专利名称：陶瓷多层电容器的制作方法
技术领域：
说明了一种适用于高功率应用的陶瓷多层电容器。该多层电容器例如可以用作AC/DC或DC/AC转换器中的滤波元件。
背景技术：
公知有聚合物膜电容器和陶瓷电容器，例如所谓的X7R电容器。
发明内容
要解决的任务是说明一种具有高功率密度的电容器。说明了一种具有第一和第二电容器单元的陶瓷多层电容器，所述第一和第二电容器单元电并联。第一电容器单元具有第一材料，并且第二电容器单元具有第二材料。第一材料优选地不同于第二材料。例如，该电容器在OV至2000V的电压范围中运行。该电容器优选地在OV至700V的电压范围中运行。第一材料在施加低电压的情况下具有大的介电常数，并且第二材料在施加高电压的情况下具有大的介电常数。用术语“低电压”优选地表示处于所使用的电压范围的下部范围中、例如在所使用的电压范围的下三分之一中的电压。例如，下部电压范围对应于OV/μπι至3ν/μπι的场强范围。用术语“高电压”优选地表示处于所使用的电压范围的上部范围中、例如在所使用的电压范围的上三分之一中的电压。例如，上部电压范围对应于5V/ μ m直至第二材料的击穿场强的场强范围。用术语“大介电常数”优选地表示高于值500、特别优选高于值1000的介电常数。例如，第一材料在所使用的电压范围的下部范围中具有大于500、例如大于5000、优选大于10000的介电常数。例如，第二材料在所使用的电压范围的上部范围中具有大于2000、优选大于5000的介电常数。例如，第一材料在低电压下具有介电常数的最大值，并且第二材料在高电压下具有介电常数的最大值。多层电容器优选地由于电容器单元的并联而在高电压和在低电压下具有大的有效介电常数。该有效介电常数可以从多层电容器的电容中计算出。下面也将多层电容器的有效介电常数简称为多层电容器的介电常数。这样的陶瓷多层电容器优选地由于并联而在整个所使用的电压范围中具有大的介电常数。例如，介电常数在电压范围的每个点处都大于500、优选大于5000。每个电容器单元本身例如都可以仅仅在所使用的电压范围的仅仅部分范围中具有大的介电常数。例如，在每个电容器单元中，介电常数根据部分范围中的电压而采取最大值。例如，第一电容器单元的介电常数在低电压下采取最大值，并且在电压上升时强烈下降。相应地，第一材料的介电常数在外部生成的场强低的情况下采取最大值，并且在场强升高时强烈地下降。例如，第二电容器单元的介电常数在施加高电压的情况下采取最大值并且在电压下降时强烈地下降。相应地，第二材料的介电常数优选在高场强下采取最大值并且在低场强下强烈地下降。第二材料例如可以被选择为使得其针对与最大运行电压相对应的场强具有最大介电常数。由于电容器单元的并联以及由此得出各个介电常数叠加成多层电容器的介电常数，可以为了获得整个多层电容器的介电常数的所期望的变化曲线而使用这样的材料，在所述材料的情况下，介电常数强烈依赖于场强。在此，尤其是也可以考虑特别低成本和易于加工的材料。在电容器的一个实施方式中，多层电容器的介电常数的电压依赖性由于电容器单元的并联而小于各个电容器单元的介电常数的电压依赖性。这优选地适用于整个所使用的电压范围、例如从OV至700V。例如，多层电容器与所述电容器单元中的每个相比具有明显更平坦的介电常数变化曲线。多层电容器优选地具有随着场强而几乎恒定的介电常数变化曲线。在这种情况下，电容器具有特别均匀的行为。 例如，第一材料是铁电的，并且第二材料是反铁电的。用术语“铁电”来表示具有铁电特性、而且优选在所使用的电压范围内具有铁电特性的材料。用术语“反铁电”来表示具有反铁电特性、而且优选在所使用的电压范围内具有反铁电特性的材料。反铁电材料优选地在低场强下具有低介电常数。在较高电压下，得出介电常数的峰值。铁电材料优选地在低场强至中场强下具有介电常数的最大值。铁电材料的介电常数优选地在场强升高时减小。例如，为第一材料使用基于钛酸钡或钡酸铅的陶瓷。例如为第二材料使用基于锆钛酸铅的陶瓷。在另一实施方式中，为第二材料使用基于铋钠的陶瓷。 在一个实施方式中，多层电容器具有至少一个温度调节器以用于调节所述电容器单元中的至少一个的温度。优选地借助于温度调节器将一个或两个电容器单元的温度调整为使得整个电容器的功率能力、尤其是功率密度尽可能大。这特别是在一种或两种材料具有强烈依赖于温度的介电常数变化曲线时是有利的。例如，介电常数随着一种或两种材料的温度具有窄带的最大值。该最大值的宽度例如处于5K至20K之间。在这种情况下，温度调节器优选地将材料的温度调整到如下的值在所述值的情况下，该材料具有处于介电常数的最大值附近的、优选地处于最大值的边沿处的介电常数。在这种情况下，可以将介电常数保持为受控值，使得实现电容器的提高的运行安全性。在一个实施方式中，第二材料在与多层电容器的最大运行电压相对应的场强下具有最大介电常数。温度调节器优选地被构造为热敏电阻。尤其是可以为此使用PTC 陶瓷(PTC 代表 positive temperature coefficient —正温度系数)。通过使用陶瓷材料，可以将温度调节器以节省空间的方式集成到陶瓷电容器中，使得可以实现电容器的小型化和功率密度提高。温度调节器所需的体积优选为非常小的。例如，为第一材料使用强烈依赖于温度的陶瓷，为第二材料使用强烈依赖于场强的陶瓷，并且为温度调节器使用PTC陶瓷。温度调节器优选地是自调节的，使得在经调整的运行电压的情况下调整所期望的温度、即调节温度。该温度优选地通过温度调节器被保持恒定。在一个实施方式中，温度调节器被设置为将所述材料中的至少一种的温度调整到如下值在该值的情况下，该材料的介电常数尽可能大。例如，该材料的介电常数在所调整的温度下采取介电常数的最大值附近的值。例如，温度调节器被设置为将第一材料的温度调整到如下值在所述值的情况下，第一材料的介电常数尽可能大。例如，该材料的介电常数在所使用的电压范围中处于最大值附近。例如，所调整的温度处于第一材料的居里温度的范围中。第二材料可以在该温度范围中例如具有处于介电常数的最大值附近的介电常数。在一个实施方式中，在所调整的温度下超过第二材料的介电常数的最大值。 在另一实施方式中，温度调节器被设置为将第二材料的温度调整到如下值在所述值的情况下，第二材料的介电常数尽可能大。例如，第二材料的介电常数在所调整的温度下采取介电常数的最大值附近的值。该温度还可以被调整为使得得到整个多层电容器的介电常数的最大值或者介电常数和损耗角中的最优值。在另一实施方式中，第一温度调节器被用于调整第一材料的温度，并且第二温度调节器被用于调整第二材料的温度。第一和第二温度调节器尤其是可以彼此去耦合，使得第一材料和第二材料的温度不同。第一和第二材料的温度优选地被调整为使得第一以及第二材料的介电常数尽可能大。例如，两种材料的介电常数在所调整的温度下在所使用的电压范围中处于介电常数的相应最大值附近。在一个实施方式中，多层电容器具有过压保护装置，该过压保护装置与电容器单元电并联。在交变电压的情况下，由于第一与第二电容器之间的并联，导致电容器单元之间的电荷交换(Umladung)。过压保护装置用于降低电压尖峰。例如，过压保护装置被构造成可变电阻器。可替代或附加于此，在一个实施方式中，多层电容器具有过电流保护装置，以便降低电流尖峰。例如，过电流保护装置被构造成PTC元件。可替代或附加于过电流保护装置或过压保护装置，在一个实施方式中，多层电容器具有电感，所述电感与第一和第二电容器电串联。在交变运行电压的情况下，该电感可以用于在时间上控制电容器之间的电荷交换。在另一实施方式中，电容器可以具有两个以上电容器单元。例如，电容器具有包含第一材料的多个第一电容器单兀、以及包含第二材料的多个第二电容器单兀。电容器也可以具有包括其他材料的其他并联的电容器单元，所述其他材料不同于第一和第二材料。下面说明第一和第二材料的可能的组成。在所说明的多层电容器的情况下，尤其是可以由于电容器单元的并联而使用如下的材料所述材料在其余常见电容器的情况下由于其介电常数的强烈的温度或场强依赖性而不能被使用。例如，第一材料具有下列组成
a)
(1-κ) BaTiOj + X BaZr03 ,其中 O〈 x <0. 25 ；
b)BapxSrxTi1IZryO3，其中 ο < x < I 并且0 <= y < 1;
c)Pb1ISJixTi1IZryO3 ,其中 0 < X < I 并且0 <= γ < I ;
d)Ba^i —xCaxTii-yZryOj，其中 ο < χ < I 并且O O γ < I。
例如，第二材料具有下列组成
e)PbK5yLayTihZrzO3，其中 O〈 y〈 O. 15 并且 O. 6 < z < I ；
f)PbH.5yNdyTihZrz03，其中O〈 y〈 O. 15 并且 O. 6 < z < I ；
g)(1-x) PLZT + X PNZT,其中 O < χ < I,其中 PLZT 表示组成为
e)的材料，并且PNZT表示组成为f)的材料；
h)Bi。5Na。5Ti03 ；
i)(I-X) BNT + X BT,其中O < X < O. 35,其中BNT表示组成为h)的材料，并且BT表示组成为BaTiO3的材料；
k) (1-x) BNT + X PT ,其中O〈 X〈O. 35,其中BNT表示组成为h)的材料，并且PT表示组成为PbTiO3的材料。
下面根据示意性的并且非比例正确的附图来阐述所说明的器件。图I以示意性图示示出了多层电容器的第一实施例；
图2A示出了第一材料的介电常数的场强依赖性；
图2B示出了第二材料的介电常数的场强依赖性；
图2C示出了电容器的有效介电常数的场强依赖性，该电容器具有拥有第一材料的第一电容器单元和拥有第二材料的第二电容器单元；
图3A示出了反铁电材料的极化曲线；
图3B示出了依赖于图3A的反铁电材料的电场的介电常数；
图4示出了另一反铁电材料的极化曲线；
图5示出了用于将电容器单元与电感和过压保护装置电连接的实施例；
图6A以第一侧视图示出了多层电容器的第一实施例；
图6B以第二侧视图示出了图6A的多层电容器；
图6C以截面图示出了图6A和6B的多层电容器的片段；
图7A以第一侧视图示出了多层电容器的第二实施例；
图7B以第二侧视图示出了图7A的多层电容器。
具体实施方式
图I示出了陶瓷多层电容器I的示意性构造。多层电容器I具有第一电容器单元2和第二电容器单元3，所述电容器单元借助于电接线端子14、15并联。第一电容器单元2具有第一陶瓷材料，该第一陶瓷材料在施加低电压的情况下具有大介电常数。第二电容器单元3具有第二陶瓷材料，该第二陶瓷材料在施加高电压的情况下具有大介电常数。由于第一电容器单元2和第二电容器单元3的并联，针对整个多层电容器得出在高电压以及在低电压的情况下都高的介电常数。两个电容器单元2和3具有由陶瓷层和处于其间的电极层(在此未示出)构成的多层构造。将相应多层单元2、3中的陶瓷层的材料分别称为第一材料及第二材料。例如，第一材料是基于钛酸钡或钛酸铅的铁电陶瓷。第二材料例如是基于锆钛酸铅的反铁电陶瓷。可替代于此地，还可能的是基于BiNaTi2O3的不含铅的反铁电体或者其具有BaTiO3或PbTiO3的固相溶体。陶瓷也可以具有烧结添加物，例如硼玻璃或锂玻璃。电极层例如具有金属Ni、Cu、Ag、AgPd或Pd中的一种或多种。尤其是也可以使用非贵重的金属。 第一电容器单元2和第二电容器单元3与温度调节器4以导热方式连接，所述温度调节器4被构造成自调节的PTC元件。通过该温度调节器将电容器单元2、3的温度调整为使得整个多层电容器I的功率能力尽可能高。例如，温度被调整为使得铁电材料在该温度下具有介电常数的最大值附近的值。这尤其是在材料的介电常数的变化曲线强烈依赖于温度的情况下是有利的。在具有组成Ba (Ti，Zr)03的铁电材料的情况下，温度例如被调整到 80。。。替代于单个温度调节器4，也可以使用彼此去耦合的第一温度调节器和第二温度调节器。第一温度调节器和第二温度调节器可以被设置为将第一材料和第二材料的温度分别调节到这样的值，在该值的情况下所述材料的介电常数尽可能大。第一电容器单元2借助于电接线端子14、15与第二电容器单元3机械连接。第一电容器单元2和第二电容器单元3也可以固定在共同的底座上。图2A不出了第一材料、例如铁电材料的依赖于场强E的介电常数K的场强依赖性，该第一材料可以用在图I的第一电容器单元3中。在低电压下，介电常数为大的、优选明显大于值500、特别优选明显大于值1000。在高电压下，介电常数强烈下降。图2B示出了第二材料的依赖于场强E的介电常数K的变化曲线。例如，第二材料是可以用在图I的第二电容器单元3中的反铁电材料。第二材料在施加高场强的情况下具有介电常数的最大值。最大介电常数优选地明显大于500、并且优选明显大于1000。在低场强下，介电常数显著更小。第二材料的介电常数因此是强烈依赖于场强的。图2C示出了多层电容器的有效介电常数Keff的场强依赖性，该多层电容器具有拥有图2A的第一材料的电容器单兀和拥有图2B的第二材料的第二电容器单兀。由于电容器单元2、3的并联，由图2A和2B的介电常数的叠加得出介电常数。多层电容器的介电常数在大电压范围中处于高值、优选处于明显高于值500、特别优选处于明显高于值1000。此外，介电常数在大电压范围上具有扁平的变化曲线并且因此具有小的场强依赖性。图3A示出了可以在多层电容器中用作第二材料的反铁电材料的极化曲线。在升高的场强E的情况下的极化P由向上的箭头来表征，并且在下降的场强E的情况下的极化P由向下的箭头来表征。该反铁电材料例如基于PbZr03。图3B示出了从图3A导出的、依赖于场强E的介电常数K。介电常数K在围绕O. 12MV/cm的电场范围中处于12000。这例如在陶瓷层的层强度为20 μ m至80 μ m的情况下对应于240V至960V之间的运行电压。整个电容器优选地在大的场强范围中具有类似地高的介电常数。例如，电容器在高达500V的电压下运行。图4示出了基于BiNaT2O6的另一材料的极化曲线，该材料可以用作多层电容器的第二材料。该极化曲线比图3A的材料的极化曲线具有更扁平的变化曲线。在这种情况下，最大介电常数小于图3B中所示的最大介电常数并且具有更小的场强依赖性。类似的极化曲线从例如BiMgTi2O6的同型替代物中以及在具有Bi不足的陶瓷情况下得出。为了稳定电负性，该陶瓷例如可以附加地掺杂有Nd或La。利用这样的材料与PbTi03、BaTiO3^ PbZrO3或BaZrO3或其组合之间的固相混合，处于其间的变化曲线也是可能的。图5示意性地示出了多层电容器I的电路图13，该多层电容器具有电并联的第一电容器单元2和第二电容器单元3。
由于电容器单元2、3的并联，在交变运行电压下出现电荷交换。为了时间上的控制，因此在第一电容器单元2与第二电容器单元3之间串联电感6。为了保护免受过压，将被构造为可变电阻器的过压保护装置7与电容器单元2、3电并联。替代于可变电阻器也可以使用能够快速减小所出现的电压尖峰的其他器件。过压保护装置7和电感6例如可以通过合适的连接技术在外部接线或者一起构造在模块中。图6A不出了多层电容器I的第一实施例的侧视图。多层电容器具有第一电容器单元2和第二电容器单元3，这些电容器单元借助于电接线端子14、15并联。在第一电容器单元2与第二电容器单元3之间布置有自调节的PTC发热元件形式的温度调节器4。多层电容器I例如在应用电压为400V的情况下具有至少为5 μ F/cm3、优选至少为10 μ F/cm3的功率密度。图6B绕纵轴旋转90°地示出了图6A的多层电容器I。在此，表明了电容器单元2、3的层构造。电容器单元2、3中的每个都具有一定数目的陶瓷层24、34以及处于其间的电极层23、33。陶瓷层24、34分别具有第一或第二材料。电容器单元2、3具有平坦的外电极25、35，通过所述外电极，电极层23、33与接线端子14、15电连接。例如，接线端子14、15借助于焊接材料、导电胶或借助于线接合固定在外电极25、35处。外电极25、35例如可以被构造成煅烧膏。在另外的实施方式中，接线端子也可以直接与电极层23、33连接，使得在这种情况下不设置外电极25、35。温度调节器4与第一电容器单元2和第二电容器单元3热耦合，使得该温度调节器可以将两个电容器单元2、3的温度调整到所期望的值。温度调节器4分别借助于导热粘接剂47固定在第一电容器单元2和第二电容器单元3处。通过间隙48来将温度调节器4与电容器单元2、3的外侧电绝缘。图6C示出了多层电容器I的片段，该片段的位置在图6A和6B中由圆圈示出。该片段在对应于图6A中的俯视图的侧面俯视图中示出。在此能够看到温度调节器4的电接线端子45。温度调节器4具有两个电极层461、462，其中电极层461与接线端子之一 45电连接，并且另一电极层同与之相对的接线端子44电连接。电极层之一 461被引导到接线端子45，另一电极层462与该接线端子45间隔开并且被引导到接线端子44。
图7A示出了多层电容器I的第二实施例，其中多个第一电容器单元201、202和多个第二电容器单元301、302以交替的顺序彼此并排布置。电容器单元201、202、301、302具有共同的热包封8。图7B以绕纵轴旋转90°的视图示出了图7A的多层电容器。在此，如在图6B中那样，表明了电容器单元201、202、301、302中的每一个的多层构造。多层电容器具有两个温度调节器401、402，其中温度调节器401布置在电容器单元201、202、301、302之上，并且第二温度调节器402布置在电容器单元201、202、301、302之下。温度调节器401、402具有相同的调节温度。通过这种方式，可以实现特别可靠的温度调整。
附图标记列表
I多层电容器
13示意性电路图
14、15电接线端子
2,201,202 第一电容器单元
23电极层
24第一材料的陶瓷层
25外电极 3,301,302 第二电容器单元
33电极层
34第二材料的陶瓷层
35外电极 4,401,402 温度调节器
43热敏电阻材料
44,45电接线端子
461、462 电极层
47导热粘接剂
48间隙
6电感
7过压保护装置
8包封
E电场强度
K介电常数
Keff有效介电常数
权利要求
1.陶瓷多层电容器， 包括具有第一材料的第一电容器单兀(2, 201, 202),并且包括具有第二材料的第二电容器单元(3，301，302)，其中第一材料与第二材料不同，其中第一电容器单元(2，201，202)和第二电容器单元(3，301，302)电并联，并且其中第一材料在施加低电压的情况下具有大介电常数(K)并且第二材料在施加高电压的情况下具有大介电常数(K)。
2.根据权利要求I所述的多层电容器， 其中多层电容器(I)的介电常数(K)在整个所使用的电压范围中大于500。
3.根据权利要求I或2之一所述的多层电容器， 其中在整个电压范围中多层电容器(I)的介电常数(K)的电压依赖性由于电容器单元(2,201,202,3,301,302)的并联而小于各个电容器单元(2，3)的介电常数(K)的电压依赖性。
4.根据权利要求I至3之一所述的多层电容器， 其中第一材料具有铁电特性，并且第二材料具有反铁电特性。
5.根据权利要求I至4之一所述的多层电容器， 具有至少一个温度调节器(4，401，402)以用于调节电容器单元(2，201，202，3，301，302)中的至少一个的温度。
6.根据权利要求5所述的多层电容器， 其中温度调节器(4，401，402)被构造为热敏电阻。
7.根据权利要求5或6之一所述的多层电容器， 其中温度调节器(4，401，402)被设置为将所述材料中的至少一种的温度调整到这样的值，在该值的情况下，该材料的介电常数(K)在所使用的电压范围中处于最大值附近。
8.根据权利要求5至7之一所述的多层电容器， 具有第一温度调节器(4，401，402)以用于调整第一材料的温度，并且具有第二温度调节器(4，401，402)以用于调整第二材料的温度。
9.根据权利要求8所述的多层电容器， 其中第一温度调节器(4，401，402)被设置为将第一材料的温度调整到这样的值，在该值的情况下，第一材料的介电常数(K)在所使用的电压范围中处于最大值附近，并且其中第二温度调节器(4，401，402)被设置为将第二材料的温度调整到这样的值，在该值的情况下，第二材料的介电常数(K)在所使用的电压范围中处于最大值附近。
10.根据权利要求I至9之一所述的多层电容器， 其中第一材料是基于钛酸钡或钛酸铅的陶瓷。
11.根据权利要求I至10之一所述的多层电容器， 其中第二材料是基于锆钛酸铅或铋钠的陶瓷。
12.根据权利要求I至11之一所述的多层电容器， 其中第一材料具有下列组成a)(1-x) BaxiOj + x BaZrOg ,其中 O〈 x <0. 25 ； b) BQi_■ι'χ i i 丄一yZi yU j ，其中 0 〈 X < I 并且 Oy < I ;
13.根据权利要求I至12之一所述的多层电容器，其中第二材料具有下列组成e)PbK5yLayTihZrzO3，其中 O〈 y〈 O. 15 并且 O. 6 < z < I ；f)PbH.5yNdyTihZrz03，其中O〈 y〈 O. 15 并且 O. 6 < z < I ；g)
14.根据权利要求I至13之一所述的多层电容器， 具有过压保护装置(7)，所述过压保护装置(7)与电容器单元(2，201，202，3，301，302)电并联。
15.根据权利要求I至14之一所述的多层电容器， 具有电感，所述电感电串联在第一电容器单元(2，201，202)与第二电容器单元(3，.301,302)之间。
全文摘要
说明了一种陶瓷多层电容器(1)，包括具有第一材料的第一电容器单元(2，201，202)并且包括具有第二材料的第二电容器单元(3，301，302)。第一电容器单元(2，201，202)和第二电容器单元(3，301，302)电并联。第一材料在施加低电压的情况下具有大介电常数(K)并且第二材料在施加高电压的情况下具有大介电常数(K)。
文档编号H01G4/30GK102714096SQ201180007051
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者A.特斯蒂诺, C.霍夫曼, G.恩格尔 申请人:埃普科斯股份有限公司