Hysterese-Eigenschaften - vergleichsweise zu magnetischer Hysterese bei Eisen - aufweist. Es handelt sich dabei nicht nur um Bariumtitanat-Keramik mit verschiedenen Substitutionen für das Element Barium und/ oder für das Element Titan, sondern es gehören dazu auch Strontiumtitanate, Bleititanate und auch-Zirkonate, -Stannate,-Niobate und dergleichen. Es sind dies Keramikmaterialien, die (vergleichsweise zum Eisen u.s.w.) die Eigenschaft haben, bei einem bestimmten Temperaturwert, nämlich der Curie-Temperatur, ihre (mikro-)kristalline Struktur zu ändern, z.B. von tetragonaler Struktur zu hysteresefreier kubischer Struktur. Im übrigen ist zu erwähnen, daß mit diesem Hystereseverhalten bei Polarisierbarkeit des Materials piezoelektrischer Effekt verbunden ist.
• Die Ursachen der Veränderbarkeit der relativen Dielektrizitätszahl r bzw. Permittivitätszahl Er der Keramik können auf vier Effekten beruhen: auf Reldabhängigkeit im homogenen Gitter, wobei der Wert tr kleiner wird, wenn die Gitterpolarisation durch das Feld vergrößert wird; auf Orientierungseffekt; auf Clamping-Effekt und auf Einwirkung elastischer Spannungen.
• Für eine wie erfindungsgemäße Steuerung des Eapazitätswertes eines Kondensators kommen im wesentlichen die drei letztgenannten Effekte in Betracht. Der Orientierungseffekt stent in Verbindung mit der Anisotropie der Dielektrizitätszahl Er. Makroskopisch beobachtet man eine Mischung über die verschieden orientierten Domänen der Keramik. Bei 900-Orientierungsvorgängen ändert sich dieses Mischungsverhältnis und es wird insbesondere bei erstmaliger Polung einer Keramik der Wert Er kleiner.
• Der Clamping-Effekt bedeutet, daß fein aufgespaltene 180°-Domänen sich bei piezoelektrischer Deformation gegenseitig behindern. Dadurch sinkt die Dielektrizitätszahl Er. Entsprechend wächst sie jedoch wieder bei Beseitigung solcher 180°-Domänen. Die elastischen Spannungen des zuletzt genannten Effekts führen zu Vergrößerungen der Dielektrizitätszahl.
• Besonders geeignet für sowohl dauerhafte als auch reversible Änderung des £r-Wertes an einem fertigen Keramik-Kondensator sind der Clamping-Effekt und der Einfluß elastischer Spannungen.
• Für die Erfindung kommen in erster Linie ferroelektrische Keramiken mit gut ausgebildeter spontaner Polarisation in Frage. Zu solchen Keramikmassen gehören vor allem Pb (Ti0,45Zr0,39Mg0,08W0,08) D Pb (ZrO,5TiO 5) 03-Keramik mit 2% Atom% Neodym Fig.1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
• Fig.2 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit der Dielektrizitätszahl t von der Feldstärke der Steuerspannung in der Keramik und den möglichen Steuerbereich.
• Fig.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines wie erfindungsgemäßen Keramik-Kondensators 21, der hier beispielsweise aus zehn aufeinanderliegenden, fest miteinander verbundenen Keramikschichten 22 bis 31 besteht. Die Anzahl der aufeinanderfolgenden Schichten i st im übrigen soweit beliebig, wie das Prinzip einer noch nachfolgend zu beschreibenden Elektroden-Konfiguration jeweils realisiert ist. Mit 1 bis 11 sind Elektrodenschichten bezeichnet, von denen die Schichten 2 bis 10 zwischen je zwei Keramikschichten liegen und die Schichten 1 und 11 die Deckschichten des Kondensators sind. Wie aus der Fig.1 ersichtlich, sind die Elektrodenschichten 1,5 und 9 miteinander zu einem Kondensator-Anschluß A und die Elektrodenschichten 3, 7 und 11 zu dem anderen Kondensator-Anschluß B miteinander verbunden. Die eigentliche Kondensatorkapazität tritt danach jeweils zwischen den Elektrodenschichten 1...3, 5...3, 5..7, 9...7, 9...11 auf. Es liegen somit fünf in dem Kondensator integriete Teilkondensatoren vor.
• Im wesentlichen in SIittellage zwischen je zwei Elektrodenschichten 1, 3; 3, 5; 5, 7; ... befindet sich je eine weitere Elektrodenschicht 2, 4, 6, 8 und 10, die auf das Verhalten als Kondensator keinen Einfluß haben, da sie auf Äquipotentialflächen des Dielektrikums liegen und in einem jeden der Teilkondensatoren gleiches Potential haben. Diese Elektrodenschichten 2, 4, 6, und 10 sind mit einem Anschluß C miteinander verbunden.
• Die Anschlüsse A und B zusammengenommen einerseits und der Steueranschluß C andererseits bilden zusammen den Steuereingang des erfindungsgemäßen Kondensators 21.
• Bei Anlegen eines Gleichspannungsiinpulses gegebener Höhe und Länge tritt in den Teilkondensatoren jeweils ein polarisierendes, die Dielektrizitätszahl Er bzw.
• die Permittivität veränderndes Polarisationsfeld auf, wobei in den beiden Keramikschichten 22, 23; 24, 25; 26, 27; 28, 29; 30, 31 der einzelnen Teilkondensatoren paarweise einander entgegengesetzte Feldrichtung des Polarisationsfeldes vorliegt. Zweck dieser speziellen Maßnahme ist, Symmetrie des Einstelleffekts in den einzelnen (bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.1 fünf) Teilkondensatoren zu erreichen.
• Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Kondensators als kapazitives Bauelement bleibt der Anschluß C elektrisch offen.
• Fig.2 gibt in einem Diagramm mit der Dielektrizitätszahl auf der Ordinate 41 und der angelegten Steuerspannung (zwischen C und A/B) auf der Abszisse 42 die Abhängigkeit des Wertes dr von der Steuerspannung wieder.
• Ermittelt wurde dieses Diagramm an einer Pb(Zr0,5Ti0,5)03-Keramik mit 2 Atom96 Neodym. Das Diagramm der Fig.2 ist wegen der auf der Abszisse angegebenen Feldstärke E unabhängig von der Schichtdicke im Kondensator.
• Nachfolgend wird ein Bemessungsbeispiel eines wie erfindungsgemäßen Kondensators 21 angegeben. Wie beim dargestellten Beispiel sind zehn Keramikschichten vorgesehen. Die einzelnen Schichten haben eine Dicke von 30/um.
• Die sich deckenden Flächen der Elektroden, d.h. die Fläche, über die hinweg Kondensatorwirkung auftritt, be-2 trägt ca. 10 mm . Das genannte verwendete Keramikmaterial hat einen minimalen rWert von 900. Der Hub des gr-Wertes, d.h. ir mas~tr min Cr min beträgt etwa 25% (wie in Fig.2 angegeben). Damit ergibt sich für diesen Kondensator ein Einstellbereich von 6,7 bis 8,3 nF für eine der Abstimmung dienende maximale Impuls-Steuerspannung von ungefähr 50 Volt.
• Ein solcher Kondensator ist für maximale Betriebsspannung von 20 Volt an der Kondensator-Doppelschicht geeignet und seine Gleichspannungs-Abhängigkeit bei diesem Spannungswert 20 Volt beträgt 1,7%.
• Wie bereits erwähnt, erfolgt die Einstellung des Eapazitätswertes mit Gleichspannungsimpulsen. Der Einstellbereich erstreckt sich über die Flanken 43, 44 der Spitzen der Kurve in Fig.2, d.h. bei der funktionellen Abhängigkeit nach Fig.2 bei z.B. 15-17 EV/cm. Die Einteilung der Abszisse ist aber noch von der Impulslänge abhängig.
• Die Einstellung läßt sich z.B. bei konstanter Impulshöhe der Spannung auch durch unterschiedliche Länge der Impulse reversibel variieren und durchstimmen. In vielen Fällen ist es technisch einfacher, die Impulslänge anstelle der Impulshöhe zu variieren und die Abstimmung kann auf generell niedrigere Spannungahöhe beschränkt werden.
• Es empfiehlt sich, die Dicke der Schichten 22, 23 ...
• nicht zu groß zu machen, damit nicht zu große Steuerspannungen etwa über 100 Volt zur Abstimmung des Kondensators erforderlich werden.
• Ein erfindungsgemäßer Kondensator kann mit nur wenigen Schichten, z.B. mit.nur zwei Schichten 22 und 23 (und den Elektrodenschichten 1, 2 und 3), realisiert sein.
• Je nach geforderter Kapazität, maximal zulässiger Abmessung von Länge und Breite, Spannungsfestigkeit und dergl.
• wird es aber zweckmäßig sein, einen wie prinzipiell in Fig.1 dargestellten Aufbau mit vielen Schichten vorzusehen.
• Ein wie erfindungsgemäßer Kondensator kann auch so aufgebaut sein, daß beide äußere Elektrodenschichten mit dem einen Kondensator-Anschluß verbunden sind; bezogen auf die Fig.1 wäre dies ein Kondensator, der nur aus den Schichten 22 bis 25 bzw. 22 bis 29 oder 24 bis 29, 24 bis 31 u.s.w. besteht. Ein solcher Kondensator hat auf nur einem gemeinsamen Pol, insbesondere Masse, liegende Außenflächen. Der Kondensator kann auch ohne äußere Elektrodenschichten aufgebaut sein, z.B. wie beim Keramik Stapelkondensator. Die beiden äußersten Keramikschichten sind dann zwar an der Funktion des Kondensators nicht beteiligt, dienen aber als mechanischer Schutz.
• 5 Patentanspriiche 2 Figuren

Claims (5)

1. Patentanspriiche 1. Eeramik-Eondensator, dessen Kapazität nach Herstellung des Kondensators dauerhaft und gegebenenfalls reversibel auf einen bestimmten Wert in einem vorgegebenen Bereich abstimmbar ist, wobei dieser Wert auch im betriebslosen Zustand aufrechterhalten bleibt, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß für eine elektrische Abstimmung ein lamellierter Aufbau des Eondensators aus mehreren Schichten (22-31) der Keramik vorgesehen ist, daß zwischen den einzelnen Schichten (22-31) nahezu ganzflächige Elektrodenschichten (1-11) vorhanden sind, bei deren Aufeinanderfolge die 1., 5., 9., u.s.w. Elektrodenschicht (1, 5, 9) mit dem einen Eondensator-Anschluß (A), die 3., 7., 11., u.s.w. Elektrodenschicht (3, 7, 11) mit dem anderen Kondensator-Anschluß (3) und die zwischen je zwei mit Kondensator-Anschlüssen (A, B) verbundenen Elektroden (1, 3, 5, 7, 9, 11) in im wesentlichen Mittellage liegenden Elektrodenschichten (2, 4, 6, 8, 10, u.s.w.) mit einem Steueranschluß (C) verbunden sind, wobei der Steuereingang dieses Kondensators zwischen diesem Steueranschluß (C) und den galvanisch miteinander verbundenen Eondensator-Anschlüssen (A, B) liegt, und dadurch, daß die Keramik des Kondensators ferroelektrische Hysterese zwischen anliegender elektrischer Feldstärke (E) und davon abhängiger dielektrischer Verschiebungsdichte (D) aufweist.
2. 2. Keramik-Kondensator nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß zwei Schichten (22, 23) mit zwei äußeren Elektrodenschichten (1, 3) der Anschlüsse (A, B) und mit einer dazwischenliegenden Elektrodenschicht (2) für den Steueranschluß (C) vorgesehen sind.
3. 3. Keramik-Kondensator nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß vier Schichten (22-25) der Keramik mit insgesamt zwei Elektrodenschichten (1,5) des einen Kondensator-Anschlusses (A) und mit einer Elektrodenschicht (3) des anderen Kondensator-Anschlusses (B) sowie mit zwei jeweils dazwischenliegenden Elektrodenschichten (2, 4) des Steueranschlusses (C) vorgesehen sind.
4. 4. Verfahren zum Einstellen des geforderten Eapazitätswertes bei einem Kondensator nach den Ansprüchen 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß zwischen dem Steueranschluß (C) und den miteinander zu verbindenden Kondensator-Anschlüssen (A, B) eine impulsförmige Gleichspannung gegebener Größe angelegt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h -n e t dadurch, daß die Einstellung des Kapazitätswertes bzw. die Variation der Einstellung durch unterschiedlich große Impulslänge bei praktisch unveränderter Spannungshöhe durchgeführt wird.