199636. lajstromszámú szabadalom • Eljárás ZnO varisztorok előállítására
HU 199636 B A találmány tárgya eljárás javított mikroszerkezetű kerámia ZnO varisztorok előállítására. A ZnO varisztorok a feszültségtől függő, nagymértékben nemlineáris ellenállások, melyek igen hatékony túlfeszültség levezetők áramkörök védelmére. A nemlineáris jelleg a kerámia térfogati tulajdonsága. Ilyen típusú varisztorokat nagytisztaságú, finomszemcsés ZnO és legalább két további fémoxid (vagy elővegyülete) homogén keverékéből készítik, melyből szerves kötő és csúsztató anyag (szokásosan polivinil-alkohol, röviden PVA és polietilén-glikol, röviden PEG) hozzáadásával tárcsákat sajtolnak, majd a tárcsákat kiégetés után elektród-felületekkel, kivezetőkkel és műgyanta burkolattal látják el. A ZnO varisztorok iránt mutatkozó széleskörű érdeklődést az eszköz szimmetrikus és nagymértékben nemlineáris feszültség — áramerősség (röviden: U(I)) karakterisztikája indokolja. Az U(I) karakterisztika jellegzetes menetét az 1. ábra szemlélteti. A görbe két jellegzetes pontja, melyeknek koordinátái konkrét esetben az eszköz használhatóságát szabják meg, az 1 letörési és a 2 feltörési pont. E között a két pont között a karakterisztika menetét matematikailag az 1 összefüggéssel lehet közelíteni, melyben I a varisztoron átfolyó áram, U a varisztor sarkain eső feszültség, C az 1 cm2 felületű, 1 mm vastag varisztor rétegen, egységnyi áramsűrűség (általában előírás szerint 1 mA) esetében eső feszültség, a a nemlineáris kitevő. A ZnO varisztorok fontos általános jellemzője, hogy a értéke nagy, és ez a nagy a érték több nagyságrendet átfogó áramerősség tartományon belül közel állandó (csak kis mértékben csökken). Az egyes varisztor típusok szempontjából lényeges az 1 letörési pontnak megfelelő letörési feszültség értéke, mert ez szabja meg a névleges alkalmazási feszültséget. Nagyságát elsősorban az alapanyag összetétele (az adalék minősége) szabja meg, de bizonyos mértékben a tárcsa vastagságával is befolyásolható. A 2 feltörési pontnak az áramerősség tengelyen elfoglalt helyzete korlátozza a varisztor által a túlfeszültség hatására levezethető áram impulzus csúcsértékét. A pont helyzetét a nagyobb áramerősségek felé legegyszerűbben a tárcsa átmérőjének növelésével lehet eltolni. A pont helyzete a varisztor kerámiájának mikroszerkezeti jellemzőitől is függ. A találmányunk szerinti eljárás célkitűzése, hogy a ZnO varisztor mikroszerkezetének megjavításával növelje az eszköz által levezethető áramimpulzusok csúcsértékét. 2 Alapja az a felismerés, hogy a kerámia mikroszerkezetét jelentős mértékben meg tudjuk javítani azáltal, ha a kerámia formatestek előállításánál a sajtólómasszában megfelelően megválasztott mennyiségű Zn-sztearátot és/vagy Mg-sztearátot alkalmazunk csúsztatóanyagként. A fenjiek álapján találmányunk tárgya eljárás javított mikroszerkezetű kerámia ZnO varisztorok előállítására az ismert masszakeverékek sajtolásával, majd a kapott formatestek égetésével, oly módon, hogy a formatestek sajtolásánál csúsztatóanyagként a száraz masszára számított 1—5 tömeg%, optimálisan 1—4 tömeg% mennyiségben Zn-sztearátot és/vagy Mg-sztearátot alkalmazunk. Együttes alkalmazás esetén a Mg-sztearát 2—5 szőrös mennyiségű. Az általunk javasolt eljárás lényegileg eltér azoktól a módszerektől, melyeket a szabadalmi irodalom a varisztorok által levezethető csúcsáramok növelésére vonatkozóan ismertet. Az eltérés megvilágítására röviden összefoglaljuk a ZnO varisztorok mikroszerkezetére, az azt befolyásoló tényezőkre és a mikroszerkezetnek a varisztor jellemzőire gyakorolt hatására vonatkozó fontosabb ismereteket. A varisztor kerámia mikroszerkezetének lényeges elemei a kis fajlagos rezisztenciájú (<I ohmcm),_n vezetési típusú félvezető ZnO szemcse és az alkalmazott egyéb fémoxidok egy részéből kialakuló szemcsék közti fázis. A nemlineáris tulajdonságok forrása az említett két fázis között kialakuló nagy és feszültségtől függő rezisztenciájú határréteg. A szemcse rezisztenciája csak a feltörési szakaszon szól bele a karakterisztika alakításába. Az újabb kutatási eredmények szerint (KJNGERY, W.D. et al. „A scanning transmission electron microscopy investigation of grain boundary segregation in a Zn0-Bi203 varistor" J. Amer. Ceram. Soc., 62, 221—222, 1979.; EDA, K- Electrical propterties of ZnO-Bi203. Metal oxide heterofunction. GRAIN BOUNDARIES IN SEMICONDUCTORS (ed. PIKE et. al.) pp. 381—392. Elsevier Sei. Publ. Co. 1982.) A szemcsék közti fázis két szomszédos ZnO szemcse érintkezési felületének legalább egy részén eltűnik, pontosabban atomos méretűvé vékonyodik el, és mint ilyen inkább diffúziós határrétegnek tekinthető. A határrétegben az idegen ionok és töltéshordozók egyensúlyi megoszlása két szembefordított potenciálgátat eredményez, melyek közül az egyik az áram irányától függően mindig záróirányban működik (szimmetrikus varisztor). A potenciálgát alakját nagymértékben befolyásolja a felületi állapotok koncentrációja. A varisztor effektus két szomszédos ZnO szemcse közötti egyetlen határrétegen is lemérhető. Az ilyen típusú mérések alapján megállapították, hogy az elemi varisztor letörési feszültségének értéke gyakorlatilag független az idegen fémion minőségétől. 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
