Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 1 Kondensatorwerkstoffe Typ I r = 15...

Ingenierurkeramik II

3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

1

Kondensatorwerkstoffe Typ I r = 15 bis 500,Verlustfaktor tan< 0.003 istTemperaturkoeffizient = 10-4 und 2×10-3 K-1 = geringe Abhängigkeit von T.SiO2; Al2O3; TiO2 einfache Oxide und „zusammengesetzte“ Oxide 2SiO2·3Al2O3

Typ II r =2000 bis 20'000tan< 0.03Eigenschaften hängen stärker von Temperatur, Feldstärke und Frequenz ab als bei TypI DielektrikaFerroelektrika: Ba(Ti1-yZry)O3; Ba1-xSrxTiO3 etc. Typ III leitfähige Phase im K orn; Dieelektrika in KG, → Dicke des Dielektrikums klein. Arbeitsbereich 2 - 25 V. Wenn V>25 V: → Durchschlag. Einfache Strukturen und hohe Kapazitäten von über 1 F!Relaxor-Ferroelektrika



2

Typ I: Titandioxid TiO2 (Rutil-Keramik), SteatitMagnesiumtitanatPorzellanGlimmer Al2O3 GlasSiO2



3

Typ II: Ferroelektrika BaTiO3



4

Typ II: Ferroelektrika BaTiO3Verschiebung des Curiepunktes in Mischkristallreihen

Ba1-xSrxTiO3

r

Ba(Ti1-yZry)O3

r



5

BaTiO3-SrTiO3-CaZrO3



6

Korngrössenabhängigkeit von r max. Massnahme zur Verbreiterung des Maximums im er=f(T) Verhalten

Kornwachstumskontrolle durch Sinterzusätze mit geringer Löslichkeit im Ferroelektrikum: Solute Drag!



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Solute Drag zur Begrenzung des Kornwachstums

Ts<1300°C

BaTiO3+1mol%Fe2O3

Ts>1300°C

Löslichkeit von Fe2O3 klein in BaTiO3

Fe Anreicherung im Korngernzen-nahen BereichKG Mobilität klein::::Körner klein

Löslichkeit von Fe2O3 wird grösser in BaTiO3

Fe verteilt sich im Korn gleichmässigerKG Mobilität gross::::Körner werden grösser



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90°-Domänen in grobkörnigem (Ba0.8Ca0.2) TiO3

KG 50 -100 m: Domänen, er stark abhängig von der Temperatur

KG 1m: Ein Korn, eine Domäne, keine Zwillinge, fast kubische Kristallsymmetrie und paraelektrisch

günstige Zwillinge in grossen Körnern mit 90° Zwillinge



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Stabilisation der Polarisation durch Raumladungen in KG

Fixierte Ladungen in den Korngrenzen (Raumladungen) können mit den Dipolmomenten wechselwirken. Die Polarisierung wird stabilisiert; die Ferroelektrika werden „steifer“.

Phasenumwandlungen werden verzögert oder unterdrückt Hystereseverluste werden verringert die eingeprägte Polung der Keramik wird gefestigt.



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Zusätze • Zusätze, die die Temperaturabhängigkeit der r

ausgleichen und das Kornwachstum hemmen: Fe2O3, Ni2O3, MgO, CeO2, La2O3.

• Zusätze, die den spezifischen Widerstand erhöhen (MgO, NiO).

• Zusätze, die die Durchschlagfestigkeit erhöhen (ZnO, Sb2O3)



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Typ III-1 BaTiO3 / SrTiO3 mit Raumladungen und Sperrschichten.

Elektrode

Sperrschicht, hochohmig

Kern, niederohmigohmig

Elektrode

Korninneres:Hohe Leitfähigkeit durch:Donatoren wie seltene Erdoxide (Dy2O3, Nb2O5, Ta2O5 und Sb2O5) oder durch eine Reduktion

Akzeptoren wie CuO in den Korngrenzen:Netzwerke hochohmiger p-n-Übergänge: er=100'000, (GBBL - Grain boundary barrier layer).



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Typ III-2 BaTiO3 / SrTiO3 mit Raumladungen und Sperrschichten.

RGB

CGB

RB

CB



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Qualitätskriterien

• C = f(T,U,) (Die Kapazität und deren Abhängigkeit von Temperatur, Spannung und Frequenz)

• tan = f(T,U,) (Der Verlustfaktor und dessen Abhängigkeit von Temperatur, Spannung und Frequenz)

• R = f(T,U) bei t= kurz (Der Isolationswiderstand und dessen Kurzzeitabhängigkeit von Temperatur und Spannung)

• R = f(T,U(~)) (Isolationswiderstand bei Langzeitbelastung unter Wechselspannung

und erhöhter Temperatur)

• Umax (Durchschlagsspannung)

• r = f(t) bei U=0 (Alterungsverhalten der Dielektrizitätszahl, ohne elektrisches

Feld)



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Die Alterung

r (t) = k · log(t/t0)

0

2

4

6

8

10

12

-40

-30

-20

-10 0 5 10 20 25 30 40 50 60

T in °C

C in

nF

jung

gealtert

Verschiebung des Umwandlungspunktes nach einem Jahr.



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Bauformen



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Zusammenfassung

Keramische Dielektrika vom Typ I haben niedrige Dielektrizitätszahlen von 15 bis 150. Sie weisen eine sehr gute Temperaturkonstanz auf und zeigen kleine dielektrische Verluste. Dielektrika vom Typ II sind ferroelektrische Keramiken mit hohen Dielektrizitätszahlen von 2’000 bis 20'000. Sie haben eine merkliche Temperaturabhängigkeit und höhere Verluste. Typ III Kondensatoren beruhen auf dünnen Korngrenzsperrschichten mit ferroelektrischen Keramiken. Die Sperrschichten werden durch Dotierungen hergestellt.

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