Kondensator Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wi!ekel- konden!sator, in welchem :sehr dünne Filme aus Me tall und Diel'ektrikum verwendet werden.
Ein Kondensator, bei welchem ein anodvscher Oxyd'"film als Dielektrikum auf einer Metaäobemfläche aus Tantal, Alummium" Zirkonium oder Titan :usw. gebildet wird und,, bei welchem eine Schicht aus Halb leitermaterial, wie z.
B. Germaniumn, oder eine, Iso lierschicht, welche beispielsweise aus Magnesium- Fluorid besteht, oder eine j.e auis einer Halbleiter schicht und einer I,sodierschicht zusammengesetzte Schicht auf dem,
anodischen Oxydfüm durch Auf- dampfung oder kathod4schw Zerstäubung aufge bracht ist und bed welchem :
eine beispielsweise aus Aluminium bestehende !leitende Schicht ebenfalls durch Aufdampfung oder kathodische Zersitäubun!g auf der letztgenannten! Schicht aufgebracht ist, wo bei das erwähnte Grwndmetallll und die aufgebrachte leitende Schicht die beiden Elektroden des Konden sators bilden, hat den Vorteil,
bei besonders hohen oder tiefen Temperaturen verwendbar zu sein, da ein solcher Kondensator keinen Elektrolyten verwendet, wie dies bei den üblichen Elektrolytkondensatoren der Fall ist, und hat weiter den Vorteil, dass er gute Temperatureigenschaften hinsichtlich der Kapazität und des Verlustfaktors aufweist,
und dass er ausser dem ohne Zerstörung weitgehend .stabil ist. Die Prin zipien eines solchen Kondensators sind bekannt und beispielsweise im US-Patent Nr. 2 836 776 dargelegt.
Bei einem Kondensator der eben beschriebenen Art ist es üblich, den Anschlugss wie folgt vorzunieh- men: Im Falle, im, welchem die leitende Schicht, d. h.
eine der Elektroden, durch Aufdampfen von Alü- minium erzeugt wird, besteht ein praktisches Ver fahren zur Schaffung einer Ausgangsklemme darin, mit der gen@aneten Schicht einen Film aus organi. schein Isoliermaterial in Kontakt zu bringen,
und zwar beispielsweise. einen Po!lyäthylen-Terephthalat- Harzfdm, auf welchem Aluminium aufgedampft wor den ist. Diese auf dem Harzfilm aufgedampfte Alu- miniumschicht wird als Ausführungsleiter für dIie Elektrode betrachtet. Weiter wird ein Blatt aus Me- taff, wie z.
B. Silber, mit einem Ende der aufge dampften Schicht in Kontakt gebracht, und an die sem Blatt isst Bein MetaNdraht befegtigt, welcher als Klemme für die Elektrode dient.
In diesem Fall können jedoch Defekte auftreten, und zwar durch einen unstabien Kontakt zwischen dem Meta@l@l:
dra@ht und der aufgedampften Aluminium- schicht bzw. wegen der Isolation des Metalldrahtes von der aufgedämpften Schicht, hervorgerufen durch selektive Kurzschlüsse zwischen Teilen, der aufge dampften Schicht und den Rändern des Metalldrah- tes, wenn eine Spannung angol@egt wird,
wobei _diese Teile dann verdampfen.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Trockenkondensators, wel cher sehr dünne Metalffi@lme verwendet und günstige Temperatureigenschaften aufweist, bei welchen die Anschlüsse an die Elektroden leicht :herzustellen sind.
Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung eines Trockenko:ndensatoms, bei welchem die Elektroden;
aus sehr dünnen Meroaldfilmen beste- hen können und .bei welchem die Gefahr von Kurz- schlüssen im Betrieb herabgesetzt ist und die Wir- kung solcher Kurzschlüsse weniger schwerwiegend ist.
Ein, weiterer Zweck der Erfindung besteht 3n der Schaffung !eines Trockenkondensators, welcher min- destens eine aufs einem sehr dünnen Metal1Mm be- stehend!e Elektrode und Mittel aufweist,
um den Wi derstand dieser Elektrode beträchtlich zu vermindern. Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug nahme auf die Zeichnung beispielsweise näher er- läutert.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen stark vergrösserten Querschnitn durch ein Ausführungsbei- spiel des @erfi.ndungsgemässenKondensatans. Der dar gestellte Kondensator isit aus zwei verschiedenen Tei len aufgebaut.
Einer dieser Teile ist wiederum aus fünf Teilen wie folgt zusammengesetzt: dem Basis- metall 1, welches beispielsweise Tantal (A1uminium, Zirkonium, Tifta@n oder ein anderes Elmbilldendes Me- tall) isst,
einem anod'i@schen Oxydfilm 2 .als Di@elektri- kum, weJcher Film auf der Metallbasis 1 gebildet worden ist, weiter aueeiner Schicht 3 aus Isolier- matenial, wie z.
B. Magres iumfluorid, welche auf dem Oxydfilm 2 liegt, weiter ,aus einer Halbleiter- schicht 4, welche bespialsweisie aus Germanium be steht, und auf der Isolierschicht 3 durch! Vakuum- auifdampfung, Kathodenzerstäubung oder derglesthen aufgebracht ist,
und schliesslich aus einer Schicht 5 aus leitendem Material, wie z. B. A.luminium, welche auf dar Schicht 4 durch das gleiche Verfahren auf gebracht ist wie die Halbleiterschicht 4 auf der I@so- l ierschicht 3. Die, erwähnte Metallbasis 1 ist eine der Elektroden; des Kondensators.
Dieser erste Teil: des Kondensators i & t tatsäch lich der wirksame Teil desselben, wobei die Metall basis 1 und die leitende Schicht 5 die beiden Elek troden bilden. Da jedoch die Schicht 5 sehr .dünn ist, ist es nicht nur schwierig, an dieser einen Anschluss anzubringen, sondern sie wci-gt auch einen beträch:
t- liehen Widerstand auf, so dass weiter Mittel vorzu sehen sind, um: zwischen entsprechenden Punkten auf den beiden Elektroden eine bleichförmige Potential- differenz zu erhalten. Ausserdem iigt es schwierig,
den Film 5 beim Wickeln des KondensaMers vor Beschä digung zu schützen. Die vorgenannten .Schwierigkei= teil lassen sich durch Hinzufügen des zweiten, nach stehend beschriebenen TeiPws des Kondensators ble- heben.
Dieser zweite Teil des Kondensmors besteht sei- ne.rs.eits aus vier Teilen, nämlich: dem Basismetall 9, z. B. Aluminium, weiter aus einer anodischen Oxyd schicht 8 auf dem Basismetall 9,
einer Schicht 7 aus organischem Isoliermaterial auf der anodischen Oxyd schicht 8 und schliesslich aus einer leitenden Schicht 6 auf der Schicht 7 aus organischem Isoliermaterial.
Ein Ende der Schicht 6 aus leitendem Material wird dann mit dem Basismietall 9 in; Kontakt ge bracht. Dar Kondensator wird dann daduzch vervoll ständigt,<B>d413</B> man die leitenden Schichten 5 und .6 der beiden Teile miteinander in Kontakt bringt.
Die Schicht 7 aus organischem Isoliermaterial wird verwendet, um; die mechanischen Eigenschaften der Oxydsehicht 8 zu verbessern. Falls die anodische Oxydschicht 8 nicht vorhanden oder für Isolier- zwecke unzulänglich wäre,
dann würde ein an den schwachen Stellen des anodischen Oxydfilms 2 durch Einen Kurzschluss ,erzeugter Funken eine Deforma tion :
des Basismetalles 9 durch thermische und me- chanische Schläge bewirken und eine Berührung zwi schen dem, Film 2 und dem so deformierten Basis- metall 9 würde eintreten. Eine Selbstheilung, wie sie im Falle von metallisierten Papiewkonden:satoren er zielt wird, wäre nicht möglich (die Filme 2 und 8 können nämlich nicht leicht wegschmelzen, sie sind zu dick).
Wenn jedbch die Schicht 7 aus organischem Iso- liermateri'al auf der anodischen Oxydschicht 8 an gebracht ist, dann halten die Schichten 7 und 8 zu sammen den Schlag durch den vorerwähnten Funken aus, welcher durch einen Kurzschluss zwischen dem Basi:
smetal 1 und der leitenden Schicht 5 entsteht, so dass nur eine begrenzte Fläche der dünnen Schich ten 5 und 6 um die Funkenstelle herum zerstört wird und die Folien; 2 und 9 nicht zur B.erühru.ng kom men, wodurch eine Selftysith,eilung' des Kurzschlusses eintritt.
Was die Schicht 7 aus organischem Isol'ieirmate- rial betrifft, so ist ihre mechanische Festigkeit, wie z. B. ihre Zugsspannung, Elastizität usw., an sich ge ring, wenn sie in, dünnem Zustand verwendet wird.
Die Schicht 7 ist ausserdem beim Wickeln des Kon- densators empfindlich. Wenn die Schicht 7 jedoch überzogen und mit einer Metallfläche 9 kombiniert wird, welche einen anod;
ischen Oxydfiim. 8 aufweist, erweist-sie .sich als genügend widerstandsfähig. Für diese Schicht 7 lässt sich ein organisches Isoliermate- rial, wie z.
B. Sifikonharz, verwenden, welches zu hart ist, um, an sich: einen dünnen und widerstands fähigen Filia zu -ergeben., während seine thermische Stabilität .gut ist,
so dass die Deformation der Schicht aus organischem Isekermateirial infolge von Ausdeh- nung und Zusammenziehung durch Wärmeeinflüsse gering ist, da diese Schicht mit der porösen Ober- fläche des anodischen Fi nies kombiniert ist.
Die Metallschii'cht 9 wirkt tatsächlich als Zulei- tung für die Elektrode 5, da der Überzug 6, welcher aufs :einem sehr dünnen, im Vakuum aufgedampften Metaliiffm besteht, nicht leicht als Zuführung für die Elektrode 5 verwendet werden kann.
Daher muss der Überzug 6 mit der Metallschicht 9 kurzgeschlos- sen werden; und eine derartige Konstruktion ergibt gute Resultate. Der hohe elektrische Widerstand zwi schen den beiden Enden der Schicht 5 kann durch den Kurzschluss zwischen deir Schicht 6 und der Schicht 9, wenn er über die ganze Fläche der Schicht 5 wirksam :ist, beträchtlich vermindert werden.
Der anodische Oxyd-film 8 besteht beispielsweise aus Aluminiumoxyd, welches sich in einem sehr po rösen Zustand befindet. Die Schicht 7 wird auf dem Film 8 auf bekannte Weise so erzeugt, dass sie von. feinen Löchern durchsetzt ist.
Wenn somit die lei tende Schicht 6 beispielsweise durch Vakuumauf- dampfung aufgebracht wird, so geraten feine Metall teilchen in die erwähnten Löcher sowohl der porösen Schicht 7 als der porösen Schicht 8, so dass .die lei tende Schicht 6 und das Basismetall 9 nicht nur an einem Ende elektrisch gegenseitig in Berührung ste hen, sondern über einer ganzen Oberfläche durch die genannten Löcher,
und dadurch wird der elektrische Widerstand zwischen den Enden der aufgedampften Schicht 6 beträchtlich vermindert. Beispielsweise wird der Widerstand beim Au:sführungsbeüpilal auf 1/5 bis 1; lo des Widerstandes herabgesetzt, der sich ergäbe, wenn statt porösen Materiales ein Äthyl!entetrafluo- rid-Harzfilm, von 0,05 mm Dicke mit einer aufge dampften Aluminiumschicht versehen würde.
Bei der Hers@tel'lung eines Kondenisators lassen sich somit ein geringer Verlust .sowie stabile Eigenschaften erzielen, und zwar wegen der Verminderung des Widerstandes der leistenden Schicht, und als besonderes Merkmal lässt sich ein solcher Kondensator selbst bei einer Temperatur von 200 C oder mehr verwenden.
Nachstehend soll nun dargelegt werden, wie sich das zuvor beschriebene Kondensatorband beispiels- weise herstellen lässt.
An einer Tantalfolie 1 von 0,013 mm Dicke wird bei 110 Volt eine anodische Oxydation in, .einer wässerigen Ammoniumkarbonat- lösung vorgenommen, worauf die Schichten aus Mar- gnesiumfluorid,
Germanium und Aluminium auf der Oberfläche der Tantalfolie durch Vakuumaufdamp- fung erzeugt werden.
Eine anodische Oxydation an einer Aluminium- folie 9 von 0,02 mm Dicke wird durch Gleichstrom in Schwefelsäure erzeugt, wodurch ein Aluminium- oxydfgm 8 erzeugt wird, worauf eine Schicht 7 aus Silizlüm-Polymeren von 0,04 bis 0,
06 mm Dicke auf der Oberfläche aufgebracht wird. Das so entstandene Gebilde wird dann erwärmt und getrocknet und auf diesem durch Aufdampfung eine Aluminiumschicht erzeugt.
Durch Erzeugung einer Alumvniu.mschicht am Endteil, an welchem das Silizium- Polymer nicht aufgebracht Is:t, wird eine elektrische Verbindung zwi schen dieser Schicht und der Aluminiumfolie her- gestel@t. Die beiden so erzeugten Blätter werden auf- einandergesch!ichtet und gewickelt,
und ein Anoden anschluss wird durch Anlöten eines Kovar -Drahtes ( Kovar - geschützte Marke) an ein Ende der Tantalfolie 1 hergestellt, welcher Draht zur Anoden- klemme nach aussen geführt wird. Ein Kathoden anschluss wird hergestellt durch Anlöten eines Kovar -Drahtes ans ein Ende der Aluminiumfolie 9.
Der Kondensator wird: dann in ein zylindrisches Me- talll@gehäuse eingebracht und hermetisch verschlossen, wobei Glasklemmen zur Verwendung gelangen.
Ein auf diese Weise hergestellle!r Kondensator weist bei deiner gegebenen Konfiguration eine Kapa zität von 1,5 ,uF auf und hält bei noxmal@er Tempera- tureine Spannung von 35 Volt aus,.
Selbst wenn eine Spannung von 20 Volt während etwa 100 Stunden bei 200 C und' etwa während 5 Stunden bei 250 C angelegt wird, :lässt sich keine Zunahme des Rest stromes,
kein Kutzgchluss oder anderes abnormales Verhalten festste'ssen. Bis heutzutage betrug die höchstzulässige Temperatur bei Kondensatoren mit festen Elektrolyten und einem anodischen Oxydfilm als Delektrikum 150 C, während bei dem hier be schriebenen Kondensator die Temperatur bis :
auf 204 C und mehr erhöht werdien kann. Beim vorgenannten Beispiel wurde der anodigche Oxydfilir, auf der Oberfläche eines @lumnumbl@afi tes erzeugt, welches. das zweite Metall bildet. Selbst im Falle, in;
dem ein Svliziumpolymerfilm direkt auf das Aluminiumbi'att unter gleichzelliger Verdickung dieses Filmes aufgebracht wurde, ergaben sich un gefähr die gleichen Ergebnisse, wobei allerdings die thermische Stabilität !etwas geringer ausfiel.
Für das organische Isoliermaterial ,sind! Fluor- Polymere, A:lkyd-Po1ymere und Furan-Polymere usw. anstelle der Sil'izium-Polyme:re verwendbar.
Es: 1äss!t sich jedoch zeigen, dass S-lizium-Polymere am besten geeignet sind, um einen Kondensator mit bestmögli cher thermischer Stabilität zu erzeugen, welcher ins- besondere auch bei hohen Temperaturen stabil ist.
Obwohl für dass Dielektrikum auf dem Oxydfilrn einer mehrfachen Schicht, d. h. einer Is-o i!erschicht und seiner Halble1erschicht, der Vorzug .gegeben wird, ist die Isolierschicht aRein, welche beispielsweise aus Magniesiumflubrid oder Kali-uwmfl;
uo.rid besteht, oder die Halbleiterschicht aBecn, welche beispielsweise aus Germanium oder Bleisulfid besteht, genügend zur Her9Miung eines Kondensatoirs. Derart hergestellte Kondensatoren neigen jedoch zu einer gewissen Un- sitabilität, und! Kurzschlüsse können 1!eichter eintre ten, und in,
einer Massenherstellung besteht die Ge fahr von einem verhältnismässig grossen Ausachuss.