WO2006131461A1 - Kondensator mit veränderbarer kapazität, verfahren zum herstellen des kondensators und verwendung des kondensators - Google Patents

Kondensator mit veränderbarer kapazität, verfahren zum herstellen des kondensators und verwendung des kondensators Download PDF

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WO2006131461A1
WO2006131461A1 PCT/EP2006/062722 EP2006062722W WO2006131461A1 WO 2006131461 A1 WO2006131461 A1 WO 2006131461A1 EP 2006062722 W EP2006062722 W EP 2006062722W WO 2006131461 A1 WO2006131461 A1 WO 2006131461A1
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WO
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electrode
capacitor
dielectric
molding
molding compound
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/062722
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mahmoud Al-Ahmad
Richard Matz
Ruth MÄNNER
Steffen Walter
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
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Priority to US11/920,081 priority patent/US20090091874A1/en
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes

Definitions

  • Capacitor with variable capacitance Method of manufacturing the capacitor and use of the capacitor
  • the invention relates to a capacitor having a variable capacitance with at least one electrode and at least one opposing electrode arranged opposite the electrode at a variable distance from the electrode.
  • a method for manufacturing the capacitor and a use of the capacitor are given.
  • a high-capacity variable capacitance capacitor (tunable capacitance) is needed for a voltage controlled oscillator (VCO) circuit.
  • VCO voltage controlled oscillator
  • Such a circuit is used as a generator of reference frequencies and for mixing channel frequencies and carrier frequencies in communications engineering.
  • Low-loss capacitors with high levels of stability are required for the highest possible frequency stability
  • tunable capacitors are also used for tunable filters in high-frequency and microwave technology.
  • a frequency filter is for example a bandpass filter.
  • the bandpass filter is transmissive to a high frequency signal (passband) within a certain frequency band. This means that an attenuation amount for a high frequency signal within this frequency band is low.
  • the capacitor has a rigid electrode fixed to a silicon substrate.
  • the rigid electrode is arranged opposite a movable counter electrode.
  • the counter electrode is designed as a cantilever or bending beam (cantilever).
  • the known capacitor is distinguished from other tunable capacitors, such as varactors (capacitance diodes), by a wide tunable range of capacity while maintaining high quality.
  • a cantilever made of a material free of inherent stress is preferably used.
  • Such a cantilever consists, for example, like the substrate, of monocrystalline silicon.
  • MEMS Micro Electromechanical Systems
  • a spring stiffness of the boom is taken into account. This means that to set a desired distance between the electrodes, a restoring force based on the spring stiffness has to be overcome. For this purpose, a relatively high voltage must be applied to the electrodes. Alternatively, the spring stiffness of the boom can be reduced by additional design measures. For example, the boom is folded. In this way, lower voltages are sufficient to set a certain distance between the electrodes.
  • the known capacitor Due to the electrostatic operating principle, the known capacitor is unstable. This means that the capacitor can only be switched between two capacity states. As the two electrodes of the capacitor attract by electrostatic forces, the capacitance increases and, even at constant voltage, additional charge flows to the electrodes, increasing the attractive force.
  • the end position of the movable electrode is formed by a mechanical stop. The mechanical stop can be made in stages, so that several discrete states are adjustable. However, a continuous adjustment of the capacity is not possible in principle.
  • a large tuning range of the capacitor results from the fact that an air gap is as small as possible, resulting from the distance between the electrode and the counter electrode. Due to a surface roughness of an electrode surface of the electrodes involved, however, the air gap can not be made arbitrarily small. Unless the electrode surfaces of the electrodes are mechanically and / or chemically polished. This is very expensive.
  • a capacitor with variable capacitance is specified with at least one electrode and at least one opposite the electrode arranged at a variable distance from the electrode counter electrode.
  • the capacitor is characterized in that within the distance between the electrode and the counter electrode on one of the electrode surfaces of at least one of the electrodes, a dielectric molding with a dielectric molding material for compensating a surface roughness of the electrode surface is arranged.
  • the molded part forms a dielectric layer with a fixed layer thickness.
  • the variable distance between the electrodes results from an air gap with variable gap width.
  • a method for producing the capacitor is also specified with the following method steps: a) providing the electrode of the capacitor, b) applying a dielectric molding compound to the electrode surface of the electrode so that the electrode surface is shaped by the molding compound and c) converting the dielectric molding compound in the dielectric molding with the dielectric molding material, wherein the surface roughness of the electrode surface is compensated.
  • the process can be carried out accordingly for the counter electrode.
  • the molded part is a dielectric layer which is directly on the electrode surface of the electrode and / or the
  • Electrode surface of the counter electrodes is applied and which is made of the dielectric molding material.
  • molding material is generally to be understood a product, and in particular a product made of plastic, which can be formed by chipless forming permanent to a molding (molding material).
  • non-cutting shaping is meant, for example, injection molding, extrusion or pressing.
  • the molding compound is plastically deformable.
  • the basic idea of the invention is to compensate a surface roughness (surface contour) of the electrode surface with the aid of the molding compound. Due to its deformability, the molding compound adapts to the surface roughness of the electrode surface.
  • the surface roughness of the electrode surface is characterized for example by a certain surface roughness.
  • the roughness depth is the distance along a surface normal of the electrode surface between a highest and a lowest point of the electrode surface.
  • the dielectric molding material of the molded part has an effective relative dielectric constant of at least 20 and in particular of at least 40.
  • the dielectric molding material has the highest possible relative dielectric constant.
  • the distance d between the electrode and the counter electrode corresponds to the sum of the layer thickness di of the dielectric layer and the gap width d ⁇ of the air gap.
  • the gap width d2 of the air gap can be varied.
  • the capacitor has at least two layers between the electrodes: a first layer (molding) with a high-dielectric material and a second layer with a low-dielectric material. While the layer thickness of the first layer is fixed with the high-dielectric material, ie remains unchanged, the layer thickness of the second layer is changed with the low-dielectric material. Instead of air, a further low-dielectric material may be provided for the second layer.
  • the further low-dielectric material is, for example, a gas other than air. Vacuum is also conceivable.
  • the dielectric molding material has at least one composite material with at least one base material and at least one filler, wherein the base material is a plastic, the filler has a relative dielectric constant of at least 50 and a degree of filling of the filler in the base material is selected such that the effective dielectric constant is at least 20 and in particular at least 40.
  • composite material is meant a material obtained by combining different materials.
  • the composite is present as a particle composite.
  • the particle composite consists of a matrix formed by the base material of the composite. This matrix contains the filler with a certain proportion of filler (degree of filling).
  • the base material, the filler and the degree of filling are chosen such that a relatively high, effective dielectric constant for the resulting dielectric molding material is obtained.
  • the effective relative dielectric constant is the outward relative permittivity. It results from the dielectric constants of the base material, the filler and the proportions of the materials involved.
  • the filler is a ceramic material.
  • the ceramic material is preferably a capacitor ceramic.
  • the capacitor ceramic is a perovskite (ABO 3 ) and especially an alkaline earth perovskite.
  • the A-sites of the perovskite are occupied by one or more alkaline-earth metals.
  • the capacitor ceramic is a substance of the barium strontium titanate system ((Ba, Sr) TiO 2).
  • the A sites of the perovskite are occupied by barium and / or strontium. Barium and strontium can be present in different proportions to one another.
  • the B seats of the perovskite are occupied by Titan.
  • the filler is contained as a powder in the composite material.
  • the powder consists of powder particles with very small particle diameters.
  • the surface roughness of the electrode surfaces is characterized by dimensions in the micron range. Therefore, the filler has a powder of powder particles with an average particle diameter d 50 of less than 100 nm and in particular of less than 50 nm. Due to the average particle diameter in the nm range, the surface roughness of the electrode surface in the micron range can be compensated.
  • the base material of the molding compound may be any plastic. With a ceramic material as
  • the plastic is an epoxy resin.
  • the molding compound is a ceramic-filled epoxy resin.
  • the plastic is a non-crosslinked or partially crosslinked plastic. By crosslinking, e.g.
  • the molding material is converted into the molding.
  • the base material is a thermoplastic material. At higher temperatures, the plastic is plastically deformable.
  • a molding compound with the thermoplastic material as the base material is applied to the electrode surface at higher temperatures. The surface roughness of the electrode surface is molded. By subsequent lowering of the temperature, the molding compound is converted into the molding, wherein the surface roughness of the electrode surface is mapped complementary in the molding.
  • the molding and the electrode surface may be detachably connected to each other. Preferably, however, are the
  • Electrode surface and the molding permanently connected. There is a firm and intimate contact between the molding and the electrode surface of the electrode. It results in a reliable component. An adhesion of the molding and the electrode surface of the electrode to each other can be generated with the aid of a bonding agent (adhesive).
  • the bonding agent ensures anchoring of the molding and the electrode surface.
  • the adhesive for forming the capacitor is disposed as a thin film between the molding compound and the electrode surface. By curing or drying of the adhesive, the permanent contact between the electrode surface and the molding compound or from the
  • Molding produced molding It is important that the adhesive is chosen in such a way and is applied so that the molding of the electrode surface is ensured by the molding compound.
  • an adhesive in the form of a thin film is not absolutely necessary, as in the case of the epoxy resin as a base material of the composite material of the molding compound.
  • the adhesion is effected by the base material of the molding material itself.
  • the base material of the molding compound functions as
  • Adhesive When converting the molding compound into the molding, the permanent bond between the molding and the electrode surface is formed.
  • the conversion includes, for example, curing of the molding material or the base material of the molding composition.
  • epoxy resin any other adhesives are conceivable.
  • the adhesives may consist of one or more components.
  • the electrode surface can be provided with the molding compound and before or after
  • a substrate with the electrode is used to provide the electrode.
  • the electrode is arranged on a substrate.
  • any one-layer or multi-layer support body of the electrode comes into consideration.
  • the Substrate is for example a semiconductor substrate, on the surface of which the electrode is produced by known technologies. Also conceivable is a ceramic substrate.
  • the electrode can be produced on a surface of the ceramic substrate by means of thin-film technology (eg vapor deposition) or thick film technology (eg screen printing).
  • thin-film technology eg vapor deposition
  • thick film technology eg screen printing
  • the multilayer body may be an organic multilayer body (MLO) or a ceramic multilayer body (MLCC). As ceramic
  • Multilayer body is particularly a LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) ceramics into consideration, in which due to the low sealing temperature of the ceramic low-melting and electrically highly conductive metals such as silver and copper can be used to integrate the passive components.
  • LTCC Low Temperature Cofired Ceramics
  • At least one of the electrodes is connected to at least one piezoelectric actuator in such a way that the distance between the electrode and the counter electrode can be varied by electric actuation of the actuator.
  • the electrode surface of the electrodes is smoothed, also the capacity can be set very accurately.
  • the electrode which is connected to the actuator can be arranged electrically isolated from the piezoelectric element of the actuator.
  • the electrode which is connected to the actuator an actuator electrode of the actuator.
  • the actuator electrode is an electrode layer of a piezoelectric element of the actuator.
  • the configuration of the actuator is arbitrary. It is crucial that the piezoelectric deflection of the actuator is large enough so that a desired change in the distance between the electrodes of the capacitor can be achieved.
  • an actuator can be used, which has a plurality of piezo elements stacked on top of one another to form an actuator body. The piezoelectric elements can be glued together. This is suitable, for example, for piezoelectric elements with piezoelectric layers of a piezoelectric polymer such as polyvinylidene difluoride (PVDF). Likewise, piezoelectric layers made of a piezoceramic material are conceivable.
  • the piezoceramic material is, for example, a lead zirconate titanate (PZT) or a zinc oxide (ZnO).
  • the piezoelectric elements with piezoelectric layers of piezoceramic material for example, not glued together, but connected in a common sintering process (co-firing) to an actuator body in a monolithic multilayer construction.
  • the actuator is a piezoelectric bending transducer.
  • a relatively low driving voltage a relatively large piezoelectric deflection can be achieved in the bending transducer.
  • a drive voltage of less than 10 V is sufficient to cause a deflection of the bending transducer of more than 10 ⁇ m. Due to the large achievable deflection, the distance between the electrode and the counter electrode of the capacitor can be varied within a wide range. This makes it possible to vary the capacitance of the capacitor in a wide range.
  • the bending transducer can be configured as a so-called bimorph.
  • a piezoelectrically active layer piezoelectric layer of the piezoelectric element
  • a piezoelectrically inactive layer By driving the electrode layers of the piezoelectric element of the bending transducer, piezoelectric deflection of the piezoelectrically active layer occurs.
  • the piezoelectrically inactive layer is not deflected by the activation of the electrode layers of the piezoelectric element. Due to the firm connection between the layers, there is a bending of the bending transducer.
  • the piezoelectrically inactive layer may, for example, be a thin membrane of silicon onto which the piezoelectrically active layer has been applied by a sputtering process.
  • the piezoelectrically active layers can be combined to form a single piezoelement.
  • the piezoelectrically active layers together form the piezoelectric Layer of the piezoelectric element.
  • a plurality of piezoelectric elements, each having a piezoelectrically active layer are arranged to form a multilayer composite.
  • an anti-adhesive layer on the molding compound and / or on the
  • the anti-adhesion layer is disposed between the electrode and the dielectric molding compound and / or on the electrode. A firm and intimate contact between the molding and only one of the electrodes is produced.
  • the molding compound or the molding and the other electrode are detachably connected to each other.
  • the non-stick layer is preferably designed such that a molding of the electrode surface of one of the electrodes by the dielectric molding compound is possible.
  • an anti-adhesion layer with a plastically deformable plastic layer is used. Such a layer is formed, for example, by surface treatment of the molding composition.
  • Non-stick layer uses an oil film.
  • the oil film is applied to the not yet cured molding compound or on the counter electrode. Subsequently, the counter electrode and the molding compound are brought together. The electrode surface of the counter electrode is molded by the dielectric molding compound. Subsequent conversion of the dielectric molding compound into the dielectric molding results in equalization of the electrode surfaces of both electrodes. Only with one of the electrodes results in a fixed contact, so that the distance between the electrodes can be varied over a variable air gap. After curing of the dielectric molding compound, the oil film is removed with the aid of a suitable solvent.
  • the capacitor it is possible to provide an already prefabricated capacitor with a variable distance between the electrode and the counterelectrode, in which case at least one of the electrode surfaces is subsequently provided with the molding compound.
  • the procedure is, for example, as follows: providing a capacitor having a variable capacitance, having at least one electrode and at least one counter electrode arranged at a variable distance from the electrode, wherein at least one of the electrodes is connected to at least one piezoelectric actuator in such a way that by electrical control the actuator, the distance between the electrode and the counter electrode can be changed, bringing together a dielectric molding material and an electrode surface of at least one of the electrodes of the capacitor, so that the electrode surface is molded by the dielectric molding compound and converting the dielectric molding material into the molding, wherein a permanent Connection exists between the molding and the electrode surface.
  • the capacitor and the molded part are produced more or less simultaneously.
  • the following further method steps are carried out: d) Providing a substrate with the electrode and with an electrical connection for electrically contacting the counterelectrode of the capacitor, e) applying an electrically conductive molding compound to the electrical connection, f) connecting the counterelectrode and the electrically conductive molding compound, and g) converting the electrically conductive molding compound into an electrically conductive molding.
  • a conductive adhesive is used as the electrically conductive molding compound.
  • the conductive adhesive is a composite material in which, in contrast to the dielectric molding compound, electrically conductive particles are used as fillers as electrically conductive particles. The conversion of the dielectric molding compound into the dielectric molding and the conversion of the electrically conductive molding compound into the electrically conductive molding can take place simultaneously or successively.
  • the dielectric molding compound is applied to the provided electrode and the electrically conductive molding compound to the electrical connection.
  • the dielectric molding compound is dried so that a non-adhesive, but plastically deformable skin (non-stick layer) results on the molding compound.
  • the counter electrode is brought together with the dielectric molding compound and the electrical molding compound.
  • the dielectric molding compound and the electrical molding compound are cured.
  • the electrically conductive molding compound the counter electrode is firmly connected to the resulting electrically conductive molding and thus to the electrical connection.
  • the result is a solid electrical contact, via which the counter electrode can be supplied with electrical voltage. In contrast, there is no permanent contact between the counter electrode and the dielectric molding compound.
  • the dielectric molding is formed, which satisfies both the surface roughness of the electrode and the surface roughness of the electrode Counter electrode has.
  • the dielectric molding is only firmly connected to the electrode.
  • the variable capacitance capacitor is used to set a frequency band of a frequency filter.
  • a concept of telecommunications or mobile radio technology can be realized, which is referred to as "software defined radio" (SDR).
  • the aim of the SDR is to realize non-discrete frequency bands, but arbitrarily (continuously) changeable frequency bands for the message or mobile radio technology.
  • a basic building block for implementing the SDR is provided.
  • the invention provides the following essential advantages:
  • the surface roughness of the electrode surface of at least one of the electrodes of the capacitor is reduced.
  • a very small air gap between the electrodes of the capacitor is accessible.
  • the capacitance of the capacitor can be varied within a wide range due to the small air gap and the use of a molding with a high dielectric molding material.
  • the capacitance of the capacitor can be set very accurately in a wide range.
  • the capacitor can be easily manufactured. With reference to several embodiments and the associated figures, the invention will be described in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale figures.
  • Figure 1 shows a capacitor with tunable capacitance in a lateral cross-section.
  • Figure 2 shows the principle of operation of a capacitor with tunable capacitance by varying the distance between the electrode and the counter electrode of the capacitor.
  • the capacitor 10 has an electrode 11 and a counter electrode 12 arranged opposite one another at a distance 13 from the electrode 11 and the electrode 11.
  • the distance 13 between the electrode 11 and the counter electrode 12 is variable. This means that the electrode 11 and the counter electrode 12 can be moved toward each other and removed from each other.
  • a dielectric molded part 15 in the form of a dielectric layer with a layer thickness 151 is applied within the distance 13.
  • the material of the dielectric layer 15 has an effective relative dielectric constant of about 40.
  • the layer thickness 151 of the dielectric layer 15 is constant, that is not changeable.
  • the bending transducer 20 is, for example, a ceramic bending transducer.
  • the ceramic bending transducer 20 is characterized by rough surfaces. In FIG. 1, a strong elevation is a piezoelectric one
  • the dielectric molding is made of a composite material.
  • the base material of the composite is an epoxy resin.
  • the epoxy resin is filled with a powder of the barium-strontium-titanate system. An average particle diameter of the powder is less than 100 nm.
  • a substrate 1 with the electrode 11 of the capacitor 10 is provided.
  • the substrate is a ceramic multilayer substrate.
  • the provided substrate 1 also has an electrical connection 18 for electrically contacting the counter electrode 12 of the capacitor 10.
  • a dielectric molding compound 150 is applied to the electrode 11 of the capacitor 10 and an electrically conductive molding compound 170 is applied to the electrical connection 18.
  • the non-stick coating 16 is plastically deformable.
  • the counter electrode 12 is brought together with the dielectric molding compound 150 and the electrically conductive molding compound 170. The matching takes place under pressure.
  • the microscopic roughness of the actuator underside which is formed by the actuator electrode 21 of the bending transducer 20, is transferred into the dielectric molding compound 150 and the electrical molding compound 170.
  • suitable material properties it is ensured that sticking to the actuator underside only occurs in the electrically conductive molding compound 170. Adhesion of the actuator underside of the bending transducer 20 with the dielectric molding compound 150 does not take place due to the non-stick layer 16.
  • the molding compounds 150 and 170 are cured.
  • the dielectric molded part 15 and the electrically conductive molded part 17 are formed. This creates a permanent connection between the electrical connection 18, the electrically conductive molded part 17 and the counterelectrode 12 of the capacitor (actuator electrode 21 of the bending transducer 20). Likewise, a permanent connection between the dielectric molding 15 and the electrode 11 of the
  • Capacitor 10 Between the dielectric molding 15 and the counter electrode 12, a releasable connection is formed. Due to the detachable connection, the gap width 141 of the air gap 14 can be adjusted by means of the piezoelectric bending transducer. Since surface roughness 113 of the
  • Electrodes 11 and 12 are balanced, the gap width of the air gap 14 can be set very accurately.
  • the described tunable capacitor 10 is used to set a frequency band of a frequency filter.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kondensator (10) mit veränderbarer Kapazität mit mindestens einer Elektrode (11) und mindestens einer gegenüber Elektrode in einem veränderbaren Abstand (13) zur Elektrode angeordneten Gegenelektrode (12). Der Kondensator ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Abstands zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode auf einer der Elektrodenoberflächen (111) zumindest einer der Elektroden ein dielektrisches Formteil (15) mit einem dielektrischen Formstoff zum Ausgleichen einer Oberflächenrauhigkeit (113) der Elektrodenoberfläche angeordnet ist. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen des Kondensators mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen der Elektrode des Kondensators, b) Aufbringen einer dielektrischen Formmasse auf der Elektrodenoberfläche der Elektrode, so dass die Elektrodenoberfläche durch die Formmasse abgeformt wird und c) Umwandeln der dielektrischen Formmasse in das Formteil, wobei die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche ausgeglichen wird. Das Formteil weist insbesondere einen Verbundwerkstoff mit einem hoch dielektrischen Material auf. Durch die Änderung des Abstands kann die Kapazität des Kondensators verändert werden. Mit Hilfe der Formmasse ist auf einfache Weise ein besonders schmaler Luftspalt zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode möglich. Der Kondensator wird beispielsweise in einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) eingesetzt. Insbesondere in der Nachrichten- bzw. Mobilfunktechnik wird der Kondensator verwendet. Mit dem Kondensator wird ein Grundbaustein des Konzepts 'Software Defined Radio' (SDR) bereitgestellt.

Description

Beschreibung
Kondensator mit veränderbarer Kapazität, Verfahren zum Herstellen des Kondensators und Verwendung des Kondensators
Die Erfindung betrifft einen Kondensator mit veränderbarer Kapazität mit mindestens einer Elektrode und mindestens einer gegenüber der Elektrode in einem veränderbaren Abstand zur Elektrode angeordneten Gegenelektrode. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen des Kondensators und eine Verwendung des Kondensators angegeben.
Ein Kondensator mit veränderbarer Kapazität (durchstimmbare Kapazität) mit hoher Güte wird beispielsweise für eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung (Voltage Controlled Oscillator, VCO) benötigt. Eine derartige Schaltung wird als Generator von Referenzfrequenzen und zum Mischen von Kanalfrequenzen und Trägerfrequenzen in der Nachrichtentechnik eingesetzt. Für eine möglichst hohe Frequenzstabilität sind verlustarme Kondensatoren mit hoher
Güte erforderlich, die aber gleichzeitig weit abstimmbar sein sollen, wofür im Allgemeinen ein unbefriedigender Kompromiss eingegangen werden muss. Neben der genannten Anwendung werden abstimmbare Kondensatoren auch für abstimmbare Filter in der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnologie eingesetzt. Ein derartiges Frequenzfilter ist beispielsweise ein Bandpassfilter. Das Bandpassfilter ist innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes durchlässig für ein Hochfrequenzsignal (Durchlassbereich) . Das bedeutet, dass ein Dämpfungsmaß für ein Hochfrequenzsignal innerhalb dieses Frequenzbandes niedrig ist.
Aus der DE 199 03 571 Al ist ein Kondensator der eingangs genannten Art bekannt. Der Kondensator verfügt über eine mit einem Siliziumsubstrat fest verbundene, starre Elektrode. Der starren Elektrode gegenüber angeordnet ist eine bewegliche Gegenelektrode. Die Gegenelektrode ist als Ausleger bzw. Biegebalken (Cantilever) ausgebildet. Durch elektrische Ansteuerung der Elektrode und der Gegenelektrode des Kondensators wird ein elektrisches Feld erzeugt, das dazu führt, dass die bewegliche Gegenelektrode gegen die starre Elektrode bewegt wird. Dabei verkürzt sich der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode. Durch die Verkürzung des Abstandes erhöht sich die Kapazität des Kondensators .
Der bekannte Kondensator zeichnet sich im Vergleich zu anderen abstimmbaren Kondensatoren, beispielsweise Varaktoren (Kapazitätsdioden) , durch einen weiten abstimmbaren Bereich der Kapazität bei gleichzeitig hoher Güte aus. Dazu wird vorzugsweise ein Ausleger aus einem eigenspannungsfreien Material verwendet. Ein derartiger Ausleger besteht beispielsweise, wie das Substrat, aus einkristallinem Silizium. Zum Herstellen des Kondensators wird auf Technologien zurückgegriffen, die im Zusammenhang mit so genannten Micro Electromechanical Systems (MEMS) bekannt sind.
Bei dem bekannten Kondensator ist eine Federsteifigkeit des Auslegers zu berücksichtigen. Dies bedeutet, dass zum Einstellen eines gewünschten Abstandes zwischen den Elektroden eine auf der Federsteifigkeit basierende, rückstellende Kraft zu überwinden ist. Dazu muss eine relativ hohe Spannung an die Elektroden angelegt werden. Alternativ dazu kann durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen die Federsteifigkeit des Auslegers vermindert werden. Beispielsweise wird dazu der Ausleger gefaltet. Auf diese Weise genügen niedrigere Spannungen, um einen bestimmten Abstand zwischen den Elektroden einzustellen.
Aufgrund des elektrostatischen Funktionsprinzips ist der bekannte Kondensator instabil. Dies bedeutet, dass der Kondensator nur zwischen zwei Kapazitätszuständen geschaltet werden kann. Sobald sich die beiden Elektroden des Kondensators durch elektrostatische Kräfte anziehen, nimmt die Kapazität zu und es fließt selbst bei konstanter Spannung zusätzliche Ladung auf die Elektroden, die die Anziehungskraft erhöhen. Die Endlage der beweglichen Elektrode wird durch einen mechanischen Anschlag gebildet. Der mechanische Anschlag kann stufenweise ausgeführt sein, so dass mehrere diskrete Zustände einstellbar sind. Eine kontinuierliche Abstimmung der Kapazität ist jedoch prinzipiell nicht möglich.
Ein großer Abstimmbereich des Kondensators ergibt sich dadurch, dass ein Luftspalt möglichst klein ist, der aus dem Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode resultiert. Aufgrund einer Oberflächenrauhigkeit einer Elektrodenoberfläche der beteiligten Elektroden lässt sich der Luftspalt aber nicht beliebig klein ausgestalten. Es sei denn, die Elektrodenoberflächen der Elektroden werden mechanisch und/oder chemisch poliert. Dies ist sehr aufwändig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen in einem weiten Bereich genau abstimmbaren Kondensator anzugeben, der zudem einfach herzustellen ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kondensator mit veränderbarer Kapazität mit mindestens einer Elektrode und mindestens einer gegenüber der Elektrode in einem veränderbaren Abstand zur Elektrode angeordneten Gegenelektrode angegeben. Der Kondensator ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Abstands zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode auf einer der Elektrodenoberflächen zumindest einer der Elektroden ein dielektrisches Formteil mit einem dielektrischen Formstoff zum Ausgleichen einer Oberflächenrauigkeit der Elektrodenoberfläche angeordnet ist. Das Formteil bildet eine dielektrische Schicht mit fester Schichtdicke. Der veränderbare Abstand zwischen den Elektroden ergibt sich durch einen Luftspalt mit variabler Spaltweite . Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des Kondensators mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen der Elektrode des Kondensators, b) Aufbringen einer dielektrischen Formmasse auf der Elektrodenoberfläche der Elektrode, so dass die Elektrodenoberfläche durch die Formmasse abgeformt wird und c) Umwandeln der dielektrischen Formmasse in das dielektrische Formteil mit dem dielektrischen Formstoff, wobei die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche ausgeglichen wird. Das Verfahren kann entsprechend für die Gegenelektrode durchgeführt werden.
Das Formteil ist eine dielektrische Schicht, die direkt auf der Elektrodenoberfläche der Elektrode und/oder der
Elektrodenoberfläche der Gegenelektroden aufgebracht ist und die aus der dielektrischen Formmasse hergestellt wird. Unter Formmasse ist allgemein ein Erzeugnis und insbesondere ein Erzeugnis aus Kunststoff zu verstehen, das durch spanlose Formung bleibend zu einem Formteil (Formstoff) geformt werden kann. Unter spanloser Formung ist beispielsweise Spritzgießen, Extrudieren oder Pressen zu verstehen. Die Formmasse ist plastisch verformbar.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, eine Oberflächenrauhigkeit (Oberflächenkontur) der Elektrodenoberfläche mit Hilfe der Formmasse auszugleichen. Durch ihre Verformbarkeit passt sich die Formmasse an die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche an. Die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche zeichnet sich beispielsweise durch eine bestimmte Rauhtiefe aus. Die Rauhtiefe ist der Abstand entlang einer Flächennormalen der Elektrodenoberfläche zwischen einem höchsten und einem niedrigsten Punkt der Elektrodenoberfläche. Durch das Ausgleichen der Oberflächenrauhigkeit ist ein sehr kleiner Luftspalt zwischen den Elektrodenoberflächen der Elektrode und der Gegenelektrode möglich. Durch den kleinen Luftspalt resultiert eine hohe Abstimmbarkeit des Kondensators . Mit Hilfe der Erfindung wird zudem der kleine Luftspalt auf einfache Weise erreicht. Ein mechanisches und/oder chemisches Polieren der Elektrodenoberfläche, das sehr aufwändig wäre, ist nicht nötig.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist der dielektrische Formstoff des Formteils eine effektive relative Dielektrizitätskonstante von mindestens 20 und insbesondere von mindestens 40 auf. Der dielektrische Formstoff weist eine möglichst hohe relative Dielektrizitätskonstante auf. Der Abstand d zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode entspricht der Summe der Schichtdicke di der dielektrischen Schicht und der Spaltweite d∑ des Luftspalts . Die Spaltweite d2 des Luftspalts kann variiert werden. Für die Dichte der Kapazität des Kondensators (Kapazität pro Flächeneinheit) resultiert mit der Kapazität C, der Elektrodenfläche A, der elektrischen Feldkonstante £o und der relativen Dielektrizitätskonstante 8i der Formmasse des Formteil folgender Zusammenhang:
A dx (D
+rf.
Der Kondensator weist zwischen den Elektroden mindestens zwei Schichten auf: Eine erste Schicht (Formteil) mit einem hochdielektrischen Material und eine zweite Schicht mit einem niederdielektrischen Material. Während die Schichtdicke der ersten Schicht mit dem hochdielektrischen Material fixiert, also unverändert bleibt, wird die Schichtdicke der zweiten Schicht mit dem niederdielektrischen Material verändert. Anstelle von Luft kann für die zweite Schicht ein weiteres, niederdielektrisches Material vorgesehen sein. Das weitere, niederdielektrische Material ist beispielsweise ein von Luft verschiedenes Gas. Vakuum ist ebenfalls denkbar. In einer besonderen Ausgestaltung weist der dielektrische Formstoff mindestens einen Verbundwerkstoff mit mindestens einem Basisstoff und mindestens einem Füllstoff auf, wobei der Basisstoff ein Kunststoff ist, der Füllstoff eine relative Dielektrizitätskonstante von mindestens 50 aufweist und ein Füllgrad des Füllstoffs im Basisstoff derart gewählt ist, dass die effektive Dielektrizitätskonstante mindestens 20 und insbesondere mindestens 40 beträgt. Unter Verbundwerkstoff ist ein solcher Werkstoff zu verstehen, der durch Kombination unterschiedlicher Materialien erhalten wird. Vorzugsweise liegt der Verbundwerkstoff als Teilchenverbund vor. Der Teilchenverbund besteht aus einer Matrix, die von dem Basismaterial des Verbundwerkstoffs gebildet ist. In dieser Matrix ist der Füllstoff mit einem gewissen Füllstoffanteil (Füllgrad) enthalten. Der
Basisstoff, der Füllstoff und der Füllgrad sind derart gewählt, dass eine relativ hohe, effektive Dielektrizitätskonstante für den resultierenden dielektrischen Formstoff erhalten wird. Die effektive relative Dielektrizitätskonstante ist die nach außen hin wirkende, relative Dielektrizitätskonstante. Sie ergibt sich aus den Dielektrizitätskonstanten des Basismaterials, des Füllstoffs und den Anteilen der beteiligten Materialien.
Als Füllstoff ist ein beliebiger Werkstoff denkbar.
Insbesondere ist der Füllstoff ein keramischer Werkstoff. Der keramische Werkstoff ist bevorzugt eine Kondensatorkeramik. Beispielsweise ist die Kondensatorkeramik ein Perowskit (ABO3) und insbesondere ein Erdalkali-Perowskit . Dabei sind die A-Plätze des Perowskits von einem oder mehreren Erdalkalimetallen besetzt. Insbesondere ist die Kondensatorkeramik ein Stoff des Barium-Strontium-Titanat- Systems ( (Ba, Sr) TiOs) • Die A-Plätze des Perowskits sind von Barium und/oder Strontium besetzt. Barium und Strontium können dabei in unterschiedlichen Anteilen zueinander vorliegen. Die B-Plätze des Perowskits sind von Titan besetzt . Damit die Oberflächenrauigkeit der Elektrodenoberfläche ausgeglichen werden kann, ist der Füllstoff als Pulver im Verbundwerkstoff enthalten. Das Pulver besteht aus Pulverpartikeln mit sehr kleinen Partikeldurchmessern. Die Oberflächenrauigkeit der Elektrodenoberflächen zeichnet sich durch Abmessungen im μm-Bereich aus. Daher weist der Füllstoff ein Pulver aus Pulverpartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser dso von unter 100 nm und insbesondere von unter 50 nm auf. Durch den durchschnittlichen Partikeldurchmesser im nm-Bereich kann die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche im μm-Bereich ausgeglichen werden.
Das Basismaterial der Formmasse kann ein beliebiger Kunststoff sein. Mit einem keramischen Werkstoff als
Füllstoff resultiert eine polymerkeramische Formmasse. Beispielsweise ist der Kunststoff ein Epoxidharz. Die Formmasse ist ein keramisch gefülltes Epoxidharz. Vorzugsweise ist der Kunststoff ein nicht- oder nur teilvernetzter Kunststoff. Durch Vernetzen, z.B.
Polymerisation oder Kondensation, wird die Formmasse in das Formteil umgewandelt. Denkbar ist auch, dass das Basismaterial ein thermoplastischer Kunststoff ist. Bei höheren Temperaturen ist der Kunststoff plastisch verformbar. Eine Formmasse mit dem thermoplastischen Kunststoff als Basismaterial wird bei höheren Temperaturen auf die Elektrodenoberfläche aufgetragen. Dabei wird die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche abgeformt. Durch nachfolgende Temperaturerniedrigung wird die Formmasse in das Formteil umgewandelt, wobei die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche komplementär im Formteil abgebildet wird.
Das Formteil und die Elektrodenoberfläche können lösbar miteinander verbunden sein. Vorzugsweise sind aber die
Elektrodenoberfläche und das Formteil bleibend miteinander verbunden. Es besteht ein fester und inniger Kontakt zwischen dem Formteil und der Elektrodenoberfläche der Elektrode. Es resultiert ein zuverlässiges Bauteil. Eine Haftung des Formteils und der Elektrodenoberfläche der Elektrode aneinander kann mit Hilfe eines Haftvermittlers (Klebstoff) erzeugt werden. Der Haftvermittler sorgt für eine Verankerung des Formteils und der Elektrodenoberfläche. Beispielsweise wird der Klebstoff zum Herstellen des Kondensators als dünner Film zwischen der Formmasse und der Elektrodenoberfläche angeordnet. Durch Aushärten oder Trocknen des Klebstoffs entsteht der bleibende Kontakt zwischen der Elektrodenoberfläche und der Formmasse bzw. dem aus der
Formmasse hergestellten Formteils. Wichtig dabei ist, dass der Klebstoff derart gewählt ist und derart aufgetragen wird, dass das Abformen der Elektrodenoberfläche durch die Formmasse gewährleistet ist.
Das Auftragen eines Klebstoffs in Form eines dünnen Films ist aber nicht unbedingt notwendig, wie im Fall des Epoxidharzes als Basisstoff des Verbundwerkstoffs der Formmasse. Hier erfolgt die Haftung durch das Basismaterial der Formmasse selbst. Das Basismaterial der Formmasse fungiert als
Klebstoff. Beim Umwandeln der Formmasse in das Formteil entsteht die bleibende Verbindung zwischen dem Formteil und der Elektrodenoberfläche. Das Umwandeln beinhaltet beispielsweise ein Aushärten der Formmasse bzw. des Basismaterials der Formmasse. Neben Epoxidharz sind auch andere beliebige Klebstoffe denkbar. Die Klebstoffe können aus einer Komponente oder mehreren Komponenten bestehen.
Zum Herstellen des Kondensators kann die Elektrodenoberfläche mit der Formmasse versehen werden und vor oder nach dem
Überführen in das Formteil mit einem Substrat (Trägerkörper) zusammengebracht werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird zum Bereitstellen der Elektrode ein Substrat mit der Elektrode verwendet. Die Elektrode ist auf einem Substrat angeordnet.
Als Substrat kommt ein beliebiger einschichtiger oder mehrschichtiger Trägerkörper der Elektrode in Betracht. Das Substrat ist beispielsweise ein Halbleitersubstrat, auf dessen Oberfläche mit bekannten Technologien die Elektrode hergestellt wird. Denkbar ist auch ein Keramiksubstrat. Die Elektrode kann mit Hilfe der Dünnschichttechnik (z.B. Bedampfen) oder Dickschichttechnik (z.B. Siebdruck) auf einer Oberfläche des Keramiksubstrats hergestellt werden. Um ein zuverlässiges Bauteil zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn die dielektrische Formmasse bzw. das dielektrische Formteil nicht nur sehr gut auf einer die Elektrodenoberflächen, sondern auch auf einer die Elektrode umgebenden Substratoberfläche haftet.
Neben einem homogenen, innerlich strukturlosen Trägerkörper ist insbesondere ein Mehrschichtkörper denkbar. Im Volumen des Mehrschichtkörpers kann eine Vielzahl von passiven elektrischen Bauelementen integriert werden. Somit können elektrische Schaltkreise Platz sparend realisiert werden. Der Mehrschichtkörper kann ein organischer Mehrschichtkörper (Multilayer Organic, MLO) oder ein keramischer Mehrschichtkörper (MLCC) sein. Als keramischer
Mehrschichtkörper kommt insbesondere eine LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) Keramik in Betracht, bei der aufgrund der niedrigen Dichtbrandtemperatur der Keramik niedrig schmelzende und elektrisch hoch leitfähige Metalle wie Silber und Kupfer zur Integration der passiven Bauelemente verwendet werden können.
In einer besonderen Ausgestaltung ist mindestens eine der Elektroden mit mindestens einem piezoelektrischen Aktor derart verbunden, dass durch elektrische Ansteuerung des Aktors der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode variiert werden kann. Eine derartige Lösung beinhaltet den besonderen Vorteil, dass der Abstand zwischen den Elektroden und damit die Kapazität des Kondensators stufenlos einstellbar sind. Dadurch, dass die
Elektrodenoberfläche der Elektroden geglättet ist, kann zudem die Kapazität sehr genau eingestellt werden. Die Elektrode, die mit dem Aktor verbunden ist, kann elektrisch isoliert vom Piezoelement des Aktors angeordnet sein. Durch Bauform, sowie Wahl von Material und Herstellungstechnologie von Elektrode und Gegenelektrode des Kondensators können Leistungsverluste durch die begrenzte Leitfähigkeit der Elektrodenmetalle minimiert werden. Hierdurch wird unabhängig vom Abstimmbereich eine hohe Güte des Kondensators erzielt.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die Elektrode, die mit dem Aktor verbunden ist, eine Aktorelektrode des Aktors. Die Aktorelektrode ist eine Elektrodenschicht eines Piezoelements des Aktors .
Die Ausgestaltung des Aktors ist beliebig. Entscheidend ist, dass die piezoelektrische Auslenkung des Aktors groß genug ist, so dass eine gewünschte Änderung des Abstandes zwischen den Elektroden des Kondensators erzielt werden kann. Um eine relativ große Auslenkung zu erzielen, kann ein Aktor verwendet werden, der eine Vielzahl von übereinander zu einem Aktorkörper gestapelten Piezoelementen aufweist. Die Piezoelemente können dabei zusammengeklebt sein. Dies bietet sich beispielsweise für Piezoelemente mit piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Polymer wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) an. Ebenso sind piezoelektrische Schichten aus einem piezokeramischen Material denkbar. Das piezokeramische Material ist beispielsweise ein Bleizirkonattitanat (PZT) oder ein Zinkoxid (ZnO) . Die Piezoelemente mit piezoelektrischen Schichten aus piezokeramischem Material sind beispielsweise nicht zusammengeklebt, sondern in einem gemeinsamen Sinterprozess (Co-Firing) zu einem Aktorkörper in monolithischer Vielschichtbauweise verbunden. In einer besonderen Ausgestaltung ist der Aktor ein piezoelektrischer Biegewandler. Durch eine relativ geringe Ansteuerspannung kann bei dem Biegwandler eine relativ große piezoelektrische Auslenkung erzielt werden. So genügt beispielsweise eine Ansteuerspannung von unter 10 V, um eine Auslenkung des Biegewandlers von über 10 μm zu bewirken. Durch die große erzielbare Auslenkung kann der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode des Kondensators in einem weiten Bereich variiert werden. Dadurch ist es möglich, die Kapazität des Kondensators in einem weiten Bereich zu verändern.
Der Biegewandler kann als so genannter Bimorph ausgestaltet sein. Bei einem derartigen Biegewandler ist eine piezoelektrisch aktive Schicht (piezoelektrische Schicht des Piezoelements) mit einer piezoelektrisch inaktiven Schicht fest verbunden. Durch Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements des Biegewandlers kommt es zur piezoelektrischen Auslenkung der piezoelektrisch aktiven Schicht. Die piezoelektrisch inaktive Schicht wird dagegen durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements nicht ausgelenkt. Auf Grund der festen Verbindung zwischen den Schichten kommt es zu einer Verbiegung des Biegewandlers. Die piezoelektrisch inaktive Schicht kann beispielsweise eine dünne Membran aus Silizium sein, auf die die piezoelektrisch aktive Schicht durch ein Sputterverfahren aufgebracht wurde.
Alternativ dazu ist auch ein Biegewandler in Form eines Multimorph denkbar, der mehrere piezoelektrisch aktive
Schichten aufweist, die fest miteinander verbunden sind. Die piezoelektrisch aktiven Schichten können zu einem einzigen Piezoelement zusammengefasst sein. Die piezoelektrisch aktiven Schichten bilden zusammen die piezoelektrische Schicht des Piezoelements . Denkbar ist auch, dass mehrere Piezoelemente mit jeweils einer piezoelektrisch aktiven Schicht zu einem Mehrschichtverbund angeordnet sind. Durch die Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements beziehungsweise der Piezoelemente des Biegewandlers werden beispielsweise in den piezoelektrisch aktiven Schichten unterschiedliche elektrische Felder erzeugt, die zu unterschiedlichen Auslenkungen der piezoelektrisch aktiven Schichten führen. Aufgrund der unterschiedlichen Auslenkungen der piezoelektrisch aktiven Schichten kommt es zu einer Verbiegung des Biegewandlers .
In einer besonderen Ausgestaltung wird zwischen der Gegenelektrode und der dielektrischen Formmasse eine Antihaftschicht auf der Formmasse und/oder auf der
Gegenelektrode angeordnet. Für den Fall, dass das Formteil auf der Elektrodenoberfläche der Gegenelektrode haftend angeordnet werden soll, wird die Antihaftschicht zwischen der Elektrode und der dielektrischen Formmasse und/oder auf der Elektrode angeordnet. Es wird ein fester und inniger Kontakt zwischen dem Formteil und nur einer der Elektroden herbestellt. Die Formmasse bzw. das Formteil und die andere Elektrode sind lösbar miteinander verbunden. Die Antihaftschicht ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Abformen der Elektrodenoberfläche einer der Elektroden durch die dielektrische Formmasse möglich ist. Dazu wird gemäß einer besonderen Ausgestaltung eine Antihaftschicht mit einer plastisch verformbaren KunststoffSchicht verwendet. Eine derartige Schicht bildet sich beispielsweise durch Oberflächenbehandlung der Formmasse. Die
Oberflächenbehandlung kann ein Antrocknen, eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung oder eine Reaktion mit einem reaktiven Gas oder einer reaktiven Flüssigkeit sein. Es bildet sich ein das Anhaften der entsprechenden Elektrodenoberfläche und der Formmasse unterbindender Film auf der Formmasse. In einer weiteren Ausgestaltung wird als Antihaftschicht ein Ölfilm verwendet. Der Ölfilm wird auf die noch nicht ausgehärtete Formmasse oder auf die Gegenelektrode aufgetragen. Nachfolgend werden die Gegenelektrode und die Formmasse zusammengebracht. Die Elektrodenoberfläche der Gegenelektrode wird durch die dielektrische Formmasse abgeformt. Nachfolgende Umwandlung der dielektrischen Formmasse in das dielektrische Formteil führt zum Ausgleichen der Elektrodenoberflächen beider Elektroden. Lediglich mit einer der Elektroden resultiert ein fester Kontakt, so dass der Abstand zwischen den Elektroden über einen veränderbaren Luftspalt variiert werden kann. Nach dem Aushärten der dielektrischen Formmasse wird der Ölfilm mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels entfernt werden.
Zum Herstellen des Kondensators kann ein bereits vorgefertigter Kondensator mit veränderbarem Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode bereitgestellt werden, bei dem nachträglich zumindest eine der Elektrodenoberflächen mit der Formmasse versehen wird. Beispielweise wird wie folgt vorgegangen: Bereitstellen eines Kondensators mit veränderbarer Kapazität, aufweisend mindestens eine Elektrode und mindestens eine gegenüber der Elektrode in einem veränderbaren Abstand zur Elektrode angeordneten Gegenelektrode, wobei mindestens eine der Elektroden mit mindestens einem piezoelektrischen Aktor derart verbunden ist, dass durch elektrische Ansteuerung des Aktors der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode verändert werden kann, Zusammenbringen einer dielektrischen Formmasse und einer Elektrodenoberfläche zumindest einer der Elektroden des Kondensators, so dass die Elektrodenoberfläche durch die dielektrische Formmasse abgeformt wird und Umwandeln der dielektrischen Formmasse in das Formteil, wobei eine bleibende Verbindung zwischen dem Formteil und der Elektrodenoberfläche besteht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden der Kondensator und das Formteil mehr oder weniger gleichzeitig hergestellt. Dazu werden folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: d) Bereitstellen eines Substrats mit der Elektrode und mit einem elektrischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung der Gegenelektrode des Kondensators, e) Auftragen einer elektrisch leitfähigen Formmasse auf dem elektrischen Anschluss, f) Verbinden der Gegenelektrode und der elektrisch leitfähigen Formmasse und g) Umwandeln der elektrisch leitfähigen Formmasse in ein elektrisch leitfähiges Formteil. Vorzugsweise wird als elektrisch leitfähige Formmasse ein Leitklebstoff verwendet. Der Leitklebstoff ist ein Verbundwerkstoff, bei dem im Gegensatz zur dielektrischen Formmasse elektrisch leitfähige Partikel als Füllstoff elektrisch leitfähige Partikel eingesetzt werden. Das Umwandeln der dielektrischen Formmasse in das dielektrische Formteil und das Umwandeln der elektrisch leitfähigen Formmasse in das elektrisch leitfähige Formteil können gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.
Beispielsweise werden die dielektrische Formmasse auf die bereitgestellte Elektrode und die elektrisch leitfähige Formmasse auf den elektrischen Anschluss aufgetragen. Die dielektrische Formmasse wird angetrocknet, so dass eine nicht klebende, aber plastisch verformbare Haut (Antihaftschicht) auf der Formmasse resultiert. Nachfolgend wird die Gegenelektrode mit der dielektrischen Formmasse und der elektrischen Formmasse zusammengebracht. Die dielektrische Formmasse und die elektrische Formmasse werden ausgehärtet. Durch das Aushärten der elektrisch leitfähigen Formmasse wird die Gegenelektrode mit dem resultierenden elektrisch leitfähigen Formteil und damit mit dem elektrischen Anschluss fest verbunden. Es resultiert ein fester elektrischer Kontakt, über den die Gegenelektrode mit elektrischer Spannung versorgt werden kann. Im Gegensatz dazu entsteht zwischen der Gegenelektrode und der dielektrischen Formmasse kein bleibender Kontakt. Es wird lediglich die Oberflächenrauhigkeit der Gegenelektrode abgeformt. Durch Aushärten der dielektrischen Formmasse entsteht das dielektrische Formteil, das sowohl die Oberflächenrauhigkeit der Elektrode als auch die Oberflächenrauhigkeit der Gegenelektrode aufweist. Das dielektrische Formteil ist aber lediglich mit der Elektrode fest verbunden.
Vorzugsweise wird der Kondensator mit veränderbarer Kapazität zum Einstellen eines Frequenzbandes eines Frequenzfilters verwendet. Durch die Möglichkeit, ein Frequenzband eines Frequenzfilters durch elektrische Ansteuerung eines abstimmbaren Kondensators in einem weiten Bereich zu verändern, ist mit Hilfe der Erfindung ein Konzept der Nachrichtentechnik bzw. Mobilfunktechnik realisierbar, das als "Software Defined Radio" (SDR) bezeichnet wird. Ziel des SDR ist es, nicht diskrete Frequenzbänder, sondern beliebig (kontinuierlich) veränderbare Frequenzbänder für die Nachrichten- bzw. Mobilfunktechnik zu realisieren. Mit dem abstimmbaren Kondensator der vorliegenden Erfindung wird ein Grundbaustein zur Umsetzung des SDR zur Verfügung gestellt.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:
Hilfe des dielektrischen Formteils reduziert sich die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche zumindest einer der Elektroden des Kondensators. Damit ist ein sehr kleiner Luftspalt zwischen den Elektroden des Kondensators zugänglich.
Die Kapazität des Kondensators kann aufgrund des kleinen Luftspalts und durch die Verwendung eines Formteils mit einem hoch dielektrischen Formstoff in einem weiten Bereich variiert werden.
Insbesondere durch die Abstandseinstellung mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors kann die Kapazität des Kondensators in einem weiten Bereich sehr genau eingestellt werden.
Der Kondensator kann auf einfache Weise hergestellt werden. Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figur 1 zeigt einen Kondensator mit abstimmbarer Kapazität in einem seitlichen Querschnitt.
Figur 2 zeigt das Funktionsprinzips eines Kondensators mit abstimmbarer Kapazität durch Variation des Abstands zwischen Elektrode und Gegenelektrode des Kondensators .
Die prinzipiellen Zusammenhänge, auf denen die Erfindung basiert, sind der Figur 2 zu entnehmen. Der Kondensator 10 weist eine Elektrode 11 und eine in einem Abstand 13 zur Elektrode 11 und der Elektrode 11 gegenüber liegend angeordnete Gegenelektrode 12 auf. Der Abstand 13 zwischen der Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 ist veränderbar. Dies bedeutet, dass die Elektrode 11 und die Gegenelektrode 12 aufeinander zu bewegt und voneinander entfernt werden können .
Auf der Elektrodenoberfläche 111 der Elektrode 11 ist innerhalb des Abstandes 13 ein dielektrisches Formteil 15 in Form einer dielektrischen Schicht mit einer Schichtdicke 151 aufgetragen. Das Material der dielektrischen Schicht 15 weist eine effektive relative Dielektrizitätskonstante von etwa 40 auf. Die Schichtdicke 151 der dielektrischen Schicht 15 ist konstant, also nicht veränderbar. Zwischen der dielektrischen Schicht 15 und der Gegenelektrode 12 des Kondensators 10 befindet sich ein Luftspalt 14 mit einer veränderbaren Spaltweite 141. Durch die Veränderung der Spaltweite 141 des Luftspalts 14 wird der Abstand 13 zwischen der Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 des Kondensators 10 verändert. Je kleiner der Abstand 13 zwischen den Elektroden 11 und 12 gewählt werden kann, desto weiter ist der Abstimmbereich des Kondensators .
Besonders vorteilhaft ist zum Einstellen des Abstands 13 zwischen den Elektroden 11 und 13 die Verwendung eines piezoelektrischen Biegewandlers 20. Der Biegewandler 20 ist beispielsweise ein keramischer Biegewandler. Der keramische Biegewandler 20 zeichnet sich durch raue Oberflächen aus. In Figur 1 ist in starker Überhöhung ein piezoelektrischer
Biegewandler 20 mit rauen Oberflächen 22 zu sehen, der mit Aktorelektroden 21 und 22 beschichtet ist. Die Beschichtung erfolgt durch Bedampfung mit Metall. Somit ist Oberflächenrauhigkeit des Biegewandlers 20 in der Oberflächenrauhigkeit der Aktorelektroden 21 und 22 abgebildet. Insbesondere die Oberflächenrauhigkeit der Aktorelektrode 21, die als Gegenelektrode 12 des Kondensators 10 verwendet wird, erschwert das exakte Einstellen eines engen Luftspalts 14. Daher wird die Oberflächenrauhigkeit zumindest einer der Elektroden 11 oder 12 mit Hilfe des dielektrischen Formteils (dielektrische Schicht) 15 ausgeglichen. Das dielektrische Formteil besteht aus einem Verbundwerkstoff. Das Basismaterial des Verbundwerkstoffs ist ein Epoxidharz. Gefüllt ist das Epoxidharz mit einem Pulver des Barium-Strontium-Titanat-Systems . Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Pulvers beträgt weniger als 100 nm.
Zum Herstellen des Kondensators 10 wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird ein Substrat 1 mit der Elektrode 11 des Kondensators 10 bereitgestellt. Das Substrat ist ein keramisches Mehrschichtsubstrat. Das bereitgestellte Substrat 1 verfügt auch über einen elektrischen Anschluss 18 zur elektrischen Kontaktierung der Gegenelektrode 12 des Kondensators 10. Auf der Elektrode 11 des Kondensators 10 wird eine dielektrische Formmasse 150 und auf dem elektrischen Anschluss 18 eine elektrisch leitfähige Formmasse 170 aufgetragen. Es erfolgt eine Oberflächenbehandlung der dielektrischen Formmasse 150, so dass eine Antihaltbeschichtung 16 resultiert. Die Antihaftbeschichtung 16 ist plastisch verformbar. Nachfolgende wird die Gegenelektrode 12 mit der dielektrischen Formmasse 150 und der elektrisch leitfähigen Formmasse 170 zusammengebracht. Das Zusammenbringen erfolgt unter Druck. Dabei wird die mikroskopische Rauhigkeit der Aktorunterseite, die von der Aktorelektrode 21 des Biegwandlers 20 gebildet ist, in die dielektrische Formmasse 150 und die elektrische Formmasse 170 übertragen. Durch geeignete Materialeigenschaften wird sichergestellt, dass ein Verkleben mit der Aktorunterseite nur bei der elektrisch leitfähigen Formmasse 170 auftritt. Ein Verkleben der Aktorunterseite des Biegewandlers 20 mit der dielektrischen Formmasse 150 findet aufgrund der Antihaftschicht 16 nicht statt.
Nachfolgend werden die Formmassen 150 und 170 ausgehärtet. Es bilden sich das dielektrische Formteil 15 und das elektrisch leitfähige Formteil 17. Dabei entsteht eine bleibende Verbindung zwischen dem elektrischen Anschluss 18, des elektrisch leitfähigen Formteils 17 und der Gegenelektrode 12 des Kondensators (Aktorelektrode 21 des Biegewandlers 20) . Ebenso entsteht eine bleibende Verbindung zwischen dem dielektrischen Formteils 15 und der Elektrode 11 des
Kondensators 10. Zwischen dem dielektrischen Formteil 15 und der Gegenelektrode 12 bildet sich eine lösbare Verbindung. Aufgrund der lösbaren Verbindung kann die Spaltweite 141 des Luftspalts 14 mit Hilfe des piezoelektrischen Biegewandlers eingestellt werden. Da Oberflächenrauhigkeiten 113 der
Elektroden 11 und 12 ausgeglichen sind, kann die Spaltweite des Luftspalts 14 sehr genau eingestellt werden.
Der beschriebene abstimmbare Kondensator 10 wird zum Einstellen eines Frequenzbandes eines Frequenzfilters verwendet .

Claims

Patentansprüche
1. Kondensator (10) mit veränderbarer Kapazität mit mindestens einer Elektrode (11, 12) und - mindestens einer gegenüber der Elektrode (11, 12) in einem veränderbaren Abstand (13) zur Elektrode (11, 12) angeordneten Gegenelektrode (12, 11), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Abstands (13) zwischen der Elektrode (11, 12) und der Gegenelektrode (12, 11) auf einer
Elektrodenoberfläche (111, 121) zumindest einer der Elektroden (11, 12) mindestens ein dielektrisches Formteil (14) mit einem dielektrischen Formstoff zum Ausgleichen einer Oberflächenrauhigkeit (113) der Elektrodenoberfläche (111, 121) angeordnet ist.
2. Kondensator nach Anspruch 1, wobei der dielektrische Formstoff eine effektive relative Dielektrizitätskonstante von mindestens 20 und insbesondere von mindestens 40 aufweist.
3. Kondensator nach Anspruch 2, wobei der dielektrische Formstoff mindestens einen
Verbundwerkstoff mit mindestens einem Basisstoff und mindestens einem Füllstoff aufweist, der Basisstoff ein Kunststoff ist, der Füllstoff eine relative Dielektrizitätskonstante von mindestens 50 aufweist und ein Füllgrad des Füllstoffs im Basisstoff derart gewählt ist, dass die effektive Dielektrizitätskonstante mindestens 20 und insbesondere mindestens 40 beträgt.
4. Kondensator nach Anspruch 3, wobei der Füllstoff ein Pulver aus Pulverpartikeln mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser dso von unter 100 nm und insbesondere von unter 50 nm aufweist.
5. Kondensator nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Kunststoff ein Klebstoff ist.
6. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens eine der Elektroden (11, 12) mit mindestens einem piezoelektrischen Aktor (20) derart verbunden ist, dass durch elektrische Ansteuerung des Aktors (20) der Abstand (13) zwischen der Elektrode (11, 12) und der Gegenelektrode (12, 11) verändert werden kann.
7. Kondensator nach Anspruch 6, wobei die Elektrode, die mit dem Aktor (20) verbunden ist, eine Aktorelektrode
(21) des Aktors (20) ist.
8. Kondensator nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Aktor (20) ein piezoelektrischer Biegewandler ist.
9. Verfahren zum Herstellen des Kondensators (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit folgenden Verfahrensschritten : a) Bereitstellen der Elektrode des Kondensators, b) Aufbringen einer dielektrischen Formmasse auf der Elektrodenoberfläche der Elektrode, so dass die Elektrodenoberfläche durch die Formmasse abgeformt wird und c) Umwandeln der dielektrischen Formmasse in das dielektrische Formteil mit dem dielektrischen Formstoff, wobei die Oberflächenrauhigkeit der Elektrodenoberfläche ausgeglichen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei beim Umwandeln der Formmasse in das Formteil eine bleibende Verbindung zwischen dem Formteil und der Elektrodenoberfläche entsteht .
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei zum Bereitstellen der Elektrode ein Substrat (1) mit der Elektrode verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 mit folgenden weiteren Verfahrensschritten: d) Bereitstellen eines Substrats mit der Elektrode und mit einem elektrischen Anschluss zur elektrischen
Kontaktierung der Gegenelektrode des Kondensators, e) Auftragen einer elektrisch leitfähigen Formmasse auf dem elektrischen Anschluss, f) Verbinden der Gegenelektrode und der elektrisch leitfähigen Formmasse und g) Umwandeln der elektrisch leitfähigen Formmasse in ein elektrisch leitfähiges Formteil.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei als elektrisch leitfähige Formmasse ein Leitklebstoff verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei zwischen der Gegenelektrode und der dielektrischen Formmasse eine Antihaftschicht auf der Formmasse und/oder auf der Gegenelektrode angeordnet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei eine Antihaftschicht mit einer plastisch verformbaren KunststoffSchicht verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei eine Antihaftschicht mit einem Ölfilm verwendet wird.
17. Verwendung des Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Einstellen einer eines Frequenzbandes eine
Frequenzfilters .
18. Verwendung des Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Einstellen einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung.
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