DE1471483B2 - Keramisches dielektrikum - Google Patents

Description

Die Erfindung bezweckt, keramische Dielektrika zu schaffen, die eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen niedngen Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante aufweisen. Bei Verwendung eines dielektrischen Materials gemäß der Erfindung kann man Kondensatoren von geringen Abmessungen mit guten Temperatureigenschaften und sehr niedriger Induktanzbeanspruchung herstellen.

Bekanntlich haben keramische Stoffe aus Bariumtitanat weitgehende Verwendung gefunden. Ihre Verwendbarkeit als Dielektrika ist jedoch begrenzt durch die sehr scharfe Änderung der Dielektrizitätskonstante in Umgebung des Curie-Punktes, der bei etwa 120°C liegt. Es wurder deshalb Versuche unternommen, die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante zu vermin.· ;rn. Die Zugabe von Calcium-Titanat und Magnesium-Titanat hat zwar einen gewissen ausgleichenden Einfluß auf die Temperaturabhängigkeit, bewirkt aber andererseits eine Erniedrigung der Dielektrizitätskonstante, wodurch die praktische Verwendbarkeit stark eingeschränkt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines SrTiO₃ enthaltenden keramischen Dielektrikums mit kleinem Temperatur-Koeffizienten, einer guten Temperaturcharakteristik und zugleich einer hohen Dielektrizitätskonstanten. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch folgender Zusammensetzung gesintert wird:

SrTiO₃ 20 bis 80 Gewichtsprozent

Bi₂O₃ · 2 TiO₂ 10 bis 60 Gewichtsprozent

MgO 5 bis 35 Gewichtsprozent

Diese Gewichtsverhältnisse führen zu optimalen Ergebnissen.

Aus der britischen Patentschrift 860 019 ist ein Dielektrikum bekannt, zu dessen Herstellung die V/ismutverbindung 2 Bi₂O₃ · 3 TiO₂ verwendet wird lind das neben BaTiO₃ auch SrTiO₃ oder MgTiO_n tnthalten kann. Die bekannte Wismutverbindung unterscheidet sich jedoch gegenüber der beanspruchten sowohl in ihrer chemischen Struktur als auch in ihren dielektrischen Eigenschaften. 2 Bi₂O₃ · 3 TiO₂ hat eine Dielektrizitätskonstante von 107 und einen positiven Temperaturkoeffizienten von +670' 10-*/° C, und Bi₂O₉ ■ 2 TiO₂ hat eine Dielektrizitätskonstante von 91 und einen negativen Temperaturkoeffizienten von —235 · 10-V⁰C. Bei dem bekannten Dielektrikum wurde die Wismutverbindung zugegeben, um bei einem BaTiOa'Dielektrikum die Dielektrizitätskonstante bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punktes zu erhöhen. Es war nicht vorauszusehen, daß man mit der andersartigen Wismutveroindung gemäß der Erfindung im Verein mit der ebenfalls neuen Zugabe von MgCO₃ den Temperaturkoeffizienten in dem Maße regulieren kann, wie es aus den Diagrammen der F i g. 2 und 3 ersichtlich ist.

Für die oben angegebenen Grenzen der Mischungsverhältnisse gelten folgende Feststellungen:

Wenn der Gehalt an SrTiO₃ oberhalb 80 Gewichtsprozent liegt, wird der Temperaturkoeffizient der

ίο Dielektrizitätskonstunte zu groß in negativer Richtung, und zum Sintern ist eine Temperatur oberhalb 1380°C erforderlich. Wenn der Gehalt an SrTiO₃ unterhalb 20 Gewichtsprozent liegt, wird die Dielektrizitätskonstante niedrig. Außerdem wird die Verglasung schwierig, und die hergestellten Körper haben keine dichte Struktur. Wenn der Gehalt an Bi₂O₃ · 2 TiO₂ 60 Gewichtsprozent überschreitet, haben die Körper keine dichte Struktur. Bei weniger als 10°/₀ ist zum Sintern eine höhere Temperatur als 1380^cC erforderlieh. Wenn der Gehalt an MgCO₃ 35 Gewichtsprozent überschreitet, tritt eine hohe Schrumpfung auf, die Dielektrizitätskonstante wird niedrig, die Sintertemperatur liegt oberhalb 1400^cC, und die Verglasung wird schwierig. Bei einem Gehalt von weniger als 5 Gewichtsprozent bekommt der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante einen hohen negativen Wert, und der Stoff ist praktisch unbrauchbar.

F i g. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur

und der Dielektrizitätskonstante eines bis jetzt gebräuchlichen, aus Barium-Titanat bestehenden dielektrischen Materials. Der Curie-Punkt liegt bei etwa 120⁰C, und in diesem Bereich ist der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante sehr groß.

Das Dreiecksdiagramm der F i g. 2 zeigt für erfindungsgemäß hergestellte Stoffe die Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante vom Gewichtsverhältnis der drei Mischungskomponeiiten SrTiO₃, Bi₂O₃ · 2TiO₂ und MgCO₃. Aus den Kurven ist die Änderung der

Dielektrizitätskonstante bei Änderung des Mischungsverhältnisses zu entnehmen.

F i g. 3 zeigt ebenfalls in einem Dreiecksdiagramm die Beziehungen zwischen dem Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante und dem Mischungsverhältnis. Die Zahlenwerte im Diagramm sind die jeweiligen Temperaturkoeffizienten.

Alle in F i g. 2 und 3 angegebenen Werte wurden bei 1 Megahertz gemessen.

Ein dielektrisches Material gemäß der Erfindung läßt sich folgendermaßen herstellen:

Nach Zugabe eines Mineralbildners, wie Mangansulfat, wird das SrTiO₃ vorgesintert und dann gepulvert, Dann wird es mit einem Gemisch von Wismutoxyd und Titanoxyd (Bi₂O₃ · 2 TiO₂) und mit MgSO₃ vermischt. Nach der Formung wird dieses Gemisch während 2 bis 3 Stunden an der Luft bei 1250 bis 135O°C gesintert. Die Sintertemperatur und -zeit ändert sich je nach dem Mischungsverhältnis. Die Temperatur soll nicht oberhalb der Sublimations-

^fio temperatur liegen.

Zur näheren Erläuterung werden zwei Ausführungsbeispiele gegeben.

Beispiel 1

Strontium-Titanat (SrTiO₈) wurde 0,3 "/„ Mangansulfat (MnSO₄) zugemischt. Diese Mischung wurde bei 132O°C vorgesintert und dann mit Bi,O₃ ■ 2 TiO₂ und MgCO, im Gewichtsverhältnis SrTiO₃: Bi_aO₉ ·

2 TiO₉: MgCO₃ = 57: 36: 7 vermischt. Nach der Formung wurde bei 135O⁰C gesintert, Das entstandene keramische Dielektrikum hatte eine Dielektrizitätskonstante von 1180, und deren Temperaturkoeffizient betrug -1100 · 10-·/° C.

Die Eigenschaften in diesem und dem folgenden Beispiel wurden bei 1 Megahertz gemessen.

Beispiel 2

Nach Zugabe von 2°/o Mangansulfat wurde SrTiO₃ bei 132O⁰C vorgesintert und anschließend gepulvert. Dann wurden Bi₀O₃ · 2 TiO_a und MgCO₃ zugemischt. Das Mischungsverhältnis war SrTiO₃: Bi₉O₃ · 2 TiO_a: MgCO₃ = 51; 32; 17, Das Gemisch wurde geformt und bei 1350° C gesintert. Der entstandene Körper hatte eine Dielektrizitätskonstante von 945, und deren Temperaturkoeffizient betrug ± 0.

Aus diesem Beispiel geht hervor, daß man ausgezeichnete Eigenschaften erhält, wenn der Anteil an SrTiO₃ etwa 50 Gewichtsprozent beträgt. Bei einem ίο Temperaturkoeffizienten von ± 0 erhält man eine ausreichend hohe Dielektrizitätskonstante.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines SrTiO₃ enthaltenden keramischen Dielektrikums, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von 20 bis 80 Gewichtsprozent SrTiO₃, 10 bis 60 Gewichtsprozent Bi₂O₃ ■ 2 TiO₂ und 5 bis 35 Gewichtsprozent MgCO₃ gesintert wird.

2. Verfahien zur Herstellung eines Dielektrikums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst SrTiO₃ unter Zugabe eines Mineralbildners, wie MnSO₄, vorgesintert und dann pulverisiert wird, worauf die beiden anderen Mischungskomponenten zugemischt werden und nach Formung bei 1250 bis 1350⁰C gesintert wird.